1.本发明涉及光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及基于声、光、电等媒介的目标探测、成像识别、无线通信技术领域，具体涉及一种圆柱扫描微波成像方法及其在上述各领域中的应用。
背景技术：
2.从激光全息成像技术演变而来的数字全息成像技术，成像分辨率高，是目前毫米波主动成像的首选技术之一，并且国内外已有相关产品在不同领域推广应用。
3.但传统数字全息成像技术仍具有许多缺陷和不足，主要包括：
4.1)运算量大，成本高、成像速度慢
5.现有数字全息成像技术成像时需要依次进行快速傅里叶变换(fft)和快速傅里叶逆变换(ifft)两次运算(“fft-相位补偿-ifft”运算)，运算量极大，对硬件环境和计算资源的配置要求高，故而造成硬件价格和运行成本均较高，此外，由于需要依次进行fft和ifft两次运算，因此成像速度较慢。
6.2)仅可用于近场成像，无法远距离成像
7.现有数字全息成像技术中，当目标距离较远时，相位补偿可忽略不计，此时相当于进行“fft-ifft”运算，会造成成像失真甚至成像失败。
8.此外，作为全息成像技术的一种新拓展，圆柱扫描成像具有立体成像能力，能快速实现对目标的圆周扫描和全方位成像，相对于平面线性扫描体制，圆柱扫描成像用途更为广泛。然而，现有的全息成像技术虽然也可实现圆柱扫描成像，但其成像方法往往非常复杂，硬件成本高，成像速度慢，而且针对被动成像和主动成像需采用不同的技术，相互兼容性较差，从而给实际使用增加了困难，并且现有方法大多不适用于大角度成像应用场景，在目标偏离阵列法线方向较大角度时成像效果变差，此时分辨率低而无法获得令人满意的成像效果，因此，开发一种兼容性良好、成像效果出色、适用范围更广、成像速度更快的圆柱扫描成像方法具有重大的应用价值。
技术实现要素：
9.为了克服传统数字全息主动成像尤其是圆柱扫描成像技术存在的上述缺陷和不足，本发明提供了一套解决方案。
10.如附图1所示，采用线阵围绕目标p进行圆周扫描，依次记录所扫过的圆柱阵面上的回波分布，通过对数据进行成像处理，即可实现对目标的全方位成像。
11.建立成像系统的坐标系，p为目标，q为目标的像，合成的局部天线阵面位于z＝0的平面上，标记x表示收发天线单元。
12.设扫描柱面的半径为ρ，表示柱坐标系下，阵列单元偏离阵列中心的角度。用(x,y,z)表示阵列单元的坐标，随着扫描位置的变化，阵列单元的坐标存在如下计算公式：
[0013][0014]
信号经过单程r1、r2传播时引入的传播相移为：
[0015][0016]
其中对成像聚焦有用的变量部分为：
[0017][0018]
其中：φ1为散射源p到阵列单元的传播相移，φ2为阵列单元到像点q的传播相移，为波数，u为物距，v为像距，(ζ,ξ)为散射源坐标，(x,y,z)为阵列单元坐标，(δ,σ)为像点坐标。
[0019]
其中，随着柱面扫描，将合成的天线阵列等效为焦距为f的透镜，则透镜单元的有效相移为：
[0020][0021]
其中：φ
l
为阵列单元的透镜相移，f为焦距。
[0022]
在被动成像时，天线单元不发射探测信号，仅用来接收目标的散射信号，天线收到目标散射信号后，以球面波的形式进行二次散射，则经过不同的传输路径r1、r2和透镜单元相移后到达像平面处的场强为：
[0023][0024]
在全息成像时，信号从天线单元发出，到目标反射后被天线单元所接收，信号经历了路程为r1的双程传输，对应的相位延迟为2φ1。在成像处理时，需要对透镜单元相移、r2传播相移都作双程处理：收发天线单元依次发射探测信号，经过目标p反射后的信号到达收发天线单元后，以球面波的形式进行二次散射，则经过不同的传输路径r1、r2双程相移后到达像平面处的场强为：
[0025][0026]
比较上述两种情况下的成像公式，通过引入辅助性选择参数η，可统一上述两个公式如下：
[0027][0028]
其中，η＝1适用于被动成像，η＝2适用于主动全息成像。
[0029]
在实际成像时，仅需要进行如下处理即可：
[0030]
[0031]
天线单元接收到的目标信号为e，a为幅度加权系数。代入φ
l
和φ2表达式后进行化简得：
[0032][0033]
其中，其中，
[0034]
当满足成像条件时，上式可简化为：
[0035][0036]
利用关系式：积分变换后：
[0037][0038]
将上式离散化：
[0039][0040]
其中，符号exp表示以欧拉常数e为底的指数函数。令yn＝y0+nδy，带入上式化简整理得：
[0041][0042]
其中，
[0043]
上式右边的系数满足反应了像场的空间波动特性，对成像基本无影响，可忽略。不考虑系数的影响，求和运算可用二维ifft进行快速求解，则像场计算公式为：
[0044][0045]
不考虑运算核中的影响，计算公式可进一步简化：
[0046][0047]
其中，ifft表示二维或三维ifft运算。ifft计算结果对应的ω
δ
、ω
σ
取值范围为：ω
δ
∈[0,2π]、ω
σ
∈[0,2π]，进行fftshift运算后将ω
δ
、ω
σ
取值范围变换为：ω
δ
∈[-π,π]、ω
σ
∈[-π,π]，此时的像才是符合实际分布的像，并且与源场之间具有良好的线性映射关系。
[0048][0049]
结合阵列天线理论，有ω
δ
＝ηkδ
x
sinθ
δ
、ω
σ
＝ηkδysinθ
σ
。
[0050]
由于离散fft变换的重复周期为2π，若要求不出现图像混叠，则应有
[0051]
|ω|≤π；
[0052]
设单元间距为δ，从而有：
[0053][0054]
通常θ的有效范围为[-π/2,π/2]，保证上式始终成立的条件为：
[0055][0056]
圆柱扫描半空域图像无混叠条件为：
[0057]
采用阵列天线理论对像点扫描角坐标进行修正：
[0058][0059]
我们的研究表明，配相公式可以进一步改进，用目标斜距r代替物距参数u可改善大角度情况下的成像性能：
[0060][0061]
在上述认识的基础上，本发明提供了一种圆柱扫描微波成像方法，本方法基于透镜成像原理，结合电磁场理论，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布，其具体算法如下：
[0062][0063]
其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，为像场分布，为阵列单元接收到的目标信号，a
mn
为阵列单元幅度加权系数，为圆柱扫描幅度加权值，为聚焦相位加权系数，为圆柱扫描相位补偿系数，为扫描相位加权系数，m为x方向的阵列单元数量，n为y方向的阵列单元数量，(xm，yn)为阵列单元的坐标，(δ，σ)为像点的坐标，v为像距，即成像平面到阵列平面的距离，η为对象选择性参数，根据成像系统的特性选择不同的值，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，为波数，λ为波长，符号∑代表求和运算。
[0064]
进一步地，本发明方法通过选择不同的参数η值，可适用于不同的成像系统，具体而言：
[0065]
选择η＝1时，适用于被动成像系统、半主动成像系统；
[0066]
选择η＝2时，适用于主动全息成像系统。
[0067]
进一步地，本发明方法包括下述步骤：
[0068]
步骤一：对阵列单元信号进行幅度加权以降低副瓣电平；
[0069]
步骤二：对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦；
[0070]
步骤三：对阵列单元信号进行圆柱扫描幅度补偿和相位补偿以改善成像性能；
[0071]
步骤四：对阵列单元信号进行波束扫描相位加权以调整成像系统中心视角方向；
[0072]
步骤五：采用高效并行算法，对阵列单元信号进行快速成像处理；
[0073]
步骤六：解算像场坐标，对像场进行坐标反演获得真实目标的位置。
[0074]
进一步地，本发明方法步骤一中所述幅度加权的方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。
[0075]
进一步地，本发明方法步骤二中所述对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦，其中：
[0076]
自动对焦相位加权的聚焦相位计算公式为：
[0077][0078]
其中，r为目标斜距，即目标到阵列中心的距离；
[0079]
变焦或定焦相位加权的聚焦相位计算公式为：
[0080][0081]
其中，f为焦距，v为像距，即成像平面到接收阵列所在平面的距离，且f《u、f《v。
[0082]
进一步地，本发明方法步骤三中所述对阵列单元信号进行圆柱扫描幅度补偿和相位补偿以改善成像性能，其中：
[0083]
圆柱扫描幅度补偿的计算公式为：
[0084][0085]
其中，表示极坐标系下，阵列单元偏离阵列中心的角度，要求当截取的合成阵列范围较小时，即等效阵列孔径较小的情况下，直接选取以简化运算过程。
[0086]
进一步地，本发明方法步骤三中所述对阵列单元信号进行圆柱扫描幅度补偿和相位补偿以改善成像性能，其中：
[0087]
圆柱扫描相位补偿的计算公式为：
[0088][0089]
其中，ρ为扫描柱面的半径，表示极坐标系下，阵列单元偏离阵列中心的角度。
[0090]
作为一种优选，在匀速圆柱扫描成像系统中，上述圆柱扫描相位补偿的计算公式可改进为：
[0091][0092]
其中，ω为圆柱扫描的角频率，t
mn
为以扫描到阵面中心时刻计为零时刻的扫描时间。
[0093]
进一步地，本发明方法步骤四中所述扫描相位加权调整成像系统中心视角方向，其扫描相位加权的相位计算公式为：
[0094][0095]
其中：分别为x、y方向的阵列相邻单元之间的相位差，其计算公式分别
为：
[0096][0097][0098]
其中：为圆柱扫描的扫描步进角度，δy为y方向的阵列单元间距，θ
ζ
、θ
ξ
为中心视角方向指向源坐标(ζ，ξ)时的x、y方向的扫描角坐标，其计算公式分别为：
[0099][0100][0101]
其中：u为物距，即目标所在平面到阵列平面的距离。
[0102]
进一步地，本发明方法步骤五中所述采用高效并行算法，对阵列单元信号进行快速成像处理；所述高效并行算法包含二维或三维fft、ifft、非均匀fft、稀疏fft，其计算公式为：
[0103][0104]
其中：符号表示高效并行算法函数，为阵列单元接收到的目标信号，a为阵列单元幅度加权系数，ac为圆柱扫描幅度加权值，φf为聚焦相位加权系数，φc为圆柱扫描相位补偿系数，φs为扫描相位加权系数；
[0105]
上述像场计算结果对应的ω
δ
、ω
σ
取值范围为：ω
δ
∈[0,2π]、ω
σ
∈[0,2π]，进行fftshift运算后将ω
δ
、ω
σ
取值范围变换为：ω
δ
∈[-π,π]、ω
σ
∈[-π,π]，此时的像是符合实际分布的像：
[0106][0107]
进一步地，本发明方法步骤六中包括：对高效并行算法获得的像场进行坐标解算，并对像场进行坐标反演，获得真实目标的位置；其中：
[0108]
对于ifft类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：
[0109][0110][0111]
对于fft类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：
[0112][0113][0114]
像的直角坐标计算公式为：
[0115]
δ＝vtanθ
δ
，
[0116]
σ＝vtanθ
σ
；
[0117]
真实目标的坐标反演计算公式为：
[0118][0119][0120]
进一步地，本发明方法中设置收发天线的扫描步进满足：以避免出现成像混叠现象。
[0121]
此外，本发明方法还适用于天线不动、目标转动的成像系统，包括isar成像系统和转台成像系统；当本方法用于上述成像系统时，用目标或转台的转动角频率代替前述圆柱扫描的角频率，用天线到转动中心的距离代替圆柱扫描半径。
[0122]
同时，本发明还涉及上述方法在光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及声、光、电目标探测、成像识别、无线通信领域中的应用。
[0123]
综上，本发明圆柱扫描微波成像方法具有以下优点：
[0124]
1)创立了适用于圆柱扫描的快速成像方法
[0125]
本发明实现了一种低成本、快速圆柱扫描成像，其运算量要远低于主动全息成像体制，可以大量节省硬件资源、提高成像速度。
[0126]
2)创立了兼容被动成像和主动成像的统一成像方法
[0127]
采用本发明方法，可先用被动成像技术实现对目标的超快速扫描，当发现嫌疑物体时，可采用主动成像技术详细观察物体的细节，且两种成像方法可共用一套信号处理系统，从而大幅降低了硬件成本，提高了扫描速度，为实际应用提供了极大地便利，同时，本发明方法也适用于天线不动、目标转动的成像系统如转台成像等。
[0128]
3)进一步提升了成像效果
[0129]
本发明中，在相位补偿方法中用目标斜距r代替物距参数u，相比物距参数u，参数r更容易获取，且成像效果更佳。
[0130]
4)可适用于远距离成像，适用范围更广
[0131]
本发明中，当远距离成像时，相位补偿同样可忽略不计，此时相当于进行ifft运算，可实现对远距离目标的成像。
[0132]
另外，本发明方法具有良好的应用前景，可广泛应用于以声、光、电等为媒介的目标探测及无线通信技术领域，当探测媒介为电磁波时，本技术适用于微波成像、雷达探测、无线通信、合成孔径雷达、逆合成孔径雷达；当探测媒介为声波、超声波时，本技术适用于声呐、超声成像、合成孔径声呐；当探测媒介为光时，本技术适用于光学成像、合成孔径光学成像。
附图说明
[0133]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，以下附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0134]
图1为本发明成像方法的成像系统坐标系示意图。
[0135]
图2为本发明成像方法的算法框图。
[0136]
图3为利用本发明成像方法进行的被动成像案例1成像结果图。
[0137]
图4为利用本发明成像方法进行的主动全息成像案例2成像结果图。
具体实施方式
[0138]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0139]
同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0140]
实施例1：一种圆柱扫描微波成像方法(参见附图1-2)，本方法基于透镜成像原理，结合电磁场理论，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布，其具体算法如下：
[0141][0142]
其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，为像场分布，为阵列单元接收到的目标信号，a
mn
为阵列单元幅度加权系数，为圆柱扫描幅度加权值，为聚焦相位加权系数，为圆柱扫描相位补偿系数，为扫描相位加权系数，m为x方向的阵列单元数量，n为y方向的阵列单元数量，(xm，yn)为阵列单元的坐标，(δ，σ)为像点的坐标，v为像距，即成像平面到阵列平面的距离，η为对象选择性参数，根据成像系统的特性选择不同的值，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，为波数，λ为波长，符号∑代表求和运算。
[0143]
进一步地，本方法通过选择不同的参数η值，可适用于不同的成像系统：选择η＝1时，适用于被动成像系统、半主动成像系统；选择η＝2时，适用于主动全息成像系统。
[0144]
具体而言，本成像方法包括下述步骤：
[0145]
步骤一：对阵列单元信号进行幅度加权以降低副瓣电平；
[0146]
幅度加权的方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。
[0147]
步骤二：对阵列单元信号进行聚焦相位加权以实现成像聚焦；
[0148]
其中：自动对焦相位加权的聚焦相位计算公式为：
[0149][0150]
其中，r为目标斜距，即目标到阵列中心的距离；
[0151]
变焦或定焦相位加权的聚焦相位计算公式为：
[0152][0153]
其中，f为焦距，v为像距，即成像平面到接收阵列所在平面的距离，且f《u、f《v。
[0154]
步骤三：对阵列单元信号进行圆柱扫描幅度补偿和相位补偿以改善成像性能；
[0155]
圆柱扫描幅度补偿的计算公式为：
[0156][0157]
其中，表示极坐标系下，阵列单元偏离阵列中心的角度，要求当截取的合成阵列范围较小时，即等效阵列孔径较小的情况下，直接选取以简化运算过程。
[0158]
圆柱扫描相位补偿的计算公式为：
[0159][0160]
其中，ρ为扫描柱面的半径，表示极坐标系下，阵列单元偏离阵列中心的角度。
[0161]
另外，在匀速圆柱扫描成像系统中，上述圆柱扫描相位补偿的计算公式可改进为：
[0162][0163]
其中，ω为圆柱扫描的角频率，t
mn
为以扫描到阵面中心时刻计为零时刻的扫描时间。
[0164]
步骤四：对阵列单元信号进行波束扫描相位加权以调整成像系统中心视角方向；
[0165]
其扫描相位加权的相位计算公式为：
[0166][0167]
其中：分别为x、y方向的阵列相邻单元之间的相位差，其计算公式分别为：
[0168][0169][0170]
其中：为圆柱扫描的扫描步进角度，δy为y方向的阵列单元间距，θ
ζ
、θ
ξ
为中心视角方向指向源坐标(ζ，ξ)时的x、y方向的扫描角坐标，其计算公式分别为：
[0171][0172][0173]
其中：u为物距，即目标所在平面到阵列平面的距离。
[0174]
步骤五：采用高效并行算法，对阵列单元信号进行快速成像处理；
[0175]
高效并行算法包含二维或三维fft、ifft、非均匀fft、稀疏fft，其计算公式为：
[0176][0177]
其中：符号表示高效并行算法函数，为阵列单元接收到的目标信号，a为阵列单元幅度加权系数，ac为圆柱扫描幅度加权值，φf为聚焦相位加权系数，φc为圆柱扫描相位
补偿系数，φs为扫描相位加权系数；
[0178]
上述像场计算结果对应的ω
δ
、ω
σ
取值范围为：ω
δ
∈[0,2π]、ω
σ
∈[0,2π]，进行fftshift运算后将ω
δ
、ω
σ
取值范围变换为：ω
δ
∈[-π,π]、ω
σ
∈[-π,π]，此时的像是符合实际分布的像：
[0179][0180]
步骤六：解算像场坐标，对像场进行坐标反演获得真实目标的位置。
[0181]
其中：对于ifft类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：
[0182][0183][0184]
对于fft类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：
[0185][0186][0187]
像的直角坐标计算公式为：
[0188]
δ＝vtanθ
δ
，
[0189]
σ＝vtanθ
σ
；
[0190]
真实目标的坐标反演计算公式为：
[0191][0192][0193]
此外，本成像方法中设置收发天线的扫描步进满足：以避免出现成像混叠现象。
[0194]
而且，本成像方法还适用于天线不动、目标转动的成像系统，包括isar成像系统和转台成像系统；当本方法用于上述成像系统时，用目标或转台的转动角频率代替前述圆柱扫描的角频率，用天线到转动中心的距离代替圆柱扫描半径。
[0195]
实施例2：本成像方法(实施例1方法)用于被动成像的效果验证试验
[0196]
试验条件：工作频率30ghz，扫描时保持天线单元间距为λ/4，阵列规模66*66，一个目标位于阵列法线方向，另两个目标分别偏离法线方向一定角度，扫描圆柱以目标为中心，半径为1m，成像结果见附图3。
[0197]
实施例3：本成像方法(实施例1方法)用于主动全息成像的效果验证试验
[0198]
试验条件：工作频率30ghz，天线单元间距为λ/4，阵列规模66*66，一个目标位于阵列法线方向，另一个目标偏离法线方向30
°
，另两个目标分别偏离法线方向一定角度，扫描圆柱以目标为中心，半径为1m，成像结果见附图4。
[0199]
本发明中的各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他
实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0200]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、替换等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。