CN105911533B - 一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法，由矢量网络分析仪产生频率步进变化的电磁波信号，电磁波信号经由射频电缆传输至发射天线，遇上被测对象后产生散射回波，经接收天线接收后被矢量网络分析仪采集并记录；控制发射天线和接收天线移动到平面架的下一个位置，所述平面架为线性扫描架组成的“口”字形或“田”字形扫描导轨，重复执行上述步骤直至电磁波以“口”字形或“田”字形的方式完成采样扫描,从而得到全部的回波数据，对所有的回波数据运用RMA三维重建算法重建和显示三维图像。通过上述方法，有效地节省了采样时间，并且“口”字形和“田”字形扫描方式的动态范围分别达到7dB和8.5dB可分辨。

Description

一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法
技术领域
本发明涉及电磁散射三维成像领域，特别是涉及基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法。
背景技术
雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)是表征隐身飞机隐身性能的重要物理量。目标RCS的研究可以通过理论计算和测试技术来分析。球、角反射器、平板等简单目标可以通过理论分析对其散射机理进行研究，但对于复杂目标，需要特别关注电磁波的绕射、表面爬行波的散射等复杂的散射现象，同时还要考虑目标的材料特性的影响，这样会显著的增加计算量，甚至超出现代计算机的运算能力。因此，直接通过RCS测试，不仅能够了解目标的散射现象，得到测试目标的RCS值，而且能够通过测试得到大量的散射特征数据，对被测目标进行更深入的散射特性分析。
电磁散射成像是目标散射特性测试中的关键步骤，主要是指对微波测试系统采集的数据进行处理，得到目标散射点的位置分布和散射强度。目前，在紧缩场或室外静态场中，可以得到测试RCS与纵向距离之间的关系(即一维距离向)、测试RCS与纵向距离、横向距离之间的关系(即二维成像)以及以下曲线，包括测试RCS与频率之间的关系曲线、测试RCS与视角之间的关系曲线。另外，通过干涉测高原理或平面架扫描可以得到目标散射点的三维分布图像。
目前，微波成像的测试方法可分为紧缩场测试、室外静态场测试、室内近场测试以及动态测试几种。微波成像算法可分为合成孔径(SAR)成像和逆 合成孔径(ISAR)成像。合成孔径成像需要测量天线改变位置，而逆合成孔径成像算法需要被测目标改变位置。
在紧缩场和室外静态场测量中，主要应用了基于转台模型的逆合成孔径成像算法。20世纪60年代初，美国密西根大学Willow Run实验室的Brown等人最先开始研究旋转目标的ISAR成像研究，并首次实现了逆合成孔径成像。北京航空航天大学微波工程实验室自1986年开始研究旋转目标ISAR成像，并得到飞机、舰船等缩比模型的二维散射图像，这在国内尚属首次。自1988年以来，国内的多家科研机构开展了逆合成孔径成像的理论研究和工程实践，并取得了诸多成果。应用于旋转目标的微波成像算法主要有距离多普勒算法(RDA)、极坐标格式成像算法(PFA)、投影层析算法(CBP)，经过几十年的发展，各种算法已趋近成熟，并得到了广泛的工程应用。
在室内近场测试中，一般选用合成孔径成像算法。合成孔径处理算法可以追溯到20世纪60年代，它首先应用于机载或者星载雷达上，这种算法称为diffraction stacmigration或者back projection algorithm。如今，通过这种算法可以实现二维和三维成像。近场成像由于其保密性高、测量精度高、信息量高、可进行全尺寸整机测量等优点，成为散射测量领域发展的新趋势。美国的Sensor Concepts Ins公司致力于研究现场RCS测试系统，并且已经研制了多种型号的近距离RCS测试成像系统，这些系统不仅可靠性高，而且便于携带和快速部署。并且，目标散射特性现场现场快速测量的时间需求也决定其更适合选用近场测试方法。
合成孔径成像算法可分为两大类：合成孔径处理和波动方程算法。基于波动方程的成像算法包括基尔霍夫徙动算法(Kirchhoff migration)和距离徙动算法(RangeMigration Algorithm)。这两种算法首先应用于地球物理学领域。Kirchhoff migration用基尔霍夫积分方程表达电磁场中的任一点强度，可以得到高质量低旁瓣的图像。RMA由标量波动方程导出，由于使 用快速傅里叶变换对数据进行处理，能够明显提高数据的处理速度，并得到高质量的图像。RMA在平面近场散射测量中已经有所应用，能够得到二维、三维散射图像，并有学者对RMA算法进行改进。RMA算法以波动方程为基础，理论基础为平面波谱理论。对平面波谱理论有如下理解：电磁场麦克斯韦方程的一个基本解是平面波：A(k)e-jk·r。复矢量A(k)表示它是波数矢量k的函数，平面波因子e-jk·r表示电磁波在k方向传播时的相位变化。对简单平面波，空间任何一点的场可表示为E(r)＝A(k)e-jk·r。可将一复杂电磁场分布分解为无数子平面波之和，即A(k)和E(r)是一对傅里叶变换对，可得该变换是实空间和K空间之间的变换。定义A(k)为平面波角谱，它是K空间中子平面波的集合。
天线收发对在每个扫描位置处发射步进频率的电磁波，接收处理得到目标回波的幅度和相位，收发天线需要遍历整个扫描架，并在每个扫描位置处重复相同的工作，最终得到一个三维数组。对采集的三维数组数据进行处理即可得到三维散射图。成像公式为式(1.1)。
其中s(x,y,k；z0)为平面扫描架采集的三维散射回波数据，σ(x,y,z)是最终得到的三维图像数据。
近年来，我国各个科研部门开始引进或自行研制平面扫描阵列，如电子部14所、航天二院23所、兵器206所都装备了不同尺寸的平面扫描系统。图1示出了现有技术中采用的平面扫描三维成像示意图，采用的是全平面扫描的方式。这些平面扫描阵列极大了促进了天线尤其是超低副瓣天线的测量。相关的平面扫描阵列散射测量也逐步开始研究。西安电子科技大学用于超低副瓣天线测量的平面扫描系统的主要参数是：导轨沿X方向的扫描速度 为3m/min，沿Y方向的扫描速度为6m/min。假设要用长1米，宽1米的扫描架系统来测量某目标的散射特性，设定x向和y向采样间隔都为0.005米，则计算可得完成整个测量过程大约需要2小时。如果要使用中型尺寸(2m-4m)或者大型尺寸(大于7m)的扫描架系统，完成一次扫描就需要超过10个小时，不适合进行工程应用。而且如果将平面扫描架应用于目标现场散射特性测量，若测量时间过长，容易引起背景造成的恶化，不利于准确测量。所以，工程应用需要采用更加有效的采样方式，减小测量的时间，尤其是目标散射特性现场测试技术的应用中，更加需要在测量时间上进行优化。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提出了一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法，包括
步骤1，由矢量网络分析仪产生频率步进变化的电磁波信号；
步骤2，电磁波信号经由射频电缆传输至发射天线，然后在自由空间中传播，遇上被测对象后产生散射回波；
步骤3，散射回波在自由空间中传播后返回接收天线，被矢量网络分析仪采集并记录；
步骤4，控制发射天线和接收天线移动到平面架的下一个位置，所述平面架为线性扫描架组成的“口”字形或“田”字形扫描导轨，
重复执行步骤1-4,直至电磁波以“口”字形或“田”字形的方式完成采样扫描,从而得到全部的回波数据，对所有的回波数据运用RMA三维重建算法重建和显示三维图像。
进一步，所述发射天线和接收天线为固定在同一高度的收发天线对。
进一步，所述频率步进变化的电磁波信号为线性步进，从最低频率开始，等间隔增长，直到最高频点。
进一步，由计算机控制所述收发天线对按照“口”字形或“田”字形路径改变位置。
通过本发明提出的方案，从而实现了以下有益效果：在工程应用可接受的动态范围内，非常有效的节省了采样时间，“口”字形扫描方式的动态范围是7dB可分辨，“田”字形扫描方式的动态范围是8.5dB可分辨；“口”字形扫描方式的测试时间比全平面扫描减少了96.6％，“田”字形扫描方式的测试时间比全平面扫描减少了96.1％。
附图说明
图1是现有技术中采用的平面扫描三维成像示意图；
图2是本发明提出的一种“口”字形平面降采样扫描采样方式示意图；
图3是本发明提出的一种“田”字形平面降采样扫描采样方式示意图；
图4是单个目标点的位置分布；
图5是“口”字形扫描的单个目标点的成像效果示意图；
图6是“田”字形扫描的单个目标点的成像效果示意图；
图7是多个目标点的位置分布；
图8是“口”字形扫描的多个目标点的成像效果示意图；
图9是“田”字形扫描的多个目标点的成像效果示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
为了能够解决工程应用中成像测量时间过长的问题，本发明提供一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法。本发明采用的一个技术方案是：提出一种“口”字形或“田”字形降采样平面扫描方法，包括：
步骤1，由矢量网络分析仪产生频率步进变化的电磁波信号；
步骤2，电磁波信号经由射频电缆传输至发射天线，然后在自由空间中传播，遇上被测对象后产生散射回波；
步骤3，散射回波在自由空间中传播后返回接收天线，被矢量网络分析仪采集并记录；
步骤4，控制发射天线和接收天线移动到平面架的下一个位置所述平面架为线性扫描架组成的“口”字形或“田”字形扫描导轨；
重复执行步骤1-4,直至电磁波以“口”字形或“田”字形的方式完成采样扫描,从而得到全部的回波数据，对所有的回波数据运用RMA三维重建算法重建和显示三维图像。
根据对传统RMA算法的采样方式和成像算法的研究，发现水平向的距离扫描可以提供距离向和方位向的位置信息，垂直向的距离扫描可以提供高度向和方位向的位置信息，而一个目标的三维位置信息包含方位向、高度向、距离向的信息，所提出的“口”字形和“田”字形的采样方式均包含水平向的扫描和距离向的扫描方式，所以所采集的数据包含目标水平向、垂直向和方位向的位置信息，所以可以对所测目标可以进行三维成像。而且所提出的采样方式较传统的采样方式大幅缩减了采样点，所以减小了采样时间。
进一步，所述发射天线和接收天线为固定在同一高度的收发天线对，包括一个发射天线和一个接收天线。
进一步，所述频率步进变化的电磁波信号为线性步进，从最低频率开始，等间隔增长，直到最高频点。
进一步，所述平面架包括水平扫描导轨和垂直扫描导轨。
进一步，所述降采样快速扫描方法为计算机控制收发天线对按照“口”字形(如图2所示)或“田”字形路(如图3所示)径改变位置。
图4是单个目标点的位置分布。图5示出了本发明“口”字形扫描的单 个目标点的成像效果图，其中动态范围为7dB。图6示出了本发明“田”字形扫描的单个目标点的成像效果图，其中动态范围为8.5dB。
为了更加充分的说明本发明的有效性，选择多个目标点进行仿真。图7示出了用于验证本发明方法的被测目标分布信息。图8示出了本发明“口”字形扫描的多个目标点的成像效果图，其中动态范围为7dB。图9示出了本发明“田”字形扫描的多个目标点的成像效果图，其中动态范围为8.5dB。
通过设定具体参数对三维成像算法进行计算机仿真，验证算法的正确性。仿真参数如表1所示。
表1仿真参数
仿真参数 数值大小及单位
起始频率 8GHz
终止频率 12GHz
步进频点数 401
平面扫描架长度 1m
平面扫描架宽度 1m
方位向步进间隔 0.005m
高度向步进间隔 0.005m
每个点的散射强度 1
以矢量网络分析仪(德科技(中国)有限公司，型号N5247A)为例，设定中频带宽为10KHz、扫频点数为401点时，一次扫频时间为155ms,则不同的扫描方式结果对比见表2。
表2不同的扫描方式结果对比
采样方式 全平面扫描 “口”字形 “田”字形
采样时间 120min 4.1min 4.6min
可分辨最小动态范围 >＝15dB 7dB 8.5dB
缩短时间 无 >96.6％ >96.1％
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法，包括：
步骤1，由矢量网络分析仪产生频率步进变化的电磁波信号；
步骤2，电磁波信号经由射频电缆传输至发射天线，然后在自由空间中传播，遇上被测对象后产生散射回波；
步骤3，散射回波在自由空间中传播后返回接收天线，被矢量网络分析仪采集并记录；
步骤4，控制发射天线和接收天线移动到平面架的下一个位置，所述平面架为线性扫描架组成的“口”字形或“田”字形扫描导轨，
重复执行步骤1-4,直至所述发射天线和接收天线以“口”字形或“田”字形的方式完成采样扫描,从而得到全部的回波数据，对所有的回波数据运用RMA三维重建算法重建和显示三维图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法，其特征在于，所述发射天线和接收天线为固定在同一高度的收发天线对。
3.根据权利要求1所述的一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法，其特征在于，所述频率步进变化的电磁波信号为线性步进，从最低频率开始，等间隔增长，直到最高频点。
4.根据权利要求2所述的一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法，其特征在于，由计算机控制所述收发天线对按照“口”字形或“田”字形路径改变位置。
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