CN107797110A - 综合孔径投影辐射的系统成像方法及综合孔径投影辐射计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了综合孔径投影辐射的系统成像方法及综合孔径投影辐射计，本发明方法以一维线性稀疏阵列作为辐射计的探测扫描阵，将其固定于圆周扫描平台上按固定步进角度对目标场景进行旋转扫描，实现对二维场景的1D投影图像的旋转探测；然后，根据阵列探测角对测得的1D投影图像进行排列，形成角度‑方位图；最后借助余弦匹配算法从角度‑方位图中提出目标场景的亮温图像。本综合孔径投影辐射计能实现本发明方法。本发明以极少的天线阵元数实现了较高精度的二维综合孔径成像，有效降低了综合孔径辐射计系统的成本及结构复杂度，大大拓宽了综合孔径辐射计的实际应用场景。

Description

综合孔径投影辐射的系统成像方法及综合孔径投影辐射计
技术领域
本发明涉及综合孔径投影辐射的系统成像方法及综合孔径投影辐射计，属于毫米波近场成像技术领域。
背景技术
毫米波综合孔径成像辐射计(Synthetic Aperture Imaging Radiometer,SAIR)是一种能够在不同领域实现高分辨率观测的探测器。通过孔径合成技术，SAIR可以利用小口径天线组成大口径合成天线，实现高分辨率观测。通过阵元间的复相关运算测得场景的可见度函数(互相关函数)，并反演出目标场景的高温分布图像。与传统实孔径成像技术相比，综合孔径成像技术具有更高的空间分辨率和较好的实时性，可在沙尘、烟雾、夜晚等恶劣条件下对隐匿的金属目标实现高分辨率实时成像，在军事、导航、医疗和交通安检等领域具有良好的应用前景。然而，具有大合成孔径的毫米波合成孔径成像辐射计通常需要许多阵元天线和接收器，系统的硬件成本的结构复杂度较高，这严重影响了综合孔径成像系统的实际应用，并限制了空间分辨率的进一步提高。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种综合孔径投影辐射的系统成像方法及综合孔径投影辐射计，实现了降低毫米波成像辐射计系统的成本及复杂度，使用更少的天线阵元实现更高的空间分辨率，其具体技术方案如下：
综合孔径投影辐射的系统成像方法，包括以下操作步骤：
步骤1：构建一维线性稀疏阵列排列方式的扫描天线阵，将其固定于圆周扫描平台上，使其可按固定步进角度对目标场景进行旋转扫描；
步骤2：利用一维综合孔径成像方法—傅里叶变换法，从步骤1的稀疏阵列观测数据中反演出二维场景的1D投影曲线；
步骤3：将步骤2中二维场景的1D投影曲线按其测量角度排列，绘制综合孔径投影辐射计的角度-方位图；
步骤4：利用余弦匹配算法对步骤3中的综合孔径投影辐射计的角度-方位图中进行数据提取，获取目标场景的亮温图。
所述步骤1采用16阵元线性稀疏阵列方式，组成扫描天线阵。
所述步骤2中所述的二维场景的1D投影图像的获取过程为：
根据综合孔径探测原理，对于特定旋转角的线性阵列，其阵元(c,l)互相关测得可见度函数为：
式中，<·>为时间积分操作，T为目标场景的亮温图，F()为阵元天线方向图，指数项即为综合孔径成像的关键——波程差ΔR；将其中经泰勒展开并化简可得：
在阵列投影坐标XrOYr下引入空域坐标u＝k(Xl-Xc)/R，v＝k(Yl-Yc)/R＝0后，可得：
其中，θα为阵列天线的旋转角，为近场相位补偿项，(xr,yr)为目标在旋转投影坐标XrOYr下的方位坐标；即为θα角度下的阵列天线测得的投影曲线，可见投影曲线中的每一个点均是由多个具有相同yr坐标的点相互叠加而形成的，称该曲线为1D投影曲线。
所述步骤3中绘制综合孔径投影辐射计的角度-方位图的具体操作过程如下：
对不同旋转角θα下的1D投影曲线进行分析，识别1D投影曲线中的各个点目标，以实现目标场景的二维成像观测，目标Si的投影坐标xri可表示为：
对于特点目标Si，其极坐标Ri和θi均为定值，其投影坐标xri仅随旋转角θα变化，故将不同角度的1D投影曲线按角度排列后可得到角度-方位图，点目标Si的变化曲线将满足余弦曲线分布。
所述步骤4中所述的余弦匹配算法提取目标场景亮温图像的具体实现方式如下：
(1)初始化亮温图TB和二值图像Tsi，其图像维度与角度方位图Tao一致(M,N)；
(2)绘制目标Si对应的角度方位图Tsi.,即按下式对Tsi(m,n)进行更新：
式中，Ri＝mi*ΔR,θi＝ni*Δθ为目标Si对应的极坐标，其中(mi,ni)为目标Si在图像TB中的行标和列标；
(3)计算图像Tsi与图像Tao的相关性，并更新TB的像素值，TB(mi,ni)＝mean[Tsi.*Tao]，其中<.*>为矩阵点乘法操作；
(4)重复步骤(2)、(3)，直到所有目标Si，其中i＝1,2,…M·N，均被提取出来，此时的图像TB即为目标场景的亮温图。
所述步骤(4)中TB(mi,ni)与目标Si的亮温值T(mi,ni)之间的关系用如下公式表示：
其中，∈表示包含关系，表示非包含关系，在上述余弦匹配法中，第二项近似为图像T的均值，即并且该值不随目标Si变化而改变。
综合孔径投影辐射计，该综合孔径投影辐射计能够实现上述任一权利要求所述的综合孔径投影辐射的系统成像方法。
本发明的有益效果是：
本发明通过构建一维线性稀疏阵列排列方式的扫描天线阵，将其固定于圆周扫描平台上，使其可按固定步进角度对目标场景进行旋转扫描，实现了一维线性稀疏阵列对二维场景的1D投影图像的旋转探测。
本发明根据阵列探测角对测得的1D投影图像进行排列，形成角度-方位图，结合本发明提出的余弦匹配算法从角度-方位图中提出目标场景的亮温图像。以极少的天线阵元数获得与更大天线阵等效的成像效果，即使用较少的天线阵元实现更高的空间分辨率；有效降低了综合孔径辐射计系统的成本及结构复杂度，大大拓宽了综合孔径辐射计的实际应用场景。
附图说明
图1.本发明一维稀疏阵列布局图；
图2.本发明综合孔径辐射计成像机理示意图，其中1表示稀疏阵列排列方式的扫描天线阵列；
图3.本发明目标场景示意图；
图4.本发明综合孔径投影辐射计阵列天线旋转角为1～8°的1D投影曲线示意图；
图5.本发明综合孔径投影辐射计阵列天线旋转角为1～180°的角度-方位图；
图6.本发明综合孔径投影辐射计阵列天线旋转角为1～180°的角度-方位俯视图；
图7.本发明两个目标点的三维视图；
图8.本发明两个目标点的俯视图；
图9.本发明坦克-汽车场景成像结果图，其中(a)为成像场景，(b)为SAIR成像结果，(c)为SAPR成像结果。
图10.本发明舰船场景成像结果图，其中(a)为成像场景，(b)为SAIR成像结果，(c)为SAPR成像结果。
图11.本发明飞机场景成像结果图，其中(a)为成像场景，(b)为SAIR成像结果，(c)为SAPR成像结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明公开综合孔径投影辐射的系统成像方法，包括两个过程：首先利用一维线性稀疏阵对二维场景的1D投影图像进行旋转探测，依据阵列探测角对测得1D投影图进行排列，形成角度-方位图；然后，借助设计的余弦曲线匹配法，从角度-方位图中提取出目标场景的亮温图像。
如图1所示，为本发明一维稀疏阵列布局图，优选地，本发明采用16阵元线性稀疏阵列方式，组成扫描天线阵，将其固定于圆周扫描平台上，使其可按固定步进角度的对目标场景进行旋转扫描。
如图2所示，为本发明综合孔径辐射计成像机理示意图，其中1表示稀疏阵列排列方式的扫描天线阵列。本发明利用线性稀疏阵列对目标场景进行扫描探测，结合一维综合孔径反演法反演出一系列的ID投影曲线。以下将详细阐述本发明1D投影曲线的获得过程。
根据综合孔径探测原理，对于特性旋转角的线性阵列，其阵元(c,l)互相关测得可见度函数为：
式中，<·>为时间积分操作，T为目标场景的亮温图，F()为阵元天线方向图，指数项即为综合孔径成像的关键——波程差ΔR；将其中经泰勒展开并化简可得：
在阵列投影坐标XrOYr下引入空域坐标u＝k(Xl-Xc)/R，v＝k(Yl-Yc)/R＝0后，可得：
其中，θα为阵列天线的旋转角，为近场相位补偿项，(xr,yr)为目标在旋转投影坐标XrOYr下的方位坐标；即为θα角度下的阵列天线测得的投影曲线，可见投影曲线中的每一个点均是由多个具有相同yr坐标的点相互叠加而形成的，因此本发明称该曲线为1D投影曲线。
以2个目标为例，如图3所示，为本发明目标场景示意图。
图4为本发明综合孔径投影辐射计阵列天线旋转角为1～8°的1D投影曲线示意图。
如图5、图6所示，分别为本发明综合孔径投影辐射计阵列天线旋转角为1～180°的角度-方位图及其俯视图。本发明将对不同旋转角θα下的1D投影曲线进行分析，识别1D投影曲线中的各个点目标，以实现目标场景的二维成像观测。如图5所示，目标Si的投影坐标xri可表示为：
对于特点目标Si，其极坐标Ri和θi均为定值，其投影坐标xri仅随旋转角θα变化。故将不同角度的1D投影曲线按角度排列后可得到角度-方位图，点目标Si的变化曲线将满足余弦曲线分布(见图4)，不同目标的曲线也不同，只需借助合适的提取算法即可从中提取出目标场景的毫米波图。
优选地，本发明采用余弦匹配法对图5所示角度-方位图进行目标提取，获取目标场景的亮温图像，步骤如下：
(1)初始化亮温图TB和二值图像Tsi，其图像维度与角度方位图Tao一致(M,N)；
(2)绘制目标Si对应的角度方位图Tsi.,即按下式对Tsi(m,n)进行更新：
式中，Ri＝mi*ΔR,θi＝ni*Δθ为目标Si对应的极坐标，其中(mi,ni)为目标Si在图像TB中的行标和列标；
(3)计算图像Tsi与图像Tao的相关性，并更新TB的像素值(即TB(mi,ni)＝mean[Tsi.*Tao]),其中<.*>为矩阵点乘法操作；
(4)重复步骤(2)、(3)，直到所有目标Si(i＝1,2,…M·N)均被提取出来，此时的图像TB即为目标场景的亮温图。但TB的值并不是目标的真实值。TB(mi,ni)与目标Si的亮温值T(mi,ni)之间的关系可以用如下公式表示：
其中，∈表示包含关系，表示非包含关系。在上述余弦匹配法中，式(6)的第二项近似为图像T的均值，即并且该值不随目标Si变化而改变。
如图7、图8所示，分别为本发明利用余弦匹配法提取两个目标点后的三维视图及俯视图。可以看出，目标点能够非常容易的被识别出来。
为验证本发明SAPR系统及成像方法的正确性和可行性，本发明通过建模仿真对比分析了本发明系统及成像方法与SAIR的相关性能，其仿真模型参数如表1所示，其中SAIR系统采用的是“T”型阵列天线。由表1可以看到，在相同合成口径参数下，SAIR系统需要135阵元，而SAPR仅需16阵元天线，仅需SAIR系统约12％天线数。
如图9-11所示，分别为本发明以坦克-汽车、舰船、飞机三种目标场景为例，对比分析了本发明专利SAPR方案以及传统的SAIR方案的成像性能，并对其结构相似性(Structural Similarity，SSIM)及峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio，PSNR)指标进行了数值计算，其中SSIM为图像相似性的主要指标，如表2所示。本发明方法的成像性能与SAIR成像效果类似(PSNR略低，但SSIM较高)。
表1.SAPR和SAIR系统仿真模型参数
表2.SAIR法和SAPR法获得的目标数据
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.综合孔径投影辐射的系统成像方法，其特征在于包括以下操作步骤：
步骤1：构建一维线性稀疏阵列排列方式的扫描天线阵，将其固定于圆周扫描平台上，使其可按固定步进角度对目标场景进行旋转扫描；
步骤2：利用一维综合孔径成像方法—傅里叶变换法，从步骤1的稀疏阵列观测数据中反演出二维场景的1D投影曲线；
步骤3：将步骤2中二维场景的1D投影曲线按其测量角度排列，绘制综合孔径投影辐射计的角度-方位图；
步骤4：利用余弦匹配算法对步骤3中的综合孔径投影辐射计的角度-方位图中进行数据提取，获取目标场景的亮温图。
2.根据权利要求1所述的综合孔径投影辐射的系统成像方法，其特征在于所述步骤1采用16阵元线性稀疏阵列方式，组成扫描天线阵。
3.根据权利要求2所述的综合孔径投影辐射的系统成像方法，其特征在于所述步骤2中所述的二维场景的1D投影图像的获取过程为：
根据综合孔径探测原理，对于特定旋转角的线性阵列，其阵元(c,l)互相关测得可见度函数为：
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式中，<·>为时间积分操作，T为目标场景的亮温图，F()为阵元天线方向图，指数项即为综合孔径成像的关键——波程差ΔR；将其中经泰勒展开并化简可得：
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在阵列投影坐标XrOYr下引入空域坐标u＝k(Xl-Xc)/R，v＝k(Yl-Yc)/R＝0后，可得：
其中，θα为阵列天线的旋转角，为近场相位补偿项，(xr,yr)为目标在旋转投影坐标XrOYr下的方位坐标；即为θα角度下的阵列天线测得的投影曲线，可见投影曲线中的每一个点均是由多个具有相同yr坐标的点相互叠加而形成的，称该曲线为1D投影曲线。
4.根据权利要求3所述的综合孔径投影辐射的系统成像方法，其特征在于所述步骤3中绘制综合孔径投影辐射计的角度-方位图的具体操作过程如下：
对不同旋转角θα下的1D投影曲线进行分析，识别1D投影曲线中的各个点目标，以实现目标场景的二维成像观测，目标Si的投影坐标xri可表示为：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> <mo>,</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
对于特点目标Si，其极坐标Ri和θi均为定值，其投影坐标xri仅随旋转角θα变化，故将不同角度的1D投影曲线按角度排列后可得到角度-方位图，点目标Si的变化曲线将满足余弦曲线分布。
5.根据权利要求4所述的综合孔径投影辐射的系统成像方法，其特征在于所述步骤4中所述的余弦匹配算法提取目标场景亮温图像的具体实现方式如下：
(1)初始化亮温图TB和二值图像Tsi，其图像维度与角度方位图Tao一致(M,N)；
(2)绘制目标Si对应的角度方位图Tsi.,即按下式对Tsi(m,n)进行更新：
式中，Ri＝mi*ΔR,θi＝ni*Δθ为目标Si对应的极坐标，其中(mi,ni)为目标Si在图像TB中的行标和列标；
(3)计算图像Tsi与图像Tao的相关性，并更新TB的像素值，TB(mi,ni)＝mean[Tsi.*Tao]，其中<.*>为矩阵点乘法操作；
(4)重复步骤(2)、(3)，直到所有目标Si，其中i＝1,2,…M·N，均被提取出来，此时的图像TB即为目标场景的亮温图。
6.根据权利要求5所述的综合孔径投影辐射的系统成像方法，其特征在于所述步骤(4)中TB(mi,ni)与目标Si的亮温值T(mi,ni)之间的关系用如下公式表示：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>B</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>.</mo> <mo>*</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>P</mi> </msub> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>P</mi> </msub> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>P</mi> </msub> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>S</mi> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;NotElement;</mo> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>P</mi> </msub> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>S</mi> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>r</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;NotElement;</mo> <mi>S</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，∈表示包含关系，表示非包含关系，在上述余弦匹配法中，第二项近似为图像T的均值，即并且该值不随目标Si变化而改变。
7.综合孔径投影辐射计，其特征在于该综合孔径投影辐射计能够实现上述任一权利要求所述的综合孔径投影辐射的系统成像方法。
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