CN109143376A - 一种全景电磁光学融合成像系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全景电磁光学融合成像系统和方法。两轴旋转平台底部设有两轴旋转机构，两轴旋转平台顶面固定有平板天线阵和摄像头；摄像头位于平板天线阵的中心，平板天线阵相位中心点位于中心即摄像头位置，平板天线阵主要由四个贴片圆极化天线单元构成，四个贴片圆极化天线单元阵列排布于摄像头周围，每个贴片圆极化天线单元由四个贴片圆极化天线组成，平板天线阵和摄像头均连接处理电路，处理电路连接显示屏。本发明方法获得的结果可获得电磁空间分布和各种环境物体之间的关系，可直观地判断电磁信号的分布特点以用于基站优化、抗干扰等民用和军事应用场合。

Description

一种全景电磁光学融合成像系统和方法

技术领域

本发明涉及一种融合成像系统和方法，尤其是涉及一种全景电磁光学融合成像系统和方法。

背景技术

空间电磁传播和分布等信号特征对于通信过程的建立具有重要意义。借助空间电磁分布特性可以针对不同复杂程度的建筑结构设置室外通讯基站或者室内路由器，而其具体方位的选择对于移动通讯设备的使用体验具有重要影响。在受到电磁干扰的情况下，也需要借助空间电磁分布对干扰源进行定位。而现有的基于电磁波探测器的解决方案主要采用单一电磁扫描的方法进行探测分析，结果不够直观，非专业人士很难进行操作和理解，且成本较高。所以需要一种低成本的方法，能够在一般精度的要求下确定空间电磁信号特征。

发明内容

针对背景技术中的不足，本发明旨在提供了一种全景电磁光学融合成像系统和方法。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一、一种全景电磁光学融合成像系统：

系统包括两轴旋转平台、平板天线阵、摄像头、处理电路和显示屏；两轴旋转平台底部设有两轴旋转机构，两轴旋转机构能够带动两轴旋转平台以水平朝向为基准俯仰±90°角度范围和在水平面旋转360°角度范围，两轴旋转平台顶面固定有平板天线阵和摄像头；摄像头位于平板天线阵的中心，平板天线阵的相位中心点位于中心即摄像头位置，平板天线阵主要由四个贴片圆极化天线单元构成，四个贴片圆极化天线单元阵列排布于摄像头周围，每个贴片圆极化天线单元由四个贴片圆极化天线组成，四个贴片圆极化天线也阵列排布，平板天线阵和摄像头均连接处理电路，处理电路连接显示屏。

所述的两轴旋转平台连接到处理电路，处理电路发送水平旋转和俯仰角度信号控制两轴旋转平台的运转，驱动平板天线阵和摄像头进行不同角度的电磁微波功率信号和光学信号的采集。

所述摄像头的光学中心点与平板天线阵的相位中心点重合，摄像头朝向垂直于平板天线阵平面。

所述平板天线阵中的所有十六个贴片圆极化天线间隔阵列均布，正中心设置一个过孔，过孔用于放置摄像头。

通过所述平板天线阵进行不同频率的电磁测量，摄像头更换参数规格，从而更改光学成像精度。

所述的平板天线阵和摄像头通过串行或并行接口连接处理电路。

二、一种全景电磁光学融合成像方法：

1)电脑平台控制两轴旋转平台的运转，带动平板天线阵和摄像头进行数据采集，平板天线阵采集获得电磁微波功率信号及其对应采集时刻的两轴旋转平台角度坐标，摄像头采集获得光学图像及其对应采集时刻的两轴旋转平台角度坐标，将采集的数据通过串行或并行接口连接到处理电路；

以水平面平台的中心为原点，横向角度用坐标θ(0°≤θ≤360°)量化，俯仰角度用坐标量化。平台运转的具体过程是：初始化设置两轴旋转平台的顶面竖直，使得摄像头处于水平面上，从初始0°角度开始，每次固定水平面的旋转角度θ，控制两轴旋转平台运动离散遍历所有俯仰角度将每次采集到的数据及对应的角度坐标进行存储；然后增加水平面的旋转角度θ，继续控制两轴旋转平台运动离散遍历所有俯仰角度

2)平板天线阵将接收的电磁信号传输到天线阵后连接的处理电路中，经过扫频滤波器滤波、功率监测模块功率探测和AD模数转换模块模数转换后，将输入的电磁微波功率信号转换为数字信号，绘制用数字信号大小表示电磁信号强弱的分布图，分布图对超过阈值的信号强度区域绘制阈值等高线，从而得到电磁全景图像；调整扫频滤波器的工作频率可得到不同频率的电磁全景图像。

同时摄像头将拍摄到的光学图像传输到处理电路中，依次经过尺寸归一化、全景拼接和球面映射的图像处理操作后得到光学全景图像；

3)根据角度坐标对应关系将电磁全景图像中的高强度电磁信号区域标定到光学全景图像中得到电磁光学融合成像结果。根据扫频滤波器设置的频率数量确定各个频率的电磁光学融合成像结果。

所述步骤2)中的图像处理过程具体包含如下步骤：

2.1)尺寸归一化：摄像头分辨率设置为3600×2700，每一次采集到的图像大小为4:3，以原图像的中心为基准，裁剪为1800×1800像素大小的图像获得新图像，原图像和新图像的中心保持对齐，舍弃原图中的边缘畸变部分，仅保留中心质量较好的图像用于后续处理；

2.2)特征提取和匹配：以经过尺寸归一化处理之后的图像作为第一输入图像，定义特征描述子，根据特征描述子提取各个第一输入图像的特征点；定义相似度参数，对于各个第一输入图像的各个特征点，通过遍历下一个第一输入图像的各个特征点，寻找相似度最高的点作为匹配点；根据特征点的匹配结果依次拼接各个图像；所述的特征描述子例如SIFT算子、SURF算子。

2.3)球面映射：以特征提取和匹配处理后的图像作为第二输入图像，定义球面映射矩阵T，球面映射的输出图像[x,y,z]是第二输入图像[u,v,w]与映射矩阵T的卷积结果，变换公式如下：

其中，u,v,w代表每次卷积操作时第二输入图像的列向量，x,y,z代表每次卷积操作时输出图像的列向量，u,v,w,x,y,z均为1×3的列向量，其中元素为图像的像素值；a₁₁～a₃₃表示映射矩阵T进行卷积运算时的权重。

本发明具有的有益效果是：

1)它可以在较低成本下更加简单地完成现有电磁波探测器的工作任务；

2)能够更加直观地在光学图像上叠加展示空间电磁信号特征；

3)能够进行长期的检测和定量的对比，分析电磁辐射的长期变化。

附图说明

图1是系统结构示意图。

图2是系统结构的正面图。

图3是处理电路结构图。

图4是光学全景图像。

图5是电磁全景图像。

图6是电磁光学融合在5.805GHz的成像结果图。

图7是平板天线阵在5.805GHz的远场轴比仿真结果图。

图1中，1、两轴旋转平台，2、平板天线阵，3、摄像头；图5、6中，虚线部分表示电磁阈值等高线。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施包括两轴旋转平台1、平板天线阵2、摄像头3、处理电路4和显示屏5；两轴旋转平台1底部设有两轴旋转机构，两轴旋转机构能够带动两轴旋转平台1以水平朝向为基准俯仰±90°角度范围和在水平面旋转360°角度范围，两轴旋转平台1顶面固定有平板天线阵2和摄像头3；摄像头3位于平板天线阵2的中央。

如图2所示，平板天线阵2相位中心点位于中心即摄像头3位置，平板天线阵2是方向图正指向前方的高指向天线阵，方向图为平板天线阵2通过仿真获得的增益方向图，主要由四个贴片圆极化天线单元构成，四个贴片圆极化天线单元阵列排布于摄像头3周围，每个贴片圆极化天线单元由四个贴片圆极化天线组成，四个贴片圆极化天线也阵列排布。图7是平板天线阵2在5.805GHz的远场轴比仿真结果，其中红线表示该天线阵在频率为5.805GHz时的远场轴比的极坐标示意。平板天线阵2和摄像头3均连接处理电路4，处理电路4连接显示屏5。

如图3所示，两轴旋转平台1的驱动电机也连接到处理电路4，处理电路4发送水平旋转和俯仰角度信号控制两轴旋转平台1的运转，驱动平板天线阵2和摄像头3进行不同角度的电磁微波功率信号和光学信号的采集。同时平板天线阵2、摄像头3也连接到处理电路4，向处理电路4发送图像和电磁微波功率信号。

摄像头3的光学中心点与平板天线阵2的相位中心点重合，摄像头3朝向垂直于平板天线阵2平面，从而在使用过程中配合完成数据采集工作。摄像头3用于采集光学图像，在平板天线阵2中心开孔安置摄像头3的光学镜头，如采用M12规格的镜头。可采用USB接口的CMOS彩色摄像头连接到处理电路4。

平板天线阵2中的所有十六个贴片圆极化天线间隔阵列均布。具体实施中，如工作在2.4GHz时，可构造尺寸为45mm×45mm×2mm的贴片圆极化天线单元，然后通过天线背后的微带功分电路连接4×4的天线矩阵，整体天线阵平板尺寸为250mm×250mm×4mm，正中心过孔的尺寸直径为15mm。经过功分微带线与处理电路4连接。

平板天线阵2和摄像头3可更换参数规格，从而更改精度和频率。精度为两轴旋转平台1旋转角度控制的精度。平板天线阵2和摄像头3均通过串行或并行接口连接处理电路4。

处理电路4主要完成以下四部分工作：

1)驱动两轴旋转平台1。借助电脑平台控制两轴旋转平台1的运转，驱动平板天线阵2和摄像头3进行不同角度的电磁信号和光学信号的采集。两轴旋转平台1的覆盖范围表示为横向360°和俯仰±90°，以水平面平台的中心为原点，横向角度用坐标θ(0°≤θ≤360°)量化，俯仰角度用坐标量化。平台运转的具体过程是：从初始0°角度开始，每次固定水平面的旋转角度θ，控制两轴旋转平台1运动离散遍历所有俯仰角度将每次采集到的数据及对应的角度坐标进行存储；然后增加水平面的旋转角度θ，继续控制两轴旋转平台1运动离散遍历所有俯仰角度

2)处理平板天线阵2的电磁信号采集结果。平板天线阵2每隔θ或变化1°进行一次信号采集，即θ有0°到360°共361个取值，有-90°到90°共181个取值，采集结果共有361×181＝65341次；对每一次θ和的组合，处理电路4将平板天线阵2接收到的电磁信号传输到天线阵后连接的电调扫频窄带滤波器中，电调扫频窄带滤波器由微带耦合滤波器和变容二极管并联构成，将单一频率的电磁信号分解为多个频率的电磁信号。变容二极管两端施加的电压值决定其电容值的大小，从而确定滤波器的频率。如对每一次θ和的组合，在滤波器的5.705GHz～5.825GHz频率范围内把5.8GHz电磁信号分解为5.705GHz、5.725GHz、5.745GHz、5.765GHz、5.785GHz、5.805GHz、5.825GHz七个频率。其后连接微波信号功率监测模块，微波信号功率监测模块如AD8318可以将输入的微波信号功率转换为输出直流电压。其后连接AD模数转换模块，可以将直流电压转换为数字信号，数字信号的大小表示电磁信号的强度，可以据此绘制用数字大小表示电磁信号强弱的分布图，对超过阈值的信号强度区域绘制阈值等高线，等高线内包含的光学图像目标为辐射高强度区域和方向；从而得到如图5所示的电磁全景图像，共有七张，每一张对应扫频滤波器的一个频率。其中虚线部分表示电磁阈值等高线。

3)处理摄像头3的光学图像采集结果。摄像头3每隔θ或变化15°进行一次信号采集，即θ有0°、15°，……，到360°共25个取值，有-90°、-75°、-60°、-45°、-30°、-15°、0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°共13个取值，采集结果共有25×13＝325次。对每一次θ和的组合，处理电路4对摄像头3拍摄到的光学图像进行处理，图像处理过程包含如下步骤：

尺寸归一化：摄像头分辨率设置为3600×2700，每一次采集到的图像大小为4:3，以原图像的中心为基准，裁剪为1800×1800像素大小的图像获得新图像，原图像和新图像的中心保持对齐，舍弃原图中的边缘畸变部分，仅保留中心质量较好的图像用于后续处理；

特征提取和匹配：以经过尺寸归一化处理之后的图像作为输入图像，定义特征描述子，根据特征描述子提取各个输入图像的特征点；定义相似度参数，对于各个输入图像的各个特征点，通过遍历它下一个输入图像的各个特征点，寻找相似度最高的点作为匹配点；根据特征点的匹配结果依次拼接各个图像。所述的特征描述子例如SIFT算子、SURF算子。

球面映射：以特征提取和匹配处理后的图像作为输入图像，定义球面映射矩阵T，输出图像[x,y,z]是输入图像[u,v,w]与映射矩阵T的卷积结果，变换公式如下：

其中，u,v,w代表每次卷积操作时输入图像的列向量，x,y,z代表每次卷积操作时输出图像的列向量，u,v,w,x,y,z均为1×3的列向量，其中元素为图像的像素值；a₁₁～a₃₃表示映射矩阵T进行卷积运算时的权重。

最终得到如图4所示的光学全景图像。

4)将电磁全景图像和光学全景图像叠加在一起。根据每一组对光学全景图像和电磁全景图像中的高强度电磁信号区域进行标定，从而得到如图6所示的电磁光学融合成像结果。

Claims (8)

1.一种全景电磁光学融合成像系统，其特征在于：包括两轴旋转平台(1)、平板天线阵(2)、摄像头(3)、处理电路(4)和显示屏(5)；两轴旋转平台(1)底部设有两轴旋转机构，两轴旋转机构能够带动两轴旋转平台(1)以水平朝向为基准俯仰±90°角度范围和在水平面旋转360°角度范围，两轴旋转平台(1)顶面固定有平板天线阵(2)和摄像头(3)；摄像头(3)位于平板天线阵(2)的中心，平板天线阵(2)的相位中心点位于中心即摄像头(3)位置，平板天线阵(2)主要由四个贴片圆极化天线单元构成，四个贴片圆极化天线单元阵列排布于摄像头(3)周围，每个贴片圆极化天线单元由四个贴片圆极化天线组成，四个贴片圆极化天线也阵列排布，平板天线阵(2)和摄像头(3)均连接处理电路(4)，处理电路(4)连接显示屏(5)。

2.根据权利要求1所述的一种全景电磁光学融合成像系统，其特征在于：

所述的两轴旋转平台(1)连接到处理电路(4)，处理电路(4)发送水平旋转和俯仰角度信号控制两轴旋转平台(1)的运转，驱动平板天线阵(2)和摄像头(3)进行不同角度的电磁微波功率信号和光学信号的采集。

3.根据权利要求1所述的一种全景电磁光学融合成像系统，其特征在于：

所述摄像头(3)的光学中心点与平板天线阵(2)的相位中心点重合，摄像头(3)朝向垂直于平板天线阵(2)平面。

4.根据权利要求1所述的一种全景电磁光学融合成像系统，其特征在于：

所述平板天线阵(2)中的所有十六个贴片圆极化天线间隔阵列均布，正中心设置一个过孔，过孔用于放置摄像头(3)。

5.根据权利要求1所述的一种全景电磁光学融合成像系统，其特征在于：

通过所述平板天线阵(2)进行不同频率的电磁测量。

6.根据权利要求1所述的一种全景电磁光学融合成像系统，其特征在于：

所述的平板天线阵(2)和摄像头(3)通过串行或并行接口连接处理电路(4)。

7.应用于权利要求1所述系统的一种全景电磁光学融合成像方法，其特征在于，方法的步骤如下：

1)控制两轴旋转平台(1)的运转，带动平板天线阵(2)和摄像头(3)进行数据采集，平板天线阵(2)采集获得电磁微波功率信号及其对应采集时刻的两轴旋转平台(1)角度坐标，摄像头(3)采集获得光学图像及其对应采集时刻的两轴旋转平台(1)角度坐标；

以水平面平台的中心为原点，横向角度用坐标θ(0°≤θ≤360°)量化，俯仰角度用坐标量化。平台运转的具体过程是：从初始0°角度开始，每次固定水平面的旋转角度θ，控制两轴旋转平台(1)运动离散遍历所有俯仰角度将每次采集到的数据及对应的角度坐标进行存储；然后增加水平面的旋转角度θ，继续控制两轴旋转平台(1)运动离散遍历所有俯仰角度

2)平板天线阵(2)将接收的电磁信号传输到天线阵后连接的处理电路(4)中，经过扫频滤波器滤波、功率监测模块功率探测和AD模数转换模块模数转换后，将输入的电磁微波功率信号转换为数字信号，绘制用数字信号大小表示电磁信号强弱的分布图，分布图对超过阈值的信号强度区域绘制阈值等高线，从而得到电磁全景图像；同时摄像头(3)将拍摄到的光学图像传输到处理电路(4)中，依次经过尺寸归一化、全景拼接和球面映射的图像处理操作后得到光学全景图像；

3)根据角度坐标对应关系将电磁全景图像中的高强度电磁信号区域标定到光学全景图像中得到电磁光学融合成像结果。

8.根据权利要求7所述的一种全景电磁光学融合成像方法，其特征在于：

所述步骤2)中的图像处理过程具体包含如下步骤：

2.1)尺寸归一化：摄像头分辨率设置为3600×2700，每一次采集到的图像大小为4:3，以原图像的中心为基准，裁剪为1800×1800像素大小的图像获得新图像，原图像和新图像的中心保持对齐，；

2.2)特征提取和匹配：以经过尺寸归一化处理之后的图像作为第一输入图像，定义特征描述子，根据特征描述子提取各个第一输入图像的特征点；对于各个第一输入图像的各个特征点，通过遍历下一个第一输入图像的各个特征点，寻找相似度最高的点作为匹配点；根据特征点的匹配结果依次拼接各个图像；

2.3)球面映射：以特征提取和匹配处理后的图像作为第二输入图像，定义球面映射矩阵T，球面映射的输出图像[x,y,z]是第二输入图像[u,v,w]与映射矩阵T的卷积结果，变换公式如下：

其中，u,v,w代表每次卷积操作时第二输入图像的列向量，x,y,z代表每次卷积操作时输出图像的列向量，u,v,w,x,y,z均为1×3的列向量，其中元素为图像的像素值；a₁₁～a₃₃表示映射矩阵T进行卷积运算时的权重。