CN111257877A - 目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法、装置及系统 - Google Patents

目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及目标近场电磁散射特性测试与诊断技术领域，提供了一种目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法、装置及系统，该方法包括以下步骤：构建目标近场微波成像测试系统，包括：被测目标、测量装置、运动平台、GPS系统、金属球；控制运动平台绕被测目标的中心运动，并利用GPS系统记录运动平台的位置，同时控制测量装置进行扫频测试，并采集扫频测试数据；计算金属球与运动平台之间的参考距离及测量距离，根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子；根据所述相位校正因子对所述目标扫频测试数据进行补偿，并进行成像处理，得到聚焦后的目标二维微波图像。本发明方法能够消除因运动平台的移动误差引起的目标二维微波图像散焦现象。

Description

目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及目标近场电磁散射特性测试与诊断技术领域，尤其涉及目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法、图像聚焦装置及近场目标微波成像测试系统。
背景技术
微波成像诊断是目标电磁散射特性测试的一种重要手段，通常是将被测目标架设于高精度转台或带有转顶的金属支架上，再通过转台或者转顶带动目标旋转，从而获取被测目标在不同方位的电磁散射特性数据，最后基于孔径合成方法得到关于目标散射源分布的二维微波图像。这种目标运动而测量装置静止的测试被称作逆合成孔径雷达(InverseSynthetic Aperture Radar,ISAR)模式。
而在一些应用场景中，当测试现场没有转台或转顶可供使用时，则需要将测量装置架设于运动平台上，从而完成对目标不同方位散射数据的采集。这种模式由于目标静止而测量装置运动，因而被称作合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)模式。
目前SAR模式的散射测试一般是将测量装置置于运动平台上以实现孔径扫描，例如能在高精度导轨上运动的扫描架。但在近场测试条件下，如果被测目标的尺寸较大，则需要在较长的孔径进行扫描测试才能满足近远场变换的精度要求。但更长的测试孔径意味着需要铺设更长的导轨，这将大大增加系统复杂度、测试成本以及测试周期。
另一种成本更低、灵活性更高的方法则是将测量装置固定在机动车辆上，通过车辆运动实现对被测目标不同角度的扫描测试。这种方法的缺陷在于，相比于高精度的导轨，车辆运动位置误差较大，容易造成目标二维微波图像沿方位像(横向)出现严重的散焦问题，从而影响对目标散射源的定位和诊断。
因此，针对以上不足，需要提供一种SAR模式下目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于基于运动平台对目标进行SAR模式近场微波成像测试时目标二维微波图像沿方位像(横向)出现的严重散焦问题，针对现有技术中的缺陷，提供了一种目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法，包括以下步骤：
S1、构建目标近场微波成像测试系统，包括：被测目标、测量装置、运动平台、GPS系统、金属球；其中，所述测量装置搭载于运动平台上用于对被测目标进行孔径扫描；所述金属球置于测量装置收发天线主瓣照射范围内；
S2、控制运动平台绕被测目标的中心运动，并利用GPS系统记录运动平台的位置，同时控制测量装置进行扫频测试，并采集扫频测试数据，所述扫频测试数据包括目标扫频测试数据和金属球扫频测试数据；
S3、根据GPS系统记录的运动平台的位置计算金属球与运动平台之间的参考距离，利用所述金属球扫频测试数据计算金属球与运动平台之间的测量距离，根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子；
S4、根据所述相位校正因子对所述目标扫频测试数据进行补偿，并进行成像处理，得到聚焦后的目标二维微波图像。
优选地，在步骤S3中通过以下公式计算金属球与运动平台之间的参考距离Rcn：
Figure BDA0002394075360000031
其中，
Figure BDA0002394075360000032
上式中，R0表示扫描孔径中心至被测目标中心的距离，φ表示金属球球心和运动平台初始位置分别与被测目标中心连线的夹角，θn表示第n个脉冲发出时运动平台相对被测目标中心的方位角，(xc，yc)表示以被测目标中心为原点时所述金属球的坐标，Rc0表示金属球与被测目标中心的距离。
优选地，所述步骤S3中根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子，包括：
1)根据参考距离和测量距离计算金属球径向距离误差dn：
dn＝R’cn-Rcn
其中，R’cn表示根据所述金属球扫频测试数据经过IFFT变换后得到的金属球与运动平台之间的测量距离，Rcn为金属球与运动平台之间的参考距离；
2)通过以下公式计算方位角θn的相位校正因子ψn(f)：
Figure BDA0002394075360000033
上式中，j表示虚数符号，f表示测量装置发射的电磁波频率，c0表示真空光速，dn表示方位角为θn时金属球径向距离误差。
优选地，所述方法还包括：
预先利用GPS系统分别采集被测目标中心和金属球球心的位置坐标。
优选地，所述方法构建的目标近场微波成像测试系统中，所述金属球与被测目标中心之间的距离为扫描孔径中心至被测目标中心的距离的1/4至1/2倍。
本发明还提供了一种图像聚焦装置，包括：
数据获取单元，用于通过GPS系统获取运动平台的位置，同时获取扫频测试数据；其中，扫频测试数据由搭载于运动平台上的测量装置绕被测目标的中心运动进行孔径扫描获得，且测量装置收发天线主瓣照射范围内置有金属球；所述扫频测试数据包括目标扫频测试数据和金属球扫频测试数据；
校正因子计算单元，用于根据运动平台的位置计算所述金属球与运动平台之间的参考距离，利用所述金属球扫频测试数据计算金属球与运动平台之间的测量距离，根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子；
图像校正单元，用于根据所述相位校正因子对所述目标扫频测试数据进行补偿，并进行成像处理，得到聚焦后的目标二维微波图像。
优选地，所述数据获取单元中，所述金属球与被测目标中心之间的距离为扫描孔径中心至被测目标中心的距离的1/4至1/2倍。
本发明还提供了一种目标近场微波成像测试系统，包括：被测目标、测量装置、运动平台和GPS系统；所述测量装置搭载于运动平台上用于对被测目标进行孔径扫描；
所述目标近场微波成像测试系统还包括：
金属球，置于测量装置收发天线主瓣照射范围内；以及
如前所述的图像聚焦装置。
优选地，所述GPS系统还用于预先分别采集被测目标中心和金属球球心的位置坐标。
优选地，所述金属球与被测目标中心之间的距离为扫描孔径中心至被测目标中心的距离的1/4至1/2倍。
实施本发明的目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法、装置及系统，具有以下有益效果：
本发明的图像聚焦方法在目标近场微波成像测试场地中额外地放置金属球，作为目标扫频测试数据的相位参考基准，为目标扫频测试数据的相位校正提供参考和依据；同时利用GPS系统记录测量装置随运动平台移动的位置信息，并利用方位角参数，计算金属球一维距离像的径向距离误差，在很大程度上降低了由GPS系统漂移引起的定位误差；通过对各扫描位置采集的目标扫频测试数据进行相位校正，能够消除因测量装置的运动平台移动误差引起的目标二维微波图像的散焦现象，改善图像的聚焦效果，更有利于对目标散射源的定位和诊断。
附图说明
图1是目标近场微波成像测试系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法的流程图；
图3是由运动平台移动误差造成的金属球径向距离误差的示意图；
图4a和4b分别为相位校正前后金属球一维距离像历程图对比图；
图5是由一个大金属球和三个小金属球组成的组合目标示意图；
图6是图5所示组合目标的实物图；
图7a和图7b分别为对图5所示目标采用未进行相位校正方法和本发明方法的成像结果对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的目标近场微波成像测试系统的结构示意图。如图1所示，该实施例提供的目标近场微波成像测试系统包括：被测目标1、测量装置2、运动平台3和GPS系统4。其中，测量装置2搭载于运动平台3上用于对被测目标1进行孔径扫描。该目标近场微波成像测试系统还包括：金属球5。该金属球5置于测量装置收发天线主瓣照射范围内。其中，GPS系统4还可以用于预先分别采集被测目标中心和金属球球心的位置坐标。
本发明的目标近场微波成像测试系统中包含有额外的金属球，作为目标扫频测试数据的相位参考基准，为目标扫频测试数据的相位校正提供参考和依据。本发明中利用GPS系统记录测量装置随运动平台移动的位置信息，并根据方位角数据，计算金属球一维距离像的径向距离误差，由此能够降低由GPS系统漂移引起的定位误差。此外，本发明通过对各扫描位置采集的目标扫频测试数据进行相位校正，能够消除因测量装置的运动平台移动误差导致的目标二维微波图像的散焦现象，改善图像的聚焦效果，更有利于对目标散射源的定位和诊断。
本发明针对上述目标近场微波成像测试系统还提供了一种目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法。如图2所示，为根据本发明实施例的目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法的流程图。该方法包括以下步骤：
首先在步骤S1中，构建目标近场微波成像测试系统，包括：被测目标1、测量装置2、运动平台3、GPS系统4、金属球5。其中，测量装置2搭载于运动平台3上用于对被测目标1进行孔径扫描。金属球5置于测量装置收发天线主瓣照射范围内。
本发明中搭载测量装置2的运动平台3沿着距离被测目标1中心半径为R0的轨迹上运动，即扫描孔径中心至被测目标中心的距离为R0。本发明中的运动平台3未作特殊限定，例如可以采用现有方法中的高精度导轨或者机动车辆。本发明中还设置将GPS系统天线架设于测量装置2的收发天线孔径中心并固定连接。
在一个实施例中，开始测试之前，可以预先利用GPS系统4分别采集被测目标中心和金属球球心的位置坐标。例如，可以选取被测目标中心作为坐标系原点位置(0,0)，而金属球球心位置记为(xc，yc)，由此可以根据被测目标中心和金属球球心位置的经纬度坐标，得到金属球位置(xc，yc)的具体数值。
具体实施时，本发明中将金属球5的位置设置在测量装置2收发天线和被测目标1之间，保证金属球5位于测量装置收发天线主瓣照射范围内，且以尽量不遮挡目标为宜。在一个更优选的实施例中，金属球5与被测目标中心之间的距离为扫描孔径中心至被测目标中心的距离R0的1/4至1/2倍。将金属球5设置在该范围内，能够保证金属球位于测量装置收发天线主瓣照射范围内，同时能够减小被测目标与金属球的相互作用，若二者相距较近，可能导致被测目标与金属球的耦合散射而干扰测试。
随后将运动平台3移动至扫描孔径初始位置(即图1中A点所示)，将从金属球球心和从扫描孔径初始位置分别与被测目标中心连线的夹角记作φ，将运动平台相对被测目标中心运动的方位角记作θ。
随后在步骤S2中，控制运动平台3绕被测目标1的中心运动，并利用GPS系统4记录运动平台3的位置，同时控制测量装置2进行扫频测试，并采集扫频测试数据。其中扫频测试数据包括目标扫频测试数据和金属球扫频测试数据。
开始测试后，运动平台3沿着距离被测目标中心半径为R0的轨迹上运动，根据不同的测试场景，可以设置选择GPS系统4按照位置或者按照时间向测量装置2发出触发脉冲信号，测量装置2接收到脉冲信号后对被测目标1和金属球5进行连续扫频测试，同时采集扫频测试数据。
随后在步骤S3中，根据GPS系统4记录的运动平台3的位置计算金属球5与运动平台3之间的参考距离，利用金属球扫频测试数据计算金属球5与运动平台3之间的测量距离，根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子。
在测试过程中，当第n个脉冲发出时，将GPS系统4记录的运动平台3位置记为(xn，yn)，将运动平台3相对被测目标中心的方位角记为θn。
假设运动平台3在移动过程中不存在移动误差，则可以根据GPS系统4在扫描孔径各处记录的位置信息，计算运动平台3相对被测目标中心的方位角，再根据扫描孔径中心至被测目标中心的距离R0、金属球位置(xc，yc)和方位角θn，计算金属球5与运动平台3之间的参考距离，记作Rcn，具体的计算公式如下：
Figure BDA0002394075360000081
其中，
Figure BDA0002394075360000082
上式中，R0表示扫描孔径中心至被测目标中心的距离，φ表示金属球球心和运动平台初始位置分别与被测目标中心连线的夹角，θn表示第n个脉冲发出时运动平台相对被测目标中心的方位角，(xc，yc)表示以被测目标中心为原点时金属球的坐标，Rc0表示金属球与被测目标中心的距离。
测试完成后，对采集的金属球扫频测试数据沿频率维度进行IFFT变换(逆傅里叶变换)，得到扫描孔径各处的一维距离像，并记录金属球回波波峰实际位置，由此得到金属球5与运动平台3之间的测量距离，记为R’cn。
在一些实施例中，在对金属球扫频测试数据沿频率维度进行逆傅里叶变换之前，还可以先对金属球扫频测试数据进行预处理，例如可以对金属球扫频测试数据进行背景对消、距离门滤波等预处理。采取该预处理的措施，能够有效消除脉冲噪声。
然而在实际中，运动平台3移动过程中移动位置是存在误差的，此时，金属球5与运动平台3之间的参考距离与测量距离并不相符，即R’cn≠Rcn，将因运动平台的移动误差导致的金属球径向距离误差记为dn，且dn可以由以下表达式表示：
dn＝R’cn-Rcn
其中，R’cn表示根据金属球扫频测试数据经过IFFT变换后得到的金属球与运动平台之间的测量距离，Rcn为金属球与运动平台之间的参考距离。
随后，根据金属球5与运动平台3之间的参考距离和测量距离，逐方位计算相位校正因子，具体地，根据以下公式计算相位校正因子ψn(f)：
Figure BDA0002394075360000091
上式中，j表示虚数符号，f表示测量装置发射的电磁波频率，c0表示真空光速，dn表示方位角为θn时金属球径向距离误差。
最后，在步骤S4中，根据相位校正因子对目标扫频测试数据进行补偿，并进行成像处理，得到聚焦后的目标二维微波图像。
本发明中可以先对采集的目标扫频测试数据进行预处理，消除目标测试场地杂散回波后，得到按照以测量装置发射的电磁波频率为行、以扫描孔径位置为列排列的二维复数矩阵。然后根据前述步骤计算得到的不同方位角，也即不同扫描孔径位置的相位校正因子，与该二维复数矩阵中对应的数据列进行点乘运算。随后再进行成像处理，最终得到聚焦后的目标二维微波图像。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种图像聚焦装置。上述目标近场微波成像测试系统还包括该图像聚焦装置。
在本发明的优选实施例中，该图像聚焦装置包括：数据获取单元、校正因子计算单元和图像校正单元。
其中数据获取单元用于通过GPS系统获取运动平台的位置，同时获取扫频测试数据。其中，扫频测试数据由搭载于运动平台上的测量装置绕被测目标的中心运动进行孔径扫描获得，且测量装置收发天线主瓣照射范围内置有金属球。扫频测试数据包括目标扫频测试数据和金属球扫频测试数据。
校正因子计算单元用于根据运动平台的位置计算金属球与运动平台之间的参考距离，利用金属球扫频测试数据计算金属球与运动平台之间的测量距离，根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子。
图像校正单元用于根据相位校正因子对目标扫频测试数据进行补偿，并进行成像处理，得到聚焦后的目标二维微波图像。
应该理解地是，本发明中目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法、图像聚焦装置和目标近场微波成像测试系统的原理相同，因此对目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法的实施例的详细阐述也适用于装置和系统。
本发明还通过将所提出的方法与现有未进行相位校正的方法进行比对实验，验证了本发明所提出方法在消除散焦现象方面的优越性。图3中提供了一次实际测试得到的金属球径向距离误差实测结果，由前述可知，假设运动平台在移动过程中移动位置不存在误差，则随着运动平台相对被测目标中心的方位角的变化，金属球与运动平台之间的距离应当是连续、平滑变化的。图4a和图4b中横轴表示金属球相对于运动平台的径向距离(单位m)，纵轴表示扫描孔径的不同位置，箭头所指示的为金属球回波波峰。图4a为相位校正前金属球一维距离像历程图，由于实际中运动平台存在移动误差，使得金属球回波波峰实际位置，即金属球与运动平台之间的测量距离，随方位角度的变化而不再平滑。本发明方法通过对每个采样方位角θn位置上的目标扫频测试数据进行相位校正，能够消除由于运动平台的移动误差造成的金属球径向距离误差，经相位校正后的金属球一维距离像历程如图4b所示，可以看出，经过相位校正后，金属球与运动平台之间的测量距离随方位角θn变化的趋势与金属球与运动平台之间的参考距离的变化趋势一致。图5中展示了由四个金属球(一个大金属和三个小金属球)构成的组合目标的布局示意图，其中圆弧为运动平台运动轨迹。图6是图5所示组合目标的对应实物图。图7a和图7b中箭头A表示图5组合目标中大金属球对应的成像结果，箭头B表示图5组合目标中三个小金属球对应的成像结果。图7a所示的为对图5所示组合目标未经相位校正的测试数据直接成像结果，从该图可以看出，由于运动平台存在移动误差，导致大金属球的聚焦效果很差，由一个散射中心分裂成为三个显著的亮斑。而参照图7b，为对图5所示组合目标采用本发明方法得到的成像结果，将测试数据按本发明提出的方法进行相位校正后，图像聚焦效果明显改善，四个金属球均清晰可辨。
综上所述，本发明提出的方法是在目标近场微波成像测试场地中额外地放置金属球，将其作为目标扫频测试数据的相位参考基准，为目标扫频测试数据的相位校正提供参考和依据；且同时利用GPS系统记录测量装置随运动平台移动不同方位的位置信息，并利用方位角参数，计算金属球径向距离误差，能够在很大程度上降低由GPS系统漂移引起的定位误差；通过对各方位位置采集的目标扫频测试数据进行相位校正，能够消除因测量装置的运动平台移动误差引起的目标二维微波图像的散焦现象，改善图像的聚焦效果，更有利于对目标散射源的定位和诊断。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、构建目标近场微波成像测试系统，包括：被测目标、测量装置、运动平台、GPS系统、金属球；其中，所述测量装置搭载于运动平台上用于对被测目标进行孔径扫描；所述金属球置于测量装置收发天线主瓣照射范围内；
S2、控制运动平台绕被测目标的中心运动，并利用GPS系统记录运动平台的位置，同时控制测量装置进行扫频测试，并采集扫频测试数据，所述扫频测试数据包括目标扫频测试数据和金属球扫频测试数据；
S3、根据GPS系统记录的运动平台的位置计算金属球与运动平台之间的参考距离，利用所述金属球扫频测试数据计算金属球与运动平台之间的测量距离，根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子；
S4、根据所述相位校正因子对所述目标扫频测试数据进行补偿，并进行成像处理，得到聚焦后的目标二维微波图像。
2.根据权利要求1所述的目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法，其特征在于，在步骤S3中通过以下公式计算金属球与运动平台之间的参考距离Rcn：
Figure FDA0002394075350000011
其中，
Figure FDA0002394075350000012
上式中，R0表示扫描孔径中心至被测目标中心的距离，φ表示金属球球心和运动平台初始位置分别与被测目标中心连线的夹角，θn表示第n个脉冲发出时运动平台相对被测目标中心的方位角，(xc，yc)表示以被测目标中心为原点时所述金属球的坐标，Rc0表示金属球与被测目标中心的距离。
3.根据权利要求2所述的目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法，其特征在于，所述步骤S3中根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子，包括：
1)根据参考距离和测量距离计算金属球径向距离误差dn：
dn＝R’cn-Rcn
其中，R’cn表示根据所述金属球扫频测试数据经过IFFT变换后得到的金属球与运动平台之间的测量距离，Rcn为金属球与运动平台之间的参考距离；
2)通过以下公式计算方位角θn的相位校正因子ψn(f)：
Figure FDA0002394075350000021
上式中，j表示虚数符号，f表示测量装置发射的电磁波频率，c0表示真空光速，dn表示方位角为θn时金属球径向距离误差。
4.根据权利要求1所述的目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法，其特征在于，所述方法还包括：
预先利用GPS系统分别采集被测目标中心和金属球球心的位置坐标。
5.根据权利要求1所述的目标近场微波成像测试中的图像聚焦方法，其特征在于：所述方法构建的目标近场微波成像测试系统中，所述金属球与被测目标中心之间的距离为扫描孔径中心至被测目标中心的距离的1/4至1/2倍。
6.一种图像聚焦装置，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于通过GPS系统获取运动平台的位置，同时获取扫频测试数据；其中，扫频测试数据由搭载于运动平台上的测量装置绕被测目标的中心运动进行孔径扫描获得，且测量装置收发天线主瓣照射范围内置有金属球；所述扫频测试数据包括目标扫频测试数据和金属球扫频测试数据；
校正因子计算单元，用于根据运动平台的位置计算所述金属球与运动平台之间的参考距离，利用所述金属球扫频测试数据计算金属球与运动平台之间的测量距离，根据该参考距离和测量距离得到相位校正因子；
图像校正单元，用于根据所述相位校正因子对所述目标扫频测试数据进行补偿，并进行成像处理，得到聚焦后的目标二维微波图像。
7.根据权利要求6所述的图像聚焦装置，其特征在于：所述数据获取单元中，所述金属球与被测目标中心之间的距离为扫描孔径中心至被测目标中心的距离的1/4至1/2倍。
8.一种目标近场微波成像测试系统，其特征在于，包括：被测目标、测量装置、运动平台和GPS系统；所述测量装置搭载于运动平台上用于对被测目标进行孔径扫描；
所述目标近场微波成像测试系统还包括：
金属球，置于测量装置收发天线主瓣照射范围内；以及
如权利要求6所述的图像聚焦装置。
9.根据权利要求7所述的目标近场微波成像测试系统，其特征在于：所述GPS系统还用于预先分别采集被测目标中心和金属球球心的位置坐标。
10.根据权利要求7所述的目标近场微波成像测试系统，其特征在于：所述金属球与被测目标中心之间的距离为扫描孔径中心至被测目标中心的距离的1/4至1/2倍。
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