CN114355341A - 一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法及装置，该方法步骤包括，发出频率线性变化的扫频信号并接收经待测物反射的回波信号；其中，在发出扫频信号的同时，对待测物进行旋转；扫频信号对待测物进行垂直扫描，并且在预设的方位角度范围内，扫频信号在垂直方向上反复扫描至少一个来回；对待测物的不同旋转方位角、不同垂直位置的回波信号进行采样，得到所有方位角下的采样点回波数据；根据回波数据采用三维重建算法构建三维图像；该系统包括收发天线对、竖直方向导轨、转台和数据处理终端；本发明采用垂直扫描、方位旋转同步运动的散射测量模型进行三维成像，有效地缩短了测量时间，该测量方法的动态范围可达3‑12.5dB。

Description

一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法及装置
技术领域
本发明涉及三维成像技术领域，更具体的说是涉及一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法及装置。
背景技术
隐身技术自20世纪70年代被公开以来受到了各个国家的高度重视，拥有高隐身性能的武器在战争中可以有效的隐藏自己，成为现代战争中先敌发现、先敌打击的利器之一，而隐身性能的维护及维修是关系到其实际作战效果的关键因素。
飞机在出厂时能够保持一个较好的状态，使用一段时间后，甚至一次起飞/降落过后，都有可能发生变化，从而导致隐身飞机整体隐身性能的恶化，因此需要对飞机的隐身特性进行定期维护，保证其满足隐身指标要求。对于服役阶段的飞机，训练或者战斗任务繁重，不支持过长时间测量，并且往往需要在场地条件有限的情况下完成隐身性能评估。因此，亟需解决在役战机的快速隐身性能检测问题。
目前对真实隐身飞机整体隐身性能检测主要依靠动态飞行，检测周期较长、测试成本较高，无法满足飞机日常维护检测需求。对此，各国加紧投入大量人力、物力，开展针对全尺寸飞机近场RCS测试技术、方法和系统的研究。在近场RCS测试时，主要采用平面扫描法、柱面扫描法以及柱面场方法。其中，柱面场方法测试条件不易搭建，圆柱近场扫描实际上只有一维的直线扫描，与平面扫描比较速度要快许多倍，因此，平面扫描法和柱面扫描法不适用于在役战机的日常维护测试。F-35隐身能力近场测试试验室采用柱面扫描法测试1架F-35飞机大约需要1个工作日，这种方法测试时间过长，不满足在役战机的测试需求。
在室外测试过程中，飞机的架设方式要么是较大的泡沫支架，要么是飞机起落架，这两种支撑方式本身散射都比飞机散射大，如果不能有效消除将无法在简单支撑的条件下完成飞机隐身性能评估。从二维成像中消除支架散射会同时消掉一部分飞机本身散射，影响飞机散射特性测量精度。三维成像可获得散射源的三维空间分布，对位于飞机下方的支架散射能起到分离效果，并且保留飞机本身散射。因此，采用三维成像散射测量方法来评估整机隐身特性是非常必要的。
因此，如何提供一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法及装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法及装置，采用垂直扫描、方位旋转同步运动的散射测量模型进行三维成像，有效地缩短了测量时间；然后采用三维重构算法对简单散射点目标进行仿真计算，验证采用该测量模型成像的可行性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，步骤包括，
发出频率线性变化的扫频信号并接收经待测物反射的回波信号；
其中，在发出所述扫频信号的同时，对所述待测物进行旋转；所述扫频信号对所述待测物进行垂直扫描，并且在预设的方位角度范围内，所述扫频信号在垂直方向上反复扫描至少一个来回；
对所述待测物不同旋转方位角、不同垂直位置的回波信号进行采样，得到所有方位角下的采样点回波数据；
根据所述回波数据采用三维重建算法构建三维图像。
进一步的，所述扫频信号的频率线性变化方式为线性步进或线性调频；所述扫频信号的频率区间为300MHz～110GHz，在所述频率区间内，设置线性变化范围，所述扫频信号从所述线性变化范围的最低频率开始增长，直至增长到最高频点。
进一步的，所述扫频信号的频率线性变化方式为线性步进时，所述线性变化方式包括：设定步进频率范围和步进间隔，从最低频率开始，等间隔增长，直至增长到最高频点。
进一步的，所述扫频信号的频率线性变化方式为线性调频时，所述线性变化方式包括：设定扫频带宽和扫描时间，从最低频率开始连续增长，直至增长到最高频点。
进一步的，所述扫频信号的发出点在垂直方向上的移动范围在0.4m～16m之间，根据测量需要选择对应长度的导轨，例如X波段，目标距离导轨2m时，导轨长度为0.6m，垂直扫描间隔为0.02m。
进一步的，所述旋转方位角的旋转角度范围在2°～190°之间，根据测量需要选择对应的旋转角度范围，例如方位孔径角为15°，旋转角度间隔为0.2°或0.035°。
进一步的，还包括对所述三维图像进行验证；
确认仿真参数并将仿真参数输入至预先构建的仿真检测模型，得到仿真三维图像；
根据仿真参数计算回波信号电场值并根据所述回波信号电场值，生成标准图像；
将所述标准图像与所述仿真三维图像进行比对，根据图像动态范围来验证所述三维图像的质量。
进一步的，所述仿真检测模型的仿真步骤包括，所述待测物静止不动，所述扫频信号进行扫描的同时，控制所述扫频信号的发出点以所述待测物为中心做圆周运动。
进一步的，所述计算回波信号电场值包括，计算所述仿真检测模型中所述扫频信号发出点到预设散射点的空间距离；根据所述所述仿真参数和所述空间距离计算得到每个散射点所对应的回波信号电场值。
一种基于扫描选择同步的快速三维成像装置，包括收发天线对、竖直方向导轨、转台和数据处理终端；
所述收发天线对，用于发出频率线性变化的扫频信号并接收经待测物反射的回波信号；
所述竖直方向导轨，用于为所述收发天线提供竖直方向上的运动轨道；
所述转台，用于固定所述待测物；
所述数据处理终端用于控制所述扫频信号对所述待测物进行垂直扫描，获取所述待测物不同垂直位置的回波信号，并且在预设的方位角度范围内，控制所述收发天线对在所述竖直导轨上反复扫描至少一个来回；
用于在发出所述扫频信号的同时，控制所述转台进行旋转，便于获取所述待测物不同旋转方位角的回波信号；
用于对所述待测物的不同旋转方位角、不同垂直位置的回波信号进行采样，得到所有方位角下的采样点回波数据；
根据所述回波数据采用三维重建算法构建三维图像。
本发明的有益效果：
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，发明公开提供了一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，采用垂直扫描、方位旋转同步运动的散射测量模型，与满空间柱面扫描法相比，该模型有效缩短了测量时间。以散射点目标为例，通过仿真计算也验证了该测量模型能够实现三维成像的可行性，根据扫描速度的不同，成像动态范围可达到3dB—12.5dB可分辨。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法示意图；
图2附图为是本发明采用两种不同采样间隔下运动轨迹的采样矩阵；
图3附图为是满柱面扫描方式下的采样矩阵；
图4附图为多个散射点的位置分布；
图5附图为角度间隔0.2°的柱面扫描方式得到的三维成像结果示意图；
图6附图为角度间隔0.035°的扫描旋转同步运动方式得到的三维成像结果；
图7附图为角度间隔0.2°的扫描旋转同步运动方式得到的三维成像结果。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明实施例公开了一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，步骤包括，
一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，步骤包括，
发出频率线性变化的扫频信号并接收经待测物反射的回波信号；
其中，在发出扫频信号的同时，对待测物进行旋转；扫频信号对待测物进行垂直扫描，并且在预设的方位角度范围内，扫频信号在垂直方向上反复扫描至少一个来回；
对待测物不同旋转方位角、不同垂直位置的回波信号进行采样，得到所有方位角下的采样点回波数据；
根据回波数据采用三维重建算法构建三维图像。
在本实施例中，由外部的射频收发系统设置并生成频率线性变化的扫频信号，扫频信号以电磁波的形式经由射频电缆传输至发射天线，然后在自由空间中传播，遇到待测物后，经散射点产生散射回波信号；散射回波信号返回至接收天线被射频收发系统采集并记录，完成一次回波数据的采集；发射天线和接收天线为固定在同一高度的收发天线对；通过调节收发天线对移动速度和转台水平旋转角速度来调节扫频信号的采样速度及采样间隔；发射天线与接收天线均设置在一个竖直方向的导轨上，导轨位置固定；因此，发射天线发出的扫频信号能够对待测物进行垂直扫描，通过调节竖直导轨的长度以及收发天线对的扫描间隔，实现竖直方向的多位置扫描；此外，将待测物放在载物转台上，通过调节转台的旋转角度范围和转台角度间隔，实现对待测物的多角度扫描；转台的旋转以及收发天线对在竖直导轨上下反复移动路径设置可以在计算机的控制下进行。
扫频信号在竖直方向上的运动，在成像方位孔径角的范围内，至少为1个来回。待测物放置在转台上做水平方向旋转，与此同时，天线沿垂直导轨同时作高度扫描运动，“雷达”发射电磁波，并接收目标的散射回波，其中，在成像方位孔径角范围内，要求天线扫描上下往复一次及以上，从而得到更多的采样数据。天线与待测目标的相对运动构成合成运动轨迹曲线，其中，合成运动轨迹的采样矩阵示意图如图2，图2表示的是两种不同采样间隔下运动轨迹的采样矩阵，矩阵中一行采样回波点表示同一垂直位置z下的不同转角θ，一列采样回波点表示同一转角θ下的不同垂直位置，其中黑色点代表采样数据位置，该近场采样数据可用来作三维成像。收发天线间角度很小，小于5°，可视为单站收发。
图3表示的是满柱面扫描方式下的采样矩阵，对比图2和图3可以看出，在成像方位孔径角范围内，柱面扫描法与扫描旋转同步运动方法扫描的采样间隔不同，即角度间隔和垂直扫描间隔均不同。通过对比两种扫描方式下采样矩阵中的数据量，可明显看出图2的采样矩阵实现了降采样扫描，从而可提高目标散射测试效率。
在另一实施例中，述扫频信号的频率线性变化方式为线性步进或线性调频；扫频信号的频率区间为300MHz～110GHz，在频率区间内，设置线性变化范围，扫频信号从线性变化范围的最低频率开始增长，直至增长到最高频点。
在本实施例中，线性变化范围可以设置多个，扫频信号的频率从最低的频率开始增长，依次经过各个线性变化范围，直至增长到最高频点。
在另一实施例中，扫频信号的频率线性变化方式为线性步进时，线性变化方式包括：设定步进频率范围和步进间隔，从最低频率开始，等间隔增长，直至增长到最高频点，例如起始频率为8GHz，终止频率为10GHz，扫频点数为201个频点。
在另一实施例中，扫频信号的频率线性变化方式为线性调频时，线性变化方式包括：设定扫频带宽和扫描时间，从最低频率开始连续增长，直至增长到最高频点。
在另一实施例中，扫频信号的发出点在垂直方向上的移动范围在0.4m～16m之间，根据扫频信号的线性变化范围和待测物尺寸大小选择对应长度的导轨；例如X波段，目标距离导轨2m时，导轨长度为0.6m，垂直扫描间隔为0.02m。
在另一实施例中，旋转方位角的旋转角度范围在2°～190°之间，根据扫频信号的线性变化范围和待测物尺寸大小选择对应长度的导轨，例如方位孔径角为15°，旋转角度间隔为0.2°或0.035°。
在另一实施例中，还包括对三维图像进行验证；
确认仿真参数并将仿真参数输入至预先构建的仿真检测模型，得到仿真三维图像；其中，仿真参数与进行三维成像时的参数一致，仿真参数如表1：
表1 仿真参数
仿真参数 数值大小及单位
线性变化起始频率 8GHz
线性变化终止频率 10GHz
步进频点数/扫频点数 201
竖直方向位移量程 0.6m
垂直扫描间隔 0.02m
待测物起始方位角 0°
待测物终止方位角 15°
待测物角度间隔 0.2°，0.035°
每个点的散射强度 1
根据仿真参数计算回波信号电场值并根据回波信号电场值，生成标准图像；
将标准图像与仿真三维图像进行比对，根据图像动态范围来验证三维图像的质量；三维图像质量与天线扫描速度和转台旋转速度间的配合相关，即与天线和目标间的合成运动轨迹有关。在成像方位孔径角范围内，要求收发天线对在竖直方向上往复扫描大于等于一个来回，在转台方位角范围内，天线在一维扫描架走2次就可以成三维像，走的次数越多成像效果也会越好。
在另一实施例中，在仿真检测模型中，待测物静止不动，扫频信号进行扫描的同时，扫频信号的发出点以待测物为中心做圆周运动，具体的执行步骤包括：将转台以及转台上的待测物固定不动，计算机控制竖直导轨以待测物为中心做圆周运动，仿真模型中收发天线对与待测物的相对位置并未发生改变，通过仿真模型易得空间距离d，空间距离d的表达式为：
Figure BDA0003443889830000081
其中，(x，y，z)为待测物上扫频信号的扫描点位置，也就是散射点位置；R为收发天线当前位置与转台的水平距离；θ为收发天线对绕转台转动的角度大小，与实际模型中转台的旋转角相对应；因此，收发天线对的坐标表示为(Rcosθ，Rsinθ，z′)。
在本实施例中，根据仿真检测模型计算扫频信号发射点与待测物中各个散射点的空间距离d，根据空间距离d计算散射点对应的回波信号电场值；
回波信号电场值的计算公式为：
Es(θ,f,z)＝∫∫∫s(x,y,z)e-j2kddxdydz；
其中，s(x,y,z)为预设的散射点位置矩阵，Es(θ,f,z)为回波信号电场值；k表示相位周期；
天线沿直线导轨z’做步进扫描，在每一个扫描点处天线发射步进频率波f，假设目标位置为(x,y,z)，则信号经目标反射后，产生的相位延迟为2kd，k＝2πf/c，c为光速；对待测物不同旋转方位角、不同垂直位置的回波信号进行采样，得到所有采样点回波数据，对采集到的回波数据进行处理即可得到三维散射图。成像公式为：
σ(x,y,z)＝∫∫∫Es(θ,f,z′)ej2kddθdfdz′；
其中，Es(θ,f,z′)为天线采集的三维散射回波数据，σ(x,y,z)是最终得到的仿真模型三维图像；另外，将回波信号电场值代入上式，可以得到柱面扫描法的标准图像。
图4中选择多个目标点进行仿真，验证了本发明中的待测物中多个目标点的分布信息；图5为角度间隔0.2°的柱面扫描方式得到的三维成像结果；图6为角度间隔0.035°的扫描旋转同步运动方式得到的三维成像结果；图7为角度间隔0.2°的扫描旋转同步运动方式得到的三维成像结果；图5的成像动态范围12.5dB，图6的成像动态范围12dB，图7的成像动态范围3dB；由图6和图7可以看出：对不同扫频信号的扫描速度下散射回波进行仿真计算，散射点位置可进行重现，天线垂直扫描与转台旋转同步运动的散射测量模型可以进行三维成像。对比不同天线扫描速度下的成像效果，可以明显看出图7中出现散射杂波，成像质量相比图6较差，说明在转台同一转速下，天线沿着垂直方向的扫描速度越快，运动轨迹采样点越多，成像质量越好。
在另一实施例中，设定扫频范围为8-10Hz、扫频点数为201点时,一次扫频时间为80ms，则不同的扫描方式结果对比见表2。
表2 的不同方式扫描结果对比
Figure BDA0003443889830000091
一种基于扫描旋转同步运动运动的快速三维成像装置，包括收发天线对、竖直方向导轨、转台和数据处理终端；
收发天线对，用于发出频率线性变化的扫频信号并接收经待测物反射的回波信号；
竖直方向导轨，用于为收发天线提供竖直方向上的运动轨道，竖直方向导轨的长度决定收发天线在竖直方向上的位移量程；
转台，用于固定待测物；
数据处理终端用于控制扫频信号对待测物进行垂直扫描，获取待测物不同垂直位置的回波信号，并且在预设的方位角度范围内，控制收发天线对在竖直导轨上反复扫描至少一个来回；
用于在发出扫频信号的同时，控制转台进行旋转，便于获取待测物不同旋转方位角的回波信号；
用于对待测物的不同旋转方位角、不同垂直位置的回波信号进行采样，得到所有方位角下的采样点回波数据；
根据回波数据采用三维重建算法构建三维图像。
本发明对扫描旋转同步运动的散射测量模型能否进行三维成像进行了理论推导和仿真计算，根据成像计算模型推导出了天线和目标间的距离变化公式，再根据距离和电磁波传输理论求解出目标的位置信息，再对散射点目标进行仿真成像，仿真结果验证了测量模型的合理性和理论计算的质量。
本说明书中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部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，步骤包括，
发出频率线性变化的扫频信号并接收经待测物反射的回波信号；
其中，在发出所述扫频信号的同时，对所述待测物进行旋转；所述扫频信号对所述待测物进行垂直扫描，并且在预设的方位角度范围内，所述扫频信号在垂直方向上反复扫描至少一个来回；
对所述待测物不同旋转方位角、不同垂直位置的回波信号进行采样，得到所有方位角下的采样点回波数据；
根据所述回波数据采用三维重建算法构建三维图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，所述扫频信号的频率线性变化方式为线性步进或线性调频；所述扫频信号的频率区间为300MHz～110GHz，在所述频率区间内，设置线性变化范围，所述扫频信号从所述线性变化范围的最低频率开始增长，直至增长到最高频点。
3.根据权利要求2所述的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，所述扫频信号的频率线性变化方式为线性步进时，所述线性变化方式包括：设定步进频率范围和步进间隔，从最低频率开始，等间隔增长，直至增长到最高频点。
4.根据权利要求2所述的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，所述扫频信号的频率线性变化方式为线性调频时，所述线性变化方式包括：设定扫频带宽和扫描时间，从最低频率开始连续增长，直至增长到最高频点。
5.根据权利要求1所述的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，所述扫频信号的发出点在垂直方向上的移动范围在0.4m～16m之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，所述旋转方位角的旋转角度范围在2°～190°之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，还包括对所述三维图像进行验证；
确认仿真参数并将仿真参数输入至预先构建的仿真检测模型，得到仿真三维图像；
根据仿真参数计算回波信号电场值并根据所述回波信号电场值，生成标准图像；
将所述标准图像与所述仿真三维图像进行比对，根据图像动态范围来验证所述三维图像的质量。
8.根据权利要求7所述的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，所述仿真检测模型的仿真步骤包括，所述待测物静止不动，所述扫频信号进行扫描的同时，控制所述扫频信号的发出点以所述待测物为中心做圆周运动。
9.根据权利要求8所述的一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，其特征在于，所述计算回波信号电场值包括，计算所述仿真检测模型中所述扫频信号发出点到预设散射点的空间距离；根据所述所述仿真参数和所述空间距离计算得到每个散射点所对应的回波信号电场值。
10.一种基于扫描旋转同步运动的快速三维成像装置，其采用了权利要求1-9中的基于扫描旋转同步运动的快速三维成像方法，包括收发天线对、竖直方向导轨、转台和数据处理终端；
所述收发天线对，用于发出频率线性变化的扫频信号并接收经待测物反射的回波信号；
所述竖直方向导轨，用于为所述收发天线提供竖直方向上的运动轨道；
所述转台，用于固定所述待测物；
所述数据处理终端用于控制所述扫频信号对所述待测物进行垂直扫描，获取所述待测物不同垂直位置的回波信号，并且在预设的方位角度范围内，控制所述收发天线对在所述竖直导轨上反复扫描至少一个来回；
用于在发出所述扫频信号的同时，控制所述转台进行旋转，便于获取所述待测物不同旋转方位角的回波信号；
用于对所述待测物的不同旋转方位角、不同垂直位置的回波信号进行采样，得到所有方位角下的采样点回波数据；
根据所述回波数据采用三维重建算法构建三维图像。
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