基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法和装置

1.本技术涉及计算成像技术领域，特别是涉及一种基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法和装置。


背景技术：

2.微波孔径编码成像是近年来提出的一种新型雷达成像技术，它借鉴了光学孔径编码成像、微波关联成像和计算成像的思想，通过超材料孔径编码天线对入射的电磁波的幅度或者相位进行调制，在目标区域形成时空独立的辐射场分布，然后利用相干或者非相干的方式接收回波信号，再利用计算成像的方式实现波束内目标信息的提取和解耦，最终实现高分辨、前视、凝视、全天时成像。
3.作为一种新型的雷达成像技术，孔径编码成像具有诸多优点，但是其在成像过程中还存在许多问题。如在各种系统误差下如何获取精确的辐射场分布。
4.目前国内外针对在各种系统误差下如何获取太赫兹孔径编码成像系统的精确辐射场分布的研究主要有两种。其一是基于编码分类的推演建模，该成像系统主要由发射天线，接收天线，发射端和接收端两个孔径编码天线，计算控制系统和矢量网络分析仪(vna)组成。孔径编码天线可采用不同的调制位数对输入信号的幅度或相位进行随机调制，编码天线可以仅放置在发射端或接收端，也可以同时放置在发射端和接收端。从方位维和俯仰维剖分成像平面，获得k个成像网格单元，目标散射点假设分布在所处网格单元中心。矢量网络分析仪通过测量透射系数获取散射回波信号。根据编码天线与成像平面网格的相对位置，可以推导出收发同步编码、仅在发射端编码和仅在接收端编码的成像模型。其二，针对网格失配误差，根据预设的分裂网格面积和散射系数算法对当前网格进行分裂，对分裂后网格中散射系数值大于预设值的分裂网格划分雷达成像区域。当此时网格参数满足预设的分裂停止条件时，根据当前网格参数得到对应的目标成像数据。通过在微波关联成像中对成像网格进行迭代分裂和动态划分，剔除散射系数低于预设值的不包括目标的无效网格，得到局部细化、剔除的非均匀网格，有效解决微波关联成像中的网格失配问题。现有技术的方法未能综合考虑所有误差对目标重建的影响，因此对推导的参考信号矩阵精度的提升有限。另外虽然基于平面近场测量和近远场变换的方法虽然能够较为精确地测量目标成像区域的辐射场分布，但是其工作量非常庞大，很难实际实现。
5.因此，现有技术存在模型误差大、工作量大与适应性不佳的问题。


技术实现要素：

6.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够在提升参考信号矩阵精度的同时，降低回波录取的工作量的基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法、装置、计算机设备和存储介质。
7.一种基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法，所述方法包括：获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集；
在前视成像条件下，由发射模块发射线性调频脉冲波形，经孔径编码天线调制后照射所述已知目标数据集对应的目标图样，由接收模块接收得到对应的回波数据集；根据所述已知目标数据集和所述回波数据集构建辐射场求解模型，通过逆问题求解算法对所述辐射场求解模型进行求解，得到所述辐射场对应的参考信号矩阵的精确估计值；根据所述参考信号矩阵的精确估计值对未知目标图样进行重建。
8.在其中一个实施例中，还包括：获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集为；其中，预先设计的目标图样为能够覆盖成像网格平面对角线的目标图样；，为预先设计的目标图样的个数，为成像平面进行网格划分的网格个数，满足。
9.在其中一个实施例中，还包括：在前视成像条件下，由发射模块发射线性调频脉冲波形，经孔径编码天线调制后照射所述已知目标数据集对应的目标图样，由接收模块接收得到对应的回波数据集为；其中，，为接收模块进行采样和接收回波数据的次数。
10.在其中一个实施例中，还包括：根据所述已知目标数据集和所述回波数据集构建辐射场求解模型为：(1)(2)其中，为噪声向量，为需要求解的所述辐射场对应的参考信号矩阵。
11.在其中一个实施例中，还包括：对(2)式的两边进行转置，得到转置方程为：(3)即将对参考信号矩阵的第m行的求解转换为对的第m列的求解；通过式(4)对的第m列进行求解：(4)其中，表示矩阵的第m列，表示矩阵的
第m列，表示矩阵的第m列；将作为测量向量，作为逆问题的参考矩阵，通过应用逆问题求解算法求得所述参考信号矩阵的第m行；进而得到所述参考信号矩阵的精确估计值。
12.一种基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模装置，所述装置包括：已知目标数据集获取模块，用于获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集；回波数据集采集模块，用于在前视成像条件下，由发射模块发射线性调频脉冲波形，经孔径编码天线调制后照射所述已知目标数据集对应的目标图样，由接收模块接收得到对应的回波数据集；辐射场求解模块，用于根据所述已知目标数据集和所述回波数据集构建辐射场求解模型，通过逆问题求解算法对所述辐射场求解模型进行求解，得到所述辐射场对应的参考信号矩阵的精确估计值；成像系统应用模块，用于根据所述参考信号矩阵的精确估计值对未知目标图样进行重建。
13.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集；在前视成像条件下，由发射模块发射线性调频脉冲波形，经孔径编码天线调制后照射所述已知目标数据集对应的目标图样，由接收模块接收得到对应的回波数据集；根据所述已知目标数据集和所述回波数据集构建辐射场求解模型，通过逆问题求解算法对所述辐射场求解模型进行求解，得到所述辐射场对应的参考信号矩阵的精确估计值；根据所述参考信号矩阵的精确估计值对未知目标图样进行重建。
14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集；在前视成像条件下，由发射模块发射线性调频脉冲波形，经孔径编码天线调制后照射所述已知目标数据集对应的目标图样，由接收模块接收得到对应的回波数据集；根据所述已知目标数据集和所述回波数据集构建辐射场求解模型，通过逆问题求解算法对所述辐射场求解模型进行求解，得到所述辐射场对应的参考信号矩阵的精确估计值；根据所述参考信号矩阵的精确估计值对未知目标图样进行重建。
15.上述基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法、装置、计算机设备和存储介质，通过获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集，并由接收模块接收得到对应的回波数据集，由已知目标数据集和回波数据集对辐射场建模，只需设计已知目标图样的个数不少于成像平面网格的个数，即可通过逆问题求解算法，对
参考信号矩阵进行精确估计。本发明大大地减少了工作量的同时极大地提高了参考矩阵的建模精度，有助于目标图样的高质量重建。
附图说明
16.图1为一个实施例中基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法的流程示意图；图2 为一个实施例中基于辐射场等效测量的建模方法原理图；图3 为一个实施例中基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模装置的结构框图；图4为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
17.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
18.本技术提供的基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法，可以应用于如下应用环境中。其中，在前视成像条件下，发射机发射雷达信号照射到反射式孔径编码天线表面，同时，编码控制模块加载随机调制因子到孔径编码天线来对入射的雷达信号进行相位调制或者幅度调制，随后在成像区域形成空间不相关的随机辐射场。控制处理终端执行一种基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法，利用反射式编码天线调制信号照射已知目标，经过目标反射后利用接收天线获取已知目标的回波数据，构建回波数据集和目标数据集，利用收集的数据对参考信号矩阵进行精确估计。其中，控制处理终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑和平板电脑。
19.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法，包括以下步骤：步骤202，获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集。
20.实际微波孔径编码成像中存在各种各样的误差，包括网格失配误差、信号幅相调制误差、位置误差等。系统误差的存在会影响辐射场推演的精确性，特别是在高频段，其频率高波长短，微小的误差都会对辐射场造成很大的影响，导致推导的参考信号矩阵精度下降，进而影响目标的重建质量。
21.现有技术中通过收集大量的回波数据和目标数据集来直接对辐射场进行隐式建模，为得到训练好的神经网络，该方法需要收集大量的数据集。
22.本发明中等效测量指的是，不采用现有的基于平面近场测量和近远场变换的方法实现成像系统建模，而是通过测量已知目标数据集对应的孔径编码雷达回波，建立矩阵方程并通过逆问题求解，求解出包含系统误差的等效辐射场，进而获取参考信号矩阵，实现成像系统建模。
23.本发明的整体思路是通过预先设计的已知目标图样的目标数据集和对应的回波数据集，对辐射场进行建模，求解辐射场对应的参考信号矩阵，进而实现对辐射场分布的精
确估计，在得到实际参考信号矩阵后，根据孔径编码成像模型，对未知目标图样进行高质量重建。
24.针对孔径编码成像系统，在利用辐射场等效测量的方法对成像系统建模时，要求目标数据集构成的矩阵满秩，因此须预先设计目标图样，选取能够覆盖成像网格平面对角线的目标图样，构成已知的目标数据集。
25.具体地，对成像平面进行网格划分，将其划分为n个网格，设计少量目标图样数据制作图样数据集，；其中，预先设计的目标图样为能够覆盖成像网格平面对角线的目标图样，，为预先设计的目标图样的个数，为成像平面进行网格划分的网格个数，满足。
26.步骤104，在前视成像条件下，由发射模块发射线性调频脉冲波形，经孔径编码天线调制后照射已知目标数据集对应的目标图样，由接收模块接收得到对应的回波数据集。
27.探测信号经过目标反射后，由雷达接收机获得对应的回波数据，利用回波数据构成回波数据集，目标数据集与回波数据集一一对应，其中，，，为接收模块进行采样和接收回波数据的次数。
28.步骤106，根据已知目标数据集和回波数据集构建辐射场求解模型，通过逆问题求解算法对辐射场求解模型进行求解，得到辐射场对应的参考信号矩阵的精确估计值。
29.通过数据集和来对辐射场进行建模，其数学表达式可写为：（1）（2）式(1)和式(2)构成辐射场求解模型，其中式(1)为目标函数，式(2)为模型对应的约束条件，其中，，其中，是目标散射系数矢量，是回波向量，是噪声向量。此处即可，相对于通过收集大量的回波数据和目标数据集来直接对辐射场进行隐式建模，该方法可大大减少数据集的收集工作。
30.接下来对(2)式的两边进行转置，可以得到：（3）那么，实际参考信号矩阵的第m行，即的第m列能够通过如下式子来估计： （4）
式中，表示矩阵的第m列，表示矩阵的第m列，表示矩阵的第m列。在等式(4)中，可以将看成测量向量，看作为参考信号矩阵，因而通过应用逆问题求解算法可以求得实际参考信号矩阵的第m行。依次类推利用相同的方法能够实现对系统误差下的实际参考信号矩阵进行建模，整个建模方法的过程可以表示为图2所示。
31.步骤108，根据参考信号矩阵的精确估计值对未知目标图样进行重建。
32.由关联成像原理，孔径编码成像的参数化数学模型为：在对未知目标图样进行重建时，是未知的目标散射系数矢量，参考信号矩阵的性质决定了关联方程求解的性能。通过本发明的方法，可以极大地提高参考信号矩阵的推导精度，进而有助于目标图样的高质量重建。
33.上述基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法中，通过获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集，并由接收模块接收得到对应的回波数据集，由已知目标数据集和回波数据集对辐射场建模，只需设计已知目标图样的个数不少于成像平面网格的个数，即可通过逆问题求解算法，对参考信号矩阵进行精确估计。本发明大大地减少了工作量的同时极大地提高了参考矩阵的建模精度，有助于提高目标图样的重建精度。
34.应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
35.在一个实施例中，如图3所示，提供了一种基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模装置，包括：已知目标数据集获取模块302、回波数据集采集模块304、辐射场求解模块306和成像系统应用模块308，其中：已知目标数据集获取模块302，用于获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集；回波数据集采集模块304，用于在前视成像条件下，由发射模块发射线性调频脉冲波形，经孔径编码天线调制后照射已知目标数据集对应的目标图样，由接收模块接收得到对应的回波数据集；辐射场求解模块306，用于根据已知目标数据集和回波数据集构建辐射场求解模型，通过逆问题求解算法对辐射场求解模型进行求解，得到辐射场对应的参考信号矩阵的精确估计值；
成像系统应用模块308，用于根据参考信号矩阵的精确估计值对未知目标图样进行重建。
36.已知目标数据集获取模块302还用于获取针对孔径编码成像系统预先设计的目标图样构成的已知目标数据集为；其中，预先设计的目标图样为能够覆盖成像网格平面对角线的目标图样；，为预先设计的目标图样的个数，为成像平面进行网格划分的网格个数，满足。
37.回波数据集采集模块304还用于在前视成像条件下，由发射模块发射线性调频脉冲波形，经孔径编码天线调制后照射已知目标数据集对应的目标图样，由接收模块接收得到对应的回波数据集为；其中，，为接收模块进行采样和接收回波数据的次数。
38.辐射场求解模块306还用于根据已知目标数据集和回波数据集构建辐射场求解模型为：(1)(2)其中，为噪声向量，为需要求解的辐射场对应的参考信号矩阵。
39.辐射场求解模块306还用于对(2)式的两边进行转置，得到转置方程为：(3)即将对参考信号矩阵的第m行的求解转换为对的第m列的求解；通过式(4)对的第m列进行求解：(4)其中，表示矩阵的第m列，表示矩阵的第m列，表示矩阵的第m列；将作为测量向量，作为逆问题的参考矩阵，通过应用逆问
题求解算法求得参考信号矩阵的第m行；进而得到参考信号矩阵的精确估计值。
40.关于基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模装置的具体限定可以参见上文中对于基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法的限定，在此不再赘述。上述基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
41.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于辐射场等效测量的孔径编码成像系统建模方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
42.本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
43.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述方法实施例中的步骤。
44.在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例中的步骤。
45.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（rom）、可编程rom（prom）、电可编程rom（eprom）、电可擦除可编程rom（eeprom）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（ram）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram（sram）、动态ram（dram）、同步dram（sdram）、双数据率sdram（ddrsdram）、增强型sdram（esdram）、同步链路（synchlink） dram（sldram）、存储器总线（rambus）直接ram（rdram）、直接存储器总线动态ram（drdram）、以及存储器总线动态ram（rdram）等。
46.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
47.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。