半全息圆柱扫描成像方法与流程

1.本发明涉及光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及基于声、光、电、磁等媒介的目标探测、成像识别、无线通信技术领域，具体涉及一种半全息圆柱扫描成像方法及其在上述各领域中的应用。


背景技术：

2.当采用天线单元(阵列单元)同时收发信号的一维竖直线阵，围绕中心轴线进行圆周扫描成像时，此时在空间形成圆柱形探测阵列，此探测阵列在不同的方向采用了不同的探测体制，该体制既不同于所有单元同时收发信号的常规阵列系统，又不同于所有单元依次收发信号的全息阵列系统，因此，此半全息阵列系统，既无法使用传统的数字波束技术，又无法使用现有的全息成像技术。但是，由于天线单元同时收发信号的一维线阵硬件成本低、探测速度快，因而具有极大的工程应用价值。
3.本发明人曾开发出了相关的快速成像技术，如适用于被动成像与主动成像的快速成像方法(中国专利申请号：202111123446x)、圆柱扫描微波成像方法(中国专利申请号：2021111940561)等。
4.需要说明的是，在上述“圆柱扫描微波成像方法”中，我们给出了一种圆柱扫描成像方法，其中：
5.φf为聚焦相位加权系数：
[0006][0007]
φc为柱面相位补偿系数：
[0008][0009]
其中，η为阵列属性参数，对于被动成像系统、半主动成像系统、常规相控阵系统，取η＝1；对于主动全息成像系统，取η＝2。
[0010]
然而，在上述发明申请中，仅涉及了1个阵列属性参数η，给出了具有单一阵列属性的圆柱扫描快速成像实现方案。但是，当此二维阵列在不同方向具有不同的阵列属性时，上述快速成像方法则无法完成有效成像。
[0011]
因此，针对半全息圆柱扫描成像系统，需要开发一种兼容性良好、成像效果出色的新型成像方法。


技术实现要素：

[0012]
为了解决半全息圆柱扫描成像难题，我们进行了系统深入的研究，并获得了一种新的切实可行的解决方案。
[0013]
如附图1所示，一维竖直线阵的天线单元(阵列单元)同时收发信号，采用此竖直线阵围绕目标p进行圆周扫描，依次记录所扫过的圆柱阵面上的回波分布，通过对数据进行成像处理，即可实现对目标的全方位成像。此半全息成像系统具有两个互不相同的阵列属性
参数η
x
和ηy，当某一维度方向的阵列单元同时收发信号时对应的阵列属性参数值为1，当某一维度方向的阵列单元依次收发信号时对应的阵列属性参数值为2。
[0014]
建立成像系统的坐标系，其中：p为目标，q为目标的像，合成的局部天线阵面相切于z＝0的平面，标记x表示收发天线单元。
[0015]
设扫描柱面的半径为ρ，表示柱坐标系下阵列单元偏离阵列中心的角度；用(x,y,z)表示阵列单元的坐标，随着扫描位置的变化，阵列单元的坐标存在如下关系式：
[0016][0017]
对于目标到阵列单元的传播相移φ1、等效透镜相移φ
l
以及阵列单元到成像平面的传播相移φ2，根据变量x、y、z进行分解，获得与阵列方向相关联的分量：
[0018][0019]
其中，为波数，λ为波长，u为物距，即目标到阵列平面的距离，v为像距，即成像平面到阵列平面的距离，f为透镜焦距；(ζ，ξ)为目标坐标，(x，y)为阵列单元坐标，(δ，σ)为像点坐标。
[0020]
由于ρ为定量，进一步忽略上述相移公式中的固定分量得：
[0021][0022]
为了便于在阵列两个维度方向进行分离，采用如下公式进行成像处理：
[0023][0024]
其中，为像场分布，为目标散射信号，j为虚数单位，e为欧拉常数。
[0025]
上式化简整理后得：
[0026][0027]
其中，其中，
[0028]
当满足成像条件时有此时有φ
x
＝0、φy＝0，代入上式化简得
[0029][0030]
研究表明，阵面孔径越大，上式右边的二重积分结果越接近狄拉克函数(dirac)的形态，此时所获得的像与源场之间存在如下近似线性关系：
[0031][0032]
上式表明，此时半全息圆柱扫描成像系统实现了目标的近似线性成像。
[0033]
对于实际的阵列成像系统，成像时则需要对阵列接收到的信号作如下处理：
[0034]
[0035]
其中，e为阵列单元接收到的目标信号，a为幅度加权系数，代入相关表达式后化简整理得：
[0036][0037]
其中，其中，
[0038]
对于离散阵列系统，当满足条件xm＝x0 mδ
x
、yn＝y0 nδy时有：
[0039][0040]
其中，m、n分别为阵列单元x方向与y方向的序号，(x0，y0)为阵列起始单元的坐标，δ
x
、δy分别为x方向、y方向的阵列单元间距，为阵列单元接收到的目标信号，a
mn
为阵列单元的幅度加权系数，m为x方向的阵列单元数量，n为y方向的阵列单元数量，列单元的幅度加权系数，m为x方向的阵列单元数量，n为y方向的阵列单元数量，
[0041]
上式右边的系数满足反映了像场的空间波动特性，对成像基本无影响，可忽略。不考虑系数的影响，求和运算可用二维ifft进行快速求解，则像场计算公式为：
[0042][0043]
其中，为最终获得的谱域像，ifft表示二维快速傅里叶逆变换。
[0044]
在上述认识的基础上，本发明提供了一种半全息圆柱扫描成像方法，本方法基于透镜成像原理，根据天线阵列接收到的目标信号，通过单元信号的幅度、相位复加权，采用高效并行算法，获得目标对应的像场分布。
[0045]
具体而言，本发明半全息圆柱扫描成像方法包括以下步骤：
[0046]
步骤一：确定半全息圆柱扫描方式以及与之对应的两个互不相同的扫描属性参数值；
[0047]
步骤二：进行半全息圆柱扫描以获取目标回波信息；
[0048]
步骤三：对阵列信号进行柱面相位补偿；
[0049]
步骤四：根据上述两个互不相同的扫描属性参数值对阵列信号进行聚焦相位加权；
[0050]
步骤五：根据上述两个互不相同的扫描属性参数值对阵列信号进行扫描相位加权；
[0051]
步骤六：对阵列信号进行幅度加权；
[0052]
步骤七：采用高效并行算法，对阵列信号进行快速成像处理；
[0053]
步骤八：根据上述两个互不相同的扫描属性参数值对像场进行坐标反演。
[0054]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法步骤一中所述确定半全息圆柱扫描方式以及与之对应的两个互不相同的扫描属性参数值，包括：
[0055]
选择下述扫描方式中的一种作为半全息圆柱扫描方式：竖直放置的一维直线阵围绕成像系统中心轴线旋转扫描的方式，或水平放置的一维弧线阵进行竖直方向平动扫描的方式；
[0056]
在半全息圆柱扫描成像系统中，阵列的扫描属性参数η
x
、ηy的取值不同；对于上述竖直放置的一维直线阵围绕成像系统中心轴线旋转扫描的方式，取扫描属性参数值η
x
＝2、ηy＝1；对于上述水平放置的一维弧线阵进行竖直方向平动扫描的方式，取扫描属性参数值η
x
＝1、ηy＝2。
[0057]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法步骤二中所述进行半全息圆柱扫描以获取目标回波信息，包括：
[0058]
一维线阵在不同的扫描位置，采用一发多收或多发多收的方式，发射单元同时发射探测信号，接收单元同时接收目标回波信号，并对阵列通道接收的回波信号进行放大、变频、滤波、匹配滤波和ad变换，进而获得包含i/q双通道信息的数字复信号。
[0059]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法步骤三中所述对阵列信号进行柱面相位补偿，其计算公式为：
[0060][0061]
其中，j为虚数单位，e为欧拉常数，s0为阵列回波信号，s1为柱面相位补偿后的阵列信号，φc为柱面相位补偿系数；
[0062]
其中，柱面相位补偿系数的计算公式为：
[0063][0064]
其中，为波数，λ为波长，π为圆周率，ρ为圆柱扫描的柱面半径，表示极坐标系下阵列单元偏离阵列中心的角度，符号cos表示余弦函数。
[0065]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法步骤四中所述根据上述两个互不相同的扫描属性参数值对阵列信号进行聚焦相位加权，其计算公式为：
[0066][0067]
其中，s2为聚焦相位加权后的阵列信号，为阵列x方向的聚焦相位加权值，为阵列y方向的聚焦相位加权值；
[0068]
其中，阵列x方向的聚焦相位加权值的计算方法如下：
[0069][0070]
阵列y方向的聚焦相位加权值的计算方法如下：
[0071][0072]
其中，r为目标斜距，即目标到阵列中心的距离，(x，y)为柱面阵列单元的坐标。
[0073]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法步骤五中所述根据上述两个互不相同
的扫描属性参数值对阵列信号进行扫描相位加权，通过扫描相位加权调整成像系统中心视角方向，其计算公式为：
[0074][0075]
其中，s3为扫描相位加权后的阵列信号，为阵列x方向的扫描相位加权值，为阵列y方向的扫描相位加权值；
[0076]
其中，阵列x方向的扫描相位加权值的计算方法如下：
[0077][0078]
阵列y方向的扫描相位加权值的计算方法如下：
[0079][0080]
其中，(θ
ζ
，θ
ξ
)为成像系统的中心视角方向对应的角度坐标，符号sin表示正弦函数。
[0081]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法步骤六中所述对阵列信号进行幅度加权以降低成像底噪，其计算公式为：
[0082]
s4＝s3a；
[0083]
其中，s4为幅度加权后的阵列信号，a为幅度加权系数；
[0084]
幅度加权的方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。
[0085]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法步骤七中所述采用高效并行算法，对阵列信号进行快速成像处理，其计算公式为：
[0086][0087]
其中，q
t
为快速成像处理获得的谱域像，ω
δ
、ω
σ
为谱坐标，符号表示高效并行算法函数；
[0088]
所述高效并行算法包括但不限于二维或三维fft、ifft、非均匀fft、稀疏fft方法；
[0089]
上述快速成像结果对应的谱坐标ω
δ
、ω
σ
取值范围为：ω
δ
∈[0,2π]、ω
σ
∈[0,2π]，进行fftshift运算后将ω
δ
、ω
σ
取值范围变换为：ω
δ
∈[-π,π]、ω
σ
∈[-π,π]，此时的像是符合实际分布的像：
[0090]
q(ω
δ
,ω
σ
)＝fftshift[q
t
(ω
δ
,ω
σ
)]。
[0091]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法步骤八中所述根据上述两个互不相同的扫描属性参数值对像场进行坐标反演，包括：
[0092]
对高效并行算法获得的像场进行坐标解算，并对像场进行坐标反演，获得真实目标的分布情况；其中：
[0093]
对于ifft类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：
[0094]
[0095]
对于fft类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：
[0096][0097]
其中，θ
δ
、θ
σ
分别为x方向和y方向的像场扫描角坐标，δ
x
、δy分别为阵列单元x方向和y方向的单元间距，符号sin-1
表示反正弦函数；
[0098]
像场的直角坐标计算公式为：
[0099][0100]
其中，δ、σ分别为x方向和y方向的像场直角坐标，符号tan表示正切函数，v为成像平面到局部柱面阵列所在平面的距离；
[0101]
真实目标的直角坐标反演计算公式为：
[0102][0103]
进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法中设置阵列单元间距进一步地，本发明半全息圆柱扫描成像方法中设置阵列单元间距以避免出现成像混叠现象；
[0104]
当阵列单元实际间距不满足上述条件时，采用插值方法对数据进行处理以保证满足成像无混叠条件。
[0105]
此外，本发明还提供了一种半全息圆柱扫描成像方法，所述成像方法用于远距离成像，包括：
[0106]
适用于远距离成像的计算公式为：
[0107][0108]
采用前述的高效并行算法计算像场，通过一次运算获得宽视角范围内的目标分布情况。
[0109]
此外，本发明成像方法还适用于天线不动、目标转动的成像系统，包括isar成像系统和转台成像系统。
[0110]
此外，本发明还涉及上述半全息圆柱扫描成像方法在光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及基于声、光、电、磁的目标探测、成像识别、无线通信领域中的应用。
[0111]
综上，本发明方法解决了具有混合阵列属性的半全息柱面阵列的成像难题，具有良好的应用前景，可广泛应用于以声、光、电、磁等为媒介的目标探测及无线通信领域。当探测媒介为电磁波时，本技术适用于微波成像、雷达探测、无线通信、合成孔径雷达、逆合成孔径雷达；当探测媒介为声波、超声波时，本技术适用于声呐、超声成像、合成孔径声呐；当探测媒介为光时，本技术适用于光学成像、合成孔径光学成像等。
附图说明
[0112]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，以下附图仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0113]
图1为本发明成像方法的成像系统坐标系示意图。
[0114]
图2为本发明成像方法的方法流程图。
[0115]
图3为利用本发明成像方法进行的半全息圆柱扫描成像结果图，其中：左图为目标模型，右图为本发明半全息圆柱扫描成像结果。
具体实施方式
[0116]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0117]
同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0118]
实施例1：一种半全息圆柱扫描成像方法(参见附图1-2)，本方法包括下述步骤：
[0119]
步骤一：确定半全息圆柱扫描方式以及与之对应的两个互不相同的扫描属性参数值；
[0120]
选择下述扫描方式中的一种作为半全息圆柱扫描方式：竖直放置的一维直线阵围绕成像系统中心轴线旋转扫描的方式，或水平放置的一维弧线阵进行竖直方向平动扫描的方式；
[0121]
在半全息圆柱扫描成像系统中，阵列的扫描属性参数η
x
、ηy的取值不同；对于上述竖直放置的一维直线阵围绕成像系统中心轴线旋转扫描的方式，取扫描属性参数值η
x
＝2、ηy＝1；对于上述水平放置的一维弧线阵进行竖直方向平动扫描的方式，取扫描属性参数值η
x
＝1、ηy＝2。
[0122]
步骤二：进行半全息圆柱扫描以获取目标回波信息；
[0123]
一维线阵在不同的扫描位置，采用一发多收或多发多收的方式，发射单元同时发射探测信号，接收单元同时接收目标回波信号，并对阵列通道接收的回波信号进行放大、变频、滤波、匹配滤波和ad变换，进而获得包含i/q双通道信息的数字复信号。
[0124]
步骤三：对阵列信号进行柱面相位补偿，其计算公式为：
[0125][0126]
其中，j为虚数单位，e为欧拉常数，s0为阵列回波信号，s1为柱面相位补偿后的阵列信号，φc为柱面相位补偿系数；
[0127]
其中，柱面相位补偿系数的计算公式为：
[0128]
[0129]
其中，为波数，λ为波长，π为圆周率，ρ为圆柱扫描的柱面半径，表示极坐标系下阵列单元偏离阵列中心的角度，符号cos表示余弦函数。
[0130]
步骤四：根据上述两个互不相同的扫描属性参数值对阵列信号进行聚焦相位加权，其计算公式为：
[0131][0132]
其中，s2为聚焦相位加权后的阵列信号，为阵列x方向的聚焦相位加权值，为阵列y方向的聚焦相位加权值；
[0133]
其中，阵列x方向的聚焦相位加权值的计算方法如下：
[0134][0135]
阵列y方向的聚焦相位加权值的计算方法如下：
[0136][0137]
其中，r为目标斜距，即目标到阵列中心的距离，(x，y)为柱面阵列单元的坐标。
[0138]
步骤五：根据上述两个互不相同的扫描属性参数值对阵列信号进行扫描相位加权，通过扫描相位加权调整成像系统中心视角方向，其计算公式为：
[0139][0140]
其中，s3为扫描相位加权后的阵列信号，为阵列x方向的扫描相位加权值，为阵列y方向的扫描相位加权值；
[0141]
其中，阵列x方向的扫描相位加权值的计算方法如下：
[0142][0143]
阵列y方向的扫描相位加权值的计算方法如下：
[0144][0145]
其中，(θ
ζ
，θ
ξ
)为成像系统的中心视角方向对应的角度坐标，符号sin表示正弦函数。
[0146]
步骤六：对阵列信号进行幅度加权以降低成像底噪，其计算公式为：
[0147]
s4＝s3a；
[0148]
其中，s4为幅度加权后的阵列信号，a为幅度加权系数；
[0149]
幅度加权的方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、taylor分布、切比雪夫分布及混合加权方法。
[0150]
步骤七：采用高效并行算法，对阵列信号进行快速成像处理，其计算公式为：
[0151][0152]
其中，q
t
为快速成像处理获得的谱域像，ω
δ
、ω
σ
为谱坐标，符号表示高效并行算
法函数；
[0153]
所述高效并行算法包括但不限于二维或三维fft、ifft、非均匀fft、稀疏fft方法；
[0154]
上述快速成像结果对应的谱坐标ω
δ
、ω
σ
取值范围为：ω
δ
∈[0,2π]、ω
σ
∈[0,2π]，进行fftshift运算后将ω
δ
、ω
σ
取值范围变换为：ω
δ
∈[-π,π]、ω
σ
∈[-π,π]，此时的像是符合实际分布的像：
[0155]
q(ω
δ
,ω
σ
)＝fftshift[q
t
(ω
δ
,ω
σ
)]。
[0156]
步骤八：根据上述两个互不相同的扫描属性参数值对像场进行坐标反演，包括：
[0157]
对高效并行算法获得的像场进行坐标解算，并对像场进行坐标反演，获得真实目标的分布情况；其中：
[0158]
对于ifft类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：
[0159][0160]
对于fft类的高效并行算法，像场扫描角坐标计算公式为：
[0161][0162]
其中，θ
δ
、θ
σ
分别为x方向和y方向的像场扫描角坐标，δ
x
、δy分别为阵列单元x方向和y方向的单元间距，符号sin-1
表示反正弦函数；
[0163]
像场的直角坐标计算公式为：
[0164][0165]
其中，δ、σ分别为x方向和y方向的像场直角坐标，符号tan表示正切函数，v为成像平面到局部柱面阵列所在平面的距离；
[0166]
真实目标的直角坐标反演计算公式为：
[0167][0168]
此外，本发明半全息圆柱扫描成像方法中设置阵列单元间距此外，本发明半全息圆柱扫描成像方法中设置阵列单元间距以避免出现成像混叠现象；
[0169]
当阵列单元实际间距不满足上述条件时，采用插值方法对数据进行处理以保证满足成像无混叠条件。
[0170]
实施例2：本发明成像方法(实施例1方法)用于半全息圆柱扫描成像效果验证试验
[0171]
试验条件：目标为“f”形理想点目标集合，位于阵列法线方向，距离阵列中心1m，点目标之间的间距为15mm。探测信号频率为10ghz，水平方向(x方向)天线单元间距为λ/4，竖直方向(y方向)天线单元间距为λ/2，阵列孔径为0.64m
×
0.64m，模拟天线单元同时收发信
号的一维竖直线阵圆柱扫描成像场景，成像仿真时选取η
x
＝2、ηy＝1，成像结果见附图3。
[0172]
实施例3：一种半全息圆柱扫描快速成像方法，该方法用于远距离成像，选取u＝∞，则有适用于远距离成像的简化公式为：
[0173][0174]
采用实施例1高效并行算法计算像场，通过一次运算获得宽视角范围内的目标分布情况。
[0175]
本发明中的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的部分互相参见即可。
[0176]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、替换等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。