一種基于高分辨成像的近場rcs快速測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波測量及微波成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其是近場測量及近場三維成像方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波近場測量具有測試精度高、信息量大、保密性強、可全天候工作等優(yōu)點，是研 究目標散射特性的重要方法。近場成像作為一種有效的非破壞性檢測和評估手段，在對飛 機涂層、航天器表面粘合等重要結(jié)構(gòu)進行評估、對隱匿物品進行安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮重要 的作用，由于其具有較高的空間分辨率能力，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器和目標之間的相對定位，并且 系統(tǒng)易于實現(xiàn)，因而具有廣泛的工程應(yīng)用價值。
[0003] 傳統(tǒng)的近場平面掃描測量系統(tǒng)利用掃描架帶動收發(fā)天線在掃描平面的兩個方向 (水平向和垂直向）進行等間隔的步進運動，每步進一次，進行一次寬帶掃頻測量，直到 完成水平方向和垂直方向預(yù)定的長度。對所獲取的目標雷達散射截面RCS(RadarCross Section)數(shù)據(jù)利用信號處理技術(shù)進行相關(guān)處理，即可反演出目標像，獲取目標特征信息。
[0004] 傳統(tǒng)的近場成像測量系統(tǒng)通過獲取大規(guī)模數(shù)據(jù)實現(xiàn)高分辨成像，基于奈奎斯特采 樣準則的近場測量存在耗時大、效率低、數(shù)據(jù)存儲空間大的問題，長的測量時間的將導致測 量誤差積累。此外，傳統(tǒng)的基于匹配濾波技術(shù)的成像方法限制了成像分辨率的提高，導致成 像不能對目標特征進行精確描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的測量效率、提高成像分辨率，本發(fā) 明提出一種基于高分辨成像的近場RCS快速測量方法，該方法利用稀疏采樣提高測量效 率、利用壓縮感知優(yōu)化重構(gòu)理論實現(xiàn)高分辨成像。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用技術(shù)方案的具體步驟如下：
[0007] 步驟1、構(gòu)建高分辨近場成像模型
[0008] 步驟1-1、成像場景離散化
[0009] 將目標場景沿著收發(fā)天線運動方向和波傳播方向進行三維離散化處理，其中X向 為天線運動水平方向，Y向為天線運動垂直水平方向，Z向為波傳播方向，X向、Y向和Z向 對應(yīng)的離散網(wǎng)格數(shù)分別為Nx、NdPNz，目標場景所有網(wǎng)格上散射點的反射系數(shù)組成一個三 維反射系數(shù)矩陣G，G的大小為NxXNyXNz，將三維反射系數(shù)矩陣G按列串接成一個一維列向 量，表示為
，其中g(shù)k表示第k個散射點的后向散射系數(shù)，g 的大小為（NxXNyXNz)XI;
[0010] 步驟1-2、近場成像觀測模型建立
[0011] 在實際采樣過程中，Z向代表距離，X向、Y向代表方位，距離和方位采樣點也是離 散的，沿X向、Y向、Z向采樣點數(shù)分別為1、1、隊，收發(fā)天線在掃描平面采樣點的位置表示 為矩陣形式D(x，y):
[0012]
[0013] 將矩陣D(x，y)按列寫成一維列向量形式，表示為：
[0014]
>其中1彡i彡^，山表示天線采樣的位置 信息，則離散三維回波信號表示為：
[0015]
[0016] 其中，表示第1個離散頻率點，1彡1彡Nf，/ = v/IT代表虛數(shù)的單位，以山，k) 表示掃描位置山到離散網(wǎng)格k之間的距離，c為波傳播速度，大小為3X10V/s，從而近場成 像的數(shù)學模型可表示為：
[0017] s=Ag
[0018] 其中，A:NavNahNfXNxN yNz，g:NxNyNzX1，s:NavNahNfX1，s由觀測信號構(gòu)成，A由目標到 信號的映射關(guān)系構(gòu)成，g由場景反射系數(shù)構(gòu)成，上面各向量的構(gòu)成如下：
[0019]
[0020] 步驟2、字典構(gòu)建
[0021 ] 根據(jù)測試參數(shù)和目標場景構(gòu)建目標字典A，其維數(shù)為NavNahNfXNxNyNz，字典A的每 一個元素為：
[0022]
[0023] 其中，Am表示字典A中的第m行、第η列的元素；/ = ?TIT代表虛數(shù)的單位，k"表 示第mod(m/(NavNah))個空間變量，mod(·)為求余，（xm，ym，z。）為第abs((m/NavNah)+l)個采 樣位置坐標，abs( ·)為取整，當mod(m/NavNah) = 0 時，（xm,ym,z。）為第abs(m/NavNah)個的 孔徑位置坐標，（xn，yn，zn)為離散場景中的第η個散射點位置坐標；
[0024] 步驟3、稀疏觀測矩陣設(shè)計
[0025] 設(shè)計一個大小為MXN的稀疏測量矩陣，其中Μ<N，N=NavNahNf，具體的步驟為：
[0026] 步驟3-1 :產(chǎn)生一個長度為N、服從伯努利分布且元素值為{0, 1}的二進制向量；
[0027] 步驟3-2:以步驟3-1中所述二進制向量作為循環(huán)基礎(chǔ)，依次從右到左循環(huán)產(chǎn)生其 他的M-1行向量；
[0028] 步驟3-3:在每一次的循環(huán)過程中，將從右到左循環(huán)的唯一元素乘以一個系數(shù)a， 其中a> 1，構(gòu)造出下三角乘以系數(shù)a的輪換矩陣Φ:
[0029]
[0030] 其中，矩陣中Cj=1，1彡j彡N，N為稀疏測量矩陣的列數(shù)，Μ為稀疏矩陣的行數(shù)；
[0031] 步驟4、RCS快速測量路徑設(shè)計
[0032] 將步驟3得到的輪換矩陣Φ作為稀疏觀測矩陣，以此作為信號采集準則，收發(fā)天 線采樣點位置即為稀疏測量矩陣對應(yīng)元素位置，其中矩陣中非零元素表示在該位置進行采 樣，零元素表示在該位置不進行采樣，以該方式在暗室內(nèi)對目標雷達散射截面RCS (Radar Cross Section)進行測量，獲取目標回波信號；
[0033] 步驟5、成像求解
[0034] 步驟3所得的輪換矩陣Φ作為稀疏觀測矩陣來獲取稀疏觀測信號，令s'為從s 中選出的稀疏觀測信號，A'是由A得到的稀疏矩陣，信號稀疏測量過程為s' =A'g，通 過下式重建目標圖像：
[0035]
[0036] 其中I為估計出的目標像函數(shù)，11 · | ^為向量的1-1范數(shù)，11 · 11 2為向量1-2范 數(shù)，ε 取值在 10 6_1〇 3范圍內(nèi)任意選取，采用Separable Surrogate Functionals (SSF)優(yōu) 化方法求解得到i，即可得目標高分辨像。
[0037] 本發(fā)明的有益效果是由于采用稀疏觀測與稀疏信號恢復(fù)理念，打破奈奎斯特采樣 定理的限制，大幅改善了測量效率，解決了近場RCS測量耗時、測試所得大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲難 的問題，此外，本發(fā)明利用所獲取的稀疏觀測信號結(jié)合壓縮感知理論，打破傳統(tǒng)成像機制， 實現(xiàn)目標高分辨成像，為無損探測、隱匿物探測、隱身與反隱身設(shè)計提供強有力保障。通過 在微波暗室采用發(fā)明方法進行實測驗證，在測試時間縮短60 %的同時，能得到聚焦效果良 好的高分辨目標像。
【附圖說明】
[0038] 圖1是本發(fā)明流程圖。
[0039] 圖2是本發(fā)明收發(fā)天線采樣位置路徑示意圖。
[0040] 圖3是本發(fā)明暗室測試系統(tǒng)圖，其中圖（a)為掃描架側(cè)視圖，圖（b)為被測目標支 架圖，圖（c)為掃描平面稀疏取樣點。
[0041] 圖4是本發(fā)明暗室測量5個球目標圖。
[0042] 圖5是本發(fā)明利用傳統(tǒng)測量方法對5個球目標進行RCS測量及距離徙動算法 RMA (Range Migration Algorithm)成像方法成像效果圖。
[0043] 圖6是利用本發(fā)明在微波暗室測量5個球目標進行測量的三維成像效果圖。
【具體實施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0045] 圖1為本發(fā)明所述成像方法的流程圖，以此為依據(jù)，設(shè)計基于高分辨成像的暗室 近場RCS測量方法及高分辨成像的步驟為：
[0046] 步驟1、高分辨近場成像模型構(gòu)建
[0047] 步驟1-1 :成像場景離散化：將目標場景沿著收發(fā)天線運動方向和波傳播方向進 行三維離散化處理，其X向為天線運動水平方向、Y向為天線運動垂直水平方向，Z向為波傳 播方向，對應(yīng)的離散網(wǎng)格數(shù)分別為ΝΧ、Ν^ΡΝΖ。場景所有網(wǎng)格上散射點的反射系數(shù)為一個三 維矩陣G，G的大小SNxXNyXNz。將三維反射系數(shù)矩陣按列串接成一個一維列向量，表示為
，g的大小為（NxXNyXNz) X，1其中g(shù)k表示第k個散射 點的后向散射系數(shù)；
[0048] 本發(fā)明中場景離散化大小為Nx=Ny=Nz= 41，每個網(wǎng)格尺寸為Δδ= 〇. 〇25m;
[0049] 步驟1-2、近場成像觀測模型建立
[0050] 在實際采樣過程中，距離（Z向）和方位（X向、Y向）采樣點也是離散的，沿X向、 Y向、Z向采樣點數(shù)分別為Nav、Nah、Nf，收發(fā)天線在掃描平面采樣點的位置表示為矩陣形式 D(x,y)：
[0051]
[0052] 將矩陣D(x，y)按列寫成一維列向量形式，表示為
[0053]
_，屯表示天線采樣的位置信息，則 1彡i彡NavNah。則離散三維回波信號表示為：
[0054]
[0055] 其中，表示第1個離散頻率點（1彡1彡Nf)，/ = .^/=Γ代表虛數(shù)的單位，以山，k) 表示掃描位置山到離散網(wǎng)格k之間的距離，C為波傳播速度，大小為3X10Sm/s。從而，近場 成像的數(shù)學模型可表示為：
[0056] s=Ag
[0057] 其中，