一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速掃描方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速掃描方法，由矢量網絡分析儀產生頻率步進變化的電磁波信號，電磁波信號經由射頻電纜傳輸至發射天線，遇上被測對象后產生散射回波，經接收天線接收后被矢量網絡分析儀采集并記錄；控制發射天線和接收天線移動到平面架的下一個位置，所述平面架為線性掃描架組成的“口”字形或“田”字形掃描導軌，重復執行上述步驟直至電磁波以“口”字形或“田”字形的方式完成采樣掃描,從而得到全部的回波數據，對所有的回波數據運用RMA三維重建算法重建和顯示三維圖像。通過上述方法，有效地節省了采樣時間，并且“口”字形和“田”字形掃描方式的動態范圍分別達到7dB和8.5dB可分辨。
【專利說明】
一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速掃描方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電磁散射三維成像領域，特別是涉及基于平面掃描結構的三維成像降 采樣快速掃描方法。
【背景技術】
[0002] 雷達散射截面(Radar Cross Section，RCS)是表征隱身飛機隱身性能的重要物理 量。目標RCS的研究可以通過理論計算和測試技術來分析。球、角反射器、平板等簡單目標可 以通過理論分析對其散射機理進行研究，但對于復雜目標，需要特別關注電磁波的繞射、表 面爬行波的散射等復雜的散射現象，同時還要考慮目標的材料特性的影響，這樣會顯著的 增加計算量，甚至超出現代計算機的運算能力。因此，直接通過RCS測試，不僅能夠了解目標 的散射現象，得到測試目標的RCS值，而且能夠通過測試得到大量的散射特征數據，對被測 目標進行更深入的散射特性分析。
[0003] 電磁散射成像是目標散射特性測試中的關鍵步驟，主要是指對微波測試系統采集 的數據進行處理，得到目標散射點的位置分布和散射強度。目前，在緊縮場或室外靜態場 中，可以得到測試RCS與縱向距離之間的關系（即一維距離向）、測試RCS與縱向距離、橫向距 離之間的關系（即二維成像）以及以下曲線，包括測試RCS與頻率之間的關系曲線、測試RCS 與視角之間的關系曲線。另外，通過干涉測高原理或平面架掃描可以得到目標散射點的三 維分布圖像。
[0004] 目前，微波成像的測試方法可分為緊縮場測試、室外靜態場測試、室內近場測試以 及動態測試幾種。微波成像算法可分為合成孔徑（SAR)成像和逆合成孔徑（ISAR)成像。合 成孔徑成像需要測量天線改變位置，而逆合成孔徑成像算法需要被測目標改變位置。
[0005] 在緊縮場和室外靜態場測量中，主要應用了基于轉臺模型的逆合成孔徑成像算 法。20世紀60年代初，美國密西根大學Willow Run實驗室的Brown等人最先開始研究旋轉目 標的ISAR成像研究，并首次實現了逆合成孔徑成像。北京航空航天大學微波工程實驗室自 1986年開始研究旋轉目標ISAR成像，并得到飛機、艦船等縮比模型的二維散射圖像，這在國 內尚屬首次。自1988年以來，國內的多家科研機構開展了逆合成孔徑成像的理論研究和工 程實踐，并取得了諸多成果。應用于旋轉目標的微波成像算法主要有距離多普勒算法 (RDA)、極坐標格式成像算法(PFA)、投影層析算法(CBP)，經過幾十年的發展，各種算法已趨 近成熟，并得到了廣泛的工程應用。
[0006] 在室內近場測試中，一般選用合成孔徑成像算法。合成孔徑處理算法可以追溯到 20世紀60年代，它首先應用于機載或者星載雷達上，這種算法稱為diffract ion stac migration或者back projection algorithm。如今，通過這種算法可以實現二維和三維成 像。近場成像由于其保密性高、測量精度高、信息量高、可進行全尺寸整機測量等優點，成為 散射測量領域發展的新趨勢。美國的Sensor Concepts Ins公司致力于研究現場RCS測試系 統，并且已經研制了多種型號的近距離RCS測試成像系統，這些系統不僅可靠性高，而且便 于攜帶和快速部署。并且，目標散射特性現場現場快速測量的時間需求也決定其更適合選 用近場測試方法。
[0007] 合成孔徑成像算法可分為兩大類:合成孔徑處理和波動方程算法。基于波動方程 的成像算法包括基爾霍夫徙動算法（Kirchhoff migration)和距離徙動算法（Range Migration Algorithm)。這兩種算法首先應用于地球物理學領域。Kirchhoff migration用 基爾霍夫積分方程表達電磁場中的任一點強度，可以得到高質量低旁瓣的圖像。RMA由標量 波動方程導出，由于使用快速傅里葉變換對數據進行處理，能夠明顯提高數據的處理速 度，并得到高質量的圖像。RMA在平面近場散射測量中已經有所應用，能夠得到二維、三維散 射圖像，并有學者對RMA算法進行改進。RMA算法以波動方程為基礎，理論基礎為平面波譜理 論。對平面波譜理論有如下理解:電磁場麥克斯韋方程的一個基本解是平面波 :A(k)elkq。 復矢量A(k)表示它是波數矢量k的函數，平面波因子表示電磁波在k方向傳播時的相 位變化。對簡單平面波，空間任何一點的場可表示為E(r)=A(k)e lk''可將一復雜電磁場
分布分解為無數子平面波之和，即 A(k)和E(r)是一對傅里葉 〇 變換對，可得H該變換是實空間和K空間之間的變換。定義A(k)為平 _ 0 面波角譜，它是K空間中子平面波的集合。
[0008] 天線收發對在每個掃描位置處發射步進頻率的電磁波，接收處理得到目標回波的 幅度和相位，收發天線需要遍歷整個掃描架，并在每個掃描位置處重復相同的工作，最終得 到一個三維數組。對采集的三維數組數據進行處理即可得到三維散射圖。成像公式為式 (1.1)0
(1.1)
[0010] 其中S (x，y，k; Z0)為平面掃描架采集的三維散射回波數據，0 (x，y，z)是最終得到 的三維圖像數據。
[0011] 近年來，我國各個科研部門開始引進或自行研制平面掃描陣列，如電子部14所、航 天二院23所、兵器206所都裝備了不同尺寸的平面掃描系統。圖1示出了現有技術中采用的 平面掃描三維成像示意圖，采用的是全平面掃描的方式。這些平面掃描陣列極大了促進了 天線尤其是超低副瓣天線的測量。相關的平面掃描陣列散射測量也逐步開始研究。西安電 子科技大學用于超低副瓣天線測量的平面掃描系統的主要參數是：導軌沿X方向的掃描速 度為3m/min，沿Y方向的掃描速度為6m/min。假設要用長1米，寬1米的掃描架系統來測量某 目標的散射特性，設定x向和y向采樣間隔都為〇. 005米，則計算可得完成整個測量過程大約 需要2小時。如果要使用中型尺寸（2m-4m)或者大型尺寸（大于7m)的掃描架系統，完成一次 掃描就需要超過10個小時，不適合進行工程應用。而且如果將平面掃描架應用于目標現場 散射特性測量，若測量時間過長，容易引起背景造成的惡化，不利于準確測量。所以，工程應 用需要采用更加有效的采樣方式，減小測量的時間，尤其是目標散射特性現場測試技術的 應用中，更加需要在測量時間上進行優化。
【發明內容】
[0012] 為了克服上述問題，本發明提出了一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速 掃描方法，包括
[0013] 步驟1，由矢量網絡分析儀產生頻率步進變化的電磁波信號；
[0014]步驟2,電磁波信號經由射頻電纜傳輸至發射天線，然后在自由空間中傳播，遇上 被測對象后產生散射回波；
[0015] 步驟3,散射回波在自由空間中傳播后返回接收天線，被矢量網絡分析儀采集并記 錄；
[0016] 步驟4,控制發射天線和接收天線移動到平面架的下一個位置，所述平面架為線性 掃描架組成的" 口"字形或"田"字形掃描導軌，
[0017]重復執行步驟1-4,直至電磁波以"口"字形或"田"字形的方式完成采樣掃描，從而 得到全部的回波數據，對所有的回波數據運用RMA三維重建算法重建和顯示三維圖像。
[0018] 進一步，所述發射天線和接收天線為固定在同一高度的收發天線對。
[0019] 進一步，所述頻率步進變化的電磁波信號為線性步進，從最低頻率開始，等間隔增 長，直到最高頻點。
[0020] 進一步，由計算機控制所述收發天線對按照"口"字形或"田"字形路徑改變位置。
[0021] 通過本發明提出的方案，從而實現了以下有益效果:在工程應用可接受的動態范 圍內，非常有效的節省了采樣時間，"口"字形掃描方式的動態范圍是7dB可分辨，"田"字形 掃描方式的動態范圍是8.5dB可分辨；"口"字形掃描方式的測試時間比全平面掃描減少了 96.6%，"田"字形掃描方式的測試時間比全平面掃描減少了96.1 %。
【附圖說明】
[0022] 圖1是現有技術中采用的平面掃描三維成像示意圖；
[0023] 圖2是本發明提出的一種"口"字形平面降采樣掃描采樣方式示意圖；
[0024] 圖3是本發明提出的一種"田"字形平面降采樣掃描采樣方式示意圖；
[0025]圖4是單個目標點的位置分布；
[0026] 圖5是"口"字形掃描的單個目標點的成像效果示意圖；
[0027] 圖6是"田"字形掃描的單個目標點的成像效果示意圖；
[0028] 圖7是多個目標點的位置分布；
[0029] 圖8是"口"字形掃描的多個目標點的成像效果示意圖；
[0030] 圖9是"田"字形掃描的多個目標點的成像效果示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并 非用于限定本發明的范圍。
[0032] 為了能夠解決工程應用中成像測量時間過長的問題，本發明提供一種基于平面掃 描結構的三維成像降采樣快速掃描方法。本發明采用的一個技術方案是:提出一種"口"字 形或"田"字形降采樣平面掃描方法，包括：
[0033]步驟1，由矢量網絡分析儀產生頻率步進變化的電磁波信號；
[0034]步驟2,電磁波信號經由射頻電纜傳輸至發射天線，然后在自由空間中傳播，遇上 被測對象后產生散射回波；
[0035] 步驟3,散射回波在自由空間中傳播后返回接收天線，被矢量網絡分析儀采集并記 錄；
[0036] 步驟4,控制發射天線和接收天線移動到平面架的下一個位置所述平面架為線性 掃描架組成的" 口"字形或"田"字形掃描導軌；
[0037]重復執行步驟1-4,直至電磁波以"口"字形或"田"字形的方式完成采樣掃描，從而 得到全部的回波數據，對所有的回波數據運用RMA三維重建算法重建和顯示三維圖像。
[0038] 根據對傳統RMA算法的采樣方式和成像算法的研究，發現水平向的距離掃描可以 提供距離向和方位向的位置信息，垂直向的距離掃描可以提供高度向和方位向的位置信 息，而一個目標的三維位置信息包含方位向、高度向、距離向的信息，所提出的"口"字形和 "田"字形的采樣方式均包含水平向的掃描和距離向的掃描方式，所以所采集的數據包含目 標水平向、垂直向和方位向的位置信息，所以可以對所測目標可以進行三維成像。而且所提 出的采樣方式較傳統的采樣方式大幅縮減了采樣點，所以減小了采樣時間。
[0039] 進一步，所述發射天線和接收天線為固定在同一高度的收發天線對，包括一個發 射天線和一個接收天線。
[0040] 進一步，所述頻率步進變化的電磁波信號為線性步進，從最低頻率開始，等間隔增 長，直到最高頻點。
[0041] 進一步，所述平面架包括水平掃描導軌和垂直掃描導軌。
[0042] 進一步，所述降采樣快速掃描方法為計算機控制收發天線對按照"口"字形(如圖2 所示)或"田"字形路(如圖3所示)徑改變位置。
[0043]圖4是單個目標點的位置分布。圖5示出了本發明"口"字形掃描的單個目標點的 成像效果圖，其中動態范圍為7dB。圖6示出了本發明"田"字形掃描的單個目標點的成像效 果圖，其中動態范圍為8.5dB。
[0044]為了更加充分的說明本發明的有效性，選擇多個目標點進行仿真。圖7示出了用于 驗證本發明方法的被測目標分布信息。圖8示出了本發明"口"字形掃描的多個目標點的成 像效果圖，其中動態范圍為7dB。圖9示出了本發明"田"字形掃描的多個目標點的成像效果 圖，其中動態范圍為8.5dB。
[0045]通過設定具體參數對三維成像算法進行計算機仿真，驗證算法的正確性。仿真參 數如表1所示。
[0046]表1仿真參數
[0048] 以矢量網絡分析儀(德科技（中國）有限公司，型號N5247A)為例，設定中頻帶寬為 lOKHz、掃頻點數為401點時，一次掃頻時間為155ms，則不同的掃描方式結果對比見表2。
[0049] 表2不同的掃描方式結果對比
[0051]以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速掃描方法，包括： 步驟1，由矢量網絡分析儀產生頻率步進變化的電磁波信號； 步驟2,電磁波信號經由射頻電纜傳輸至發射天線，然后在自由空間中傳播，遇上被測 對象后產生散射回波； 步驟3,散射回波在自由空間中傳播后返回接收天線，被矢量網絡分析儀采集并記錄； 步驟4,控制發射天線和接收天線移動到平面架的下一個位置，所述平面架為線性掃描 架組成的" 口"字形或"田"字形掃描導軌， 重復執行步驟1-4,直至電磁波以"口"字形或"田"字形的方式完成采樣掃描，從而得到 全部的回波數據，對所有的回波數據運用RMA三維重建算法重建和顯示三維圖像。2. 根據權利要求1所述的一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速掃描方法，其 特征在于，所述發射天線和接收天線為固定在同一高度的收發天線對。3. 根據權利要求1所述的一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速掃描方法，其 特征在于，所述頻率步進變化的電磁波信號為線性步進，從最低頻率開始，等間隔增長，直 到最尚頻點。4. 根據權利要求2所述的一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速掃描方法，其 特征在于，由計算機控制所述收發天線對按照"口"字形或"田"字形路徑改變位置。
【文檔編號】G01S7/41GK105911533SQ201610467176
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】宋云俏, 洪韜, 姚覲, 趙京城
【申請人】北京航空航天大學