多頻連續(xù)波系統(tǒng)的聚焦成像校準方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及多頻連續(xù)波系統(tǒng)的校準方法，特別是一種對多頻連續(xù)波成像系統(tǒng)的校 準方法。
【背景技術】
[0002] 多頻連續(xù)波系統(tǒng)相干接收輸出的相位和幅度包含了混頻之前的電路、傳輸電纜、 天線、傳播介質(zhì)、目標散射等多方面的影響，該些影響會帶來系統(tǒng)偏差，導致接收信號不同 頻率間幅度和相位的不一致。對于成像系統(tǒng)，相位的偏差會使得成像效果急劇下降，嚴重的 甚至完全不能聚焦成像。幅度偏差的影響雖然不嚴重，但是也一定程度上存在，主要是體現(xiàn) 在距離向的拖尾與振蕩。
[0003] 為消除該些影響，通常需要進行校準。已有的校準方法主要有兩類：一是利用 系統(tǒng)配備的校準件進行直接校準，W消除系統(tǒng)內(nèi)部電路模塊、傳輸電纜等的影響，但是 該類方法一般無法對天線進行校準。二是利用特定目標的校準測量，進行校準處理，比 較典型的是S參數(shù)校準方法，通常校準目標采用大金屬板或金屬網(wǎng)。該類方法能夠消 除天線影響，但是校準過程復雜，不適合于每次使用都進行校準。如文獻V. A. Mi化nev and P. Vainikainen, "Single-Reference Near-Field Calibration Procedure for Step-Frequency Ground Penetrating Radar, " IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 41, No. l,pp. 75-80, Jan. 2003.和文獻 I. Nicolaes州，P.Genderen, and K.Palmer, "Calibration Procedures of a Stepped Frequency Continuous Wave Radar for Landmines Detection, "Proceeding of the International Radar Conference, pp. 412-417, Sept. 2003采用單個參考目標的雙端口網(wǎng)絡S參數(shù)計算反射系 數(shù)，完成步進頻率雷達系統(tǒng)的校準，該方法側重于對天線校準，考慮了天線間禪合、多次反 射、天線傳輸衰減等影響因素，但是不能對系統(tǒng)其它部分進行校準，如發(fā)射機、接收機、其它 內(nèi)部電路。發(fā)明專利"步進頻率雷達系統(tǒng)的校準方法與校準處理器"狂L200910042584.8) 提供了一種步進頻率雷達系統(tǒng)的校準方法和校準處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)對步進頻率雷達系統(tǒng)的 整體系統(tǒng)校準，包括天線、發(fā)射機、接收機、數(shù)據(jù)傳輸和采樣電路等。測量過程不需其它的輔 助測量設備，僅利用步進頻率雷達系統(tǒng)即可完成精確校準，但是仍需要專口的金屬板校準 測量。
[0004] 通用的實驗儀器校準多是利用校準附件進行校準，如矢量網(wǎng)絡分析儀，但是有些 情況很難進行該樣的硬件附件校準。專用型設備一般是全封裝的，很難進行該樣的校準，一 般依賴于生產(chǎn)廠家出產(chǎn)前的系統(tǒng)校準。在實際使用中，有很多意想不到的因素會導致原來 的校準失效，包括更換系統(tǒng)部件（如電纜、天線、接收模塊），系統(tǒng)部件參數(shù)、狀態(tài)的變化等。 使用前一般要進行系統(tǒng)校準，尤其是更換部件和長時間未校準的情況下，但是操作人員有 時可能會忘記校準，即使進行了校準，由于操作不當也可能導致校準錯誤或不準確。對于全 封裝的專用設備，該種情況更為突出。往往系統(tǒng)內(nèi)部即使有變化，原來的校準失效了，用戶 也未必知道。因此，在該些情況下，不依賴于校準硬件附件、不需要?？谛蕼y量的校準方 法就顯得尤為重要和必要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供多頻連續(xù)波系統(tǒng)的聚焦成像校準方法。該是一 種全新的校準方法，利用二維掃描數(shù)據(jù)進行單頻聚焦成像，來實現(xiàn)多頻間的相位和幅度校 準。該方法是數(shù)據(jù)驅(qū)動的校準方法，可W直接利用掃描數(shù)據(jù)進行校準處理，無需校準硬件附 件，也不需要進行校準測量。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)每次使用的校準，而且可W先使用再校準處 理。對于未校準、校準有誤、校準失效的系統(tǒng)，也都可W直接使用，再利用掃描數(shù)據(jù)進行校準 處理。
[0006] 一種多頻連續(xù)波系統(tǒng)的聚焦成像校準方法，其特征在于包括單頻聚焦成像、大信 噪比數(shù)據(jù)抽取、平均相位偏差和平均幅度計算、多頻數(shù)據(jù)的相位和幅度校準四個步驟，對完 成校準后的數(shù)據(jù)再進行多頻成像處理，可W獲得無誤差的良好聚焦圖像。四個校準步驟具 體如下：
[0007] 第一步，單頻聚焦成像
[000引從多頻連續(xù)波系統(tǒng)的掃描數(shù)據(jù)中，抽取出各頻率的數(shù)據(jù)，對每個頻率的數(shù)據(jù)單獨 進行聚焦成像處理。可W用下式表示：
[0009] Y 化）=iHR 化）} (1)
[0010] 式中R成）表示頻率的單頻數(shù)據(jù)矩陣（f 1= f 1，f2,…，fi)，來自X軸和y軸平面 二維掃描的多頻數(shù)據(jù)矩陣R' hy。！]){?}表示聚焦成像處理的運算符，其中成像設及到目 標距離d和傳播介質(zhì)介電常數(shù)e，在參數(shù)已知情況下，可W直接輸入?yún)?shù)值獲得最佳聚焦 成像結果；若參數(shù)未知，尤其在穿透探測中介質(zhì)介電常數(shù)e通常是大于1的未知參數(shù)，可W 采用自聚焦方法，獲得最佳聚焦度的成像結果。矩陣Y(fi)為聚焦成像后的圖像數(shù)據(jù)矩陣。
[0011] 自聚焦成像一般采用圖像幅值或者能量計算聚焦度評估因子，系統(tǒng)中即使存在相 位偏差，也只體現(xiàn)在圖像的相位因子里，不會影響到聚焦效果。此外，系統(tǒng)幅度偏差主要對 =維成像的距離向有影響，單頻成像無距離分辨率，故幅度偏差也不會對自聚焦產(chǎn)生影響。 由此可見，自聚焦成像過程不會受到系統(tǒng)相位和幅度偏差的影響，能夠使得成像結果達到 最佳聚焦狀態(tài)。
[0012] 在最佳聚焦狀態(tài)下，電磁波在掃描介質(zhì)（如空氣、墻體、±壤、道路等）中傳播延遲 相位0,，被時逆為0,成像結果Y (fi)的相位主要由系統(tǒng)相位偏差&尋日目標散射相位巧組 成。目標散射相位巧.在不同頻率下的差別較小，可化忽略。系統(tǒng)相位偏差巧>是由系統(tǒng)內(nèi)部 電路、傳輸電纜、天線等引起，該是校準的主要對象。由此可知，從最佳聚焦成像結果的相位 中，可W計算出系統(tǒng)不同頻率間的相位偏差。
[0013] 成像結果Y(fi)的幅度是受系統(tǒng)福射強度偏差（包含內(nèi)部電路、傳輸電纜、天線的 影響）、介質(zhì)傳播衰減、目標散射強度等影響，該=者都可能隨頻率而變化，因此，從最佳聚 焦成像結果的幅度中，并不能單獨計算出系統(tǒng)幅度偏差。如果將成像結果幅度作為整體因 子進行校準，則不僅可實現(xiàn)不同頻率間的系統(tǒng)幅度偏差校準，而且可W對色散介質(zhì)的傳播 衰減及目標散射強度隨頻率而變化的情況進行補償。從而達到更好的成像效果，尤其是有 助于提高距離向分辨率。由此可見，利用最佳聚焦成像結果的幅度，能夠完成幅度偏差的校 準。
[0014] 第二步，大信噪比數(shù)據(jù)抽取
[0015] 為了從單頻聚焦成像結果Y(fi)中計算相位偏差，必須克服低信噪比條件下相位 容易受到噪聲影響，出現(xiàn)較大隨機相位噪聲的情況，因此，計算相位偏差前，需要從成像結 果中篩選出信噪比較大的像素點。在聚焦圖像中信噪比大的主要是目標的成像像素，背景 像素的強度相對較弱，相位雜亂?？蒞采用如下圖像分割方法抽取出大信噪比的目標像 素：
[0016] Dk(fi) = Ymn(fi)，if|Y血（fi)| > A (2)
[0017] 式中入為幅度判斷口限，由所允許的最低信噪比決定；制為單頻最佳聚焦 成像結果的圖像像素，m為X軸的像素序號（m = 1，2,…，M)，n為y軸的像素序號（n = 1，2,…，腳對于超過口限的像素，抽取出后構成數(shù)組Dk(fi)化=1，2,…，K)。
[0018] 第=步，平均相位偏差和平均幅度計算
[0019] 由抽取的數(shù)組Dk(fi)，通過期望值計算，得到平均相位偏差和平均幅度：
[0020]
【主權項】
1. 一種多頻連續(xù)波系統(tǒng)的聚焦成像校準方法，其特征在于包括單頻聚焦成像、大信噪 比數(shù)據(jù)抽取、平均相位偏差和平均幅度計算、多頻數(shù)據(jù)的相位和幅度校準四個步驟， 第一步，單頻聚焦成像 從多頻連續(xù)波系統(tǒng)的二維掃描數(shù)據(jù)中，抽取出各頻率的數(shù)據(jù)，對每個頻率的數(shù)據(jù)單獨 進行聚焦成像處理，用下式表示： Y(fi) =it{R(fi)} (1) 式中R(fi)為頻率fi的單頻數(shù)據(jù)矩陣（fi=fuf2,…，A)，來自x軸和y軸平面二維掃 描的多頻數(shù)據(jù)矩陣R'fxy;步{?}表示聚焦成像處理的運算符，在目標距離d和傳播介質(zhì)介 電常數(shù)e兩參數(shù)已知情況下，直接輸入?yún)?shù)值獲得最佳聚焦成像結果；若參數(shù)未知，采用 自聚焦方法，獲得最佳聚焦度的成像結果；矩陣Y(fi)為聚焦成像后的圖像數(shù)據(jù)矩陣； 第二步，大信噪比數(shù)據(jù)抽取 從單頻聚焦成像結果Y(fi)中抽取出大信噪比像素，構成數(shù)組Dk(fi): Dk(fi) =Ymn(fi),if|Ymn(fi) | ^A(k= 1,2,-,K) (2) 式中A為幅度判斷門限，由所允許的最低信噪比決定；m為x軸的像素序號（m= 1，2,…，M)，n為y軸的像素序號（n= 1，2,…，N)，m為x軸的像素序號； 第三步，平均相位偏差和平均幅度計算 由抽取的數(shù)組Dk(fi)，通過期望值計算，得到平均相位偏差和平均幅度：
式中ang{ ? }為相位計算函數(shù)； 第四步，多頻數(shù)據(jù)的相位和幅度校準 利用第三步計算出的平均相位偏差」歹('）和平均幅度廳(/.)構成校準補償因子：
再利用校準補償因子對多頻掃描數(shù)據(jù)R'fxy進行相位和幅度校準： R;/fi?= fi? ?r(fi) (6) 公式（6)是對三維數(shù)據(jù)矩陣R'fxy的每個單元數(shù)據(jù)做校準補償，校準后的數(shù)據(jù)R"fxy 能使得目標成像結果的相位均值為零，幅度均值為1，以去除各頻率的相位偏差，補償幅度 的不一致性；完成校準后，利用校準后的數(shù)據(jù)R"fxy進行多頻成像處理，能夠獲得無相位偏 差和無幅度偏差的成像結果。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多頻連續(xù)波系統(tǒng)聚焦成像校準方法，從多頻連續(xù)波系統(tǒng)的二維掃描數(shù)據(jù)中，抽取出各頻率數(shù)據(jù)，先進行單頻聚焦成像，獲得最佳聚焦圖像。在此圖像上抽取大信噪比像素數(shù)據(jù)，計算出平均相位偏差和平均幅度。再利用計算結果構成校準補償因子，對多頻數(shù)據(jù)進行相位和幅度校準。校準后的數(shù)據(jù)進行多頻成像處理，能夠獲得良好的聚焦成像效果，目標輪廓更清晰，背景雜波更少，信噪比有效提高。由于所利用的數(shù)據(jù)多，信息豐富，校準精度高。發(fā)明是數(shù)據(jù)驅(qū)動的校準方法，無需校準硬件附件，也不需要進行復雜的校準測量。
【IPC分類】G01S7-40
【公開號】CN104569936
【申請?zhí)枴緾N201510037428
【發(fā)明人】黃春琳, 陸珉, 粟毅, 李禹 , 唐濤
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月26日