微波全息圖的生成與重構(gòu)方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種入射面凹凸不平的微波全息圖的生成與重構(gòu)方法及其系統(tǒng)，采用三段式的傳播結(jié)構(gòu)搭建場景模型，通過對入射點的求解生成記錄有目標散射場的幅度信息和相位信息的微波全息圖，并通過相位補償方法和分層重構(gòu)方法對微波全息圖依次進行在上層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)、加入相位補償和在下層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)重建目標散射場，即微波圖像；本發(fā)明運算量小，成像精度高，有較廣泛的應用空間和較高的實用價值。
【專利說明】
微波全息圖的生成與重構(gòu)方法及其系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種微波全息成像領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種入射面凹凸不平的微 波全息圖的生成與重構(gòu)方法及其系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波全息成像是指以微波（頻率在300MHz~300GHz，相應波長為lm~1mm的電磁 波)作為信息載體的一種成像手段，其原理是用微波照射被測物體，然后通過物體外部散射 場的測量值來重構(gòu)物體的形狀或者(復)介電常數(shù)分布。與人們熟知的激光、聲波、毫米波等 其他成像技術(shù)相比，微波全息成像具有安全、成本低、理論上可對溫度成像等特點。但微波 全息成像的主要困難在于微波波長與被測物體的尺寸接近，衍射作用明顯，只能采用更加 復雜的基于逆散射的反演算法。
[0003] 在實際的應用中，微波探測平面并不是平坦的，而是凹凸不平的，凹凸不平的入射 面會對微波全息成像產(chǎn)生非常大的影響，尤其是入射面的凹凸程度比較大的時候，會造成 微波探測信息產(chǎn)生較大的誤差。如何有效解決入射面凹凸不平情況下的微波全息圖的生成 與重構(gòu)，就成了一個非常有實際價值的難題。入射面凹凸不平的微波全息圖的生成與重構(gòu) 的主要困難在于：一、場景模型的搭建;二、入射波經(jīng)過凹凸不平入射面之后的相位和幅度 的變化的估計;三、入射面凹凸不平情況下，微波全息圖的重構(gòu)。
[0004] 目前，Vladimir Razevig等在''14th International Conference on Ground Penetrating Radar(GPR)"（2012,331-335)上發(fā)表的"Comparison of Different Methods for Reconstruction of Microwave Holograms Recorded by the Subsurface Radar" 中，提出了采用不同的方法來進行微波全息圖的重構(gòu)，包括單頻率法、雙頻率法和寬帶法。 該文獻中，只給出了理想情況下微波全息圖的重構(gòu)方法，對于非理想情況下，即入射面凹凸 不平情況下，微波全息圖如何進行重構(gòu)，并沒給出相應的方法，也沒有對入射面凹凸不平情 況下微波全息圖如何生成進行詳細說明；D . Sukhanov等在" 15th International Conference on Ground Penetrating Radar-GPR2014"（2014,663-667)上發(fā)表的"Three-dimensional non-contact subsurface radio tomography through a non-planar interface between media"中，提出了采用UWB雷達來重構(gòu)埋藏在凹凸不平表面的三維圖 像，它假設UWB雷達在介質(zhì)上面的一個固定平面移動，并且以固定的步長產(chǎn)生UWB雷達測量。 相比于微波全息成像，這種UWB雷達成像受到探測信號和探測距離限制，很難拓展到其它波 段和實現(xiàn)遠距離探測成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種入射面凹凸不平的微波全息圖的 生成與重構(gòu)方法及其系統(tǒng)，采用三段式的傳播結(jié)構(gòu)和相屏估計理論生成微波全息圖，并通 過相位補償方法和分層重構(gòu)方法重構(gòu)得到微波圖像，運算量小，成像精度高。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明涉及一種入射面凹凸不平的微波全息圖的生成與重構(gòu)方法，采用三段式的 傳播結(jié)構(gòu)搭建場景模型，通過對入射點的求解生成記錄有目標散射場的幅度信息和相位信 息的微波全息圖，并通過相位補償方法和分層重構(gòu)方法對微波全息圖依次進行在上層介質(zhì) 中的全息圖重構(gòu)、加入相位補償和在下層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)重建目標散射場，即微波圖 像。
[0008] 所述的重構(gòu)在上層介質(zhì)中的全息圖是指:對微波全息圖函數(shù)進行傅里葉變換，得 到場的空域頻譜，向其加入幅度信息和相位信息后進行傅里葉反變換。
[0009] 所述的加入相位補償是指:將在上層介質(zhì)中重構(gòu)的全息圖函數(shù)與一個相屏的復共 輒的傳輸函數(shù)相乘。
[0010] 所述的重構(gòu)在下層介質(zhì)中的全息圖是指:對經(jīng)過相位補償?shù)脑谏蠈咏橘|(zhì)中重構(gòu)的 全息圖進行傅里葉變換，得到下層介質(zhì)的空域頻譜，向其加入三維空間Z方向的相位信息， 得到二維空間在深度為z處的波譜后進行傅里葉反變換。
[0011] 本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括:場景模型搭建模塊、微波全息圖生成 模塊、上層介質(zhì)重構(gòu)模塊、相位補償模塊和下層介質(zhì)重構(gòu)模塊，其中：微波全息圖生成模塊 采集場景模型搭建模塊中的物體的幅度信息和相位信息進行微波全息圖的生成，上層介質(zhì) 重構(gòu)模塊根據(jù)生成的微波全息圖進行在上層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu);相位補償模塊向上層介 質(zhì)重構(gòu)模塊中得到的重構(gòu)的全息圖中加入相位信息，進行補償，并傳送至下層介質(zhì)重構(gòu)模 塊中進行在下層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)，得到重構(gòu)后的微波圖像。 技術(shù)效果
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將求解入射點的二元二次方程組簡化為一元四次方程的 求解，減小了運算量，提升運算速度;本發(fā)明采用的三段式傳播結(jié)構(gòu)、相屏估計理論和相位 補償重構(gòu)方法可以有效評估微波在不同介質(zhì)之間的傳播和在凹凸不平的入射面?zhèn)鞑サ南?位變化，同時在重構(gòu)時，有效補償了入射面的相位信息;本發(fā)明更貼近實際的應用場景，有 較高的應用價值。
【附圖說明】
[0013] 圖1為微波全息圖的生成與重構(gòu)方法示意圖；
[0014]圖2為場景模型不意圖；
[0015] 圖3為微波全息圖的重構(gòu)流程示意圖；
[0016] 圖4為生成與重構(gòu)系統(tǒng)示意圖；
[0017]圖5為實施例效果圖；
[0018] 圖中：（a)為原始圖，（b)為生成的微波全息圖，（c)為重構(gòu)的微波圖像。
【具體實施方式】
[0019] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。 實施例1
[0020] 如圖1所示，本實施例涉及一種入射面凹凸不平的微波全息圖的生成與重構(gòu)方法， 包括以下步驟：
[0021]步驟1、采用三段式的傳播結(jié)構(gòu)搭建場景模型，根據(jù)折射定律和入射與折射直線在 同一平面內(nèi)求解入射點的坐標。
[0022]所述的三段式的傳播結(jié)構(gòu)的第一段為發(fā)射源rQ(XQ，y()，Z())到平面z = 0的入射點Μ (1，7,〇)，兩者的直線距離記為〇1;第二段為入射點1到2 = -(1的折射點1^，7，-(1)，兩者的直 線長度記為d;第三段為折射點Ν到物點以^78士），兩者的直線距離記為0 2。
[0023] 根據(jù)相屏估計理論，微波經(jīng)過凹凸不平的入射面時只會改變微波的相位，不會改 變微波的幅度，則根據(jù)折射定律以及入射直線和折射直線在同一平面內(nèi)可得兩個方程組成 的方程組;根據(jù)已知條件，對方程組的求解可轉(zhuǎn)化為一個一元四次方程的求解，取其中一個 滿足條件的解為入射點的坐標。
[0024] 所述的入射點Μ的坐標求解的關(guān)系式為：
其中：η為場景中下層介質(zhì)折 射率η2與上層介質(zhì)折射率m的比值。
[0026]步驟2、根據(jù)入射點Μ的坐標、微波在不同介質(zhì)內(nèi)的散射公式及相屏估計理論，生成 微波全息圖u(x，y)。
[0027] 所述的入射面為三維平面，則發(fā)射源和接收源均為發(fā)射端發(fā)射的是球面波。由 于發(fā)射點ro到物點rs的波傳播是雙向的，所以在求解單點散射相位時，需進行平方處理;而 由于單點物波是對三維空間的自由散射，因此單點物波的相位應是三維空間所有物點相位 的和。
[0028] 所述的發(fā)射源ro到物點^的單向入射物波的幅度和相位變化值q(rQ，rs)可分別近 似等于三段式傳播結(jié)構(gòu)的幅度和相位之和，即其中：(^為發(fā)射源Π)到平面z =〇的入射點Μ的物波幅度和相位，Q為入射點Μ到z = _d的折射點N的物波幅度和相位，Q2為 折射點N到物點rs的物波幅度和相位。
[0029] 所述的QjPQ2可采用自由空間波的傳播公式求解，即： 其中:EdPE2為對應物波的發(fā)射強度，h為在上層介質(zhì)中的波數(shù)，k2為在下層介質(zhì)中的波數(shù)， i為虛數(shù)單位，η為圓周率；
[0030] 所述的在介質(zhì)中的波數(shù):ki = nik〇，k2 = n2k()，其中：m為上層介質(zhì)的折射率，Π2為下 層介質(zhì)的折射率，k〇=w/c為自由空間內(nèi)的波數(shù)，其中:w是角頻率，c是光速。
[0031] 所述的Q采用相屏估計理論進行求解::ρ =五，其中：E為經(jīng)過凹凸不平 入射面的幅度變化值，ki (d-H)為邊界層d內(nèi)上層介質(zhì)的相位偏移，k2H為在邊界層d內(nèi)下層介 質(zhì)產(chǎn)生的相位偏移，Η為邊界上任意一點的凹凸值，且H<d。
[0032] 所述的微波全息圖<^)%|/(/0，〇，其中：0為三維空間中物體上所有點的集 合。
[0033] 如圖3所示，步驟3、采用分層重構(gòu)和相位補償重構(gòu)的方法對微波全息圖u(x，y)進 行重構(gòu)，得到微波圖像，具體包括以下步驟：
[0034] 步驟3.1)在上層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)，包括：
[0035] 步驟3.1.1)對微波全息圖函數(shù)u(x，y)進行傅里葉變換，得到在平面z = 0上的場的 空域頻譜F(kx，ky)，其中：kx和k y為X和y方向的波數(shù)，k = 2Jif/c為指定頻率下的波數(shù)，f是頻 率。
[0036] 步驟3. 1.2)向空域頻譜F(kx，ky)中加入z方向的幅度信息和相位信息，即：
，其中
，kz為z方向的波數(shù)，h為發(fā)射源ro到 平面z = 0的距離，其中：e為自然常數(shù)。
[0037] 步驟3.1.3)求解的傅里葉反變換，得到微波全息圖u(x，y)在上層介質(zhì) ηι 中重構(gòu)的微波圖像uo (X，y)。
[0038]步驟3.2)向在上層介質(zhì)m中重構(gòu)的微波圖像u〇(x，y)加入相位補償，即將在上一步 驟中得到的微波圖像u〇(X，y)與一個相屏的復共輒的傳輸函數(shù)相乘，以補償經(jīng)過凹凸不平 入射面的相位變化的影響，BP : ?Ja·，.!') = 。
[0039] 步驟3.3)在下層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)，包括：
[0040] 步驟3.3.1)對經(jīng)過相位補償?shù)膗i(x，y)進行傅里葉變換，得到下層介質(zhì)的空域頻 譜珥(九為)。
[0041 ] 步驟3.3.2)向空域頻譜洱汍為)中加入三維空間z方向的相位信息，得到二維空間 在深度為z處的波譜
[0042] 所述的二維空間在深度為ζ處的波譜尹(H，:z) 。
[0043] 步驟3.3.3)為了重構(gòu)在下層介質(zhì)非均質(zhì)性的三維空間的圖形，對kx和ky使用二維 傅里葉反變換，得到重構(gòu)之后的微波全息圖像P(x，y，z)。
[0044] 所述的微波圖像為：
其 中:F{}為二維傅里葉變換，Γ1 {}為二維傅里葉反變換，
[0046]所述的傅里葉變換和傅里葉反變換均為二維傅里葉變換和二維傅里葉反變換。 [0047]如圖4所示，本實施例的h為0.01111，(1為0.167111，111為1，112為2.2，物點6的微波頻率 為8*10 9Hz，光速c為3*108m/s，物體是鑲嵌在三維空間內(nèi)，物體所在的三維空間是邊長為 0.5m的正方體。
[0048]所述的微波在不同介質(zhì)中的傳播，采用三段式的傳播結(jié)構(gòu)；在同一種介質(zhì)中的傳 播，采用自由空間的波的傳播公式。
[0049] 所述的相位補償重構(gòu)方法用于補償凹凸不平的入射面造成的相位變化，以完成入 射面凹凸不平情況下的微波全息圖的重構(gòu)。
[0050] 本實施例以三維場景測試為例，具體設置為:發(fā)射源所在的平面為Z = ZQ平面，在z =0平面的上方，zq保持不變，z〇 = h，h為0.01m，平面的大小為0.5m*0.5m，平面是由64*64個 點構(gòu)成；凹凸不平的入射面全部位于Z = 0平面的下方，且是三維的，入射面最大的凹凸值為 d，d為0.167m，Η是凹凸不平入射面上任意一點，Η的取值是隨機的，但是Η的絕對值是小于d; 物體均位于z = 0平面的下方，即物體上所有點的z坐標都為負值，物體所在的三維空間大小 為0.5m*0.5m*0.5m，是由64*64*64個點構(gòu)成，物體是鑲嵌在該三維空間內(nèi)，該三維空間內(nèi)物 體上的點的值是1，不是物體上的點設為0。凹凸不平入射面的上層介質(zhì)可以看成是空氣，m 設為1;凹凸不平入射面的下層介質(zhì)是土壤，n 2設為2.2。在實際求解的過程中，發(fā)射源所在 的平面也就是最終的微波全息平面，發(fā)射源是向三維空間散射，微波全息平面的每一點的 值等于三維物體所有點的幅度和相位的累加求和。微波全息圖的生成首先進行的是入射點 的求解，主要采用的是折射定律以及入射直線和折射直線在同一平面來構(gòu)建二元二次方程 組，為了便于求解，將二元二次方程組轉(zhuǎn)化為一元四次方程來進行求解，在一元四次方程求 解過程中，也要分為三種情況來進行求解：（1)發(fā)射源的縱坐標不等于物點的縱坐標，直接 采用一元四次方程求根公式進行求解；（2)發(fā)射源的縱坐標等于物點的縱坐標，但是發(fā)射源 的橫坐標不等于物點的橫坐標，調(diào)換橫縱坐標變量，然后采用一元四次方程求根公式進行 求解；（3)發(fā)射源的縱坐標等于物點的縱坐標，而且發(fā)射源的橫坐標等于物點的橫坐標，入 射點的橫縱坐標等于發(fā)射源的橫縱坐標。對于64*64個點構(gòu)成的發(fā)射源平面和64*64*64個 點構(gòu)成的物體所在三維空間來說，求得的凹凸不平入射面上入射點的橫縱坐標均是 1970176行1列的矩陣。接著采用三段式傳播結(jié)構(gòu)和相屏估計理論進行微波全息圖的求解， 可以得到64*64個點構(gòu)成的微波全息圖，經(jīng)過歸一化處理之后，微波全息圖的最大值為1，最 小值為0。最后是進行微波全息圖的重構(gòu)，分別進行上層介質(zhì)重構(gòu)、相位補償和下層介質(zhì)重 構(gòu)，得到的P(X，y，z)是由64*64*64個點構(gòu)成的三維空間，所有點的最大值為1，最小值為0， 可以在z軸方向任選一個值，得到重構(gòu)之后的二維微波圖像，該重構(gòu)的二維微波圖像是由 64*64個點構(gòu)成，所有點的最大值為1，最小值為0。
【主權(quán)項】
1. 一種入射面凹凸不平的微波全息圖的生成與重構(gòu)方法，其特征在于，采用Ξ段式的 傳播結(jié)構(gòu)搭建場景模型，通過對入射點的求解生成記錄有目標散射場的幅度信息和相位信 息的微波全息圖，并通過相位補償方法和分層重構(gòu)方法對微波全息圖依次進行在上層介質(zhì) 中的全息圖重構(gòu)、加入相位補償和在下層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)重建目標散射場，即微波圖 像； 所述的立段式的傳播結(jié)構(gòu)包括:第一段為發(fā)射源r〇(xo，yo，zo巧Ij平面ζ = 0的入射點Μ(χ， y，0)，兩者的直線距離記為化;第二段為入射點M到z = -d的折射點N(x，y，-d)，兩者的直線 長度記為(1;第；段為折射點頗Ij物點rs(xs，ys，zs)，兩者的直線距離記為化。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成與重構(gòu)方法，其特征是，所述的入射點的求解關(guān)系式為：其中：η為場景中下層介質(zhì)折射率與上 層介質(zhì)折射率的比值。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成與重構(gòu)方法，其特征是，所述的微波全息醫(yī)其中：〇為；維空間中物體上所有點的集合，q(r〇，。)為發(fā)射源ro到物點。的幅度和相位的 變化值。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的生成與重構(gòu)方法，其特征是，所述的發(fā)射源ro到物點。的幅度 和相位的變化值q(r〇，。)可分別近似等于Ξ段式傳播結(jié)構(gòu)的幅度和相位之和，即q(r〇，。） =化QQ2,其中：Qi為發(fā)射源ro到平面z = 0的入射點Μ的物波幅度和相位，Q為入射點Μ到z = -d 的折射點N的物波幅度和相位，Q2為折射點N到物點。的物波幅度和相位。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成與重構(gòu)方法，其特征是，所述的重構(gòu)在上層介質(zhì)中的全息 圖是指:對微波全息圖函數(shù)進行傅里葉變換，得到場的空域頻譜，向其加入幅度信息和相位 信息后進行傅里葉反變換； 所述的幅度信息和相位信息為庚中：kz為Z方向的波數(shù)，h為發(fā)射源與平面Z =0的距離，i為虛數(shù)單位，e為自然常數(shù)，π為圓周率。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成與重構(gòu)方法，其特征是，所述的加入相位補償是指:將在 上層介質(zhì)中重構(gòu)的全息圖函數(shù)與一個相屏的復共輛的傳輸函數(shù)相乘； 所述的相屏的復共輛的傳輸函數(shù)為?Τ胃其中：k = 2時/c為在指定頻率下的波數(shù)， Η為邊界上任意一點的凹凸值。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生成與重構(gòu)方法，其特征是，所述的重構(gòu)在下層介質(zhì)中的全息 圖是指:對經(jīng)過相位補償?shù)脑谏蠈咏橘|(zhì)中重構(gòu)的全息圖進行傅里葉變換，得到下層介質(zhì)的 空域頻譜，向其加入Ξ維空間Ζ方向的相位信息，得到二維空間在深度為Ζ處的波譜后進行 傅里葉反變換； 所述的；維空間Ζ方向的相位信息為，其中：kx和ky分別是X和y方向的波 數(shù)。8. 概屆權(quán)矛腰巧戶廁勺《^妨紀誦晚獅鄉(xiāng)嫩圓其中：F{}為二維傅里葉變換，F(xiàn)-i{}為二維傅里葉反變換，山為上層介質(zhì)的折射率，Π 2為下層 介質(zhì)的折射率，kz為Z方向的波數(shù)。9. 一種實現(xiàn)權(quán)利要求1~8中任一所述方法的系統(tǒng)，其特征在于，包括:場景模型搭建模 塊、微波全息圖生成模塊、上層介質(zhì)重構(gòu)模塊、相位補償模塊和下層介質(zhì)重構(gòu)模塊，其中：微 波全息圖生成模塊采集場景模型搭建模塊中的物體的幅度信息和相位信息進行微波全息 圖的生成，上層介質(zhì)重構(gòu)模塊根據(jù)生成的微波全息圖進行在上層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)；相 位補償模塊向上層介質(zhì)重構(gòu)模塊中得到的重構(gòu)的全息圖中加入相位信息，進行補償，并傳 送至下層介質(zhì)重構(gòu)模塊中進行在下層介質(zhì)中的全息圖重構(gòu)，得到重構(gòu)后的微波圖像。
【文檔編號】G06T7/60GK106097333SQ201610403939
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】宮新保, 王都都
【申請人】上海交通大學