[發明專利]一種基于平面掃描結構的三維成像降采樣快速掃描方法

有效

• 申請號: 201610467176.7
• 申請日: 2016-06-24
• 公開（公告）號: CN105911533B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 宋云俏;洪韜;姚覲;趙京城
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G01S13/90
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

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

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。

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。

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。

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。

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diffraction 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。

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)e^-jk·r。復矢量A(k)表示它是波數矢量k的函數，平面波因子e^-jk·r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^-jk·r。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)是一對傅里葉變換對，可得該變換是實空間和K空間之間的變換。定義A(k)為平面波角譜，它是K空間中子平面波的集合。