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近景微波三维成像技术是以微波作为探测手段,通过近距离的数据采集,获取被测目标三维散射信息的成像技术。该技术具有穿透性、安全性、高分辨、高效性等优势,已成为目前微波成像领域的研究热点,在安全检测、生物医学成像、无损检测、三维数字化、雷达目标成像诊断等领域具有重要的应用价值。
本文通过分析近景微波三维成像技术在理论研究和实际应用中的发展方向,从信号模型、成像体制、系统优化和实际应用的角度归纳了近景微波三维成像中的一些关键科学问题,针对每个问题,分别提出或改进了解决方案,并通过近景三维成像实验进行了验证和分析,得出了相应的结论。具体研究工作如下:
1.在信号模型的研究方面,研究了近景模式下信号传播模型的特殊性。首先从信号传播理论模型出发,推导了考虑天线方向图和距离衰减的回波模型,通过近景实验分析了二者对成像结果的影响,并研究和验证了补偿方法;研究了近场条件对成像处理的影响;研究了模型中阵元波束宽度和观测距离对合成阵列优化的限制及成像质量的影响;最后将信号模型应用于三种基本成像几何,开展了基本几何回波模型和成像处理方法的研究和分析。
2.在成像体制的研究方面,将双站成像几何引入到近景成像系统,开展了双站三维成像几何的研究,通过单双站相结合的三维成像几何,获取了更丰富的目标信息。首先建立了近景双站三维成像几何及相应的回波模型;继而提出了基于隐式频谱分解的双站三维Omega-K成像算法,通过对残余相位的分析和补偿,实现了高精度的双站三维成像;最后通过单双站成像结果的对比,分析了单双站成像结果中各自包含的信息,以及二者信息互补的原理。
3.在系统优化的研究方面,开展了基于稀疏优化阵列的三维成像研究,通过阵列的稀疏优化及阵元之间的收发组合,降低了系统的复杂度。首先针对远景成像的应用提出了一种改进的阵列稀疏优化方法,并与传统的方法进行了对比;继而分析了远景稀疏优化阵列在近景成像中的局限性;提出了两种近景稀疏阵列的优化方法,从而使稀疏阵列可以应用于近景成像几何;最后,针对稀疏优化阵列的成像处理,研究了基于回波数据的多通道幅相误差校正方法和等效相位误差补偿方法。
4.在实际应用的研究方面,开展了目标特征增强和信息提取的研究。针对信息获取阶段,研究了基于全极化信息获取的目标特征增强,推导了圆极化散射矩阵与线极化散射矩阵在Pauli基分解下的对应形式;通过全极化微波成像实验,以及对成像结果的极化分解与合成,验证了极化信息增强目标特征的原理及相关结论。针对成像处理阶段,通过分析近景三维成像在距离向的稀疏特性,研究了L1优化处理在近景三维成像中的应用,并通过近景成像实验对L1优化的增强效果进行了验证。
5.针对以上四个研究方面,本文均通过近景三维成像实验进行了验证和分析。开展了针对天线方向图和距离衰减影响的验证实验,并分析了补偿方法的必要性和有效性;开展了双站三维成像几何的算法验证实验和单双站对比实验,通过本文算法获得到了高精度的双站三维图像,并通过单双站信息成像结果的对比,分析了二者互补的原理;开展了线极化和圆极化的三维成像实验,并通过极化分解与合成,验证了不同极化组合所反映的目标信息,以及圆极化和线极化各自的特点:开展了基于L1优化重建的三维成像实验,通过距离向L1优化重建,增强了目标的主瓣信息。