[发明专利]一种基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法

说明书

技术领域

本发明涉及电磁散射三维成像领域，特别是涉及基于平面扫描结构的三维成像降采样快速扫描方法。

背景技术

雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)是表征隐身飞机隐身性能的重要物理量。目标RCS的研究可以通过理论计算和测试技术来分析。球、角反射器、平板等简单目标可以通过理论分析对其散射机理进行研究，但对于复杂目标，需要特别关注电磁波的绕射、表面爬行波的散射等复杂的散射现象，同时还要考虑目标的材料特性的影响，这样会显著的增加计算量，甚至超出现代计算机的运算能力。因此，直接通过RCS测试，不仅能够了解目标的散射现象，得到测试目标的RCS值，而且能够通过测试得到大量的散射特征数据，对被测目标进行更深入的散射特性分析。

电磁散射成像是目标散射特性测试中的关键步骤，主要是指对微波测试系统采集的数据进行处理，得到目标散射点的位置分布和散射强度。目前，在紧缩场或室外静态场中，可以得到测试RCS与纵向距离之间的关系(即一维距离向)、测试RCS与纵向距离、横向距离之间的关系(即二维成像)以及以下曲线，包括测试RCS与频率之间的关系曲线、测试RCS与视角之间的关系曲线。另外，通过干涉测高原理或平面架扫描可以得到目标散射点的三维分布图像。

目前，微波成像的测试方法可分为紧缩场测试、室外静态场测试、室内近场测试以及动态测试几种。微波成像算法可分为合成孔径(SAR)成像和逆 合成孔径(ISAR)成像。合成孔径成像需要测量天线改变位置，而逆合成孔径成像算法需要被测目标改变位置。

在紧缩场和室外静态场测量中，主要应用了基于转台模型的逆合成孔径成像算法。20世纪60年代初，美国密西根大学Willow Run实验室的Brown等人最先开始研究旋转目标的ISAR成像研究，并首次实现了逆合成孔径成像。北京航空航天大学微波工程实验室自1986年开始研究旋转目标ISAR成像，并得到飞机、舰船等缩比模型的二维散射图像，这在国内尚属首次。自1988年以来，国内的多家科研机构开展了逆合成孔径成像的理论研究和工程实践，并取得了诸多成果。应用于旋转目标的微波成像算法主要有距离多普勒算法(RDA)、极坐标格式成像算法(PFA)、投影层析算法(CBP)，经过几十年的发展，各种算法已趋近成熟，并得到了广泛的工程应用。

在室内近场测试中，一般选用合成孔径成像算法。合成孔径处理算法可以追溯到20世纪60年代，它首先应用于机载或者星载雷达上，这种算法称为diffraction stac migration或者back projection algorithm。如今，通过这种算法可以实现二维和三维成像。近场成像由于其保密性高、测量精度高、信息量高、可进行全尺寸整机测量等优点，成为散射测量领域发展的新趋势。美国的Sensor Concepts Ins公司致力于研究现场RCS测试系统，并且已经研制了多种型号的近距离RCS测试成像系统，这些系统不仅可靠性高，而且便于携带和快速部署。并且，目标散射特性现场现场快速测量的时间需求也决定其更适合选用近场测试方法。

合成孔径成像算法可分为两大类：合成孔径处理和波动方程算法。基于波动方程的成像算法包括基尔霍夫徙动算法(Kirchhoff migration)和距离徙动算法(Range Migration Algorithm)。这两种算法首先应用于地球物理学领域。Kirchhoff migration用基尔霍夫积分方程表达电磁场中的任一点强度，可以得到高质量低旁瓣的图像。RMA由标量波动方程导出，由于使 用快速傅里叶变换对数据进行处理，能够明显提高数据的处理速度，并得到高质量的图像。RMA在平面近场散射测量中已经有所应用，能够得到二维、三维散射图像，并有学者对RMA算法进行改进。RMA算法以波动方程为基础，理论基础为平面波谱理论。对平面波谱理论有如下理解：电磁场麦克斯韦方程的一个基本解是平面波：A(k)e^-jk·r。复矢量A(k)表示它是波数矢量k的函数，平面波因子e^-jk·r表示电磁波在k方向传播时的相位变化。对简单平面波，空间任何一点的场可表示为E(r)＝A(k)e^-jk·r。可将一复杂电磁场分布分解为无数子平面波之和，即A(k)和E(r)是一对傅里叶变换对，可得该变换是实空间和K空间之间的变换。定义A(k)为平面波角谱，它是K空间中子平面波的集合。