[发明专利]用于太赫兹高斯波束全息成像的三维大景深图像重建方法

摘要

本发明提供一种用于太赫兹高斯波束全息成像的三维大景深图像重建方法，属于图像处理技术领域。该方法通过对太赫兹雷达原始回波信号的三维频谱进行参考距离匹配滤波，距离方位向的解耦合，方位向的匹配滤波得到的太赫兹三维全息成像结果。本发明方法能精确恢复大景深分布的目标图像，处理过程简单快速，适用于大带宽实时应用成像中。

主权项

一种用于太赫兹高斯波束全息成像的三维大景深图像重建方法，其特征在于，包括：S1：如果雷达发射信号属于线性调频连续波信号，则先补偿掉发射方式导致的剩余视频相位，消除剩余视频相位后得到和步进频连续波信号相同的回波信号后，再进行以下处理；如果雷达发射信号属于步进频连续波信号，则直接雷达发射信号进行以下处理：对接收到的回波信号作方位向二维傅里叶变换得到三维频谱S1(kx,ky,k)，并建立坐标系XYZ，定义X、Y为扫描方向，Z为雷达照射方向；kx、ky为方位向波数，k为自由空间的波数，三维频谱S1(kx,ky,k)表示为：S1(kx,ky,k)=∫∫∫-πσ(x′,y′,z′)[w0w(z′,k)]2(w022-jz′k)·exp[-(kx2+ky2)w028]·exp[-j(2k-kx2+ky24k)z′]·exp[-j(kxx′+kyy′)]dx′dy′dz′---(1)]]>式中σ(x′,y′,z′)为坐标系XYZ中位于(x′,y′,z′)处目标的散射系数，w0为雷达天线发射波束的束腰大小，S2：对S1所得的三维频谱S1(kx,ky,k)乘以参考距离匹配滤波函数H(kx,ky,zo,k)，获得三维频谱S2(kx,ky,k)，其中参考距离匹配滤波函数H(kx,ky,zo,k)表示为：H(kx,ky,zo,k)=exp[j(2k-kx2+ky24k)z0]---(2)]]>z0为目标所处位置的参考距离；S3：对S2所得三维频谱S2(kx,ky,k)进行距离方位向解耦合，得到解耦合频谱结果即三维频谱S7(kx,ky,z)，其中，z为目标在坐标系XYZ中Z方向的取值；具体的：S31：根据太赫兹雷达系统参数和目标最大分布距离比率γ选取参数α，且参数α选择需满足：α≤[11+2.3w02kc2-γ]c24πBΔf---(3)]]>式中B为发射信号带宽，Δf为回波数据的频率采样间隔，目标最大分布距离比率γ的取值范围为γ∈(0,1)，kc为发射信号中心频率波数；c为电磁波在自由空间的传播速度；S32：对步骤S2所得的三维频谱S2(kx,ky,k)乘以线性调频信号H1(kx,ky,kb,α)并对乘积中的kb进行逆傅里叶变换，获得三维频谱S3(kx,ky,z)，线性调频信号H1(kx,ky,kb,α)表达式为：H1(kx,ky,kb,α)=exp{-j[1+(kx2+ky2)/(8kc2)]αkb2}---(4)]]>其中kb为基频波数；S33：对三维频谱S3(kx,ky,z)乘以线性调频信号H2(kx,ky,z,α)并对乘积中的z进行傅里叶变换，获得三维频谱S4(kx,ky,kb)，线性调频信号H2(kx,ky,z,α)表达式为：H2(kx,ky,z,α)=exp{j[-1/[4α(1+(kx2+ky2)/(8kc2))]+1/(4α)]z2}---(5)]]>S34：根据太赫兹雷达系统参数和选取的参数γ、α得到补零个数N，并对三维频谱S4(kx,ky,kb)的基频波数域进行N点补零得到S5(kx,ky,kb)，且N满足：N=ceil[1.15w02kc2(c2γα2πΔf2+2BΔf)]---(6)]]>式中c为电磁波在自由空间的传播速度，ceil(a)表示为大于a的最小整数；S35：对三维频谱S5(kx,ky,kb)乘以线性调频信号H3(kx,ky,kb,α)并对乘积中的kb进行逆傅里叶变换，获得三维频谱S6(kx,ky,z)，线性调频信号H3(kx,ky,kb,α)表达式为：H3(kx,ky,kb,α)=exp(jαkb2)---(7)]]>S37：对三维频谱S6(kx,ky,z)乘以线性调频信号H4(kx,ky,z,α)，获得三维频谱S7(kx,ky,z)，线性调频信号H4(kx,ky,z,α)表达式为：H4(kx,ky,z,α)=exp{-j[-1/α+(1+(kx2+ky2)/(8kc2))/α]z2}---(8)]]>S4：对S3所得三维频谱S7(kx,ky,z)进行方位向匹配滤波，乘以方位向匹配滤波函数H5(kx,ky,z′‑zo)，得到三维频谱S8(kx,ky,z)，方位向匹配滤波函数H5(kx,ky,z′‑zo)表达式为：H5(kx,ky,z′-zo)=exp[j(2-kx2+ky24kc2)kc(z′-zo)]---(9)]]>步骤S5：对步骤S4所得的三维频谱S8(kx,ky,z)作方位向二维逆傅里叶变换，得到三维频谱S9(x,y,z)，根据三维频谱S9(x,y,z)进行图像处理得到三维聚焦图像；S9(x,y,z)表达式为：S9(x,y,z)=∫∫∫-8σ(x′,y′,z′)[πw(z′,kc)]2(w022-jz′kc)·sinc{2Bc[z-(z′-zo)]}·exp[-2ρ2(x′,y′)w02]dx′dy′dz′---(10)]]>式中