近程全息雷达自动聚焦成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像自动聚焦技术用于近程全息雷达成像，属于雷达成像技术和图像 处理领域。
【背景技术】
[0002] 全息成像雷达（HolographicImagingRadar,HIR)是通过福射源发出电磁波，经 目标散射后被接受器接收，再将接收信号与参考信号进行相干，得到全息数据，最后利用成 像算法和图像处理对全息数据进行反演，得到探测目标的像。微波全息技术是光全息扩展 而来的，不同的是，微波全息能够穿透光学不透明介质，获取目标的电磁特性，广泛应用于 遥感、资源勘探和无损探测等领域。
[0003] 近程全息雷达成像（HolographicSubsurfaceRadar,HSR)是微波全息技术的扩 展，由于其系统结构简单，实现相对容易，被广泛地应用于近程隐匿目标的成像检测。
[0004] 近程全息雷达系统的性能主要取决于成像的分辨率和清晰度。成像的分辨率主要 受接收天线的扫描间隔和数据处理算法的影响。而成像的清晰度主要取决于相位补偿项的 选择，而相位补偿项的选择主要依赖于补偿深度的选取。当补偿深度和目标深度一致且介 电常数已知时，目标区域聚焦成像，图像最清晰。但在实际应用中，往往探测目标的深度未 知，因此相位补偿项中的补偿深度不确定。现有的近程全息雷达聚焦成像时大多依赖视觉 效果，来调整补偿深度，从而获得最清晰的聚焦图像。但此方式耗时较长，并且容易受人为 因素影响。因此，考有必要考虑一种近程全息雷达自动聚焦成像方法，通过判断成像结果中 目标区域的清晰度，来自动搜索相位补偿项中的补偿深度，以获得最清晰的聚焦图像。
【发明内容】
[0005] 针对现有近程全息雷达聚焦成像技术的不足，本发明提供了一种近程全息雷达自 动聚焦成像方法。
[0006] 根据本发明提供的一种近程全息雷达自动聚焦成像方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1:对接收天线接收到的初始数据进行插值；
[0008] 步骤2:以深度搜索的搜索初始值为补偿深度进行预成像，得到目标图像I;
[0009] 步骤3:对目标图像I进行预处理，根据目标图像I中目标区域的灰度特性，划分 得到目标区域TAR;
[0010] 步骤4 :设置补偿深度搜索步进为step、补偿深度搜索范围以及最终停止搜索步 进stopstep;
[0011] 步骤5 :针对目标区域TAR，在补偿深度搜索范围内，按照补偿深度搜索步进，对不 同补偿深度进行相位补偿，得到不同补偿深度下目标区域TAR成像结果的清晰度；
[0012] 步骤6 :得到令目标区域成像结果清晰度最高的补偿深度；
[0013] 步骤7 :判断补偿深度搜索步进是否大于最终停止搜索步进；
[0014]-若补偿深度搜索步进大于最终停止搜索步进stopstep，则将补偿深度搜索范围 更新为令目标区域成像结果清晰度最高的补偿深度值附近的（-step，step)范围，将补偿 深度搜索步进值减半为step/2,转入步骤5继续执行；
[0015]-若补偿深度搜索步进不大于stopstep，则搜索结束，将令目标区域成像结果清 晰度最高的补偿深度所对应的图像作为最终聚焦成像结果。
[0016] 优选地，所述步骤3包括如下步骤：
[0017]步骤3. 1 :设置划分目标区域的阈值为T;
[0018] 步骤3. 2 :找出目标图像I中像素值最高的点1_ (X，y) ; (X，y)为图像中点的坐 标，X表示行坐标，y表示列坐标
[0019] 步骤3. 3 :将像素值大于TX1_ (X，y)的点作为目标点，在点1_ (X，y)周围划出矩 形区域，使得像素值大于TXI_(x，y)的目标点都在该矩形区域内，并且内部连通；将该矩 形区域作为目标区域TAR。
[0020] 优选地，0· 3〈Τ〈0· 5。
[0021] 优选地，所述预处理，包括：利用中值滤波对图像进行平滑处理，再利用线性拉伸 提高图像的对比度。
[0022] 优选地，清晰度计算公式：
[0024]其中，F(TAR)表示目标区域TAR成像结果的清晰度，Gi(X，y)、G2 (X，y)、G3 (X，y)、G4(x，y)为目标区域TAR成像结果中的点（x，y)的3X3邻域子图Is(x，y)分别与水平、垂 直、45°、135°方向的Sobel梯度算子S。。、S9。。、S45。、S135。进行卷积所得：
[0033] 其中，*为卷积运算符号，（x，y)为图像中点的坐标，x表示行坐标，y表示列坐标； 若目标区域TAR成像结果的大小为Μ行XN列，则X的取值范围为2, 3,…，M-1，y的取值范 围为 2,3, "·，Ν-1。
[0034] 优选地，还包括如下步骤：
[0035] 步骤8 :根据如下计算式得到探测目标深度估计值：
[0037] 其中，R'为令目标区域成像结果清晰度最高的补偿深度，ε为探测介质的介电常 数估计值。
[0038] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0039] 1、只针对目标区域计算清晰度，算法复杂度低；
[0040] 2、能够对近程目标快速自动聚焦成像，提高了近程全息雷达的探测精度和效率；
[0041] 3、为目标成像的自动显示和目标距离搜索提供依据，满足全息雷达探测成像的实 时性要求。
【附图说明】
[0042] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0043] 图1是近程全息雷达成像模型。
[0044] 图2是近程全息雷达自动聚焦成像框图。
[0045] 图3是自动聚焦搜索流程图。
[0046] 图4是不同补偿深度的成像结果。
[0047] 图5是清晰度评价结果随补偿深度的变化情况。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0049] 近程全息雷达成像是通过目标散射的电磁波的幅度和相位特性，反演出目标的几 何特性。主要成像算法为：
[0050] 如图1所示，发射源发射频率为ω的单频信号，经过oxy平面的点目标（x，y)散 射后，被0ΧΥ平面的接收天线（X，Y)接收，对接收信号进行混频后，得到接收天线的接收信 号混频后的零中频信号作为接收天线（X，Y)接收到的初始数据E(X，Y)为：
[0052] 其中，A(x，y)为点目标散射信号的复振幅，K为圆波束，标量表示为 点目标和接收天线间的距离矢量，表示为Γ = (Λ·-艰+沿，r为r的标量值，R为0ΧΥ平面与oxy平面的距离，即探测目标深度，i表示虚部，Kx表示圆波束 在X方向的分量，\表不圆波束在y方向的分量，Κ2表不圆波束在ζ方向的分量，$表不X 方向的单位矢量，f表示y方向的单位矢量，f表z方向的单位矢量。
[0053] 近程全息雷达成像按照如下方程式进行成像：
[0054]A(x，y) =IFT2{FT2[E(X，Y)]exp(iRKz)} (2)
[0055] 其中，E(X，Y)为接收天线的接收信号混频后的零中频信号，exp(iRKz)为相位补偿
:取决于接收天线的扫描间隔Λd。IFT2表示二维傅里叶反变换，FT2表示二维傅里叶变换，exp( ·)表示e(' >。
[0056] 公式（2)意义是对接收信号的零中频信号E(X，Y)进行二维傅里叶变换，再进行深 度补偿，最后通过二维傅里叶反变换，得到最终的成像结果。由于探测目标深度R未知，因 此深度补偿项中的补偿深度无法直接确定，现将其表示为R'。若探测介质的介电常数ε为 1时，补偿深度R'和探测目标深度R-致时，能够形成聚焦图像。当ε不为1时，介质中的 圆波束Κ'是真空中圆波束Κ的
，根据公式（2)可以将其等效到相位补偿项中的补偿 深度R'上
，能够形成聚焦图像。实际使用中，往往需要依靠成像的视觉效 果，来调节相位补偿项中的补偿深度R'，直到成像结果最为清晰。
[0057] 本发明将图像处理技术和自动聚焦相结合运用于近程全息雷达的自动聚焦，主要 流程如图2所示。具体方法如下：
[0058] 首先，对接收的初始数据进行插值，以提高全息图像分辨率，然后以搜索初始值为 补偿深度进行预成像，得到目标模糊的图像I。
[0059] 通过中值滤波对该图像I进行平滑处理，降低由于成像系统固有的随机噪声而导 致成像结果中椒盐噪声的影响；然后