許圣志 黃春琳 劉 濤 覃 堯 陸 珉
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連續(xù)波穿透雷達(dá)柱面成像的干涉條紋抑制研究
許圣志*黃春琳 劉 濤 覃 堯 陸 珉
(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)
在進(jìn)行單頻連續(xù)波表層穿透雷達(dá)的柱面2維無(wú)損檢測(cè)成像掃描時(shí),發(fā)現(xiàn)明暗相間的條紋現(xiàn)象,這是雷達(dá)成像掃描的一種主要干擾,會(huì)嚴(yán)重降低目標(biāo)的成像效果。該文簡(jiǎn)單分析了曲面干涉條紋的產(chǎn)生機(jī)理,并且基于柱面與目標(biāo)的譜域分布特性差異,提出譜域干涉條紋濾波方法。針對(duì)小目標(biāo)具有較規(guī)律的譜域角度分布特性,沿角度進(jìn)行譜域插值的補(bǔ)償,以消除譜域?yàn)V波丟失目標(biāo)譜信息的影響。此外,結(jié)合波前成像算法,給出了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、處理高效的譜域?yàn)V波成像處理流程。通過(guò)仿真分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該文方法能夠有效去除柱面的干涉條紋,形成清晰的目標(biāo)圖像。與傳統(tǒng)的減平均方法的對(duì)比證實(shí)該文方法更有效。
連續(xù)波表層穿透雷達(dá);干涉條紋;無(wú)損檢測(cè);柱面探測(cè)
對(duì)各種非可視隱蔽目標(biāo)的無(wú)損探測(cè)是各領(lǐng)域迫切希望解決的一個(gè)問(wèn)題,在眾多的探測(cè)手段中,表層穿透雷達(dá)表現(xiàn)出突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用潛力。表層穿透雷達(dá)利用電磁波在媒質(zhì)電磁特性不連續(xù)處產(chǎn)生反射與散射的特性獲取探測(cè)區(qū)域的信息,能夠?qū)饘俸头墙饘倌繕?biāo)進(jìn)行探測(cè)、成像和定位。憑借快速、便捷、分辨率高、對(duì)目標(biāo)電磁特性敏感等優(yōu)點(diǎn),表層穿透雷達(dá)在隱蔽目標(biāo)探測(cè)的各應(yīng)用領(lǐng)域中越來(lái)越受重視,發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,其應(yīng)用潛力在市政工程、考古探測(cè)、地質(zhì)與水文勘測(cè)、無(wú)損評(píng)估以及地雷和未爆炸物探測(cè)等領(lǐng)域已得到展現(xiàn)[1,2],而且更多的新應(yīng)用仍在不斷的探索與發(fā)現(xiàn)中。
成像處理是理解表層穿透雷達(dá)數(shù)據(jù)的直觀方法。它作為表層穿透雷達(dá)的一個(gè)發(fā)展重點(diǎn),已發(fā)展出多種類型的成像算法,包括頻域、時(shí)域、2維混合域及子孔徑處理方法[2,3],其中最典型和最具代表性的算法有時(shí)域的反向投影(Back Projection, BP)成像算法和頻域的距離偏移(Range Migration, RM)成像算法[4]。這些成像算法多數(shù)是針對(duì)表面平整的介質(zhì),其模型一般是基于直線掃描、平面掃描或者線陣掃描。為了降低問(wèn)題的復(fù)雜度,便于成像處理,實(shí)際工程中一般應(yīng)用平面型介質(zhì)作為探測(cè)對(duì)像,而且,基于平面型介質(zhì)假設(shè)的其他模型,如單層平面介質(zhì)、多層平行平面介質(zhì)等的成像算法已經(jīng)取得了很大的發(fā)展[2]。
然而現(xiàn)實(shí)中的介質(zhì)都不是理想的平面介質(zhì),一般會(huì)存在不同程度的起伏,平面介質(zhì)模型成像算法直接應(yīng)用于這些場(chǎng)景,成像效果必然會(huì)受到影響,有些情況甚至難以有效成像。目前,直接對(duì)彎曲表面的介質(zhì)進(jìn)行成像的研究相對(duì)較少。一種簡(jiǎn)單易行的方法是使用柔軟的相似電磁特性的物質(zhì)將非平整表面填平,然后應(yīng)用已經(jīng)成熟的平面算法進(jìn)行成像[5],這種方法的局限性在于難以找到匹配的填充介質(zhì)。還可以利用射線追蹤技術(shù),在雷達(dá)掃描的時(shí)候測(cè)量出曲面的幾何位置函數(shù),在回波信號(hào)預(yù)處理時(shí)把曲面的影響去除[6],其中較難解決的問(wèn)題是曲面函數(shù)的精確測(cè)量問(wèn)題。而利用超寬帶技術(shù)可以從回波的相位中提取曲面函數(shù)信息,通過(guò)FFT快速算法成像并解決曲面成像的圖像失真現(xiàn)象[7],但是高精度測(cè)量需要很大帶寬,其實(shí)現(xiàn)難度和成本都很高。此外,通過(guò)求解電磁逆運(yùn)算并利用一定的近似,理論上可以對(duì)隱藏在2維局部粗糙表面下的目標(biāo)成像[8,9]。使用改進(jìn)的非線性層析技術(shù)求解電磁逆問(wèn)題,可以對(duì)柱面下的掩藏目標(biāo)進(jìn)行成像[10]。上述方法主要是針對(duì)平面掃描裝置,期望通過(guò)消除或抑制曲面影響,從而使平面介質(zhì)模型成像方法能夠繼續(xù)適用于曲面介質(zhì)情況。但是對(duì)于彎曲度較大的情況,這些改進(jìn)方法不一定有效,因此,另一種解決方法是采用其它掃描方式,充分利用特定目標(biāo)的外表形狀來(lái)改善掃描成像效果。行之有效的方法是采用共形天線陣或者共形合成孔徑掃描,其中最為典型的是早期乳腺癌檢測(cè)采用半球形模型表面共形陣列天線實(shí)現(xiàn)對(duì)乳房的成像掃描[11],以及人體隱藏武器的安全檢查采用圓柱面掃描實(shí)現(xiàn)人體全身掃描[12]。這類方法的非平面掃描既是其優(yōu)點(diǎn)也是其缺點(diǎn),其缺點(diǎn)是只能限定于特定目標(biāo),應(yīng)用面窄。
考慮到應(yīng)用廣泛性、低設(shè)備成本、易于集成實(shí)現(xiàn)等因素,本文研究聚焦于平面掃描型的連續(xù)波穿透成像雷達(dá)。在連續(xù)波穿透雷達(dá)的2維成像掃描實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)了介質(zhì)引起的干涉條紋現(xiàn)象,這種條紋會(huì)嚴(yán)重降低成像效果,影響對(duì)目標(biāo)的辨識(shí)。文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]首次介紹了傾斜介質(zhì)產(chǎn)生的干涉條紋現(xiàn)象及其形成機(jī)理。在對(duì)曲面介質(zhì)的成像掃描研究中,我們發(fā)現(xiàn)了類似的明暗相間變化的條紋現(xiàn)象,研究表明這是彎曲介質(zhì)面對(duì)平面掃描成像的一個(gè)主要影響。
本文借助光學(xué)干涉基本原理推導(dǎo)了連續(xù)波表層穿透雷達(dá)應(yīng)用在非平整表面上時(shí)產(chǎn)生干涉條紋的機(jī)理,并通過(guò)理論計(jì)算闡釋了通過(guò)譜域?yàn)V波去除柱面干涉條紋的方法,仿真結(jié)果表明譜域?yàn)V波法較好地去除了柱面回波干涉的影響。為了提升成像效果,本文還深入研究2維譜域插值補(bǔ)償丟失的目標(biāo)頻譜信息的方法,一定程度上提高了成像效果。本文的內(nèi)容安排如下:第1節(jié)簡(jiǎn)單介紹了曲面穿透成像;第2節(jié)通過(guò)理論分析曲面成像時(shí)干涉條紋出現(xiàn)的機(jī)理;第3節(jié)推導(dǎo)了柱面干涉條紋譜域?yàn)V波和補(bǔ)償?shù)目赡苄圆⒑?jiǎn)單介紹了所用的成像方法;第4節(jié)通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法的可行性;最后在第5節(jié)對(duì)本文做了總結(jié)。
曲面微波干涉條紋與光學(xué)干涉條紋機(jī)理類似。連續(xù)波表層穿透雷達(dá)應(yīng)用在曲面上時(shí),接收天線的回波來(lái)自于發(fā)射天線的直達(dá)波、曲面表面的反射波和隱藏在表面下的目標(biāo)回波。由于曲面的起伏,曲面回波時(shí)延不同,導(dǎo)致與耦合波相位差改變,引起波形矢量疊加幅度的改變,表現(xiàn)出與光學(xué)干涉類似的相間條紋。
為研究曲面干涉現(xiàn)象,借鑒文獻(xiàn)[14]的點(diǎn)源模型分析法,建立曲面連續(xù)波掃描的二維剖面模型,如圖1所示。曲面幾何位置函數(shù)可表示為
為便于分析,假設(shè)探測(cè)區(qū)域中沒(méi)有目標(biāo),收發(fā)天線作-平面內(nèi)的掃描探測(cè)。圖1示出掃描平面內(nèi)的一對(duì)收發(fā)天線,設(shè)收發(fā)天線之間的距離固定為,收發(fā)天線中心高度為。則收發(fā)天線間的直接耦合波為


圖1 天線位置示意圖
因?yàn)橹边_(dá)波的相位固定,只需要考慮曲面表面的回波相位即可。隨天線位置變化,曲面位置變化量帶來(lái)的回波相位變化相差達(dá)到時(shí),條紋變化即表現(xiàn)為一次明暗變化周期。此時(shí)

解出
在無(wú)損檢測(cè)中,經(jīng)常需要對(duì)柱面內(nèi)部進(jìn)行探測(cè),比如對(duì)木材無(wú)損檢測(cè)[15,16],對(duì)建筑構(gòu)件的檢測(cè)等[17]。所謂柱面是指直線沿著一條定曲線平行移動(dòng)所形成的曲面。直線稱為直母線,定曲線稱為柱面的準(zhǔn)線。由于柱面干涉條紋會(huì)對(duì)目標(biāo)成像產(chǎn)生直接的嚴(yán)重影響,因此,干涉條紋的去除成為柱面成像檢測(cè)的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),其影響重大。對(duì)于3維空間中的任一個(gè)柱面,在不失一般性的情況下,可以設(shè)向?yàn)橹蹦妇€方向,且天線掃描平面與基準(zhǔn)面H平行于-平面,這可以通過(guò)柱面的適當(dāng)旋轉(zhuǎn)來(lái)滿足。這種情況下,2維平面掃描的曲面空間位置變化只與掃描位置相關(guān),則其空間關(guān)系可以簡(jiǎn)化描述為。
-平面掃描的柱面回波時(shí)延為
則天線接收回波可寫為
通過(guò)2維傅里葉變換將回波變換到譜域,有


令
則有
理論上,該方法可以濾除所有的柱面干涉條紋,而同時(shí)保留大部分的目標(biāo)回波譜。當(dāng)然濾波器不可避免地會(huì)濾除部分目標(biāo)譜信息,從而在一定程度上對(duì)目標(biāo)成像效果有所影響。這種影響與目標(biāo)形狀及分布位置有關(guān),例如線狀目標(biāo)沿直母線方向(圖1中向)分布,則目標(biāo)成像受濾波器的影響最大,而如果線狀目標(biāo)與向垂直分布,則受影響最小。此外,在實(shí)際測(cè)量中,由于柱面不完全規(guī)則,即向可能存在一定程度的變化,以及數(shù)據(jù)處理的角度誤差等原因,柱面回波在譜域上會(huì)泄露到周圍,此時(shí)需視情況濾除附近的譜值。
為了補(bǔ)償譜域?yàn)V波丟失的目標(biāo)譜信息,消除或降低其對(duì)目標(biāo)成像的影響,有必要從目標(biāo)譜域分布特點(diǎn)入手研究有效的補(bǔ)償方法。基于一階波恩近似和譜變換的線性疊加性,目標(biāo)的電磁散射可以模型化為各離散散射中心點(diǎn)的矢量疊加。考慮目標(biāo)探測(cè)區(qū)域內(nèi)任意一散射點(diǎn),定義為該點(diǎn)的空域方向角,則該散射點(diǎn)譜域信息可以表述為


由于干涉條紋的濾波和補(bǔ)償都是在譜域完成,成像處理選擇譜域算法更為適宜。波前成像方法在表層穿透雷達(dá)中應(yīng)用廣泛,是一個(gè)合適的選擇,具有譜域快速算法,可以與譜域?yàn)V波和補(bǔ)償同步完成,不僅算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,而且成像處理效率高。因?yàn)槭瞻l(fā)天線間距相比目標(biāo)距離十分小,對(duì)目標(biāo)成像結(jié)果影響微弱,為計(jì)算方便,此處忽略了收發(fā)天線的間距。設(shè)目標(biāo)的反射系數(shù)特征函數(shù)為,接收天線位置為,探測(cè)目標(biāo)的位置為,那么接收的回波信號(hào)為目標(biāo)各點(diǎn)的往返時(shí)延回波信號(hào)的疊加。回波的目標(biāo)接收信號(hào)為

利用分解平面波和2維傅里葉變換定義重新整理得

對(duì)式(23)作2維傅里葉逆變換即可得到所需的目標(biāo)函數(shù)
這里利用自由空間的平面波的散射關(guān)系:
可以得到最終的圖像重建算法為
結(jié)合前述的干涉條紋濾波和補(bǔ)償,可以構(gòu)成完整的譜域?yàn)V波成像算法,具體步驟為:
步驟1 柱面回波數(shù)據(jù)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)預(yù)處理;
步驟2 回波數(shù)據(jù)的2維傅里葉變換,轉(zhuǎn)換至譜域;
步驟3 利用式(15)構(gòu)建濾波器,進(jìn)行干涉條紋的譜域?yàn)V波;
步驟4 對(duì)濾波后的譜域圖作式(23)的譜域推移處理,并對(duì)丟失的目標(biāo)譜信息的線性插值補(bǔ)償;
步驟5 對(duì)處理后的譜域圖作傅里葉逆變換,獲得成像結(jié)果。
為了驗(yàn)證本文方法的有效性,進(jìn)行了仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。仿真采用正弦柱面,其位置方程為(),掃描區(qū)域?yàn)?平面內(nèi)的方形區(qū)域,發(fā)射信號(hào)頻率為,天線掃描面距目標(biāo)的高度為0.05, L型介質(zhì)片目標(biāo)埋設(shè)于處。柱面介質(zhì)介電常數(shù);目標(biāo)散射系數(shù)。柱面圖及目標(biāo)模型如圖2(a)和圖2(b)所示。2維平面掃描的原始回波數(shù)據(jù)如圖3(a)所示,可以清晰地看到明暗相間的干涉條紋,目標(biāo)的回波處于亮條紋中間,受到明顯的干擾。對(duì)原始回波直接進(jìn)行了波前成像處理,結(jié)果如圖3(b)所示。從成像結(jié)果中看出,干涉條紋仍是以明暗相間形態(tài)覆蓋全圖,且其能量明顯高于目標(biāo),目標(biāo)成像受干擾嚴(yán)重。

圖2 柱面介質(zhì)與目標(biāo)仿真模型

圖3 仿真結(jié)果
為了去除干涉條紋帶來(lái)的影響,對(duì)原始回波進(jìn)行傅里葉變換,結(jié)果如圖4(a)示,譜能量基本集中于周圍。可見曲面回波能量要遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波能量,原始回波的譜圖主要反映出曲面回波的譜特性,即式(14)分析的能量主要集中在一條譜線上。按式(15)對(duì)其進(jìn)行譜域?yàn)V波處理,結(jié)果如圖4(b)所示。此時(shí)目標(biāo)回波的頻譜能量得以清晰凸顯出來(lái)。通過(guò)傅里葉逆變換得到濾波后的目標(biāo)成像結(jié)果,如圖5(c)所示,此時(shí)柱面的干涉條紋已去除,呈現(xiàn)出目標(biāo)的清晰成果結(jié)果。
由圖5(c)成像結(jié)果可以看出,圖中存在一條明顯的向虛假條帶,這是譜域?yàn)V波丟失部分目標(biāo)信息所致。此外,從能量角度來(lái)說(shuō),目標(biāo)丟失了一部分譜能量,成像時(shí)目標(biāo)能量必然被減弱,在一定程度上會(huì)降低目標(biāo)的信噪比。可見簡(jiǎn)單置零的譜域?yàn)V波方法會(huì)帶來(lái)一些影響。為消除其影響,依據(jù)3.2節(jié)所述小目標(biāo)在某個(gè)角度具有相對(duì)緩慢的變化趨勢(shì)的分布譜域特點(diǎn)觀察目標(biāo)的譜域分布圖,發(fā)現(xiàn)可以在特定角度上進(jìn)行2維譜域的插值補(bǔ)償。圖5(a)顯示了譜域的實(shí)部數(shù)據(jù)值,圖5(b)為目標(biāo)能量較集中的中間低頻區(qū)域的局部放大顯示,從中不難觀察到目標(biāo)譜在角上的規(guī)律變化特點(diǎn)。根據(jù)式(19)的分析,這個(gè)角度恰好與目標(biāo)位置的方向角相差90。由于實(shí)部和虛部的變化規(guī)律基本相一致,在同一方向角上作復(fù)數(shù)插值處理。插值補(bǔ)償后數(shù)據(jù)的成像結(jié)果如圖5(d)所示,對(duì)比未作插值補(bǔ)償?shù)膱D5(c),可以看出成像效果明顯改善,向虛假條紋消除了,而且目標(biāo)對(duì)比度得到增強(qiáng),圖像信噪比提高。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的譜域?yàn)V波成像方法,進(jìn)行了柱面介質(zhì)內(nèi)目標(biāo)成像的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)構(gòu)建如圖6(a)所示,上方為柱面介質(zhì)與目標(biāo),下方為連續(xù)波穿透成像掃描設(shè)備。探測(cè)目標(biāo)為金屬墊圈,直徑,厚度,如圖6(b)所示。采用塑料紙簍內(nèi)部填充干沙構(gòu)成柱面介質(zhì),紙簍側(cè)面近似于圓柱面,內(nèi)部側(cè)面鋪上約厚的干沙,目標(biāo)平放于沙子上方。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用國(guó)防科技大學(xué)遙感信息實(shí)驗(yàn)室研制的全息成像探測(cè)儀。實(shí)驗(yàn)儀器的工作頻率在到之間,收發(fā)天線間距為,天線為5 dB增益喇叭天線,天線的掃描步進(jìn)值為。在本實(shí)驗(yàn)中僅采用的單頻回波信號(hào)。
設(shè)備進(jìn)行掃描,得到的原始數(shù)據(jù)幅度值如圖7(a)所示,從圖中可以看出多個(gè)明暗相間的條紋。使用Matlab先對(duì)原始數(shù)據(jù)做坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)預(yù)處理,使得條紋總體保持水平方向。對(duì)該數(shù)據(jù)直接進(jìn)行成像處理,得到成像結(jié)果圖7(b)。在圖7(b)中曲面的干涉條紋能量較強(qiáng),且以明暗相間分布。目標(biāo)雖然為散射系數(shù)很強(qiáng)金屬,成像結(jié)果仍然受到較大影響。圖7(c)是原始數(shù)據(jù)譜域?yàn)V波處理后的成像結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象不是理想的圓柱面,成像結(jié)果的干涉條紋并非完全平行,在譜域中條紋信息會(huì)泄露到周圍,所以實(shí)驗(yàn)中濾除了和的譜線值。對(duì)比傳統(tǒng)的減平均處理算法成像結(jié)果圖7(e),成像目標(biāo)輪廓清晰可見,證明了濾波方法的可行性。最后,大體判斷目標(biāo)的方向角約為,對(duì)濾除的譜數(shù)據(jù)作了角插值補(bǔ)償處理,成像結(jié)果如圖7(d)所示。圖7(c)譜域?yàn)V波帶來(lái)的虛假條帶并不明顯,掩蓋在雜波背景中,但是整體來(lái)看,補(bǔ)償后的成像結(jié)果目標(biāo)輪廓更加清晰,顯示出更高的對(duì)比度。

圖4 干涉條紋譜域?yàn)V波結(jié)果

圖5 目標(biāo)成像的濾波插值結(jié)果???????????? 圖6 柱面介質(zhì)穿透實(shí)驗(yàn)

圖7 實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果
本文分析了連續(xù)波穿透雷達(dá)應(yīng)用在柱面成像時(shí)產(chǎn)生干涉條紋的形成機(jī)理,并通過(guò)理論分析證明了介質(zhì)柱面與目標(biāo)在譜域分布上存在差異性,能夠通過(guò)譜域?yàn)V波的方式去除干涉條紋的影響,依據(jù)此提出了譜域?yàn)V波方法。根據(jù)小目標(biāo)的譜域角分布特點(diǎn),提出通過(guò)譜域插值補(bǔ)償目標(biāo)丟失譜信息的方法,以加強(qiáng)目標(biāo)成像效果。仿真和實(shí)驗(yàn)都已證明所提出方法在柱面成像方面的有效性。在實(shí)際應(yīng)用中值得注意的問(wèn)題是:(1)如果目標(biāo)是線狀目標(biāo)且沿直母線方向分布,其譜信息將會(huì)在譜域?yàn)V波中丟失較多,這對(duì)目標(biāo)成像有較大影響;(2)柱面在擴(kuò)展方向的變化會(huì)導(dǎo)致譜的擴(kuò)散,越大變化,這種擴(kuò)散也越嚴(yán)重,這會(huì)影響到譜域?yàn)V波的效果。
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A Study of Removing Interference Fringes on Cylindrical Subsurface Imaging with Continuous Wave Penetrating Radar
Xu Sheng-zhi Huang Chun-lin Liu Tao Qin Yao Lu Min
(,,410073,)
The interference fringe phenomenon appears when continuous wave subsurface penetrating radar is used to image on the uneven surfaces for nondestructive detection. As one of the main disturbances, the fringes will deteriorate the imaging results. The principle of this phenomenon is briefly studied and a filtering method to remove the fringes based on the distribution difference in frequency domain between cylindrical surfaces and target is proposed. Besides, according to the regular angle distribution of small target in frequency domain, a compensatory method by interpolation in a certain angle is studied to optimize the imaging results.Moreover, an effective imaging process for cylindrical subsurface detection based on the wavefront imaging algorithm is illustrated. The numerical and experimental data validate the applicability of proposed method and the results outperform the traditional approach of average subtraction.
Continuous wave subsurface penetrating radar; Interference fringes; Nondestructive detection; Cylindrical subsurface detection
TN958.94
A
1009-5896(2015)11-2742-07
10.11999/JEIT150274
2015-03-04;改回日期:2015-07-07;
2015-08-27
許圣志 sz.xu@hotmail.com
國(guó)家自然科學(xué)基金(61372160)
The National Natural Science Foundation of China (61372160)
許圣志: 男,1991年生,博士生,研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá).
黃春琳: 男,1973年生,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理.
劉 濤: 男,1988年生,博士生,研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá).