土壤成像---电子科大.doc

转台成像实验—土壤成像 一、实验目地 1、了解室内微波散射测量系统的设备构成 2、掌握雷达成像原理与算法 3、掌握矢量网络分析仪的操作及相关参数含义与设定 4、掌握数据处理原理与方法，熟悉matlab的使用 二、实验内容 1、对粗糙度不同的土壤样品进行散射测量 2、数据处理并成像 3、成像结果分析 实验原理 雷达成像原理 1.1、SAR成像原理,如图3-1 距离向分辨率： 方位向分辨率：真实孔径, 合成孔径 图3-1 1.2、转台ISAR成像原理，如图3-2,3-3 转台成像本质上是逆SAR载着目标的转台旋转，等效于转台固定而天线绕着转台圆周运动。目标可以等效于一系列理想点目标的集合。如图所示，放在转台上的一个理想点目标随着转台旋转，每转过30°测量一次回波数据，等效于转台静止而天线绕着转台运动，每转过30°测量一次数据。图中的虚线圆表示天线的等效运动轨迹，虚线段表示天线与目标之间的距离。天线需要测量的就是点目标的距离。 图3-2 图3-3 2、成像算法，如图3-4,3-5 与天线距离相同的所有点目标构成一个圆，在距离上是无法区分的，所以凡是处于这个等距离圆上的目标，在时域上的回波都会重叠于一个点，在成像的时候就需要把测得的每一点的数据投影回一系列等距离圆上面。这样的叠加会有一个固有的缺点，那就是会产生一系列圆形的尾迹。图中给出了天线在三个位置时，点目标的回波重建情况。 图3-4 图3-5 如果天线处于不同方位测得的回波数据在目标位置上叠加，就会得到目标的二维像，而且叠加的次数越多，圆形的尾迹就会越少。这就需要比较多的成像角度，但考虑到数据处理速度会比较慢，点数不必也无需太多，一般60个角度以上的数据就可以满足成像精度的要求了。 如图3-6，图中有两个同心圆，中间小圆表示了转台的范围边界，边界内部是转台及目标所在的区域，转台的中心点为O。大圆表示天线相对于转台运动的轨迹，可以看出，由于转台转动，天线相对于转台的运动轨迹是以O为中心，以距离为半径的圆。因为计算机显示的图像都是以矩阵的形式保存的。所以对转台上的目标进行成像，实际上是把重构的像先离散化，然后叠加在一个成像矩阵中。图中定义了一个大小为N×N矩阵，初始化所有元素的值都为0，矩阵刚好包含了转台所在区域，且中心也为O。显然，当N的值较大时显示的分辨率也就越高，但是N的值越大，插值需要的运算量也就越大。成像矩阵中任意一点坐标显示一个像素，从这一点到天线的距离为R，表示为天线把测量距离为R的回波数据叠加在这一点上，根据BP算法的原理可知，与天线距离为R的点在平面上分布成一个圆弧，回波数据同时也会叠加在这个圆弧上的所有点，这时，需要通过插值算法来遍历成像矩阵中的所有点，有哪些信誉好的足球投注网站与天线距离为R的点，并将数据叠加上去，在图中可以看出，有哪些信誉好的足球投注网站到的所有点都被叠加上数据，而其他点仍然为初始化的值。这样，天线相对转角为θ时测得的数据就叠加完成，可以继续转动转台进行测量。 图3-6是成像系统模型的俯视图。图中会出现两种不同的坐标系，一个是由天线相对转动所构成的极坐标系，另一个是由成像矩阵构成的直角坐标系。而计算天线到成像矩阵中某一点的距离必须在同一种坐标系内才能完成。可以把直角坐标系转换成极坐标系，也可以反过来转换。由于最终成像结果需要通过成像矩阵来显示，所以选择第一种转换方式。 首先将天线所在极坐标投影在直角坐标系中，纵坐标为，横坐标为，为了转换成成像矩阵的离散坐标，先要将坐标值离散化，使用matlab取整，结果为，。成像矩阵中的直角坐标系与普通直角坐标系不同，纵坐标是从上往下增加的，另外原点位置为O’。再通过变换，得到 (5-1) (5-2) (5-3) 其中I为行数，J为列数。 测量回波信号为时域的离散序列，保存在一个数组中中，为转台转过的角度，每个转角测得信号点数为N。n为数组的下标，范围从1到N，R为天线到转台某一点的真实距离，R/N就是距离离散化后回波序列每两个点之间的间隔。设成像矩阵为H，插值公式可以表示为 (5-4) 图3-6 插值原理图 3、数据处理原理 在计算机中，一幅图像是以一个矩阵的形式保存的，成像的关键就是要把测得的回波数据保存在这个矩阵里。如图3-7，假设天线位置在处于原点，那么回波数据铺开在一系列同心圆环上。测量点数为801就说明有801个同心圆环，每个圆环上的数值是相同的。把这些圆环上的数值叠加在成像矩阵中，如果天线相对于转台运动了