被动毫米波成像技术研究
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摘要
毫米波是一种波长位于微波和红外光谱之间的电磁辐射,兼有红外和微波的共同特征,从而形成其特有的性能。被动毫米波成像是毫米波技术领域90年代以来的一个研究热点,目前被动毫米波成像普遍采用单天线波束机械扫描工作方式,该法存在着分辨率不高以及灵敏度较低等不足。近年来,随着毫米波固体器件和信号处理技术的快速发展,被动毫米波高分辨率成像技术发展十分迅速,八十年代末出现的毫米波焦平面多波束阵列成像技术使成像精度、实时性大大提高,并逐渐开始应用于军事和民用领域。
本文首先总结了被动毫米波辐射成像的一般理论和原理,并对部分技术指标进行了分析;结合教研室的毫米波单波束扫描成像实验,对实验数据进行提取处理成像,验证扫描成像的可行性;其后由此引入毫米波焦平面阵列成像技术的分析,从数据率、多波束、空间分辨率和空间采样特性入手,并结合两种成像接收机和三种扫描方式的特性等多个方面综合分析;重点研究了被动毫米波图像处理的问题,根据毫米波图像空间分辨率低和图像模糊的特点,探讨了非线性外推的高分辨率的图像复原增强算法及其改进算法,和对基于多幅的超分辨率图像处理凸集投影算法(POCS)进行了重点的研究;最后研究和设计了线阵并扫的DSP实时图像处理平台。
Millimeter-wave (MMW) wavelengths is at the field between infrared and microwave, so it has the same characteristics of two ranges. Passive millimeter-wave imaging has been a hot research from 90s' . Problems of current imaging systems, which relied on mechanical scanning of a single beam across the scene, are low spatial resolution and poor sensitivity. In recent years, the technology of passive millimeter-wave imaging of high spatial resolution develops very fast depending on the rapidly development of solid state components and signal processing technology. Focal plane array, multi-beam array imaging systems, which promise an increase in resolution and real-time processing, is gradually used in both the military and civilian applications.Firstly, we explain the common theory and principles of passive millimeter-wave imaging and analyze several technical indexes of the imaging system. Secondly, we got the passive MMW image by processing the experiment data and verify the possibility of the single channel scanning passive MMW imaging. The technology of focal plane arrays is introduced, and the features of data rate, multi-beam, spatial resolution and spatial sampling are analyzed in detail, and the features of two kinds receiver and three scanning methods are presented. Thirdly, this thesis focuses upon passive millimeter-wave image processing. Depending on millimeter-wave characteristics of low spatial resolution and image blurring, we discuss the nonlinear extrapolation algorithm, reformative algorithm and a super-resolution image reconstruction algorithm based on projection onto convex sets (POCS). At last we design multi-channel parallel scanning video image real-time processor based on DSP in this paper.
本文首先总结了被动毫米波辐射成像的一般理论和原理,并对部分技术指标进行了分析;结合教研室的毫米波单波束扫描成像实验,对实验数据进行提取处理成像,验证扫描成像的可行性;其后由此引入毫米波焦平面阵列成像技术的分析,从数据率、多波束、空间分辨率和空间采样特性入手,并结合两种成像接收机和三种扫描方式的特性等多个方面综合分析;重点研究了被动毫米波图像处理的问题,根据毫米波图像空间分辨率低和图像模糊的特点,探讨了非线性外推的高分辨率的图像复原增强算法及其改进算法,和对基于多幅的超分辨率图像处理凸集投影算法(POCS)进行了重点的研究;最后研究和设计了线阵并扫的DSP实时图像处理平台。
Millimeter-wave (MMW) wavelengths is at the field between infrared and microwave, so it has the same characteristics of two ranges. Passive millimeter-wave imaging has been a hot research from 90s' . Problems of current imaging systems, which relied on mechanical scanning of a single beam across the scene, are low spatial resolution and poor sensitivity. In recent years, the technology of passive millimeter-wave imaging of high spatial resolution develops very fast depending on the rapidly development of solid state components and signal processing technology. Focal plane array, multi-beam array imaging systems, which promise an increase in resolution and real-time processing, is gradually used in both the military and civilian applications.Firstly, we explain the common theory and principles of passive millimeter-wave imaging and analyze several technical indexes of the imaging system. Secondly, we got the passive MMW image by processing the experiment data and verify the possibility of the single channel scanning passive MMW imaging. The technology of focal plane arrays is introduced, and the features of data rate, multi-beam, spatial resolution and spatial sampling are analyzed in detail, and the features of two kinds receiver and three scanning methods are presented. Thirdly, this thesis focuses upon passive millimeter-wave image processing. Depending on millimeter-wave characteristics of low spatial resolution and image blurring, we discuss the nonlinear extrapolation algorithm, reformative algorithm and a super-resolution image reconstruction algorithm based on projection onto convex sets (POCS). At last we design multi-channel parallel scanning video image real-time processor based on DSP in this paper.
引文
1.李兴国.毫米波近感技术.北京:国防工业出版社.1991
2.夏春华.被动毫米波成像技术研究(硕士论文).南京理工大学.2004
3.刘正凯,瞿建雄.数字图像恢复与重建.合肥:中国科学技术出版社.1989
4.谢寿生,徐永进.微波遥感技术与应用.北京:电子工业出版社.1987
5.王飞.毫米波波段目标辐射及散射特性测量方法研究(硕士论文).南京理工大学,2003
6.吴世法.近代成像技术与图像处理.北京:国防工业出版社.1997
7.K.J.巴顿[美].毫米波系统.北京:国防工业出版社.1989
8.贾文斌.毫米波准光理论与技术.北京:电子工业出版社.2000
9.张祖荫,林士杰.微波辐射测量技术与应用.北京:电子工业出版社.1995
10.许建中.微弱信号检测.北京:科学出版社.1996
11.张兆礼.现代图像处理与Matlab实现.北京:人民邮电出版社.2001
12.张敬贤,李玉丹.微光与红外成像技术.北京:北京理工大学出版社.1995
13.R.H金斯敦[美].光学和红外辐射探测.北京:北京科学技术出版社.1984
14.王华力.被动毫米波成像技术.红外与毫米波学报.Vol.16,No.4,1997
15.董树义.近代微波测量术.北京:电子工业出版社.1995
16.章勇.被动毫米波成像技术的研究(博士论文).南京理工大学.1999
17.刁育才,左凤琴.毫米波技术及其军事应用.北京:兵器工业出版社.1991
18.王华力,李兴国.毫米波焦平面阵列成像系统特性分析.南京理工大学学报.Vol.22,No.3,1998
19.张新明,沈兰荪.超分辨率复原技术的发展.测控技术,Vol.21,No.5,2002:33～35
20.戴天荣,张立明.一种改进的非线性外推图像增强算法及在高分辨率图像重建中的应用.红外与毫米波学报,Vol.22,No.3,2003
21.李韧,杜慧茜.被动毫米波成像图像的一种增强算法.现代雷达,Vol.26,No.10,2004:35～37
22.章勇,李兴国.毫米波焦平面阵列图像的一种超分辨率算法.红外与毫米波学报.Vol.17,No.4,1998
23.唐传尧.图像电子学.北京:电子工业出版社.1995
24.章勇,李兴国,李跃华.7元线阵并扫毫米波焦平面成像系统的研究.红外与毫波学报,1999,18(2):82～86
25.庞亚红,舒培翔.一种基于凸集映射的高分辨率图像恢复算法.信息技术, Vol.28,No.6,2004:7～9
26.张地,杜明辉.POCS超分辨率图像重构的快速算法.信息技术,Vol.28,No.7,2004:1～4
27.李慧芳,杜明辉.基于改进的POCS算法的超分辨率图像恢复.华南理工大学学报,Vol.31,No.10,2003:24～27
28.娄国伟,李兴国.高速扫描全功率毫米波辐射计研究.红外与毫米波学报,Vol.17,No.4,1998
29.邬显平.毫米波技术应用及其进展.电子科技导报,No.12,1999
30.邓小丹,潘君骅.毫米波焦面阵成像视场扩大分析.电子学报,Vol.31,No.12A,2003
31.王卫东.电视原理.重庆:重庆大学出版社.2003
32.章勇.毫米波焦平面阵列的1/f噪声的小波处理方法.电子科学学刊.Vol.21,No.2,1999
33.石爱业.DSP微光视频实时图像处理器软件系统设计(硕士论文).南京理工大学,2002
34.张直中.微波成像术.北京:科学出版社.1990
35.陈杨,陈容娟.MATLAB应用图像处理.西安:西安电子科技大学出版社.2002
36.竺子民.光电图像处理.武汉:华中科技大学出版社.2000
37.窦文斌,孙忠良.毫米波焦面阵成像研究.中国学术期刊文摘,Vol.7,No,9,2001
38.钱嵩松,李兴国.被动毫米波成像综述.制导与引信,Vol.24,No.4,2003
39.褚振勇,翁木云.FPGA设计及应用.西安:西安电子出版社.2002
40.陈顺生.天线原理.南京:东南大学出版社.1989
41.李方慧,王飞.TMS320C6000系列DSPs原理与应用.北京:电子工业出版社.2003
42.李武森.小型化高速DSP微光视频图像处理器的研究(博士论文),南京理工大学,2003
43. TMS320C6000 Peripherals Referance Guide. Texas Instruments Incorporated, 1999
44. Texas Instruments, Inc. ADS7864 datasheet. 2000
45. TMS320C6201 Digital Signal Processor Data sheet. Texas Instruments Incorporated, 1999
46. Kyle Castille. TMS320C6000 EMIF To External FIFO Interface. Texas Instruments Incorporated, 1999
47. Kyle Castille. TMS320C6000 EMIF To External SDRAM Interface. Texas Instruments Incorporated, 1999
48. Kyle Castille. TMS320C6000 EMIF To External FLASH Interface. Texas
2.夏春华.被动毫米波成像技术研究(硕士论文).南京理工大学.2004
3.刘正凯,瞿建雄.数字图像恢复与重建.合肥:中国科学技术出版社.1989
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5.王飞.毫米波波段目标辐射及散射特性测量方法研究(硕士论文).南京理工大学,2003
6.吴世法.近代成像技术与图像处理.北京:国防工业出版社.1997
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10.许建中.微弱信号检测.北京:科学出版社.1996
11.张兆礼.现代图像处理与Matlab实现.北京:人民邮电出版社.2001
12.张敬贤,李玉丹.微光与红外成像技术.北京:北京理工大学出版社.1995
13.R.H金斯敦[美].光学和红外辐射探测.北京:北京科学技术出版社.1984
14.王华力.被动毫米波成像技术.红外与毫米波学报.Vol.16,No.4,1997
15.董树义.近代微波测量术.北京:电子工业出版社.1995
16.章勇.被动毫米波成像技术的研究(博士论文).南京理工大学.1999
17.刁育才,左凤琴.毫米波技术及其军事应用.北京:兵器工业出版社.1991
18.王华力,李兴国.毫米波焦平面阵列成像系统特性分析.南京理工大学学报.Vol.22,No.3,1998
19.张新明,沈兰荪.超分辨率复原技术的发展.测控技术,Vol.21,No.5,2002:33～35
20.戴天荣,张立明.一种改进的非线性外推图像增强算法及在高分辨率图像重建中的应用.红外与毫米波学报,Vol.22,No.3,2003
21.李韧,杜慧茜.被动毫米波成像图像的一种增强算法.现代雷达,Vol.26,No.10,2004:35～37
22.章勇,李兴国.毫米波焦平面阵列图像的一种超分辨率算法.红外与毫米波学报.Vol.17,No.4,1998
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24.章勇,李兴国,李跃华.7元线阵并扫毫米波焦平面成像系统的研究.红外与毫波学报,1999,18(2):82～86
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26.张地,杜明辉.POCS超分辨率图像重构的快速算法.信息技术,Vol.28,No.7,2004:1～4
27.李慧芳,杜明辉.基于改进的POCS算法的超分辨率图像恢复.华南理工大学学报,Vol.31,No.10,2003:24～27
28.娄国伟,李兴国.高速扫描全功率毫米波辐射计研究.红外与毫米波学报,Vol.17,No.4,1998
29.邬显平.毫米波技术应用及其进展.电子科技导报,No.12,1999
30.邓小丹,潘君骅.毫米波焦面阵成像视场扩大分析.电子学报,Vol.31,No.12A,2003
31.王卫东.电视原理.重庆:重庆大学出版社.2003
32.章勇.毫米波焦平面阵列的1/f噪声的小波处理方法.电子科学学刊.Vol.21,No.2,1999
33.石爱业.DSP微光视频实时图像处理器软件系统设计(硕士论文).南京理工大学,2002
34.张直中.微波成像术.北京:科学出版社.1990
35.陈杨,陈容娟.MATLAB应用图像处理.西安:西安电子科技大学出版社.2002
36.竺子民.光电图像处理.武汉:华中科技大学出版社.2000
37.窦文斌,孙忠良.毫米波焦面阵成像研究.中国学术期刊文摘,Vol.7,No,9,2001
38.钱嵩松,李兴国.被动毫米波成像综述.制导与引信,Vol.24,No.4,2003
39.褚振勇,翁木云.FPGA设计及应用.西安:西安电子出版社.2002
40.陈顺生.天线原理.南京:东南大学出版社.1989
41.李方慧,王飞.TMS320C6000系列DSPs原理与应用.北京:电子工业出版社.2003
42.李武森.小型化高速DSP微光视频图像处理器的研究(博士论文),南京理工大学,2003
43. TMS320C6000 Peripherals Referance Guide. Texas Instruments Incorporated, 1999
44. Texas Instruments, Inc. ADS7864 datasheet. 2000
45. TMS320C6201 Digital Signal Processor Data sheet. Texas Instruments Incorporated, 1999
46. Kyle Castille. TMS320C6000 EMIF To External FIFO Interface. Texas Instruments Incorporated, 1999
47. Kyle Castille. TMS320C6000 EMIF To External SDRAM Interface. Texas Instruments Incorporated, 1999
48. Kyle Castille. TMS320C6000 EMIF To External FLASH Interface. Texas