本發(fā)明涉及針對寬帶電磁分布探測系統(tǒng)的寬帶超分辨方法，具體涉及寬帶電磁探測領域，以及圖像處理領域。

背景技術：

目前對電磁分布的探測手段主要采用天線和接收機的形式進行逐點手動檢測，這樣的方式存在很多缺點，如檢測速度慢，而且天線會對原有的場分布進行干擾。利用拋物反射面對電磁分布進行探測可以實現(xiàn)快速、無干擾。受天線尺寸的影響，寬帶電磁分布探測系統(tǒng)的衍射受限嚴重，如何提高其分辨率使得電磁分布能夠清晰分辨成了新的難點。

由于寬帶電磁分布探測系統(tǒng)衍射受限導致成像模糊，需要使用超分辨手段以提高分辨率。近年來超分辨算法基于成像幀數(shù)可以分為單幀超分辨算法與多幀超分辨算法，而基于運算方式可以分為頻域算法及空域的算法，空域算法又可以細分為非均勻差值法、統(tǒng)計論方法、凸集投影法、正則化法、盲重建法等。恢復效果較好的超分辨算法的核心是需要確定較為準確的點擴展函數(shù)，因此這些超分辨算法均只能對單一頻率輻射源形成的圖像進行處理，而寬頻帶的輻射源形成的圖像中輻射源的頻率分量復雜，也無法確定點擴展函數(shù)，所以現(xiàn)有算法難以滿足需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術解決問題：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種本發(fā)明針對現(xiàn)有的窄帶超分辨算法無法有效解決寬帶電磁分布探測系統(tǒng)中的圖像模糊問題，基于寬帶輻射源的各個頻率分量之間存在的關聯(lián)性，利用高頻分量對圖像進行恢復，定位低頻分量，從而對寬帶輻射源所成的模糊圖像進行恢復，提出用于寬帶電磁分布探測的頻譜關聯(lián)超分辨算法。

在仿真和實際測試中發(fā)現(xiàn)，如果在同一位置存在兩個或多個不同頻率的輻射源，或者是有寬帶輻射源存在的情況下，利用輻射源中最高頻率所對應的點擴展函數(shù)采用窄帶超分辨算法對圖像進行恢復可以達到較好的效果。所以頻譜關聯(lián)算法中關鍵在于如何得到這一位置處高頻頻率具體的值是多少，以得到相應點擴展函數(shù)進行頻譜關聯(lián)超分辨處理。

不同頻率對應點擴展函數(shù)的空域特性不同。圖2圖3分別為仿真得到的1ghz頻率和3ghz頻率對應的點擴展函數(shù)。從空域角度上看，頻率越高的點擴展函數(shù)的波瓣寬度越窄，而這樣的差別反映到空頻域上也會形成相應的特征，而頻譜關聯(lián)超分辨算法中高頻成分的確定正是基于這樣的特征。

對兩個不同頻率點擴展函數(shù)進行空頻域的分析，如圖4圖5所示。從圖中我們可以看出，頻率越高的點擴展函數(shù)的空域截止頻率越高。而輻射源的數(shù)目與位置并不會對空域上的截止頻率產(chǎn)生影響。在空間域上，如果有不同頻率分量存在，其經(jīng)過傅里葉變換之后的空間頻譜也是各個頻率分量空間頻譜的直接疊加。因此，可以通過高頻截止頻率判斷一幅圖像中最高頻率具體為多少，即對待處理圖像進行二維傅里葉變換，在空頻域中得到其高頻截止頻率，通過截止頻率即可判斷待處理圖像中最高頻率成分的具體大小。然后采用窄帶超分辨算法對圖像進行恢復。

本發(fā)明用于寬帶電磁分布探測的頻譜關聯(lián)超分辨算法，可實現(xiàn)對于1～6ghz的寬帶輻射源形成的圖像進行恢復，克服了傳統(tǒng)窄帶超分辨算法與電磁分布探測系統(tǒng)不兼容的情況。具體地，通過下面步驟1～步驟3實現(xiàn)本發(fā)明方法。

步驟1，在仿真軟件中建立仿真模型，獲取不同頻率的點擴展函數(shù)，對不同頻率的點擴展函數(shù)進行空間的二維傅里葉變換，記錄空間上的截止頻率寬度，然后繪制出在對應的頻率-寬度曲線圖；

步驟2，通過拋物反射面及電場探頭光電轉換系統(tǒng)獲取寬帶電磁分布圖像，對圖像獲取的寬帶電磁分布圖像進行二維的傅里葉變換并求出空間上的截止頻率寬度，在步驟1仿真得到的頻率-寬度曲線上確定輻射源的最高頻率；

步驟3，利用最高頻率的分量對應的點擴展函數(shù)來對圖像進行處理，采用窄帶超分辨算法中的l_r迭代方法對降質圖像進行圖像恢復。

所述步驟3中的，采用窄帶超分辨算法中的快速l_r迭代方法對降質圖像進行圖像恢復，具體步驟如下：

(1)輸入待恢復降質圖像i，輸入最高頻率的分量對應的點擴散函數(shù)psf，輸入迭代次數(shù)numit，初始化恢復圖像；

(2)初始化恢復圖像j{1}＝i，如果點擴散函數(shù)psf的采樣率高于降質圖像i，則對點擴散函數(shù)進行進一步采樣，使采樣率和輸入圖像i相同；

(3)采用最大似然法，確定迭代核為：

其中j^t+1為最新一次迭代得到的恢復圖像，j^t為前一次迭代得到的圖像，psf為點擴散函數(shù)，b＝possion(j*psf)為圖像降質的泊松過程；

(4)對輸入圖像使用步驟(3)中迭代核進行迭代，并對每次結果進行正則性檢驗；

(5)根據(jù)輸入迭代次數(shù)停止迭代，輸出最新一次迭代得到的恢復圖像j。

本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果在于：本發(fā)明克服了傳統(tǒng)窄帶超分辨算法與電磁分布探測系統(tǒng)不兼容的情況，能對寬帶輻射源中的最高頻率進行識別并有效提高了圖像的分辨率。傳統(tǒng)窄帶超分辨算法無法直接應用于寬帶電磁探測的圖像處理中，本發(fā)明提出的頻譜關聯(lián)超分辨算法利用空間頻率域上的截止頻率寬度來確定最高頻分量，進而確定高頻的點擴展函數(shù)，仿真表明截止頻率寬度和輻射源頻率有著良好的線性關系；確定了最高頻的點擴展函數(shù)后，用傳統(tǒng)的l_r迭代方法對模糊圖像恢復進行恢復，利用高頻分量來定位低頻，解決了寬帶電磁分布探測系統(tǒng)所成圖像模糊的問題。仿真和實驗結果表明本發(fā)明方法能夠在同一位置存在多個不同頻率的輻射源或者是有寬帶輻射源存在的情況下有效提高圖像的分辨率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的用于寬帶電磁分布探測的頻譜關聯(lián)超分辨方法的整體流程圖；

圖2是通過仿真得到的1ghz的點擴展函數(shù)圖；

圖3是通過仿真得到的3ghz的點擴展函數(shù)圖；

圖4是1ghz的點擴展函數(shù)經(jīng)過二維傅里葉變換后的空間頻譜圖；

圖5是3ghz的點擴展函數(shù)經(jīng)過二維傅里葉變換后的空間頻譜圖；

圖6是本發(fā)明仿真實例得到的降質的電磁分布圖像；

圖7是降質的電磁分布圖像經(jīng)過二維傅里葉變換后的空間頻譜圖；

圖8是正饋拋物反射面得到的輻射源頻率與截止頻率寬度對應圖；

圖9是偏饋拋物反射面得到的輻射源頻率與截止頻率寬度對應圖；

圖10是采用本方法處理后的圖像。

具體實施方式

下面將結合附圖和實例對本方法作進一步的詳細說明。

本發(fā)明提出了用于寬帶電磁分布探測的頻譜關聯(lián)超分辨算法。本發(fā)明的方法實現(xiàn)了寬帶輻射源所成的模糊圖像的分辨率提高。

如圖1所示，本發(fā)明用于寬帶電磁分布探測的頻譜關聯(lián)超分辨算法，包括步驟1～步驟3。

步驟1，在仿真軟件中建立仿真模型，獲取不同頻率的點擴展函數(shù)，然后對不同頻率的點擴展函數(shù)進行空間的二維傅里葉變換，記錄空間上的截止頻率寬度，然后繪制出在對應的頻率-寬度曲線圖。

本發(fā)明實施例中獲取不同頻率的電磁分布圖像是在仿真軟件feko中，在選取截止頻率寬度時需要確立一定的準則。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，截止頻率寬度和輻射源的頻率有著非常好的線性關系。將接收到的圖像像素矩陣進行二維的傅里葉變換，然后分別從兩個方向去觀察它的譜線。記錄兩個方向對應不同輻射源的空間頻率譜的截止頻率寬度。由于譜線上最小值不可能為零，因此為了更加準確地確定截止頻率，規(guī)定截止頻率的選擇方法：中心截面譜線中最后一個極小值點附近，出現(xiàn)的第一個小于1的位置即規(guī)定為截止頻率點。記錄仿真得到的數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖8所示。圖8是本發(fā)明實例得到的輻射源頻率與截止頻率寬度對應圖。接下來論文對偏置的情況進行了類似的仿真計算。偏置的反射面也采用直徑為3m，焦距為1.7m的拋物反射面。在坐標(0，10，0)m的位置放置一個偶極子，改變偶極子的頻率從500mhz至6ghz，仿真的頻率間隔為500mhz，在理想像平面的位置接收圖像。接收面在x方向為-1～1m，間隔0.01m設置一個采樣點；在z方向為-1～1m，間隔0.01m設置一個采樣點，共201*201個像素點。將接收到的降質模糊圖像像素矩陣進行二維的傅里葉變換，然后分別從兩個方向去觀察它的譜線。記錄兩個方向對應不同輻射源的截止頻率寬度。但是在計算時發(fā)現(xiàn)，在豎直方向的譜線混亂，基本無法準確地確定截止頻率對應的位置，而水平方向截止頻率的位置則相對清晰，這個現(xiàn)象是由于偏置的拋物反射面本身帶來的不對稱性造成的。在水平方向截止頻率寬度和輻射源頻率的對應關系如圖9。圖9是偏饋拋物反射面得到的輻射源頻率與截止頻率寬度對應圖。

可見在偏置的情況下，截止頻率的寬度與輻射源頻率之間也有著類似于正比的關系。并且當正饋和偏置的反射面的實際焦徑比一致時，它們在水平方向上相同輻射源頻率的截止頻率寬度也基本相同。因此，選取恰當焦徑比進行仿真，從而獲取的寬帶電磁分布圖像。

步驟2，對獲取的寬帶電磁分布圖像進行二維的傅里葉變換并求出空間上的截止頻率寬度，在仿真得到的曲線上確定輻射源的最高頻率分量。

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，空間上的截止頻率寬度與系統(tǒng)反射面的形狀、最高頻率和極化方向有關，而和輻射源的形式和個數(shù)無關。這樣，本發(fā)明建立起估計的截止頻率寬度和輻射源的頻率之間的對應關系，就可以在一定程度上識別輻射源的最高頻率分量，進而確定點擴展函數(shù)進行下一步的處理。

但是，由于電場傳感器探頭靈敏度的限制，接收到圖像的信噪比有限。lucy-richardson迭代算法能夠對一定信噪比圖像中的噪聲進行有效地抑制，但是系統(tǒng)噪聲的存在會影響本章中提到的輻射源頻率、位置的估計方法。因此先對降質的圖像進行降噪處理，使得其空間頻率譜變得潔凈，截止頻率判斷更為容易。

步驟3，用最高頻率分量對應的點擴展函數(shù)來對圖像進行處理，采用窄帶超分辨算法中的l_r迭代方法對降質圖像進行圖像恢復。

具體的算法過程如下：

步驟1：輸入待恢復降質圖像i，輸入電磁成像系統(tǒng)點擴散函數(shù)psf，輸入迭代次數(shù)numit，初始化恢復圖像；

步驟2：初始化恢復圖像j{1}＝i，如果點擴散函數(shù)psf的采樣率高于降質圖像i，那么對點擴散函數(shù)進行進一步亞采樣，使其采樣率和輸入圖像i相同；

步驟3：確定算法的迭代核為：

其中j^t+1為最新一次迭代得到的恢復圖像，j^t為前一次迭代得到的圖像，psf為點擴散函數(shù)，b＝possion(j*psf)為圖像降質的泊松過程；

步驟4：對輸入圖像使用步驟3中迭代核進行迭代，并對每次結果進行正則性檢驗；

步驟5：根據(jù)輸入迭代次數(shù)停止迭代，輸出最新一次迭代得到的恢復圖像j。

下面用一個仿真的實例來具體說明本方法的實施方式。實驗系統(tǒng)采用直徑1.5米，焦距1.1米的偏饋拋物反射面。在距離反射面水平距離5米處，在相鄰的位置放置兩個不同頻率的偶極子。假設偶極子的輻射頻率未知，經(jīng)過反射面之后在焦平面上接收的降質電磁分布圖像如圖6所示。對降質圖像使用做二維傅里葉變換，得到空間頻譜圖如圖7所示。

在仿真軟件中分別設置不同頻率的輻射源，在焦平面接收降質圖像，然后采用二維傅里葉變換得到空間頻率譜，并記錄下它們的截止頻率寬度，得到的截止頻率寬度與頻率對應曲線如圖8所示，圖中橫坐標表示輻射源頻率，縱坐標為對應的截止頻率寬度。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，降質圖像經(jīng)過二維傅里葉變換得到的空間頻率譜的截止頻率寬度為40。而在曲線上截止頻率寬度40所對應的頻率為3ghz。而仿真得到的圖像正是1ghz和3ghz的偶極子經(jīng)過反射面后得到的降質圖像。這也驗證了通過空間信息來確定最高頻率分量的方法是可行的。使用3ghz的點擴展函數(shù)，采用l_r迭代的方法對降質圖像進行恢復，得到的恢復圖像如圖9所示。通過圖6和圖9之間的對比，可以明顯地發(fā)現(xiàn)圖像的分辨率得到了有效的提高，這說明通過本發(fā)明在估計最高頻率分量和提高圖像分辨率上取得了滿意的結果。

提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。