题目：毫米波综合孔径辐射计图像反演与处理研究

毫米波辐射计作为被动遥感传感器，接收物体在毫米波波段的自发电磁辐射，以获取其视场范围内的场景亮温分布信息，具有强穿透性、无主动辐射、全天时全天候工作等优点，被广泛应用于大气探测、军事侦察、武器制导、人体安全检测等领域。传统实孔径辐射计通常需要大物理孔径的天线以获得较高的空间分辨率，这也成为限制传统微波辐射计应用的主要瓶颈。综合孔径辐射计作为一种新型被动阵列微波辐射成像系统，利用小孔径稀疏天线阵列综合获得大有效观测口径，降低了系统体积和重量，有效地解决了天线孔径尺寸与空间分辨率之间的矛盾，无需扫描即可实现视场内亮温分布的高分辨率瞬时成像。

综合孔径辐射计虽然解决了传统被动毫米波成像系统的空间分辨率和成像速度问题，但在应用于人体安全检测领域时，在图像反演与图像处理方面仍存在一些亟待解决的问题。首先，综合孔径辐射计成像技术通过干涉测量技术对场景亮温的空间频域进行测量获得可视度函数样本，并以此为基础，利用图像反演算法重构场景亮温分布。因此，图像反演算法直接影响实际综合孔径辐射计的成像质量，成为毫米波综合孔径辐射计研究的关键问题。其次，基于综合孔径辐射计获得的被动毫米波图像虽然可以穿透遮掩物对隐匿物品进行成像，但受到波长尺寸、天线孔径、系统不理想性等因素的限制，导致被动毫米波图像具有分辨率低、噪声水平高、对比度差等缺点，需要针对实际应用进行图像增强和图像融合处理，以提取并突出目标的边缘轮廓特征。本论文深入研究了毫米波综合孔径辐射计图像反演算法及与人体安全检测相适应的被动毫米波图像增强和图像融合算法。并以48通道8mm波段二维综合孔径辐射计样机BHU-2D-U为基础，完成了算法的有效性实验验证，论文主要包括以下几个方面：

第一，介绍了综合孔径辐射计成像原理与系统构成。分析了综合孔径辐射计近场成像与远场成像的差异，重点讨论了近场成像条件下综合孔径辐射计的空变特性；分析了系统视场角、空间分辨率、灵敏度等主要性能指标；以自主研制的一套8mm波段二维综合孔径辐射计样机BHU-2D-U为例，简要介绍了综合孔径辐射计的系统构成。

第二，研究了综合孔径辐射计近场图像反演算法。分析了近场条件下可视度函数误差对图像反演的影响，说明对于近场应用中，须借助于基于系统响应G矩阵的数值图像反演算法进行精确图像反演。然而，随着系统接收通道增加等因素，数值图像反演将成为病态问题，同时鉴于可视度函数测量噪声的影响，将无法获得稳定且准确的图像反演结果。在对此病态问题分析的基础上，引入正则化的思想将此病态问题良性化。根据待反演亮温图像分布特征的先验信息，提出了一种基于局部自适应偏微分方程的综合孔径辐射计近场图像反演算法，在不同区域自适应地加入不同的边界约束，实现抑制反演图像噪声的同时保持图像边缘细节，获得高质量的反演亮温图像。最后，利用综合孔径辐射计样机BHU-2D-U，通过实验完成所提出图像反演算法的有效性验证。

第三，分析了近场图像反演中系统响应G矩阵的快速估计方法。通过讨论综合孔径辐射计系统响应矩阵直接估计方法的不足，结合综合孔径辐射计成像原理分析了可实现系统响应G矩阵快速分步估计方法。该方法将综合孔径辐射计系统响应分解为时变和时不变两部分，指出只需快速估计出由接收机导致的条纹洗涤函数表达式，根据天线方向图、成像距离等先验信息，即可实现对综合孔径辐射计系统响应G矩阵的快速估计。根据近场应用提出了一种采用外部单辐射点源代替相关噪声注入网络的综合孔径辐射计系统响应G矩阵的快速估计，并通过仿真和实验验证了该快速估计方法的准确性。

第四，研究了被动毫米波图像的增强算法。以毫米波人体安检图像为例，说明了毫米波图像增强的必要性和难点。结合毫米波人体安检图像的特点和需求，给出了一种基于引导滤波的毫米波图像增强算法，实现在图像去噪的同时增强图像中目标的边缘细节信息。为去除增强后图像背景噪声的影响，给出了一种基于最大类间方差阈值分割和形态学图像处理技术的毫米波图像背景去除算法，提高了毫米波图像质量，为进一步目标特征提取提供良好基础。

第五，分析了毫米波图像与可见光图像融合算法。通过对比分析毫米波图像与可见光图像的特点，说明了毫米波图像与可见光图像融合的优势和难点，并在此基础上提出了一种基于区域特征的小波图像融合算法，在讨论该图像融合算法过程中，重点分析了基于阈值分割和形态学图像处理技术的毫米波图像目标特征提取算法，该算法在图像不同区域采用不同的融合策略，避免无用信息的引入，很大程度上改善了毫米波图像与可见光图像融合的效果。

最后，描述了综合孔径辐射计样机BHU-2D-U中图像反演与图像处理单元的设计实现。给出图像反演与图像处理板卡的功能需求、硬件设计以及程序实现，并在此基础上介绍了图像反演与图像处理板卡的应用软件设计。