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基于nufft方法的二维非周期阵列天线方向图计算

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现代雷达 2019年第10期41卷 82-85页

作者：杨磊王侃南京电子技术研究所

相控阵天线应用在有限电扫描角度时,采用大间距体制以减少有源通道数量,降低天线成本。由于单元间距大于波长,在可视空域内会出现栅瓣,常采用非周期排列方法分散栅瓣能量降低栅瓣电平。文中提出了一种变距平移错位抑制大间距阵列栅瓣的... 详细信息

相控阵天线应用在有限电扫描角度时,采用大间距体制以减少有源通道数量,降低天线成本。由于单元间距大于波长,在可视空域内会出现栅瓣,常采用非周期排列方法分散栅瓣能量降低栅瓣电平。文中提出了一种变距平移错位抑制大间距阵列栅瓣的方法,并介绍了基于二维nufft计算该非周期排列阵列天线方向图的方法。分析了影响该算法精度的因素,并通过在拟合虚拟阵列幅相值时通过采用局部坐标系有效减小计算量。通过一个由300个单元组成的非周期阵列方向图计算,对二维nufft方法以及累加法进行对比。前者的计算时间仅为后者的0.9%,验证了算法的高效性。计算结果显示全空域方向图吻合度高,方向性系数误差仅0.05 dB,最高副瓣误差仅0.12 dB,验证了算法的准确性。

关键词：非周期阵列 nufft 方向图计算大间距

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磁共振螺旋采样的一种基于Trivial尺度因子的nufft重建算法

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中国医学物理学杂志 2007年第5期24卷 322-325页

作者：李白鸽冯衍秋黄鑫刘洋陈武凡南方医科大学医学生物工程学院医学信息研究所

在解决磁共振成像的非笛卡尔采样,比如螺旋轨迹采样的重建问题中,最小二乘意义上的nufft算法是其中重要的方法之一。该nufft算法,在最小二乘意义上能够针对每一个数据点生成一个卷积核矩阵,因而计算精度高;但是,尺度因子作为构成核矩阵... 详细信息

在解决磁共振成像的非笛卡尔采样,比如螺旋轨迹采样的重建问题中,最小二乘意义上的nufft算法是其中重要的方法之一。该nufft算法,在最小二乘意义上能够针对每一个数据点生成一个卷积核矩阵,因而计算精度高;但是,尺度因子作为构成核矩阵的参数之一,它的选择目前尚没有定论。本文在该算法的基础上,采用Trivial尺度因子,并将之应用在螺旋采样的磁共振重建上。实验结果表明本文的方法比目前采用Cosine尺度因子的nufft算法,重建误差更小,速度更快。

关键词：磁共振成像螺旋采样尺度因子 nufft 重建

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基于nufft的探地雷达偏移成像算法

基于NUFFT的探地雷达偏移成像算法

A novel spaceborne SAR wide-swath imaging approach based on Poisson disk-like nonuniform sampling and compressive sensing

第十四届全国信号处理学术年会(CCSP-2009)

作者：陈浩吴仁彪刘家学韩智勇中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室

在探地雷达成像算法中,stolt偏移算法具有实现速度快的优点。其核心是通过坐标变换来实现目标成像积分公式的快速傅立叶运算,这一步主要是通过插值来完成的。插值方法的好坏直接影响着成像的效果,在实际应用中往往通过在时域补零来提高... 详细信息

在探地雷达成像算法中,stolt偏移算法具有实现速度快的优点。其核心是通过坐标变换来实现目标成像积分公式的快速傅立叶运算,这一步主要是通过插值来完成的。插值方法的好坏直接影响着成像的效果,在实际应用中往往通过在时域补零来提高插值的精度,但这样会增加运算量。本文引入非均匀快速傅立叶变换(nufft),直接实现目标成像积分公式的快速运算,实验结果表明该方法取得了较好的效果。

关键词：探地雷达偏移成像 stolt插值 nufft

来源： cnki会议评论

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Science China(Information Sciences) 2012年第8期55卷 1876-1887页

作者： SUN JinPing,ZHANG YuXi,TIAN JiHua&WANG Jun School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China School of Electronic and Information Engineering Beihang University Beijing China

Since the range swath width in the conventional single channel spaceborne synthetic aperture radar(SAR)is restricted by the system parameters,there is a trade-off between the azimuth resolution and the swath width in order to satisfy the Nyquist sampling *** this paper,we propose a novel spaceborne SAR wide-swath imaging scheme based on compressive sensing(CS)for the sparse *** proposed method designs a Poisson disk-like nonuniform sampling pattern in the azimuth direction,which meets the demand of wider swath by restricting the smallest time interval between any two azimuth samples,with the conventional sampling pattern preserved in the range *** a similar way to the processing procedure of spectral analysis(SPECAN)algorithm,the linear range migration correction(RMC)is realized while carrying out range compression,which can meet the demand for focusing with middle level *** reduce the computation load of CS reconstruction,we propose a novel fast reconstruction algorithm based on nonuniform fast Fourier transform(nufft),which greatly reduces the computation complexity from O(2M N)to O(4N log N).Experiment results validate the effectiveness of the proposed methods via the point target simulation and the Radarsat-1 raw data processing in F2 mode.

关键词： SAR wide-swath imaging compressive sensing nufft

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大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号光谱反演

激光与红外 2015年第10期45卷 1235-1238页

作者：谢运涛张玉钧程玉宝电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室安徽合肥230037

为快速实现大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号的光谱反演,通过分析大摆角摆臂式干涉仪的工作过程和干涉信号的非线性对光谱反演的影响,提出了基于非均匀快速傅里叶变换(nufft)的光谱反演方法。该方法先利用核函数和卷积算法让非线性干... 详细信息

为快速实现大摆角摆臂式干涉仪非线性干涉信号的光谱反演,通过分析大摆角摆臂式干涉仪的工作过程和干涉信号的非线性对光谱反演的影响,提出了基于非均匀快速傅里叶变换(nufft)的光谱反演方法。该方法先利用核函数和卷积算法让非线性干涉信号线性化,然后对线性化的干涉信号进行快速傅立叶变换实现光谱反演。实验将光程差替换法和nufft算法分别应用于非线性干涉信号的光谱反演。结果表明:两者光谱反演精度相近,但nufft算法速度更高。

关键词：光谱反演摆臂式干涉仪非线性干涉信号 nufft

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毫米波三维全息成像图像重构算法研究

毫米波三维全息成像图像重构算法研究

作者：张铁男南京理工大学

学位级别：硕士

毫米波具有较好的穿透性能,毫米波成像已广泛应用于公共场所人体违禁物品毫米波成像检测、飞机盲降、战场环境侦测等领域。本文以光学全息术为基础有针对性的介绍毫米波三维全息成像系统,围绕毫米波频率步进脉冲雷达平面扫描成像图像重... 详细信息

毫米波具有较好的穿透性能,毫米波成像已广泛应用于公共场所人体违禁物品毫米波成像检测、飞机盲降、战场环境侦测等领域。本文以光学全息术为基础有针对性的介绍毫米波三维全息成像系统,围绕毫米波频率步进脉冲雷达平面扫描成像图像重构算法展开研究。本文对频率步进信号(Frequency Stepped Pulse Signal, FSPS)模型分析基础上,对基于波数域全息雷达成像模型进行了分析推导。模型包括一维距离像(One dimensional range profile, lDRP)、二维冠状面(Two dimensional coronal profile,2DCP)和横断面像(Two dimensional cross-section,2DCS)以及三维全息成像(three-dimensional holographic imaging,3DHI)。针对2DCS和3DHI算法中波数域到空域转换过程中使用色散关系式所导致kx-k2域不均匀问题,采用Stlot插值予以解决。实验室利用平面扫描成像系统对仿真目标(缩比金属飞机模型)进行成像实验。实验数据重构的效果验证了本文方法的有效性。引入了基于nufft的全息成像算法,详细推导了基于nufft算法的2DCS及3DHI算法流程,并对算法进行了改进优化,对算法进行了编程实现,使用该算法与传统波数域成像算法成像结果比较,无论在成像精度上还是图像重构时间开销上,都有很大提升。针对采用平面扫描成像过程中由于距离抖动和散焦、外部复杂环境和硬件系统自身问题而丢失部分数据、采样数据不可靠而不得不放弃等问题,提出了一种优化的基于波数域外推的匹配滤波全息算法。详细推导了算法流程,编程仿真验证了算法的正确性,使用优化算法对试验数据进行重构,重构效果图与传统波数域算法效果图进行对比分析,验证了算法的实用性。

关键词： FSPS 全息成像图像重构 nufft 波数域外推匹配滤波

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微波热致超声成像技术研究

微波热致超声成像技术研究

作者：于万宝电子科技大学

学位级别：硕士

医学方面的统计数据表明癌症患者的数量在逐年增加,癌症的早期发现对治疗效果有根本性的影响;因此,癌症的早期检测技术的研究有很重要的意义。目前的检测方法主要有X射线技术、超声波成像技术、核磁共振成像技术等。但上述检测方法由于... 详细信息

医学方面的统计数据表明癌症患者的数量在逐年增加,癌症的早期发现对治疗效果有根本性的影响;因此,癌症的早期检测技术的研究有很重要的意义。目前的检测方法主要有X射线技术、超声波成像技术、核磁共振成像技术等。但上述检测方法由于其自身检测机理的限制,都有各自的不足。X射线技术本身对人体有一定的伤害,另外它对弱吸收物体的成像效果不佳,因此不易检测出早期的肿瘤;超声成像技术虽然有良好的分辨率,但是其成像机理决定了它的对比度不会太好;核磁共振技术不能够很好的区分良性肿瘤和恶性肿瘤。微波热致超声成像技术是一种新兴的检测技术,它用微波脉冲激励组织,组织将吸收的微波能转化为热能,由于组织的非均匀性导致受热不均匀,利用不同热膨胀产生的信号对目标成像。由于微波热致超声成像技术用微波激励、超声成像,因此具有很好的分辨率和对比度,它是一种非常有潜力的生物医学成像技术。本文的研究内容主要包括微波热致超声成像系统的理论和实验研究,主要内容概括如下:1.研究了早期乳腺癌的微波热致超声理论,分析了影响热超声信号产生、传播的各个因素;从理论上估算了组织受激产生的超声信号的强度,评估了系统的安全性;2.研究并设计搭建了完整的微波热致超声成像系统,包括对系统进行了分阶段的改进,在一定程度上解决了电磁屏蔽的问题;研究了耦合媒质、实验容器、放大器等组成部分的选择对系统整体性能的影响;3.针对实验数据所反映的超声信号频谱的特征,从系统级联的角度给出了解释:超声信号频谱中能量的分布会受生物组织自身几何特性的调制;利用仿真数据对影响系统分辨率的因素进行了讨论;首次将小波软阈值滤波方法用于分析热超声信号,结果表明该方法可以较好地改善信噪比;4.基于所搭建的微波热致超声成像系统所测得的实验数据,研究了相应的重建算法:滤波反投影成像算法和频域成像算法;为了提高成像质量和成像效率,研究了非均匀快速傅立叶变换(nufft),并首次成功将其应用到微波热超声的频域成像算法中。成像结果表明目前系统可以实现mm量级的分辨率。

关键词：微波热致超声小波滤波成像算法 nufft

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基于波数域的安检毫米波成像技术研究

基于波数域的安检毫米波成像技术研究

作者：兰玉琼哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

当前国内外治安环境形势日益趋于复杂严峻,存在诸多不稳定因素,诸如恐怖分子等,因此很多行业对安全管理提出新的要求,对安检设备的需求量也在不断增长。毫米波具有很好的穿透能力,可以轻松穿过衣物,即使物品隐藏在衣服下也可以轻松被检... 详细信息

当前国内外治安环境形势日益趋于复杂严峻,存在诸多不稳定因素,诸如恐怖分子等,因此很多行业对安全管理提出新的要求,对安检设备的需求量也在不断增长。毫米波具有很好的穿透能力,可以轻松穿过衣物,即使物品隐藏在衣服下也可以轻松被检测出来,并且毫米波成像清晰度高,很适合应用于人体安检,有很大的发展潜力。毫米波收发天线数量较多,成本较高,如何降低天线数量将是一个研究方向。本文从满阵情况着手分析,从二维成像扩展至三维成像,再从满阵情况延伸至稀疏阵列研究,着力于实现高速、高效、高质量的毫米波安检成像技术,主要从以下三个方面分析:首先,简单介绍反向投影(Back-Projection,BP)成像算法和波数域成像算法,详细研究了二维毫米波成像模型,推导出基于波数域的毫米波成像重建公式,将横断面和冠状面成像场景结合推导出三维毫米波成像公式。接着引入几种图像评价指标,并对毫米波成像系统的采样间隔、分辨率等参数指标做出分析。采用仿真实验来检验在二维和三维场景下该成像算法的可行性,并对BP算法和波数域算法处理得到的图像质量和成像效率做对比验证,结果表明波数域成像算法更符合高速、高效的要求。其次,分析波数域重构算法中数据不均匀的问题。空间谱变换时k和k之间并不是线性关系,这导致了变换后数据不均匀的问题,为解决这一问题,给出两种方法,分别是插值方法和非均匀傅里叶变换(Nonuniform Fast Fourier Transform,nufft)方法。通过仿真实验来验证这两种方法都是可以解决数据不均匀的有效方法,并将两种方法对比分析,在满阵情况下nufft方法效果略优于插值方法,在降采样情况下nufft拥有更少的伪影。为提高成像效率,可以适当降低采样点数,利用nufft方法依旧可以得到很好的成像效果。最后,为进一步提高成像效率,成像系统可选用稀疏阵列,采用单发多收模式。本文利用等效相位中心原理来设计稀疏阵列,先给出四种常见的稀疏阵列,引入点目标扩散函数(Point Spread Function,PSF)来衡量稀疏阵列的优劣,常规方法运用在本文模型上效果并不理想,收发阵元间距过大使得等效相位中心原理失效,因此基于本文成像场景设计两种稀疏阵列,稀疏度分别为30.6%、18.1%,并进行仿真实验,成像效果良好。针对收发天线间距过大会引起较大误差的问题,给出了增加距离补偿的解决办法,仿真验证了这一改进的有效性,可以提高稀疏阵列的成像质量。综上,本文从二维毫米波成像技术着手,研究三维毫米波成像技术,并针对数据不均匀的问题,引入nufft方法,并将其与插值方法进行了对比,进而为了提高扫描速度,运用等效相位中心原理对天线阵列进行稀疏处理。

关键词：主动毫米波成像稀疏阵列 nufft 波数域算法

磁共振螺旋采样的非均匀快速傅里叶重建算法研究

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磁共振螺旋采样的非均匀快速傅里叶重建算法研究

作者：李白鸽第一军医大学

学位级别：硕士

伴随着医疗技术水平及计算机技术日新月异的发展，磁共振检查技术已成为疾病诊断必不可少的先进手段之一。与CT相比，磁共振成像具有高组织分辨力、高空间分辨力和无放射损伤等优点，同时在不用对比剂的条件下，可测量血管和心脏的血流... 详细信息

伴随着医疗技术水平及计算机技术日新月异的发展，磁共振检查技术已成为疾病诊断必不可少的先进手段之一。与CT相比，磁共振成像具有高组织分辨力、高空间分辨力和无放射损伤等优点，同时在不用对比剂的条件下，可测量血管和心脏的血流变化。但是，磁共振成像的主要不足，在于它扫描所需的时间较长，因而对一些危重病人或不配合的病人的检查非常困难，从而限制了磁共振技术在临床医学影像领域的应用发展。为了进一步增强MRI技术在临床上的适用性，缩短扫描时间，1992年Meyer等采用了螺旋轨迹的K空间采样数据成像，该采样方式以其对流动和运动伪影不敏感，梯度功率的利用效率高，成像速度快等诸多优点，在脑功能成像和心脏成像方面越来越多地引起了人们的关注。在传统的磁共振成像中，通常采用快速傅里叶技术成像，但是，在螺旋轨迹的K空间采样，由于K空间数据不是分布在均匀的网格点上，不能直接使用快速傅里叶变换技术进行重建。针对这种情况，通常做法是把已获得的数据在笛卡尔坐标系上重新采样，然后再通过二维的快速傅里叶变换来重建图像。因此，如何重新采样成了重建中的一个关键问题。其中比较著名的是网格法，该类算法是把已获得的螺旋数据，通过一个卷积核函数插值的方法，获得K空间数据在笛卡尔网格上的取值，实现重新采样。非均匀快速傅里叶(Non-uniform Fast Fourier Transform，nufft)算法是网格法的其中之一，其概念是Dutt和Rokhlin于1993年提出的，其主要思想是：非均匀的频率空间里的点的频率值，可以用均匀空间里该点的临域点近似表达，这种近似的过程就是靠卷积核函数插值获得的。最小二乘意义上的nufft算法，是Liu和Nguyen提出用来分析一维非均匀采样的电磁波的，在该算法中他们利用了一个规则化傅里叶矩阵，能够针对每一个非均匀采样点生成一个卷积核矩阵，因而在最小二乘的意义上达到最优采样，计算精度比较高。尺度因子(scaling factor)是构成核矩阵的重要参数之一，决定了卷积核的大小、形状和性质，最终决定了重建图像的质量。但是，它的最优选择目前尚没有定论。Liu和Nguyen提出了三种尺度因子，分别是Gaussian尺度因子、cosine尺度因子和trivial尺度因子，作者根据实验结果对比分析得出：采用cosine尺度因子的核矩阵的重建误差最小。本文在仔细阅读文献的基础上，发现作者将基于trivial尺度因子的核矩阵推导错误，从而得出cosine尺度因子是三者之中最优的尺度因子的错误结论。本文在原有算法框架上，将Liu和Nguyen推导错误的核矩阵(基于trivial尺度因子)进行更正，并给出了严格的推导。相比基于cosine尺度因子的核矩阵，计算步骤进一步简化，有效降低了计算复杂度。本文将所提基于trivial尺度因子的nufft重建算法，分别应用在磁共振的模拟螺旋数据和体模螺旋数据上，并作了大量的实验。结果表明：采用trivial尺度因子更正之后的卷积核矩阵，与原先错误的核矩阵相比，前者的图像非常清晰，而后者的重建效果很差，由此可见图像质量改善十分显著。与目前采用cosine因子的nufft算法相比，重建精度也优于后者。此外，由于使用了简化的核矩阵，使其速度更快。而且，本算法的适用性广泛，无论对单激发和多激发的螺旋数据，还是其它类型的非笛卡尔采样的K空间数据都同样适用，只需要将密度补偿函数更换针对其它数据类型的密度补偿函数即可。

关键词：磁共振成像螺旋采样尺度因子 nufft K空间重建