一种天线阵列机械扫描式全息图像重建方法

一种天线阵列机械扫描式全息图像重建方法

　　技术领域

　　本发明涉及微波毫米波太赫兹全息图像重建领域，特别涉及一种天线阵列机械扫描式全息图像重建方法。

　　背景技术

　　现有的微波毫米波太赫兹三维全息成像安检系统是主动式微波毫米波太赫兹人体安检的一种重要技术手段，其种类主要包含有平面机械扫描式成像系统、圆柱面机械扫描式成像系统、二维稀疏阵列电子扫描式成像系统等。所述各成像系统的微波毫米波太赫兹频率的电磁波可以穿透衣物，所获取的三维全息图像可以更为丰富的表现人体体表信息，因此通过三维全息图像可以有效检测到人体衣物下隐藏的危险品，是一种有效的人体安检新手段。其中一维机械扫描一维阵列开关切换扫描的成像方式在人体安检领域得到广泛的应用，包括平面机械扫描式和柱面机械扫描式两种成像方式。

　　目前微波毫米波太赫兹三维全息图像重建方法，尤其是用于平面机械扫描式和柱面机械扫描式两种成像方式的三维全息图像重建方法主要为时域类图像重建算法。时域类图像重建算法包括时域相关算法和后向投影重建算法。时域类算法在推导过程中无需任何近似，并且算法实现流程简单易懂，实现技术门槛较低。但是由于时域类图像重建算法中回波数据的三个维度耦合在一起，存在三个维度的时延累加计算，从而导致时域类图像重建算法的计算量大，在实际快速成像应用场景中受限，很难应用于实时性要求较高的成像系统。

　　现有的微波毫米波太赫兹三维全息图像重建方法还包括波数域算法，波数域算法在平面机械扫描式和柱面机械扫描式两种成像方式中的实现方法均不一样，在工程实施中就需要对应这两种成像方式分别开发两套算法以适用于这两种成像方式，对所耗费的人力资源与时间成本提出较高要求。

　　因而，在三维全息成像系统应用中，对于传统的时域类算法进行改进使得提升其计算效率，相应的技术手段亟待提出；而相对于波数域算法，如果提出一种图像重建方法适用于两种成像方式，那么就会极大降低人力资源与时间成本，对于社会经济效益具备较大贡献。

　　发明内容

　　针对上述问题，本发明提出一种天线阵列机械扫描式全息图像重建方法。

　　本发明的天线阵列机械扫描式全息图像重建方法，是对微波毫米波天线阵元发射微波毫米波束对目标进行扫描所得到的后向散射回波信号进行处理，所述目标位于成像目标区域中，所述微波毫米波天线阵元是机械扫描式成像系统中一维天线阵列的天线阵元，其特征在于，所述微波毫米波全息图像重建方法包括步骤：

　　A、对所述成像目标区域和所述一维天线阵列的机械扫描位置在二维维度上进行离散化处理，所述二维维度是与所述微波毫米波天线阵元的排列方向相垂直的二维维度；

　　B、对所述后向散射回波信号进行快速逆傅里叶变换得到距离压缩信号，所述快速逆傅里叶变换是在微波毫米波频率维度上进行；

　　C、对所述距离压缩信号进行图像聚焦处理，所述图像聚焦处理是在所述二维维度上的；

　　D、对所述成像目标区域进行第二次离散化处理，所述第二次离散化处理是在所述微波毫米波天线阵元的排列方向的维度上进行；

　　E、将经过所述图像聚焦处理的所述距离压缩信号进行第二次图像聚焦，所述第二次图像聚焦是在所述微波毫米波天线阵元的排列方向的维度上进行。

　　进一步，

　　所述微波毫米波全息图像重建方法还包括：建立三维空间直角坐标系，

　　其中，

　　以所述微波毫米波天线阵元的排列方向为所述三维空间直角坐标系的Y轴方向；

　　所述机械扫描式成像系统为一维天线阵列平面机械扫描式成像系统时，以所述微波毫米波天线阵元的扫描移动方向为所述三维空间直角坐标系的X轴方向，并以三维空间直角坐标系三个坐标轴的方向关系确立所述三维空间直角坐标系的Z轴方向；

　　所述机械扫描式成像系统为一维天线阵列圆柱面机械扫描式成像系统时，以三维空间直角坐标系三个坐标轴的方向关系确立所述三维空间直角坐标系的Y轴和Z轴方向。

　　进一步，

　　记所述微波毫米波天线阵元的Y轴坐标为y'k，其中，k∈[1,Nant]，Nant为所述一维天线阵列中所述微波毫米波天线阵元的数目且为大于1的整数，La为所述一维天线阵列的长度；

　　遍历所述坐标y'k，在每个坐标y'k处，执行所述步骤A、步骤B和步骤C。

　　进一步，

　　所述二维维度为(x,z)维度，即x维度和z维度，经过所述步骤A，

　　得到划分的所述成像目标区域在所述二维维度的离散网格点坐标为(xi,zj)，其中，i∈[0,Nx]，j∈[0,Nz]，Nx为所述成像目标区域沿x维度划分的离散网格的网格数目，Nz为所述成像目标区域沿z维度划分的离散网格的网格数目，Nx和Nz均为大于1的整数；

　　所述离散化得到的网格满足：沿所述x维度划分的网格大小所述网格数目沿所述z维度划分的网格大小所述网格数目表示向下取整，

　　其中，λ0为所述机械扫描式成像系统的射频信号中心波长，θx为x维度的天线波束宽度，Lx为x维度上进行扫描所覆盖的空间范围，B为所述机械扫描式成像系统的微波毫米波信号的带宽，c为真空中光速，Lz为所述成像目标区域在所述z维度上覆盖的范围；

　　得到划分的所述一维天线阵列的离散化的机械扫描位置其中，为所述离散化的机械扫描位置沿x维度划分的离散网格的网格数目，分为所述离散化的机械扫描位置沿z维度划分的离散网格的网格数目，和均为大于1的整数；

　　所述离散化的机械扫描位置满足：采用所述一维天线阵列平面机械扫描式成像系统时，Ls为所述微波毫米波天线阵元的扫描距离，所述机械扫描位置的x维度划分的网格大小取一定值；采用所述一维天线阵列圆柱面机械扫描式成像系统时，且满足R为所述微波毫米波天线阵元进行圆柱面扫描轨迹的半径，为所述微波毫米波天线阵元扫描过的角度，的离散化间隔rs为扫描对象半径，k为微波毫米波频率波数，kz为所述微波毫米波天线阵元的排列方向上的空间波数。

　　进一步，La为0.5～3米，Lx为0.3～2米，Lz为0.1～1.5米，Ls为0.1～2米，

　　进一步，La为2米，Lx为1米，Lz为0.2～0.8米，Ls为2米，R为0.6米，为

　　进一步，

　　所述后向散射回波信号为S(x,y,z,f)，其中f为所述微波毫米波频率维度，

　　在所述步骤B中，对所述回波信号S(x,y,z,f)在所述f维度做Nf0点的快速逆傅里叶变换得到距离压缩信号SD(x,y,z,t)，

　　其中，t为所述目标到所述阵列天线的口面的延迟时间，且有Nf0＝N0×Nf，Nf0为所述逆傅里叶变换的点数，N0为所述回波信号S(x,y,z,f)在所述f维度的升采样倍数，Nf为原始频率点数；把所述距离压缩信号即升采样信号SD(x,y,z,t)在所述z维度的像素间隔设置为所述x维度的网格大小Δx，则表示向下取整。

　　进一步，

　　在所述步骤C中，在所述(x,z)维度下，在每个离散网格点坐标(xi,zj)处都进行下面步骤：

　　计算所述离散网格点坐标(xi,zj)到所述微波毫米波天线阵元的离散化的机械扫描位置处的斜距然后得到所述z维度上匹配滤波信号

　　由所述斜距Rij计算出所述距离压缩信号SD(x,y,z,t)在所述离散化的机械扫描位置处的所述z维度的匹配采样点信号其中，为所述z维度的像素分辨单元，表示对数据向下取整，

　　将所述匹配滤波信号与所述匹配采样点信号的维度相乘后做匹配滤波处理，得到信号其中，f0为所述成像目标区域中微波毫米波射频信号的中心频率；

　　将在所有所述离散化的机械扫描位置处的所述信号全部计算出来并做累加计算得到信号SF(xi,y'k,zj)。

　　进一步，

　　在所述步骤D中，经过所述第二次离散化处理，y维度即所述微波毫米波天线阵元的排列方向的维度的离散网格点坐标为yq，q∈[0,Ny]，Ny为沿所述y维度划分的离散网格的网格数目且为大于1的整数。

　　进一步，

　　在所述步骤E中，在每个离散网格点坐标(xi,yq,zj)处都进行下面步骤：

　　在(y,z)维度，即y维度和z维度，计算离散网格点坐标(yq,zj)到所述微波毫米波天线阵元的所有采样位置的斜距

　　在所述z维度上获取距离匹配点信号SG(xi,y'k,zL1)，所述距离匹配点信号SG(xi,y'k,zL1)通过对SF(xi,y'k,zL1)和SF(xi,y'k,zL2)线性插值求得，其中，表示向下取整，L2＝L1+1；

　　计算所述微波毫米波天线阵元的所有采样位置处匹配滤波信号其中，f0为所述成像目标区域中微波毫米波束射频信号的中心频率；

　　将所述微波毫米波天线阵元在所有所述采样位置处匹配滤波信号均与所述距离匹配点信号SG(xi,y'k,zL1)的y'k维度对应相乘得到所述微波毫米波天线阵元的所有采样位置处的信号

　　将所述微波毫米波天线阵元的所有采样位置处的信号进行复数累加计算，以得到信号S(xi,yq,zj)。

　　本发明提出的一种天线阵列机械扫描式全息图像重建方法，简化了三个维度的计算复杂度，使得算法结构更适用于硬件信号处理平台高速并行实现，而且是一种不受机械扫描维度扫描方式限制，可以对三维目标进行高精度全息图像重建，是一种通用的三维图像重建方法。

　　本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

　　附图说明

　　为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

　　图1示出了根据本发明实施例的微波毫米波全息重建系统1(一维天线阵列平面机械扫描式成像系统)的工作(扫描)模式图；

　　图2示出了根据本发明实施例的微波毫米波全息重建系统2(一维天线阵列圆柱面机械扫描式成像系统)的工作(扫描)模式图。

　　具体实施方式

　　为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

　　图1所示为一维天线阵列平面机械扫描式成像系统的工作模式图即扫描模式图，图2所示则为一维天线阵列圆柱面机械扫描式成像系统的工作模式图或者说扫描模式图。上述的两种扫描式成像系统中均设有一维天线阵列，图1和图2中，1为所述一维天线阵列中微波毫米波天线阵元，2为一维天线阵列的水平扫描方向，3为成像目标区域，多个微波毫米波天线阵元1沿同一方向排列构成所述一维天线阵列。由图1可知，若以成像目标区域3的中心为坐标原点，一维天线阵列平面机械扫描式成像系统的微波毫米波天线阵元1的排列方向为Y轴方向，所述微波毫米波天线阵元1的平面扫描移动方向为X轴方向可建立三维的空间直角坐标系，其中，成像目标区域3位于所述微波毫米波天线阵元1扫描所经过的平面轨迹的一侧。由图2可知，若以成像目标区域3的中心为坐标原点，一维天线阵列圆柱面机械扫描式成像系统的微波毫米波天线阵元1的排列方向为Y轴方向可建立三维的空间直角坐标系，其中，成像目标区域3位于所述微波毫米波天线阵元1进行扫描所经过的圆柱面轨迹内。

　　在上述的两种扫描式成像系统中，通过所述微波毫米波天线阵元1的射频开关的切换，使得成像系统的发射天线的波束和接收天线的波束实现竖直方向(即Y轴方向)移动扫描；一维天线阵列通过高精度机械扫描控制装置带动实现了水平扫描(图1中为沿X轴方向扫描，图2中为沿圆柱面扫描)，最终得到天线波束(包括发射天线与接收天线的波束)在(x,z)二维空间平面的离散分布。

　　本发明的微波毫米波全息图像重建方法包括，对于微波毫米波天线阵元1，执行下面的步骤一至步骤五：

　　一、获取目标的后向散射回波信号S(x,y,z,f)(简称为回波信号)。

　　通过进行所述扫描，所述两种扫描式成像系统中的微波毫米波收发前端可探测获得成像目标区域3的三维的回波信号S(x,y,z,f)，其中，y维度为微波毫米波天线阵列阵元开关切换扫描维度，f为微波毫米波频率维度，回波信号S(x,y,z,f)是复数信号，包含幅度和相位信息，所述收发前端的信号体制为调频连续波信号或者频率步进连续波信号。对于一维天线阵列平面机械扫描式成像系统，设所述微波毫米波天线阵元1沿X轴扫描，则在(x,z)二维空间的扫描坐标为(x,z10)，其中z10为所述微波毫米波天线阵元1的Z轴坐标且为一个定值；对于一维天线阵列圆柱面机械扫描式成像系统，设Y轴为所述圆柱面的中轴，则所述二维空间扫描坐标其中R为圆柱面扫描轨迹的半径，为一维天线阵列机械扫描过的角度。

　　下面记所述微波毫米波天线阵元1的Y轴坐标为y'k，k∈[1,Nant]，Nant为一维天线阵列中所述天线阵元1的数目且为大于1的整数，La为所述一维天线阵列的长度，La可取为0.5至3米，优选为2米。

　　二、遍历所述微波毫米波天线阵元1的坐标y'k，在每个坐标y'k处，执行下面的步骤2a至步骤2c：

　　2a、把成像目标区域3和所述一维天线阵列的机械扫描位置在(x,z)维度(即x维度和z维度)进行离散化。

　　经过所述离散化，得到划分的成像目标区域3的离散网格点坐标为(xi,zj)，i为整数且i∈[0,Nx]，Lx为成像目标区域3在x维度上覆盖的范围，Nx为成像目标区域3沿x维度划分的离散网格的网格数目，zj∈[zmin,zmax]，j为整数且j∈[0,Nz]，zmin为z维度(也称为距离维度)成像最小坐标，zmax为z维度成像最大坐标，Nz为成像目标区域3沿z维度划分的离散网格的网格数目，Nx和Nz均为大于1的整数。进行所述离散化须满足的离散化条件A：x维度划分的网格大小网格数目表示向下取整；z维度划分的网格大小网格数目Lz＝zmax-zmin为成像目标区域3在z维度上覆盖的范围。其中，λ0为所述两种扫描式成像系统的射频信号中心波长，θx为x维度的天线波束宽度，B＝fmax-fmin为成像目标区域3中微波毫米波信号的带宽(fmax和fmin分别是所述微波毫米波信号的最高频率和最低频率)，c为真空中光速。Lx一般设为0.3～2米，优选为1米，为人体横向覆盖范围，Lz一般为0.1～1.5米，优选为0.2～0.8米，为人体在z维度的跨度。所述网格大小Δx、Δz的值越小，划分的网格越细密，图像重建结果精细度就越高。

　　经过所述离散化，得到划分的一维天线阵列的离散化的机械扫描位置(以下简称为机械扫描位置)采用一维天线阵列平面机械扫描式成像系统时，l为整数且Ls为所述微波毫米波天线阵元1的扫描距离，视具体应用场景而定，Ls可取0.1～2米，优选为2米，为机械扫描位置沿x维度划分的离散网格的网格数目，可取-2～-0.1米，优选为-0.4米；采用一维天线阵列圆柱面机械扫描式成像系统时，和m为整数且和分为机械扫描位置沿x维度和z维度划分的离散网格的网格数目，R优选为0.6米，且有优选为所述机械扫描位置的离散化条件与上述离散化条件A的差别在于，采用一维天线阵列平面机械扫描式成像系统时，网格数目本实施例中，成像目标区域3的x维度划分的网格大小Δx与机械扫描位置的x维度划分的网格大小可相同，也可根据具体应用时工况的不同取为不同的值；采用一维天线阵列圆柱面机械扫描式成像系统时，网格数目的离散化间隔rs为扫描对象半径(即能包含扫描对象的最小圆柱体的半径)，k为微波毫米波频率波数(即微波毫米波频率维度上的微波毫米波的波数)，kz为微波毫米波天线阵元的排列方向上的空间波数。

　　2b、对回波信号S(x,y,z,f)在f维度做Nf0点的快速逆傅里叶变换(也称为逆快速傅里叶变换)。

　　经过所述快速逆傅里叶变换得到距离压缩信号SD(x,y,z,t)，其中，t为所述目标到所述阵列天线的口面的延迟时间，且有Nf0＝N0×Nf，Nf0为逆傅里叶变换点数，N0为回波信号S(x,y,z,f)在f维度的升采样倍数，Nf原始频率点数，是回波信号在升采样以前频率维度的频率点数。已设在x维度划分的网格大小为Δx，在z维度划分网格大小为Δz，把所述距离压缩信号即升采样信号SD(x,y,z,t)在距离维度即z维度的像素间隔设置为前述x维度的网格大小Δx，则

　　2c、对所述距离压缩信号SD(x,y,z,t)进行(x,z)维度图像聚焦处理，在每个离散网格点坐标(xi,zj)处都执行下面步骤2ca至步骤2cd。

　　2ca、在(x,z)维度，先计算离散网格点坐标(xi,zj)到一维天线阵列的离散化的机械扫描位置处的斜距然后得到z维度上匹配滤波信号其中，所述平面机械扫描式成像系统的一维天线阵列的机械扫描位置所述圆柱面机械扫描式成像系统的一维天线阵列的机械扫描位置为一维天线阵列机械扫描过的角度的离散化坐标。

　　2cb、由斜距Rij计算得到距离压缩信号SD(x,y,z,t)在所述机械扫描位置处z维度的匹配采样点信号其中，所述匹配采样点信号中延时t取为zL是一具体的距离维度的位置，指标为z维度像素分辨单元，floor(·)表示对数据向下取整。

　　2cc、将匹配滤波信号与所述机械扫描位置处匹配采样点信号的维度相乘后做匹配滤波处理，得到信号其中，f0为成像目标区域3中所述微波毫米波射频信号的中心频率。

　　2cd、将在所有所述机械扫描位置处的所述信号全部计算出来并做累加计算得到信号SF(xi,y'k,zj)。

　　通过上述步骤二，遍历所述微波毫米波天线阵元1的所有坐标y'k后，(x,f)维度的图像得到完全聚焦。

　　三、对成像场景中的y维度进行离散化处理。

　　经过所述离散化处理，y维度的离散网格点坐标为yq，q∈[0,Ny]，Ny为沿y维度划分的离散网格的网格数目且为大于1的整数。yq与一维天线阵列中所述天线阵元1的位置坐标范围相一致，z维度的离散网格点坐标仍然为zj。

　　四、最终图像聚焦处理

　　在每个离散网格点坐标(xi,yq,zj)处都执行下面步骤5a至步骤5e：

　　5a、在(y,z)维度，即y维度和z维度，计算离散网格点坐标(yq,zj)到一维天线阵列中所述天线阵元1的所有采样位置(即天线阵元1扫描时的坐标位置)的斜距

　　5b、在所述z维度上获取距离匹配点信号SG(xi,y'k,zL1)，所述距离匹配点信号SG(xi,y'k,zL1)通过线性插值方法求得，即SG(xi,y'k,zL1)＝SF(xi,y'k,zL1)+xishu×(SF(xi,y'k,zL2)-SF(xi,y'k,zL1))，距离维度的位置的脚标L2＝L1+1,

　　5c、计算所述微波毫米波天线阵元1的所有采样位置处匹配滤波信号其中，f0为前述成像目标区域3中所述微波毫米波射频信号的中心频率。

　　5d、将所述微波毫米波天线阵元1在所有所述采样位置处匹配滤波信号均与所述距离匹配点信号SG(xi,y'k,zL1)的y'k维度对应相乘得到所述微波毫米波天线阵元的所有采样位置处的信号

　　5e、将所述微波毫米波天线阵元1的所有采样位置处的信号都进行复数累加计算，以得到信号S(xi,yq,zj)。

　　通过步骤五获得所有离散网格点坐标(yq,zj)处的信号S(xi,yq,zj)，y维度图像得到聚焦，至此得到最终的三维复数图像O(xi,yq,zj)。

　　最后，将获得的三维复数图像O(xi,yq,zj)传输到显示端，进行显示、目标检测、目标分类与识别等。

　　本发明提出了一种天线阵列机械扫描式全息图像重建方法，采用时域类算法处理的思路，将回波数据三个维度分别进行分解处理，在算法结构上更适用于高速并行计算平台处理，同时所提方法不受限于成像系统机械扫描方式，可以对三维目标进行高精度全息图像重建，是一种通用的三维图像重建方法。

　　尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。