輻射測量成像設備及相應的方法

2023-07-24 20:34:11 2

專利名稱：輻射測量成像設備及相應的方法
技術領域：
本發明涉及對場景進行掃描並且生成表示所述場景的高密度信號圖案的輻射測量成像設備(radiometric imaging device)及相應的方法。此外，本發明還涉及用於實現所述方法的程序和計算機可讀非暫時性介質。
背景技術：
毫米波是與頻率範圍從30GHz到300GHz相對應的波長範圍從Imm到IOmm的無線電波。這些波已經被應用到車載雷達設備以測量正移動的車輛間的距離來防止碰撞，並且被應用到高速無線通信以實現每秒若干吉比特量級的傳輸數據速率。此外，在毫米波頻率範圍內進行操作的設備的集成和小型化方面的最近改進以及經改進的生成和檢測技術引起了對於利用此電磁輻射的特性的極大興趣。其穿透非金屬材料(包括塑料、牆壁、衣服、 煙和霧)的能力已經提供了對研究毫米波成像應用的另外的動力。此外，在類似隱藏式武器或易爆物檢測等的安全性應用中也對可實現的幾毫米的空間解析度很感興趣。毫米波可被以主動(active)或被動(passive)方式使用。被動式輻射測量成像系統通過利用輻射計(radiometer)捕獲對象發出的電磁輻射來創建圖像。這樣的被動式輻射測量成像系統例如從US2007/0221847A1中得知。所觀察到的場景的輻射測量溫度基於如下因素來自場景組成部分的發射、場景對下行天空輻射的反射、場景和觀察者之間的上行大氣發射以及電磁能量從場景到觀察者的傳播。另一方面，主動式輻射測量成像系統向對象發射毫米波並且通過檢測所發射的或反射的波來創建圖像。毫米波不產生電離效應，這使得該技術成為在類似隱藏式武器或易爆物檢測等安全性應用方面要採用的很有吸引力的候選(基於紅外或可見輻射的現有技術不能檢測隱藏式對象，並且基於X射線的系統由於其電離效應而不能被用於人類)。對於自動導引的車輛或駕駛員輔助，看透不利大氣狀況的可能性也是很受關注的。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種與已知的輻射測量成像設備相比針對相同的溫度解析度以減少的成像時間來對場景成像的輻射測量成像設備。本發明的另一目的是提供相應的方法以及用於在計算機上實現所述方法的相應電腦程式和存儲這樣的電腦程式的計算機可讀介質。根據本發明的一方面，提供了一種用於對場景成像的輻射測量成像設備，所述設備包括輻射計，用於檢測從所述場景的束斑(spot)發出的在預定頻譜範圍內的輻射，並且從檢測到的輻射生成輻射信號，束斑移動裝置，用於實現從其檢測到輻射的束斑向各個位置的移動；控制裝置，用於控制所述束斑移動裝置實現束斑從一個位置到另一位置的移動， 以使得在場景上分布的一定數目的束斑處檢測輻射，其中所述數目小於高密度信號圖案的圖案信號的數目，並且從在所述數目的束斑處檢測到的輻射而生成的輻射信號形成低密度信號圖案，和處理裝置，用於處理所述低密度信號圖案的輻射信號，並且通過對所述低密度信號圖案應用壓縮感測(compressive sensing)來生成所述高密度信號圖案。根據本發明的另一方面，提供了一種相應的輻射測量成像方法。根據本發明的其他方面，提供了一種電腦程式，該電腦程式包括程序裝置，程序裝置用於當所述電腦程式在計算機上被執行時使得計算機執行根據本發明的所述輻射測量成像方法的處理和重構步驟，並且提供了一種計算機可讀非暫時性介質，該計算機可讀非暫時性介質上存儲有指令，這些指令當在計算機上被執行時使得計算機執行根據本發明的輻射測量成像方法的所述步驟。本發明的優選實施例在從屬權利要求中定義。應當明白，所要求保護的方法、電腦程式和計算機可讀介質與所要求保護的裝置具有類似和/或相同的優選實施例，如在從屬權利要求中中所定義的。被動式輻射測量成像設備通過對給定場景(常常也被稱為〃視場〃(FOV，field of view))進行掃描來將亮度溫度分布映射到該場景上。圖像的溫度解析度(ΔΤ)因此是通過輻射計的天線的帶寬(B)、成像設備的噪聲溫度(Tsre)以及積分時間(τ)而根據如下公式確定的
AT(0K)= -r^Κ) ^Β(Ηζ)φ)從此公式可以得出，為了增大成像設備的溫度解析度，需要減小成像設備的噪聲溫度或者增大帶寬和/或積分時間。輻射計測量由被成像的場景在束斑(即輻射束)所在的各個位置(或像素)處輻射的能量。輻射計在一實際位置處的測量時間越長，此位置處的溫度解析度將越好。另一方面，這增大了掃描時間，這是不希望的特性。因此，根據本發明的要素，提議通過應用已知的壓縮感測方法在減小獲取事件的同時獲得高溫度解析度。傳統的用於採樣信號或成像的方法遵從香農(aiarmon)定理，香農定理規定採樣率必須是信號中存在的最大頻率(也被稱為奈奎斯特(Nyquist)率)的至少兩倍。此原則已經被應用於在消費音頻或圖像電子產品、醫學成像設備、數字通信等中使用的幾乎所有信號獲取協議中。當信號是有限帶寬的時，與在數字通信領域中一樣，將模擬信號轉換到數字域需要使用模數轉換器(ADC)，以Nyquist率或者高於Nyquist率進行採樣，這隱含地在這樣的系統上強加了對ADC能力的依賴性。對於類似於圖像的其他信號，所需要的採樣率不由aiarmon定理指定，而是由所希望的時間或空間解析度來指定。然而，對於這樣的系統，通常要在採樣之前使用抗混淆低通濾波器來對信號進行帶寬限制，於是Nyquist率在此同樣起重要作用。例如在 IEEE Transactions on Information Theory, vol. 52, pp.489-509， 2006 中 Ε.Candes, J. Romberg 禾口 Τ·Tao 的 〃 Robust uncertaintyprinciples :Exact signal reconstruction from highly incomplete frequencyinformation 「 以及 IEEE Transactions on Information Theory, vol.52, pp. 1289-1306,2006 中 D. Donoho 的〃 Compressed sensing"中所述的壓縮感測範例通過宣稱可以從比傳統方法所需的釆樣或測量結果少很多的採樣或測量結果來恢復某些信號或圖像而與在數據獲取方面的共同智慧形成對照。與假定信號中的信息量與其頻率內容成比例的傳統採樣理論相對照，壓縮感測提出一種新的採樣範例，在此新的採樣範例中，信號的信息內容由其稀疏水平或其自由程度來確定。從此觀點來看，感興趣的信號不必要以Nyquist率來被採樣，而是以其信息率來被採樣，這在大多數情況中大大小於其帶寬。簡短總結一下，所述壓縮感測範例規定如果信號或圖像在某已知域中足夠稀疏， 則在獲取處理在某種意義上可被隨機化的程度下，可以從(大大小於Nyquist所規定的) 非常少量的採樣來對其進行重構。因此，本發明提出通過應用壓縮感測來減少輻射測量成像系統的掃描/成像時間。為了應用這種技術，首先需要找到圖像在其中具有稀疏表示的測量域。遺憾的是，通過輻射測量成像設備得到的圖像在輻射計的獲取域(其是總的功率輻射能量)中不是稀疏的。因此，所獲取的輻射信號被映射到稀疏域。在此考慮的圖像的一個特性是它們是分段恆定的，並且因此一種可能性是使用如根據實施例提出的總變差(total variation)技術來從少數測量結果恢復圖像，但是其它的變換也是可能的。成功地應用壓縮感測的第二個條件是完成測量的方式(即，測量矩陣)必須與使用的表示基(!^presentation basis)(即，表示矩陣)不相干。相干性測量這兩個矩陣中的任意兩個元素間的最大相關性。確保此條件的一種方式是選擇(偽)隨機矩陣作為測量矩陣，即，使獲取處理隨機化。其他測量矩陣也是可以的，並且依賴於要被掃描的場景，定製的測量矩陣可能比隨機選擇的矩陣具有更好的不相干性(incoherence)。然而，隨機矩陣是一般性的並且是獨立於場景的。根據本發明提出的方案通過對感興趣的場景進行下採樣，即通過採用比在標準獲取處理中少的樣本而非在所有束斑處的樣本來減少成像掃描時間，然後通過應用壓縮感測使用圖像的某種稀疏表示(例如，類似於總變差)來處理樣本(例如，重構圖像)。換句話說，根據本發明的要素，在其處從場景檢測到輻射的束斑被從一個位置移動到另一個位置， 以使得在場景中分布的一定數目的束斑處檢測輻射，但是此數目小於傳統檢測時的所有束斑。因此，與傳統方法不同(根據傳統方法，從在大數目的束斑(即，一般而言為所有束斑)處檢測到的輻射信號獲得高密度信號圖案)，根據本發明，從檢測到的輻射信號獲得低密度信號圖案。在本上下文中，「高"和"低"應當被理解為表達低密度信號圖案與高密度信號圖像相比包括較少圖案信號的相對關係。例如，如果解析度為nXn的圖像要被重構，即，如果高密度信號圖案包括N = ηΧη個信號，則在少於N個的束斑處檢測輻射信號， 即，低密度信號圖案(僅僅)包括Μ(<Ν)個輻射信號。因此，壓縮感測技術可被應用在圖像的重構處理中，從而產生與已知的輻射測量成像設備和方法相比而言所希望的優點，特別是引起掃描時間的所希望的減少。在本上下文中，在場景中移動束斑應當被理解為也包括在場景的預定區域(例如，設置了要被掃描的對象(例如，人)的感興趣區域)中移動。在此情形中，束斑被從一個位置移動到另一個位置，從而使得在場景的預定區域上分布的多個束斑處檢測輻射，但是這些束斑少於預定區域中的所有束斑。在優選實施例中，束斑被移動到的位置隨機地分布在場景(或者預定區域)中。這裡，「隨機地"不應當被以限制意義理解為"真正地隨機"，而是還應當包括"模仿"真正隨機行為並且可以通過例如偽隨機數生成器或功能生成的偽隨機行為。一般來說，分布越〃隨機〃，圖像重構的結果就可以越好。在優選實施例中，所述控制裝置適於控制所述束斑移動裝置以使得所述低密度信號圖案的輻射信號的數目按照從10%到90%範圍內的因子而比所述高密度信號圖案的圖案信號的數目低，特別是從25%到75%範圍內的因子。因此，與傳統的輻射檢測相比，根據本實施例，在多於所有束斑的10% (特別是25% )但是少於所有束斑的90% (特別是 75 % )的束斑處檢測輻射。例如，可以在大約50 %的束斑處獲取輻射信號，從而得到很好圖像質量的重構圖像。一般來說，在從其處獲取輻射的束斑的數目(即獲取時間的減少)和所希望的數據獲取和數據處理的結果的質量之間存在折衷。優選地，所述控制裝置適於控制所述束斑移動裝置以使得從其處檢測輻射的束斑基本均等地分布在場景上。按照這種方式，確保了在任何情況下(即，即使沒有可用於要被掃描的一個(或多個)有關對象在場景中被安置的位置的信息)，關於任何對象的實質信息也不會丟失。在另一實施例中，所述控制裝置適於控制所述束斑移動裝置實現移動，以使得在不規律地分布在場景中的多個束斑處檢測輻射，即，所述束斑不是規律地分布在場景中。在本上下文中，「不規律"應當被理解為從其檢測輻射的束斑在笛卡爾網格的至少一個方向上(優選為在兩個方向上)不是被等距地定位。通過這樣的不規律的檢測，實現了一定程度的隨機性，這正如應用壓縮感測技術所要求的。優選地，根據另一實施例，所述控制裝置適於控制所述束斑移動裝置實現束斑在場景上的連續移動。因此，不要求束斑向場景上的明顯不同的(特別是不相鄰的)位置的跳躍，這種跳躍會增加輻射信號的整個獲取的時間。連續軌跡可以被不同地實現，例如通過蜿蜒形(meandering)軌跡或者通過Z字形軌跡或螺旋形軌跡，根據蜿蜒形軌跡，在場景中逐行或逐列地掃描束斑。然而，也可以使用許多其他軌跡。在一個實施例中，所述控制裝置適於將場景劃分成多個像素的塊，從每個塊選擇至少一個像素，並且將所選擇的像素連接起來以形成軌跡，束斑被沿此軌跡在場景上移動。 按照這種方式，實現了像素在場景中的更隨機性的分布(從而實現了束斑在場景中的更隨機性的分布)。塊中的像素的數目一般可以是任意選擇的。優選地，此數目不太大，例如，在 10X10以下，特別是在5X5以下，並且對於所有的塊，塊大小是相等的。此外，所述控制裝置優選地適於根據場景的所希望的圖像解析度、要被掃描的對象在場景內的分布和/或場景的圖像的稀疏度來控制所述束斑移動裝置。根據又一實施例，所述控制裝置適於隨機地確定束斑從一個位置到下一位置的移動方向。根據一個優選實施例，所述處理裝置適於通過向輻射信號應用Il範數最小化算法(Il-norm minimization algorithm)來重構圖像。Il範數一般是已知的，並且Il範數問題(也被稱為最小絕對偏差(LAD)、最小絕對誤差(LAE)、最小絕對值(LAV))是一種數學優化技術，與流行的試圖找出最接近數據集的函數的最小平方技術(12範數)類似。在一組(X，y)數據的簡單情況中，近似函數為2D笛卡爾坐標中的簡單"趨向線"。所提出的方法因此使絕對誤差的和(SAE)或者由此函數生成的點和數據中的相應點之間的"殘差〃(residual)中的一些最小化。根據本發明的實施例應用Il範數最小化使得能夠從檢測到的在已知域中是稀疏的輻射信號來恢復所掃描的場景的圖像。為了實現從其處檢測輻射的束斑的移動，存在束斑移動裝置的各種實施例。根據一個實施例，提供了機械束斑移動裝置，特別是用於機械地移動所述輻射計來實現束斑的移動。例如，可以提供馬達，通過馬達，輻射計的天線被移動或者天線的方向被變化，優選地在兩個維度上被變化。根據另一實施例，可以提供旋轉鏡來改變輻射計的靈敏度輪廓 (sensitivityprofile)的方向。根據另一實施例，提供電子束斑移動裝置來電子地移動輻射計的靈敏度輪廓。這樣的實施例例如可以通過電子束定位裝置或電子束形成裝置來實現，電子束定位裝置或電子束形成裝置具有不提供機械裝置的有點並且一般能夠比機械束斑移動裝置更快速地移動輻射計的靈敏度輪廓。如上所述，從掃描場景獲得的輻射信號在已知域中具有稀疏表示對於壓縮感測技術的應用而言是重要的。對於由本發明所涉及的應用，所述已知域優選地為總變差域、傅立葉域、小波域或曲波域(curveletdomain)。優選地，在一個實施例中，提供存儲器來存儲將要從其處檢測輻射的束斑的位置的一個或多個列表，其中所述控制裝置適於從所述列表之一中選擇多個所分布的束斑的位置。根據另一實施例，所述控制裝置適於通過使用預定函數或分布(特別是均勻的伯努利或高斯分布)來確定多個所分布的束斑的位置。因此，不是提供用於存儲預定位置或完整軌跡的存儲器，而是提供生成器來生成所述預定函數或分布。例如，偽隨機數生成器可以用於實現該實施例。為了實現本發明，輻射測量成像設備包括用於檢測從表示單個像素的束斑發出的輻射的單個輻射計單元就足以。然而，根據可以減少場景的總的掃描時間的其他實施例，輻射計包括用於檢測表示從像素行或陣列的束斑發出的輻射的輻射計單元的行或陣列。換句話說，每個輻射計單元檢測來自子束斑的輻射，各子束斑一起表示束斑。按照這種方式，來自多個像素(例如，像素行或像素陣列)的輻射被同時檢測。優選地，這些輻射計單元被同時地並且相等地移動，或者它們的靈敏度輪廓被同時地並且相等地改變。然而，一般而言， 每個輻射計單元被單獨地控制並且它們的子束斑被單獨地(並且不同地)移動也是可以的。優選地，輻射計適於檢測在毫米波長範圍內發出的輻射，所述波長範圍特別是從 0. Imm到IOOmm並且優選為從Imm到IOmm的波長範圍。如上所述，此頻率範圍能夠穿透非金屬材料，包括塑料、牆壁、衣服、煙和霧，這對於所提出的設備和方法的應用是一個重要特性。具體地，在像隱藏式武器或易爆物檢測等安全性應用中對可實現的幾毫米的空間解析度很感興趣。一般而言，本發明還適用於其他頻率範圍。然而，一些頻率由於大氣吸收特性而或多或少變得不可用(傳播衰減過高以致於不能接收某一有用信號)。根據本發明而提出的輻射測量成像設備可以是主動式或被動式輻射測量成像設備，即，本發明一般可應用於這兩種類型的輻射測量成像設備。在主動式輻射測量成像設備的情況中，另外提供無線電發射裝置(有時也稱為照射裝置)來向場景發射輻射，其中，輻射計(或無線電接收器)適於檢測從該場景反射的輻射。要掃描的場景被輻射輻照，並且發射通過場景或者(在另一實施例中)被場景反射的輻射由輻射計檢測，輻射計因此適於作為無線電接收器。與被動式輻射測量成像相比，這樣的主動式輻射測量成像設備對噪聲不那麼敏感並且具有較高的信噪比。主動式輻射測量成像設備一般與被動式輻射測量成像裝置相類似地工作，S卩，要從其處檢測輻射的束斑在場景中被移動，同時無線電發射裝置(例如無線電發射天線)通過使用寬輻射束來向整個場景發射輻射。作為替代，無線電發射裝置可以使用窄輻射束並且可以隨後從該無線電發射裝置向場景中所希望的束斑發射輻射，同時輻射計(無線電接收器)使用寬靈敏度輪廓從而使得同時從整個場景接收輻射。另外，在一個實施例中，無線電發射裝置和輻射計都具有窄束，但是被共同控制以使得發射束和檢測束(即，輻射計的靈敏度輪廓)一般總是指向場景上的同一束斑，從而僅從場景中正好被暴露於所發射的輻射下的區域檢測輻射。根據另一實施例，無線電發射裝置和輻射計被結合在單基(monostatic)輻射單元或者單基雷達中。換句話說，無線電發射裝置和輻射計被結合成單基主動式雷達系統，其中發射天線和接收天線在同一位置或者通過同一公共天線來實現。—般而言，因為集中於目標周圍的體素(voxel)，即從場景中沒有任何感興趣對象的束斑(沒有有用信息)獲取輻射，所以部分掃描時間被浪費。根據一種已知的方案，如在 US2007/0139248A中所公開的，提出通過使用在可視頻譜中操作的另外的相機來減少掃描時間。由此相機提供的關於對目標(=感興趣的對象)的限制的信息被控制單元用來將天線束引向目標，而不是掃描整個視場(FOV)。然而，可視範圍相機不能檢測正被掃描的人是否在衣服下隱藏了對象，因此已知的毫米波系統必須掃描整個目標。為了克服此問題，在優選實施例中，所述控制裝置適於在表示場景的高密度信號圖案已被生成之後實現從其處檢測到了輻射的束斑向減小的視場中各個位置的移動，從而使得在所述減小的視場上分布的減小的數目的束斑處檢測輻射，所述減小的視場小於整個場景並且包含感興趣的對象，其中，所述減小的數目小於表示所述減小的視場的高密度信號圖案的圖案信號的數目，並且從在所述減小的數目的束斑處檢測到的輻射生成的輻射信號形成所述減小的視場的低密度信號圖案，並且其中，所述處理裝置適於處理所述減小的視場的低密度信號圖案的輻射信號，並且通過對所述減小的視場的低密度信號圖案應用壓縮感測來生成所述減小的視場的所述高密度信號圖案。在進一步改進的實施例中，提出所述控制裝置適於進一步逐步地減小視場並且執行從其處檢測到了輻射的束斑向進一步減小的視場中的各個位置的移動，其中，所述處理裝置適於處理所述進一步減小的視場的低密度信號圖案的輻射信號並且生成所述進一步減小的視場的高密度信號圖案。因此，根據這些實施例提出的方案使用縮小方法利用壓縮感測來獲取感興趣的場景的具有不同解析度的不同圖像(特別是至少兩個圖像，或者，更一般地，獲得兩個高密度信號圖案)。最初，整個FOV的低解析度圖像被用於檢測對象的限制。然後，定義僅包含感興趣的目標的新的F0V，然後獲得具有稍微更好的解析度的第二圖像。此過程可以繼續，直到任何可疑的隱藏對象被識別出或者得出根本不存在隱藏對象的結論為止(或者直到達到迭代的上限為止)。
在又一個實施例中，所述控制裝置適於實現束斑(從該束斑檢測到輻射)向減小的視場中的各個位置的移動，從而使得在所述減小的視場中的高數目的束斑處檢測輻射， 所述減小的視場小於整個場景並且包含感興趣的對象，其中，所述高數目對應於表示所述減小的視場的高密度信號圖案的圖案信號的數目，並且從在所述高數目的束斑處檢測到的輻射生成的輻射信號形成所述減小的視場的高密度信號圖案，並且其中，所述處理裝置適於處理所述減小的視場的所述高密度信號圖案的輻射信號。因此，在最後的迭代中，例如， 如果視場已經足夠小，則不再應用壓縮感測，而是從此小的視場，從覆蓋整個視場的所有束斑檢測輻射，並且從在所有束斑處檢測到的所有輻射，重構圖像或者獲得高密度數據圖案。優選地，在又一實施例中，提供檢測裝置在高密度信號圖案中檢測感興趣的對象並且將關於檢測到的感興趣的對象的對象信息(特別是感興趣的對象的位置和大小)提供給所述控制裝置。此對象信息然後被控制裝置用於減小視場以用於下次迭代，並且用於判斷在下次迭代中是否要再次應用壓縮感測或者用於判斷是否例如因為視場足夠小而可以進行完全掃描。這些檢測裝置可以使用圖案識別算法，例如與自動目標識別算法相結合的圖案識別算法。這些算法例如在2000年Springer中M. Bennamoun^PG. J. Mamic的〃 Object Recognition -Fundamentals and Case Studies"中被描述。作為替代或者另外，在另一實施例中，提供用戶接口來將關於檢測到的感興趣對象的信息(特別是感興趣的對象的位置和大小)和/或關於減小的視場的位置和大小的視場信息輸入並提供給所述控制裝置。這樣的接口可以是計算機端子，例如用戶可用來在示出先前獲得的圖像的顯示畫面上指示出減小的視場的指針。


本發明的這些和其他方面將從如下所述實施例而變得明顯並且將在下面參考如下所述實施例來更詳細說明。在附圖中圖1示出根據本發明的被動式輻射測量成像設備的示意性框圖；圖2示出根據本發明的成像設備的第一實施例的更詳細示意性框圖；圖3示出根據本發明的成像設備的第二實施例的更詳細示意性框圖；圖4示出說明傳統採樣的示圖；圖5A-5B示出原始圖像和僅從原始圖像的一部分小波係數重構的圖像；圖6示出在圖5A中所示的圖像的小波係數；圖7示出一般的壓縮感測方法的步驟的示圖；圖8示出K3中的稀疏向量(sparse vector)和範數IO ；圖9A-9B示出範數12和Il的幾何求法；圖10A-10B示出總變差變換應用於樣本畫面的示例；圖1IA-IID示出束斑的連續移動的各種軌跡；圖12示出根據本發明的用在裝置中的輻射計的另一示例；圖13示出說明根據本發明的成像設備的第三實施例的示意性框圖；圖14A-14C示出軌跡和創建軌跡的另一實施例；圖15示出說明根據本發明的主動式成像設備的實施例的示意性框圖；圖16到圖18示出說明根據本發明的使用縮小法的成像設備的實施例的示意性框圖；圖19示出在圖16到圖18中所示的實施例中使用的方法的流程圖。
具體實施例方式隱藏對象檢測系統主要用於以下場所的入口 進入的人非常多，因而由於時間限制問題以及由於人為錯誤而容易出錯使得手動掃描是不實際的(機場、海關、辦公樓、學校等)。這樣的系統可以a)檢測隱藏在人們的衣服下的(金屬的或者陶瓷的)武器、易爆物和其它禁止項目的存在、位置和標識(identification)；以及b)在不侵犯任何人的隱私的情況下快速、安全地監視人是否有(金屬的或者陶瓷的)武器、易爆物和其它禁止項目。毫米波長成像和對象檢測系統的目的將不僅僅是定位所關注的對象，而且還用於識別它是什麼。此識別處理始於檢測並且經歷在各處描述為辨識和分類的處理。因此，「 檢測"常被定義為"用於將可能感興趣的對象與其周圍的事物區分開的處理"。然而，操作員可能不知道哪種類型的對象被檢測出，而只知道某種東西被檢測出。傳統的排查金屬檢測器會令操作員知道金屬對象已經通過入口，但是這些系統不提供金屬對象的位置或者金屬對象的類型(槍枝或鑰匙)的標識。此外，要在這樣的情形中使用的對象檢測系統必須同時可靠和迅速。可靠在這裡指系統能夠以可接受的少量的錯誤的肯定檢測和大量的正確的肯定檢測來檢測出比某一特定大小更大的對象。可實現的空間解析度依賴於系統的波長並且須被作為設計參數來考慮。系統的速度將依賴於獲取單元的具體實現方式(掃描機制)以及圖像處理算法。從系統架構的角度來看，這樣的系統的最簡單的實現方式將是使用單對發射器-接收器(其能夠使用某種機械移動來掃描感興趣的場景(人體、行李箱等等))。雖然簡單，但是這樣的實現方式中的獲取時間對於(例如在機場中的)隱藏對象檢測應用系統來說是不切實際的。優選的解決方案通常包括一些電子掃描裝置，具體為用於向/從對象發射、接收和/或反射毫米波輻射的發射器、接收器和/或反射器天線陣列。這樣的天線陣列可以使用傳統的模擬相控陣列或二進位反射器陣列來構建。在任一種情況中，天線陣列通常把包含大量個體毫米波射線的毫米波輻射束引向3D空間中與包含對象的場景中的體素相對應的點或體積。這是通過將陣列中的每個天線元件編程有使得天線元件能夠修改相應毫米波射線的相位的相應相移來實現的。每個天線元件的相移被選擇為使得來自各個天線元件的所有的個體毫米波射線基本同相地到達目標。可編程的/可重新配置的天線/反射器陣列在US 7，224，314中描述。圖1示出根據本發明的用於對場景成像的被動式輻射測量成像設備10的總體布局的示意性框圖。所述設備10例如可用於對(例如中性的，neutral)背景前的人進行掃描以檢測此人是否攜帶隱藏式武器。設備10包括輻射計12、束斑移動裝置14和控制裝置16， 輻射計12用於檢測從場景的束斑發射的在預定頻譜範圍內的輻射並且從所檢測到的輻射生成輻射信號，束斑移動裝置14用於執行從其處檢測到輻射的束斑到各種位置的移動，控制裝置16用於控制所述束斑移動裝置14執行束斑從一個位置到另一個位置的移動以便在場景M上分布的一定數目的束斑處檢測輻射。所述數目小於所述高密度信號圖案的圖案信號的數目，並且從在所述數目的束斑處檢測到的輻射生成的輻射信號形成低密度信號圖案。此外，設備10還包括處理裝置18，處理裝置18用於處理所述低密度信號圖案的輻射信號並且通過對所述低密度信號圖案應用壓縮感測來生成所述高密度信號圖案。圖2示出被動式輻射測量成像設備IOa的實施例的更詳細框圖，其中，單個輻射計 1 包括具有銳束(sharp beam) 20的天線，銳束20定義像素或束斑22的大小，在本實施例中，像素或束斑22為圓形，場景M通過像素或束斑22而被掃描並且輻射從像素或束斑22 被檢測到。包括此天線的輻射計1 被附接到馬達14a，馬達1 表示束斑移動裝置14。所述馬達Ha可以在高度(elevation)和方位(azimuth)這兩個方向上移動輻射計12a(具體為移動輻射計1 的天線)，以實現束斑22在場景M中的例如沿著預定軌跡23的移動。 按照這種方式，場景M的視場(即全部場景M或預定區域)在兩個維度上被掃描。馬達控制單元16a被提供用於對馬達1 給出將束斑移到所希望位置的適當命令，以使得輻射計1 獲取來自該束斑的輻射並且生成輻射信號。然而，根據本發明，與從所有束斑獲得輻射的一般掃描相比，僅僅從減少的數目的束斑獲得輻射信號。例如，僅僅從所有束斑的50% (—般而言，少於所有束斑的90%但是多於10%)獲得輻射信號。因此， 根據本發明，通過對感興趣的場景進行下採樣，即，通過比標準獲取處理採用更少的樣本， 相對於傳統掃描減少了掃描時間。所獲得的輻射信號(其形成低密度信號圖案)然後被處理，例如，通過使用圖像的某種稀疏表示(例如，總變差)進行壓縮感測來重構圖像和具有一定數目的圖案信號(該數目大於所述低密度信號圖案的輻射信號的數目)的高密度信號圖案。根據一個實施例，束斑被移動到的位置是隨機確定的，例如從某一預先定義的列表或表格中選擇，該列表或表格例如存儲了束斑隨後要被移動到的位置的預定軌跡。這樣的列表或表格可被存儲在存儲單元沈中。在對場景M的掃描完成之後，從所檢測到的來自各個像素的輻射獲得的輻射信號(例如，在束斑22被定位在場景M的各個位置時由輻射計1 獲得的)優選地在由模數(ADC)轉換器觀進行數位化之後被提供給重構單元18 (表示本實施例中的處理裝置)。 所述重構單元18對所獲取的樣本應用壓縮感測技術以最終重構出原始圖像30。用於選擇束斑移動位置和從其檢測到輻射的束斑數目的確切過程將依賴於每個應用並且一般被調諧成在圖像解析度和掃描時間之間獲得最佳結果。在任何情況中，總的掃描時間應當少於未應用壓縮感測的情況。替代存儲預先定義的位置或軌跡時間的存儲單元沈，可以提供隨機生成器32來隨機地生成位置，例如，每當束斑22被移動到新位置時，下一位置就被確定。所述隨機生成器32例如可被實現為偽隨機數生成器，偽隨機數生成器以隨機選擇的初始位置為基礎基於預定算法生成隨後的位置。圖3示出根據本發明的被動式輻射測量成像設備IOb的另一實施例的框圖。在本實施例中，不是通過馬達(或者其他機械移動裝置)機械地移動輻射計12b(包括天線) 來實現束斑22在場景M中的移動，而是提供電子束斑移動裝置14b來電子地移動/定位所述輻射計的靈敏度輪廓，從而實現束斑的移動。所述電子束斑移動裝置14b例如通過電子束定位裝置或電子束形成裝置來實現。這樣的數字束形成裝置的示例在Antennas andPropagation,2007, EuCAP 2007, Nov. 2007, pp. 1-11 ψ N. A. Salmon ^AW Digital Beam-Forming for Passive Millimitre Wave Security Imaging"中被描述。這些電子束斑移動裝置14b由束控制單元16b控制，類似在圖2中所示的馬達控制單元16a，束控制單元16b選擇用於束斑22的移動的各個位置。接下來，將一般地說明壓縮感測的基本原理。獲得關於信號χ的信息的感測機制可以被表達為信號本身與波形基{仍}的相關性yk =(x,^),k = 1, . . . , N例如，如果感測波形是迪拉克德耳塔(Dirac delta)函數，則y為χ在時間或空間域中的採樣值的向量。如果感測波形為正弦曲線(例如，正如在磁共振成像(MRI)中所發生的那樣)，則y為傅立葉係數的向量。這些感測波形形成正交基，正交基被稱為感測正交基，或者當感測操作被以矩陣格式表達時被稱為感測或測量矩陣。圖4示出對於迪拉克德耳塔情況的感測或測量矩陣。從圖4還可以看出，雖然感興趣的信號χ只具有三個非零元素，但是向量中的所有 N個位置都被測量矩陣進行採樣。非零元素在向量中的位置是未知的，並且因此不可能設計出精確地在那些位置處對信號χ進行採樣的測量矩陣。然而，這提出了如下問題是否能夠設計出將允許我們只採用與信號的維度相比而言較少數目M個測量結果(M<<N)但是仍能夠恢復信號的感測矩陣。這正是壓縮感測設法要實現的根據少量的測量結果，完全恢復信號或者獲得對信號的非常良好的近似。成功將壓縮感測範例應用於信號或圖像依賴於以下兩個原則與感興趣的信號有關的稀疏性(sparsity)，以及涉及採樣形式的不相干性。稀疏性表達這樣的思想信號的信息率可大大小於其帶寬所暗示的信息率。實際上，許多自然信號當被以傳統基被表達時具有簡潔的表示。例如考慮在圖5A中所示的(完整)圖像和在圖5B中所示的其小波變換。雖然近乎所有的圖像像素都具有非零值，如在圖 6中所示，但是大多數小波係數是小的並且相對很少的大係數捕獲了大多數信息原始圖像(圖5A)和通過僅使用25. 000最大係數獲得的重構圖像(圖5B)之間的差異幾乎察覺不到。假定χ為實數值的、有限長度的一維離散時間信號(其可被視作(RN中具有元素
χ [η] (η = 1,2,... ,N)的NXl列向量)。中的任何信號都可以按照NX 1向量的正交基
{￥ji = 1,2,. . .，N來表示。利用以向量{1^}為列的NXN基矩陣Ψ = [Ψ1; Ψ2· · · ΨΝ]，
信號χ可被表達為 NX = ^ Wi.或者 χ=Ψβ
/=1其中，s是加權係數\ = {χ,ψ) = ψ!Λ的NX 1列向量。清楚地，s和χ是同一信號在不同域中的等價表示。如果信號χ僅僅是K個基向量的線性組合，則信號χ為K階稀疏(K-sparse)；即， Si係數中只有K個為非零並且(N-K)個為零。感興趣的情況是當K << N時。如果前面的表示正好具有很少的大係數和很多的小係數，則信號χ是可壓縮的。測量矩陣Φ必須使得能夠從M < N個測量結果(向量y)重構長度為N的信號χ。 因為M K的情況下該問題可以被解決。用於使此簡化問題成為良態的必要充分條件是對於與s共享相同的K個非零項的任意向量ν並且對於一些> 0的情況滿足下式
權利要求
1.一種輻射測量成像設備(10)，用於掃描場景04)並且生成表示所述場景04)的高密度信號圖案，所述設備包括輻射計(12)，用於檢測從所述場景04)的束斑0 發出的在預定頻譜範圍內的輻射， 並且從檢測到的輻射生成輻射信號；束斑移動裝置(14)，用於實現被檢測到輻射的束斑0 向各個位置的移動；控制裝置(16)，用於控制所述束斑移動裝置(14)實現所述束斑0 從一個位置到另一位置的移動，從而使得在所述場景04)上分布的一定數目的束斑處檢測輻射，其中所述數目小於所述高密度信號圖案的圖案信號的數目，並且從在所述數目的束斑處檢測到的輻射生成的輻射信號形成低密度信號圖案；和處理裝置(18)，用於處理所述低密度信號圖案的輻射信號並且通過對所述低密度信號圖案應用壓縮感測來生成所述高密度信號圖案。
2.根據權利要求1所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於控制所述束斑移動裝置(14)以使得所述低密度信號圖案的輻射信號的數目比所述高密度信號圖案的圖案信號的數目低了從10%到90%範圍內的因子，特別是從25%到75%範圍內的因子。
3.根據權利要求1或2所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於控制所述束斑移動裝置(14)以使得被檢測到輻射的束斑0 基本均等地分布在所述場景04) 上。
4.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於控制所述束斑移動裝置(14)以實現所述束斑0 在所述場景04)上的連續移動。
5.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於控制所述束斑移動裝置(14)以實現在所述場景04)上沿著預定軌跡的移動，特別是沿著 Z字形軌跡03a)、蜿蜒形軌跡(23c，23d)或螺旋形軌跡(23b)移動。
6.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於根據所述場景的所希望的圖像解析度、要被掃描的對象在所述場景內的分布和/或所述場景04)的圖像的稀疏性來控制所述束斑移動裝置(14)。
7.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於隨機地確定所述束斑從一個位置到下一位置的移動方向。
8.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述束斑移動裝置(14) 包括機械束斑移動裝置(Ha)，所述機械束斑移動裝置(14a)用於實現所述輻射計(12a)相對於所述場景04)的相對移動來實現所述束斑0 的移動，特別是用於機械地移動所述輻射計(12a)來實現所述束斑0 的移動。
9.根據權利要求1到7中任一項所述的輻射測量成像設備，其中，所述束斑移動裝置 (14)包括電子束斑移動裝置(14b)，所述電子束斑移動裝置(14b)用於電子地移動所述輻 >射計(12a)的靈敏度輪廓來實現所述束斑0 的移動，所述電子束斑移動裝置具體為電子束定位裝置或電子束形成裝置。
10.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述處理裝置(18)適於通過向所述輻射信號應用Ii範數最小化算法來重構圖像。
11.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述場景04)的輻射信號在已知域中具有稀疏表示，所述已知域具體為總變差域、傅立葉域、小波域、曲波域。
12.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，還包括存儲器(沈)，所述存儲器06)用於存儲將要從其檢測輻射的束斑的位置的一個或多個列表，其中，所述控制裝置(16)適於從所述列表之一中選擇多個所分布的束斑的位置。
13.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，還包括位置生成裝置(32)， 所述位置生成裝置(3 用於通過使用預定函數或分布來確定所述多個所分布的束斑的位置，所述預定函數或分布具體為均勻的伯努利或高斯分布。
14.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於控制所述束斑移動裝置(14)實現移動，以使得在不規律地分布在所述場景04)中的多個束斑處檢測輻射。
15.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述輻射計(12a，12b) 包括單個輻射計單元，所述單個輻射計單元用於檢測從表示單個像素的束斑0 發出的輻射。
16.根據權利要求1到14中任一項所述的輻射測量成像設備，其中，所述輻射計(12c) 包括輻射計單元(1 的行或陣列，用於檢測表示從像素行或陣列的束斑0 發出的輻射。
17.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述輻射計適於檢測在毫米波長範圍內發出的輻射，所述毫米波長範圍具體為從0. Imm到100mm，優選為從Imm到 IOmm0
18.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於將所述場景04)劃分成多個像素的塊(38a，38b)，從每個塊(38a，38b)選擇至少一個像素0 ,44b)，並且將所選擇的像素(44a，44b)連接以形成軌跡0 )，束斑沿此軌跡在所述場景04)上移動。
19.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，其中，所述輻射測量成像設備是主動式輻射測量成像設備，所述主動式輻射測量成像設備還包括用於向所述場景發出輻射的無線電發射裝置(52)，其中，所述輻射計適於檢測從所述場景04)反射的輻射。
20.根據權利要求1到18中任一項所述的輻射測量成像設備，其中，所述輻射測量成像設備是被動式輻射測量成像設備。
21.根據前述任一項所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於在表示所述場景04)的所述高密度信號圖案已被生成之後實現從其處檢測輻射的束斑0 向減小的視場(70)中各個位置的移動，以使得在所述減小的視場(70)上分布的減小數目的束斑處檢測輻射，所述減小的視場(70)小於整個場景04)並且包含感興趣的對象，其中，所述減小的數目小於表示所述減小的視場的高密度信號圖案的圖案信號的數目，並且從在所述減小的數目的束斑處檢測到的輻射生成的輻射信號形成所述減小的視場的低密度信號圖案，並且其中，所述處理裝置(18)適於處理所述減小的視場的低密度信號圖案的輻射信號並且通過對所述減小的視場的低密度信號圖案應用壓縮感測來生成所述減小的視場的所述高密度信號圖案。
22.根據權利要求21所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於進一步逐步地減小所述視場並且實現從其處檢測輻射的束斑0 向進一步減小的視場(70)中的各個位置的移動，並且其中，所述處理裝置(18)適於處理所述進一步減小的視場的低密度信號圖案的輻射信號並且生成所述進一步減小的視場的高密度信號圖案。
23.根據權利要求21或22所述的輻射測量成像設備，其中，所述控制裝置(16)適於實現從其處檢測輻射的束斑0 向減小的視場(70)中的各個位置的移動，以使得在所述減小的視場(70)中的高數目的束斑處檢測輻射，所述減小的視場(70)小於整個場景04) 並且包含感興趣的對象，其中，所述高數目對應於表示所述減小的視場的高密度信號圖案的圖案信號的數目，並且從在所述高數目的束斑處檢測到的輻射生成的輻射信號形成所述減小的視場的高密度信號圖案，並且其中，所述處理裝置(18)適於處理所述減小的視場的所述高密度信號圖案的輻射信號。
24.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，還包括檢測裝置，所述檢測裝置用於在高密度信號圖案中檢測感興趣的對象，並且將關於檢測到的感興趣對象的對象信息提供給所述控制裝置(16)，所述對象信息具體為感興趣的對象的位置和大小。
25.根據前述任一項權利要求所述的輻射測量成像設備，還包括用戶接口(68)，所述用戶接口(68)用於將關於檢測到的感興趣對象的信息和/或關於減小的視場的位置和大小的視場信息輸入並提供給所述控制裝置(16)，所述關於檢測到的感興趣對象的信息具體為感興趣的對象的位置和大小。
26.一種輻射測量成像方法，用於掃描場景04)並且生成表示所述場景04)的高密度信號圖案，所述方法包括以下步驟檢測從所述場景04)的束斑0 發出的在預定頻譜範圍內的輻射，並且從檢測到的輻射生成輻射信號；把從其處檢測輻射的束斑0 移動到各個位置；控制束斑移動裝置(14)實現束斑0 從一個位置到另一位置的移動，以使得在所述場景04)上分布的一定數目的束斑處檢測輻射，其中所述數目小於所述高密度信號圖案的圖案信號的數目並且從在所述數目的束斑處檢測到的輻射生成的輻射信號形成低密度信號圖案；以及處理所述低密度信號圖案的輻射信號並且通過對所述低密度信號圖案應用壓縮感測來生成所述高密度信號圖案。
27.一種電腦程式，包括程序代碼裝置，所述程序代碼裝置用於當所述電腦程式在計算機上被執行時執行如權利要求1中所述的輻射測量成像設備中的如在權利要求26中所述的方法的處理和重構步驟。
28.一種計算機可讀非暫時性介質，在其上存儲有指令，所述指令當在計算機上被執行時，使得所述計算機執行如在權利要求26中所述的方法的處理和重構步驟。
全文摘要
本發明涉及輻射測量成像設備及相應的方法。所提出的設備包括輻射計(12)，用於檢測從場景(24)的束斑(22)發出的在預定頻譜範圍內的輻射並且從檢測到的輻射生成輻射信號；束斑移動裝置(14)，用於實現被檢測到輻射的束斑(22)向各個位置的移動；控制裝置(16)，用於控制束斑移動裝置(14)實現束斑(22)從一個位置到另一位置的移動，以使得在場景(24)上分布的一定數目的束斑處檢測輻射，其中所述數目小於高密度信號圖案的圖案信號的數目並且從在所述數目的束斑處檢測到的輻射生成的輻射信號形成低密度信號圖案；和處理裝置(18)，用於處理低密度信號圖案的輻射信號並且通過對低密度信號圖案應用壓縮感測來生成高密度信號圖案。
文檔編號G01N22/00GK102236051SQ201110083780
公開日2011年11月9日 申請日期2011年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者卓那·諾格瑞亞-尼恩 申請人:索尼公司