一種稀疏線陣平面掃描主動毫米波成像方法與流程

2023-09-19 12:46:10

本發明涉及一種稀疏線陣平面掃描主動毫米波成像方法，屬於毫米波成像、安檢、無損檢測等技術領域。

背景技術：

近年來，恐怖主義威脅不斷加劇，在機場、海關、火車站等公共場所的安全檢查日益受到世界各國的廣泛關注，對安檢系統的準確性、實時性和智能化提出了更高的要求。

目前，人體成像安檢設備主要採用X射線背散射技術和毫米波成像技術。毫米波成像技術作為一種新型的安檢手段，具有快速、安全、保護隱私等諸多優勢，能夠檢測出隱藏在衣物下不同屬性的物體，目前被認為是能夠有效替代或配合其他安檢手段的方法。毫米波成像系統可分為兩類：主動毫米波成像系統和被動毫米波成像系統。與被動成像方式相比，主動成像方式得到的信息量更豐富，不僅能實現二維成像，還能夠實現三維成像，在背景輻射與人體輻射差異較小的室內環境尤其更具優勢。

成像解析度、成像時間與系統複雜度是研製主動毫米波成像系統所要考慮的主要因素。為了平衡系統複雜度與成像速度，許多主動毫米波成像系統的天線陣系統採用線陣布陣方式，在線陣方向進行電掃，在其垂直方向進行機掃，並利用開關網絡控制同一時刻一對收發天線發射與接收信號。為獲得高解析度，主動毫米波成像系統需要密集地採集大量數據，即使採用一維布陣方式，仍需要大量的收發天線單元，這增加了系統複雜度與成本，限制了主動毫米波成像系統在安檢等場合的大規模應用。因此，如何在保證圖像解析度的前提下大幅降低天線陣元數進而降低成像系統硬體成本成為一個迫切需要解決的關鍵問題。

技術實現要素：

本發明提供一種稀疏線陣平面掃描主動毫米波成像方法。相對於傳統的線陣平面掃描主動毫米波成像方法，該方法採用稀疏天線陣列布局，減少了天線單元數，降低了系統成本。

本發明的理論分析為：

以平面毫米波二維成像系統為例進行說明，系統模型如圖1所示。毫米波天線陣位於z＝z0平面。假設接收天線與發射天線在同一位置，如圖1中收發天線的坐標為(x',y',z0)。對於二維成像，假設目標物體位於z＝0平面，如圖1中點目標的坐標為(x,y,0)。為區分目標平面與天線陣平面，目標平面上的坐標用(x,y)表示，天線陣平面上的坐標用(x',y')表示。

主動毫米波成像系統的簡要工作過程如下：發射天線輻射毫米波照射到目標物體，被目標物體散射後一部分返回的回波信號被接收天線接收。設目標各點的散射係數為f(x,y,z)，對於上述二維成像場景，z固定為0，以下用f(x,y)簡單表示f(x,y,z＝0)。成像的目的就是根據接收天線接收的回波數據s(x',y',z0)(以下簡單表示為s(x',y'))，通過成像算法反演求出目標物體各點的散射係數f(x,y)。

目標的回波信號是成像區間內多個點目標回波信號的累加。對於上述場景，回波數據s(x',y')的表達式為：

式(1)中的指數項是以目標點(x,y,0)為球心的球面波信號表達式，它可以被分解為平面波信號的疊加，可表示為：

其中，為波數，f位信號頻率，c為光速；kx，ky，kz分別為2k在空間波數域沿坐標軸方向x,y,z的波數分量，滿足：

將式(2)代入式(1)整理得：

上式右邊中括號部分實際上對應的是f(x,y)的二維逆傅立葉變換(省略掉前面的常數)，令：

F(kx,ky)＝FFT-12D[f(x,y)] (5)

則，式(4)可化為：

即：

由於天線陣平面的坐標(x',y')與目標平面的坐標(x,y)處於同一坐標系，在不產生混淆的情況下將(x',y')簡化為(x,y)。由式(7)可得：

已知回波數據s(x,y)的條件下，根據式(8)與(9)即可反演求得f(x,y)。

上述理論分析假設收發天線在同一位置。在實際主動毫米波成像系統中，收發天線是分離的，由一對距離很近的收發天線近似地等效位於它們中點位置的一個收發同置天線。當採用傳統線陣布陣方式時(布陣示意圖見圖2)，線陣方向的採樣點數等於收發天線對的個數。為獲得線陣方向的高解析度，需要在線陣方向密集採集大量數據，對應地，就需要大量的收發天線單元。這增加了系統複雜度與成本，限制了主動毫米波成像系統在安檢等場合的大規模應用。比如，假設線陣方向掃描長度為L＝Nσ，採用圖2所示的傳統布陣方式，若想獲得σ的等效採樣間隔，需要N+1對收發天線對，即2(N+1)個天線。若要將等效採樣間隔減小為相應地天線個數需增加為原來的2m倍，需要4mN+2個天線。

為解決上述問題，本發明靈活利用相位中心近似原理，設計稀疏天線陣布陣方式，等效擴展天線陣列的密度，在保證等效採樣間隔的前提下大幅降低天線陣元數，進而降低成像系統複雜度與硬體成本。

相位中心近似原理實際上就是前面提到的將一對收發分置天線單元近似地等效為位於它們中點位置(等效相位中心)的一個收發同置天線。基於相位中心近似原理，本發明不再按傳統主動毫米波成像系統那樣固定地配對收發天線單元，而是通過合理設計天線布陣及開關網絡控制方式，靈活配置每個時刻的收發天線對，基於稀疏天線布陣實現密集數據採樣。

同樣假設線陣方向掃描長度為L＝Nσ，為獲得的線陣方向採樣間隔，本發明設計的平面掃描布陣方式如圖3所示。接收天線個數為N+1，均勻分布，相鄰接收天線間距為σ。第l個接收天線Rl-1在線陣方向的坐標為(l-1)σ,l＝1,2,…,N+1(由於本發明主要討論線陣方向的採樣間隔，因此除特別說明，下文所說的坐標與採樣間隔均指線陣方向的坐標與採樣間隔)。假設N＝Jn，將線陣方向掃描長度L＝Nσ＝Jnσ分成J段，每段長度為nσ，第j段起點坐標為(j-1)nσ，終點坐標為jnσ。發射天線的個數為M＝(J+1)m，第l個(l＝(j-1)m+i)發射天線Tl的坐標為

下面說明基於本發明的布陣方式，如何通過控制開關網絡靈活配置每個時刻收發天線單元的配對方式在線陣方向產生均勻間隔為的採樣點。對於線陣方向每段長度為nσ的掃描區域，如第j段[(j-1)nσ,jnσ)，j＝1,2,…,J，段內的等效採樣點由與本段對應的n+1個接收天線R(j-1)n,R(j-1)n+1,…,Rjn及2m個發射天線T(j-1)m+1,T(j-1)m+2,…,Tjm,Tjm+1,…Tjm+m共同產生。

將第j段的前m個發射天線T(j-1)m+1,T(j-1)m+2,…,Tjm與n+1個接收天線R(j-1)n,R(j-1)n+1,…,Rjn兩兩配對，總共可得到m(n+1)個等效採樣點，採樣點坐標為對應接收天線與發射天線的中點坐標。這m(n+1)個等效採樣點的坐標可表示為：

將第j段的後m個發射天線Tjm+1,Tjm+2,…,Tjm+m與該段中間的n-1個接收天線R(j-1)n+1,R(j-1)n+1,…,Rjn-1兩兩配對，總共可得到m(n-1)個等效採樣點，其坐標可表示為：

綜合上述兩部分的等效採樣點，在第j段共可得到均勻間隔為的2mn個採樣點，其坐標可表示為：

對每一段(j＝0,1,2,…,J)都採用上述策略配置與該段對應的收發天線對，最終可以實現對線陣方向長度為L＝Nσ＝Jnσ區域的均勻採樣，採樣間隔為

為達到的採樣間隔，本發明所設計的布陣方式，需要N+1個接收天線與M＝(J+1)m個發射天線(也可以將發射天線與接收天線對調)，共M+N+1，也即(m+n)J+m+1個天線。前面提到，若採用傳統線陣布陣方式，為達到的採樣間隔，需要的天線個數為4mnJ+2。可見，對於同樣的採樣間隔，本發明布陣方式所需天線個數約為傳統布陣方式的比如，當m＝n＝4時，天線單元數只有傳統布陣方式的1/8，這大大減少了所需天線單元數，顯著降低了硬體成本與系統複雜度。

另外需要說明的是，本發明給出的線陣布陣方式中，每組發射天線是並排排列，相鄰發射天線的間隔為在實際系統中若採用分離的天線，可能天線的尺寸會大於這樣發射天線就不能並排排列。此時可以將發射天線在機掃方向錯開，但在線陣方向的坐標不變，比如，第一段長度對應的發射天線布局可以如圖4所示。

採用圖4的布局方式，等效採樣點位置的線陣方向坐標不變，在與線陣方向垂直的機掃方向坐標不同，這可以在預處理時採用相應辦法將數據對齊。即使採用圖3所示的發射陣列並排方式，由於機掃方向運動的影響，在不同時刻機掃方向採樣點的坐標仍然會有所不同，同樣需要相應的定標與預處理過程。

與本發明布陣方式對應的收發天線開關網絡控制方式可以採取多種不同的實現形式，其基本要求是通過合理配對收發天線後實現在線陣方向間隔為σ/(2m)的等效均勻採樣。設每對收發天線連續工作的時間單元為△T，基於這個原則，本發明提供兩種具體的收發天線開關控制方式。

第一種收發天線開關控制方式為，對於各段j，j＝1,2,…,J,

(1)該段的第一個接收天線R(j-1)n連續工作m△T時間，同時前m個發射天線T(j-1)m+1,T(j-1)m+2,…,Tjm依次各工作△T時間。

(2)該段的中間n-1個接收天線R(j-1)n+1,…,Rjn-1，各連續工作2m△T時間，在每個接收天線工作的時間內，2m個發射天線T(j-1)m+1,T(j-1)m+2,…,Tjm+m依次各工作△T時間。

(3)該段的最後一個接收天線Rjn連續工作m△T時間，同時前m個發射天線T(j-1)m+1,T(j-1)m+2,…,Tjm依次各工作△T時間。

第二種收發天線開關控制方式為：對於各段j，j＝1,2,…,J,

(1)該段內的前m個發射天線T(j-1)m+1,T(j-1)m+2,…,T(j-1)m+m依次各工作(n+1)△T時間，在每個發射天線工作的時間內，n+1個接收天線R(j-1)n,R(j-1)n+1,…,Rjn依次各工作△T時間。

(2)該段內的後m個發射天線Tjm+1,Tjm+2,…,Tjm+m依次各工作(n-1)△T時間，在每個發射天線工作的時間內，該段的中間n-1個接收天線R(j-1)n+1,…,Rjn-1依次各工作△T時間。

如前所述，本發明通過靈活利用相位中心近似原理，設計稀疏線陣布陣方式，大幅降低了所需天線單元數。但在配對收發天線時，可能出現收發天線間距較大的情況，如前面的分析中可能出現的收發天線間距最大值為nσ。這時，分離收發天線的等效相位中心位置與真實的物理相位中心位置可能存在較大誤差，如不進行校正，將影響後端處理結果，降低成像質量。為此下面對等效相位中心誤差進行分析，並據此給出回波數據補償校正方法。

在前面如圖1所示成像系統模型的基礎上，現在不再假設收發天線在同一位置，而是間距為d。收發天線的坐標分別為(x'+d/2,y',z0)與(x'-d/2,y',z0)，它們中點位置(即等效相位中心)坐標為(x',y',z0)，目標點(x,y,0)到收發天線及其中點的距離分別為r1，r2與rc，幾何示意圖如圖5所示。圖5中的角α為目標點、等效相位中心連線與收發天線連線間的夾角，h為目標點到收發天線連線的垂直距離。r1，r2與rc的表達式分別為：

在收發分置的情況下，回波數據s(x',y')的表達式不再是式(1)，而是：

由於收發天線到目標點的距離和(r1+r2)與等效相位中心到目標點的雙程距離2rc存在誤差，式(1)與式(16)的回波數據也存在相位誤差。

參考圖5可知，

等效相位中心誤差定義為：

在假設rc>>d的條件下，將式(19)關於d按泰勒級數展開，並忽略高於二階的高階項，式(19)可簡化為：

當收發天線間距d很小時，相位中心誤差△R的值很小，此時可以直接使用相位中心近似而不用補償。工程上一種比較常用的標準是當時(λ為電磁波波長)時不用補償，反之需要基於式(20)進行相位誤差補償。由於式中的rc及α都與目標點位置有關，而接收到的回波數據s(x',y')是所有目標點散射信號的疊加，因此難以對每一個目標點的散射信號分別補償。在實際工程中，我們可以取目標物體參考中心點對應的rc及α(分別表示為rc0及α0)來代替所有目標點的rc及α。這樣，對於每一個等效採樣點接收到的回波數據，代入rc0及α0，便可以由式(20)計算相應的等效相位中心誤差補償項△R。將r1+r2＝2rc+△R代入式(16)，可得

據此，成像算法公式(8)相應地修正為

成像系統工作時，將每個等效採樣位置(x',y')的回波數據s(x',y')補償校正為s(x',y')ek△R，進行預處理後再利用式(22)與式(9)重建出目標物體各點的散射係數f(x,y)，得到對應的毫米波圖像。

附圖說明

圖1平面毫米波成像系統模型

圖2傳統平面掃描線陣布陣方式示意圖

圖3平面掃描稀疏線陣布陣方式示意圖

圖4發射天線錯開排列示意圖

圖5等效相位中心誤差分析示意圖

具體實施方式

下面將結合附圖3及一個具體例子對本發明進行進一步的說明。

假設毫米波工作頻率為100GHz，對應波長λ＝3mm，波數為設線陣方向為水平方向，機掃方向為豎直方向。線陣方向掃描長度為L＝1米，想要獲得的等效採樣間隔為5毫米，即0.005米，線陣方向共採200個點。若採用傳統線陣布陣方式，約需要200對收發天線，即400個天線單元。

採用本發明的平面掃描稀疏線陣布陣方式，取N＝25，接收天線個數為N+1＝26個，接收天線均勻排列，第一個接收天線坐標為0(米)，最後一個接收天線坐標為1(米)，相鄰接收天線間隔σ＝0.04(米)。將1米長掃描長度分為5段，即J＝5，n＝5，N＝Jn，每段長度為nσ＝0.2(米)。令m＝4，發射天線的個數為M＝(J+1)m＝24。第l個(l＝(j-1)m+i)發射天線Tl的坐標為比如，第5個(對應j＝2，i＝1)發射天線的坐標為0.2(米)。這樣，收發天線的總數為N+M＝26+24＝50，為傳統布陣方式所需天線個數(400)的1/8，顯著降低了天線單元數。

假設每對收發天線連續工作時間單元為△T＝50us，這樣線陣方向完成一輪電掃(採集200個點)所需時間為10ms。系統工作時，收發天線開關控制方式採用本發明介紹的第二種方法。如，首先發射天線T1連續工作(n+1)△T＝300us，在此期間，6個接收天線R0～R5依次各工作△T＝50us。然後發射天線T2連續工作(n+1)△T＝300us，同時接收天線R0～R5依次各工作△T＝50us，依次類推。

採用這種稀疏線陣布陣方式，收發天線對的最大距離約為dmax＝nσ＝0.2(米)。為減小等效相位中心誤差，提高成像質量，採用本發明介紹的補償方法進行校正。每對收發天線選定後，該對收發天線間隔d就確定，收發天線中點位置為等效相位中心(也即等效採樣點位置)，設其坐標為(x',y',z0)。假如目標物體的參考中心坐標為(0,0,0)，據此可以計算等效相位中心(x',y',z0)到目標物體參考中心(0,0,0)的距離rc0及對應的角度α0。然後根據計算出要補償的等效相位中心誤差，據此將等效相位中心(x',y')的回波數據s(x',y')修正為s(x',y')ek△R。得到採樣點數據後，對數據進行預處理，然後再基於式(22)與式(9)重建出目標物體各點的散射係數f(x,y)，進而得到目標物體的毫米波圖像。