太赫兹单频点下抑制目标厚度影响的二维孔径成像算法的制作方法

本发明涉及一种成像技术，特别涉及一种太赫兹单频点下抑制目标厚度影响的二维孔径成像算法。

背景技术：

太赫兹波：太赫兹波(THz waves)一般指频率在0.1THz-10THz(波长为3mm-30pm)范围内的电磁波，其频率范围处于宏观电子学向微观光子学过渡的区域，具有独特的物理特性和重要的研究价值。

太赫兹成像：太赫兹成像是太赫兹波的重要应用领域之一。基于太赫兹波的安全性、高分辨和穿透性等特点，太赫兹成像具有独特的优势：相比红外和光学成像，太赫兹成像可以穿透诸如衣物、木板和塑料等非极性材料：相比X射频和微波成像，太赫兹成像往往能够获取更高空间分辨率的图像：相比X射线成像，毫瓦量级功率的太赫兹成像一般认为对人体无害。依据是否有太赫兹源，应用于人体安检的太赫兹成像技术可以分为主动式和被动式两种。被动式成像利用辐射热计探测人体发射的太赫兹波来形成人体表面图像。由于人体辐射的太赫兹波非常微弱，被动式成像的成像结果往往对比度较低，图像不够清晰。而主动式成像则一般利用天线发射毫瓦级别的太赫兹波，太赫兹波穿透人体表面衣服，通过测量反射的太赫兹信号即可得到人体表面图像。主动式成像不仅图像对比度高，而且通过合成孔径的方法，可以取得较高的方位向分辨率。主动式太赫兹成像技术可以用于机场、地铁站等场所的近距离的人体安全检测。

合成孔径：合成孔径成像系统通过在一个方向顺序切换电子开关改变收发天线单元位置形成合成孔径，在另一维方向通过机械扫描形成合成孔径，雷达收发接收机在大的合成孔径上对目标散射场的幅度和相位进行记录，然后通过对散射场数据进行聚焦成像处理重构原始图像。

近距离成像：近远距离成像的划分与天线的辐射场划分有关，天线的辐射场由近至远一般可分为感应近距离、辐射近距离区(菲涅尔区)和远场区。定义d为天线的有效辐射口径长度，λ为天线辐射的电磁波波长，R为观测点与天线的距离，天线的近距离区域满足由于该发明算法主要应用场景是人体安检，因此近似认为是近距离成像。对于口径长度为d的天线，采用合成孔径成像时空间分辨率约为近距离成像的几何示意图如图2所示。在近距离成像算法中，对距离维进行相位误差校正是成像的一个重要环节，其校正的准确性直接影响成像的性能。常规近距离成像算法中距离维相位校正是基于目标是理想平面目标的假设，即目标点处于同一个平行于XOY观测平面的距离切平面内，按照该思路对距离维进行相位补偿的文献主要有：

(1)Yinsheng Zhang,Jungang Yang,Wei An.Single frequency two-dimensional synthetic aperture imaging system and imaging algorithm.Journal of National University of Defense Technology.2014；

(2)David Sheen,Douglas McMakin,Thomas Hall.Near-field three-dimensional radar imaging techniques and applications.Applied Optics.2010；

(3)Shichao Li,Chao Li,Wei Liu,et al.Study of Terahertz Super resolution Imaging Scheme With Real-Time Capability Based on Frequency Scanning Antenna.IEEE Transaction Terahertz Science and Technology,2016.

上述这几篇文献都是利用单频点进行两维方向维合成孔径成像，其成像性能局限于默认体目标无厚度的理想情况或者是体目标厚度相对于与观测平面之间的距离可以忽略不计的情况。因此，有必要提出一种针对常规目标都是具有一定厚度的体目标，用于抑制体目标厚度引起成像性能下降的太赫兹单频点二维合成孔径算法。

技术实现要素：

本发明是针对常规近距离成像算法在体目标存在厚度差异时引起成像效果下降的问题，提出了一种太赫兹单频点下抑制目标厚度影响的二维孔径成像算法，利用多个平行于观测平面的距离切平面对所有目标强散射点进行相位补偿，集合所有距离切平面下的成像结果再进行加权平均处理,从而改善体目标强散射点彼此间距离维信息的差异对成像造成的负面影响。在太赫兹单频点的两维方向维成像体系中，对目标距离方向上进行相位补偿的准确性直接影响成像效果。

本发明的技术方案为：一种太赫兹单频点下抑制目标厚度影响的二维孔径成像算法，具体包括如下步骤：

1)目标中心平面为XOY，在平行且与目标中心平面距离R₀处建立观测平面X'OY'，观测平面中心点z＝-R₀；体目标的强散射点坐标为(x,y,Δz)，其中Δz是在距离维方向上目标点偏离默认目标距离切平面z＝0的距离；收发天线处于z＝-R₀的观测平面上，收发天线的坐标为(x',y',-R₀)；

2)发射机发出的太赫兹单频点信号为：s_t(t)＝e^j2πft，其中f为载波频率，接收天线接收到强散射点的回波信号为：

其中c为真空状态下的光速，g(x,y)为目标强散射点(x,y,Δz)的散射系数；x、y是强散射点在默认z＝0目标XOY平面上的坐标，Δz是(x,y)处强散射点在距离维与默认值z＝0的实际偏离值；x'、y'是观测平面上收发机的坐标；

对发射信号与接收信号进行下变频处理，消除时间变量t，得：

3)太赫兹安检成像，成像场景处于近距离范围，将步骤2)经过变频的回波信号经过球面波分解之后，得到从空间域转变到波数域的回波，回波表示为：

其中为波数域频率；k_x'、k_y'、k_z'是波数域中X、Y、Z方向的波数域频率分量；

4)设强散射点目标的Z方向坐标分布在(-△z_max,△z_max)区间内，即△z∈(-△z_max,△z_max),采用多个距离平面独自补偿成像，再集合所有成像结果进行加权平均的方式，进行一系列距离切面成像结果的像素级叠加，其中第m个距离切平面的相位补偿为：

z_m∈(-Δz_max,Δz_max),m＝1,…,M；z_m为其中一个用于距离维相位补偿时引入的切平面,修正后的距离维补偿因子为

根据一系列距离切平面进行相位补偿之后利用两维逆傅里叶变换得到图像的图像熵的大小关系来确定加权权值，即根据第m个距离切平面反演得到的目标像为：

加权权值w＝[w₁,w₂,...,w_M]^T，满足w_m∈(0,1)；

则根据M个不同重构结果及其加权权值得到最优图像为：

所述步骤3)中成像场景处于近距离范围，此时发射天线发射信号到达目标平面的波前形式保留球面波的特性。

所述步骤4)中根据每一个补偿平面补偿之后图像的图像熵的大小关系，来确定权值，具体为：

设定第m幅图像共有N种灰度，并且各种灰度之间的概率分别为p₁,p₂,...,p_N,则根据香农定理，图像的图像熵表示为：

M幅图像总的图像熵为：

对应图像的加权权值为：

本发明的有益效果在于：本发明太赫兹单频点下抑制目标厚度影响的二维孔径成像算法，通过采用多个距离切面的像素级叠加来相位进行补偿，能够有效的抑制体目标厚度对成像算法所造成的影响，能够更准确的重构出强散射点目标散射特性分布。

附图说明

图1为本发明二维成像算法的流程图；

图2为本发明体目标与观测平面空间分布示意图；

图3为本发明近距离成像的几何示意图；

图4为本发明目标点的三维像图；

图5为本发明目标点沿方向位的切平面图；

图6为未采用加权平均处理的重构图像；

图7为本发明采用加权平均处理的重构图像。

具体实施方式

本发明提出的是一种基于太赫兹频段用于抑制体目标厚度造成影响的单频点二维合成孔径成像算法。如图1所示该算法的具体步骤如下：

1、如图2为体目标与观测平面空间分布示意图。观测平面X'OY'位于z＝-R₀处，目标平面为XOY，且两个平面平行，即X'OY'//XOY；体目标的强散射点坐标为(x,y,Δz)，其中Δz是在距离维方向上目标点偏离默认目标距离切平面z＝0的距离；处于z＝-R₀的观测平面上收发天线的坐标为(x',y',-R₀)。则天线到目标点的距离为：

2、发射机发出的太赫兹单频点信号为：s_t(t)＝e^j2πft，其中f为载波频率。接收天线接收到强散射点的回波信号为：

其中c为真空状态下的光速，g(x,y)为目标强散射点(x,y,Δz)的散射系数；x、y是强散射点在默认z＝0目标XOY平面上的坐标，Δz是(x,y)处强散射点在距离维与默认值z＝0的实际偏离值；x'、y'是观测平面X'OY'上收发机的坐标。

对发射信号与接收信号进行下变频处理，消除时间变量t，得：

3、该发明主要应用于太赫兹安检成像，其成像场景处于近距离范围，因此成像场景处于近距离的位置。此时发射天线发射的信号到达目标平面的波前的形式无法同远距离场景一样近似为平面波，波前保留球面波的特性，因此要作为球面波来处理(如图3所示)。

现行的多种优化反演方法都利用的是将球面波分解为两个互相垂直方向上平面波叠加的方式。对上述回波中的球面积分，经过平面波叠加展开后，再沿X,Y方向映射到波数域，即经过球面波分解之后可以得到从空间域转变到波数域的回波，回波表示为：

其中为波数域频率；k_x',k_y',k_z'是波数域中X,Y,Z方向的波数域频率分量。

X,Y,Z方向的波数域频率范围为：

其中L_x,L_y分别为收发机在观测平面X和Y方向的有效孔径长度(如图2所示)。

4、对回波信号中存在的距离维方向上相位偏移进行补偿。再进行二维傅里叶逆变换，从而实现目标回波信号重构出目标散射特性分布的功能。

在基于单频点的两维方向维成像中，两维方向维的高分辨由合成孔径的有效长度贡献，而由于成像中仅利用单点频信号，其距离维分辨能力有限，可认为无距离维分辨能力。回波信号中存在与距离维相关的坐标偏差Δz以及常量R₀，为了消除其对成像的影响，需要对它们造成的相位偏移进行补偿。由于仅仅利用单点频信号，无法获取距离维的信息，因此实际体目标距离维存在的坐标偏差Δz导致仅利用探测平面和目标中心平面的默认距离R₀进行的相位补偿无法消除已有的相位偏移，还会引入新的相位偏移，造成成像的性能下降，甚至失败。该发明针对实际中待测目标通常具有一定厚度差异，导致散射点的距离信息存在差异的现象，为了抑制其对成像的影响，考虑目标具有一定的厚度信息，设强散射点目标的Z方向坐标分布在(-Δz_max,Δz_max)区间内，即Δz∈(-Δz_max,Δz_max)。采用多个距离平面独自补偿成像，再集合所有成像结果进行加权平均的方式，进行一系列距离切面成像结果的像素级叠加，进行图像重构。其中第m个距离切平面的相位补偿为：

z_m∈(-Δz_max,Δz_max),m＝1,…,M；z_m为其中一个用于距离维相位补偿时引入的切平面。修正后的距离维补偿因子为

根据一系列距离切平面进行相位补偿之后利用两维逆傅里叶变换得到图像的图像熵的大小关系来确定加权权值，即根据第m个距离切平面反演得到的目标像为：

加权权值w＝[w₁,w₂,...,w_M]^T，满足w_m∈(0,1)；

根据每一个补偿平面补偿之后图像的图像熵的大小关系，来确定权值。

设第m幅图像共有N种灰度，并且各种灰度之间的概率分别为p₁,p₂,...,p_N,则根据香农定理，图像的图像熵表示如下：

M幅图像总的图像熵为：

对应图像的加权权值为：

根据各个反演得到的目标像与它所对应的加权权值得到最终的图像：

利用多个距离切面的像素级叠加的方式来对相位进行补偿能够有效的抑制体目标厚度对成像算法所造成的影响。相比于不使用加权均值方式处理的图像，能够更准确的重构出强散射点目标散射特性分布。

图6为未采用加权平均进行处理的图像，图7为采用加权平均进行处理的图像。比较后很明显图7更清晰。