一种近距离微波成像方法及系统与流程

本发明实施例属于近距离微波成像技术领域，尤其涉及一种近距离微波成像方法及系统。

背景技术：

近距离微波成像技术采用主动发射微波波段的电磁波的方式对物体进行扫描成像，因其能够穿透物体表面而检测藏匿于物体内部的金属或非金属违禁品，且由于其具有辐射剂量小、属于非电离辐射等特点，广泛应用于安检系统，用于执行人体安全检查任务。

然而，目前较为流行的近距离微波成像技术，均要求首先得到所有等效天线采集位置处的回波数据组成的回波数据集，再传送将回波数据集发送至安检系统的信号处理设备进行统一成像处理，才能得到目标点物体的图像，无法在数据采集的过程中同时进行成像处理，数据处理效率低下。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种近距离微波成像方法及系统，能够在数据采集的过程中同时进行成像处理，可以有效提升近距离微波成像的处理速度、缩短处理时间，实现实时成像。

本发明实施例一方面提供一种近距离微波成像方法，其包括：

将目标区域划分为预设分辨率大小的栅格集；

建立存储所述目标区域的成像结果的存储区域，所述成像结果以预设分辨率大小的矩阵形式表示，所述栅格集中的每个栅格均对应所述矩阵中的一个元素，元素的值即为其对应的栅格的成像结果；

控制由预设个数的天线组成的线性阵列天线绕预设的圆弧轨道旋转扫描所述目标区域，在所述圆弧轨道上的每个方位角位置点，控制所述线性阵列天线采集预设个数的回波数据，并将所述预设个数的回波数据构成的回波数据集发送给信号处理设备，直到所述线性阵列天线在所述圆弧轨道上的预设方位角位置点完成回波数据的采集时止；

控制所述信号处理设备每接收到一次所述回波数据集，则对所述回波数据集进行成像处理，并将成像结果保存在所述矩阵中。

本发明实施例另一方面还提供一种近距离微波成像系统，其包括：

栅格化模块，用于将目标区域划分为预设分辨率大小的栅格集；

分区存储模块，用于建立存储所述目标区域的成像结果的存储区域，所述成像结果以预设分辨率大小的矩阵形式表示，所述栅格集中的每个栅格均对应所述矩阵中的一个元素，元素的值即为其对应的栅格的成像结果；

数据采集模块，用于控制由预设个数的天线组成的线性阵列天线绕预设的圆弧轨道旋转扫描所述目标区域，在所述圆弧轨道上的每个方位角位置点，控制所述线性阵列天线采集预设个数的回波数据，并将所述预设个数的回波数据构成的回波数据集发送给信号处理设备，直到所述线性阵列天线在所述圆弧轨道上的预设方位角位置点完成回波数据的采集时止；

数据处理模块，用于控制所述信号处理设备每接收到一次所述回波数据集，则对所述回波数据集进行成像处理，并将成像结果保存在所述矩阵中。

本发明实施例通过控制信号处理设备每接收到一次回波数据集，则对所述回波数据集进行成像处理，可以有效提升近距离微波成像的处理速度、缩短处理时间，实现实时成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明的一个实施例提供的笛卡尔坐标系下的柱面扫描系统的示意图。

图2是本发明的一个实施例提供的近距离微波成像方法的流程框图；

图3是本发明的一个实施例提供的步骤S40的流程框图；

图4是本发明的一个实施例提供的近距离微波成像系统的结构框图；

图5是本发明的一个实施例提供的数据处理模块的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

本发明所有实施例基于近距离微波成像系统实现，该系统由线性排列的预设个数的天线组成的线性阵列天线、信号收发设备和机械旋转设备和信号处理设备。

在具体应用中，信号处理设备可以采用图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)。

机械旋转设备控制线性阵列天线旋转，信号收发设备通过线性阵列天线在旋转过程中发射信号并接收待成像物体反射的回波数据，信号收发设备将回波数据发送给信号处理设备处理为成像结果实现对待成像物体上各采样点的扫描成像。根据线性阵列天线旋转过程中的等效相位位置所形成的扫描面的形状，可以将近距离微波成像系统分为平面扫描系统或柱面扫描系统。

以下着重介绍柱面扫描系统的工作原理：

如图1所示，设定待成像物体为人体，人体自然站立的平面为水平面，设定与X轴正交且处于同一水平面的轴为Y轴，设定X轴、Y轴和Z轴相交于所述集合中轴线上的一点O，以O为原点建立包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系X-Y-Z-O。

N个天线在垂直于水平面的Z轴方向上组成线性阵列天线，线性阵列天线距柱面扫描系统的几何中轴线的距离为ρ，该线性阵列天线绕所述几何中轴线旋转一周后，等效形成在柱面上分布的等方位角间隔、等高度间隔的多个等效天线位置，该等效天线位置称为天线的等效相位中心。

以柱面坐标表示某个天线等效相位中心的位置，其中表示以等方位角间隔采样的条件下，第m个方位角位置处的采样点的方位角坐标值，其中，m的范围为0≤m≤M-1，M表示同一天线绕所述几何中轴线旋转一周的采样点的总数，方位角是指某一天线的X轴坐标的变化角度；zn表示在Z轴方向上等间隔采样的条件下，Z轴方向上第n个采样点的Z轴坐标值，其中，n的范围为0≤n≤N-1，N表示线性阵列天线在Z轴方向上的采样点的总数。在某个方位角坐标值处，天线的微波信号的发射和接收是通过控制微波开关的通断电来实现的，线性阵列天线所包括的第0个天线的等效相位中心依次向第N-1个天线的等效相位中心扫描时，微波开关的切换速度在纳秒级别，信号的发射和接收的时间在几十纳秒级别，因此，线性阵列天线在扫描过程中不同天线之间的扫描时间差异可以忽略不计，可以认为线性天线阵列的所有天线均是同时发射和接收信号。

在具体应用中，机械旋转设备控制线性阵列天线沿着与线性阵列天线正交的圆弧轨道旋转运动，以对待测物体进行扫描，扫描一周即完成0～2π(包括端点值)角度的旋转，所需时间为5～6秒钟。

设定，某一天线的等效相位中心处发射的微波信号st(t)为线性调频信号，其表达式为：

其中，t表示时间，A表示发射的信号幅度，Ts表示发射的信号宽度，fc表示发射的信号的中心频率，B表示发射的信号的带宽。

假设人体目标区域中某个位置处的目标点P在笛卡尔坐标系中的坐标为(xP,yP,zP)，其散射系数表示为σ(xP,yP,zP)，则对于某个柱面坐标处的天线的等效相位中心，微波信号st(t)照射在目标点P上，经目标点P散射后被坐标处的天线接收的信号表示为：

其中，0≤m≤M-1，0≤n≤N-1，A′表示接收的信号的幅度，C表示电磁波在真空中传播速度，F时表示目标点P是否在当前天线照射范围内的因子，当目标点P处于当前天线的照射范围时，F值取1，否则F值取0，V表示目标点P属于人体目标区域，R表示目标点P和当前天线的等效相位中心的瞬时斜距，R的表达式为：

接收到的信号sr(t)在信号收发设备中经过模拟解线性频调(analogue de-chirp)操作后，表示为如下形式：

其中，f表示信号的频率，其范围是f∈[fc-B/2,fc+B/2]。

上述信号再经过模数采样后即为当前柱面坐标处的天线的等效相位中心所采集到的一条回波数据，设模数采样后共在信号频率轴f上采集了L个采样点，则在柱面坐标处的天线的等效相位中心位置采集到的回波数据的表达式为：

其中，fl表示第l个频点的频率。通常，三维成像处理的目的是通过多条回波数据去反演或重建人体目标区域V上所有目标点的散射系数的空间分布σ(xP,yP,zP)，其中，(xP,yP,zP)∈V。

在固定的方位角坐标值处，可以获得线性阵列天线上N个天线的N个等效相位中心位置采集到的由N条回波数据组成的回波数据集

其中l＝0,1,...,L-1。

现有技术中，通常通过获取所有天线的效相位中心位置采集到的回波数据组成的数据集然后对数据集中所有回波数据所对应的采样点的时间频率信息进行成像处理，从而生成人体目标区域的三维图像，耗费的数据处理时间较长。

本发明实施例在于提供一种近距离微波成像方法和系统，通过将线性阵列天线在每个方位角位置处采集得到的回波数据集

及时发送给信号处理设备进行成像处理，不需要等到所有数据采集完成再集中进行成像处理，增加了数据处理的实时性，提高了工作效率，节约了数据处理时间。

如图2所示，本发明的一个实施例提供的一种近距离微波成像方法，其包括：

步骤S10：将目标区域划分为预设分辨率大小的栅格集。

在本实施例中，目标区域是指待成像物体所在区域，该区域的大小具体由近距离微波成像系统的线性阵列天线旋转一周所能覆盖的扫描区域的大小决定，所述栅格集中的栅格即为待成像的目标点。

具体应用中，待成像物体可以是人体，也可以是其他有机体或无机体，待成像物体可以是一维、二维或者三维物体，对应的所述栅格集的维度也可以是一维、二维或者三维。

步骤S20：建立存储所述目标区域的成像结果的存储区域，所述成像结果以预设分辨率大小的矩阵形式表示，所述栅格集中的每个栅格均对应所述矩阵中的一个元素，元素的值即为其对应的栅格的成像结果。

在具体应用中，预设分辨率可以根据实际的成像精度要求进行设置。

本实施例中，通过预先建立存储区域，方便对后续过程中信号处理设备每次处理得到的成像结果进行保存。

在具体应用中，矩阵中各元素的初始值设置为0。

步骤S30：控制由预设个数的天线组成的线性阵列天线绕预设的圆弧轨道旋转扫描所述目标区域，在所述圆弧轨道上的每个方位角位置点，控制所述线性阵列天线采集预设个数的回波数据，并将所述预设个数的回波数据构成的回波数据集发送给信号处理设备，直到所述线性阵列天线在所述圆弧轨道上的预设方位角位置点完成回波数据的采集时止。

在本实施例中，所述圆弧轨道为与所述线性阵列天线正交的圆弧轨道，所述预设个数的回波数据为由预设个数的栅格反射的回波信号经模数转换得到的数据。

步骤S40：控制所述信号处理设备每接收到一次所述回波数据集，则对所述回波数据集进行成像处理，并将成像结果保存在所述矩阵中。

在具体应用中，线性阵列天线采集每个栅格的回波数据，信号处理设备对每个栅格的回波数据进行计算处理，得到以与每个栅格对应的矩阵元素的值的形式表示的成像结果。

本发明实施例通过控制信号处理设备每接收到一次回波数据集，则对所述回波数据集进行成像处理，可以有效提升近距离微波成像的处理速度、缩短处理时间，实现实时成像。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，步骤S40具体包括：

步骤S401：分别对所述回波数据集中的每个回波数据进行快速傅里叶变换。

在具体应用中，所述快速傅里叶变换可以为并行快速傅里叶变换，即在每一次获取到回波数据集时，同时对该回波数据集中的所有回波数据进行快速傅里叶变换。

步骤S402：根据所述快速傅里叶变换的结果，通过后向投影算法计算得到与所述每个回波数据对应的元素的值。

在具体应用中，所述后向投影算法可以为并行后向投影算法，即同时对所述回波数据集所述包括的所有回波数据的快速傅里叶变换结果进行后向投影算法计算，得到与所述每个回波数据对应的元素的值，该值即为与相应元素对应的栅格的成像结果。

在一个实施例中，步骤S402具体包括：

分别对所述回波数据集中的每个回波数据沿频率轴方向进行快速傅里叶变换，得到与所述回波数据集对应的数据集，所述数据集包括与所述回波数据集中的每个回波数据对应的数据；

步骤S403：根据每个元素的值更新所述每个元素的初始值。

在具体应用中，进行近距离微波成像之前，可将用于表示成像结果的矩阵中的所有元素的值初始化为0，在后续计算得到每个元素的值时，再将每个元素的初始值更新为计算得到的值。

在一个实施例中，步骤S403具体包括：

根据所述数据集，通过基于插值法的后向投影算法计算得到与所述每个回波数据对应的元素的值。

本发明实施例通过对回波数据进行并行处理，可以进一步提高数据处理效率，减少处理时间。

在本发明的一个实施例中，将图1所对应的实施例所提供的近距离微波成像方法用于获取人体的三维成像结果时，该方法具体可以包括如下步骤：

步骤S1：将人体目标区域划分为分辨率大小为NX×NY×NZ的三维栅格，其中，NX、NY和NZ分别表示所述三维栅格在笛卡尔坐标系下平行于水平面的横轴(本实施例中表示为X轴)方向上的栅格数量、纵轴(本实施例中表示为Y轴)方向上的栅格数量和垂直于所述水平面方向的竖轴(本实施例中表示为Z轴)方向上的栅格数量。

在具体应用中，所述水平面是指人体自然站立时、垂直于人体高度方向上的中轴线的平面。

在一个实施例中，步骤S1中三维栅格划分的方法可以包括以下步骤：

步骤S11：通过用户预先设置的划分规则或者用户当前输入的划分规则，确定笛卡尔坐标系下人体目标区域的尺寸。

本实施例中，人体目标区域在X轴、Y轴和Z轴三个方向上的待成像的尺寸分别表示为ΔX、ΔY和ΔZ。通常情况下，自然站立的人体位于柱面扫描系统的圆弧轨道的圆心所在的中轴线上，即柱面扫描系统的几何中轴线。

本实施例中，定义X轴是水平面上由人体的背部指向胸部的方向，在具体应用中，ΔX可以设置为大于人体厚度的数值，例如0.5米；定义Y轴是水平面上由人体一侧肩部指向另一侧肩部的方向，在具体应用中，ΔY可以设置为大于人体宽度的数值，例如1.0米；Z轴是垂直于水平面且穿过圆弧轨道圆心的方向，在具体应用中，ΔY可以设置为大于人体身高的数值，例如2.2米。

步骤S12：设定三维栅格集中的栅格在X轴、Y轴和Z轴方向上的尺寸δX、δY和δZ。

在具体应用中，δX＝δY＝δZ＝0.5厘米；

步骤S13：计算得到三维栅格集在X轴、Y轴和Z轴方向上的栅格个数NX、NY和NZ。

在具体应用中，三维栅格集在X轴、Y轴和Z轴方向上的栅格个数分别为

和其中符号表示向上取整算子。

步骤S13：根据NX、NY和NZ将人体目标区域划分为分辨率大小为NX×NY×NZ的三维栅格集，三维栅格集中索引为(i,j,k)的栅格在笛卡尔坐标系X-Y-Z-O下的坐标为：

步骤S2：根据步骤S1中的三维栅格划分结果，控制信号处理设备划分一块存储区域用于保存人体目标区域的三维成像结果，三维成像结果表示为分辨率大小为NX×NY×NZ的三维矩阵I，NX、NY和NZ分别表示所述三维矩阵I在横向、纵向和竖向上的元素个数，将三维矩阵I所有元素的值均初始化为0，即I(i,j,k)＝0，其中1≤i≤NX，1≤j≤NY，1≤k≤NZ。

在具体应用中，三维栅格集与三维矩阵I中脚标相同的栅格和元素一一对应。

步骤S3：械旋转设备控制线性阵列天线沿着与线性阵列天线正交的圆弧轨道旋转运动，在方位角位置处，控制所述线性阵列天线采集得到由该线性阵列天线包含的N个天线的N个等效相位中心位置处的由共N条回波数据组成的回波数据集将回波数据集Dm发送给信号处理设备，控制线性阵列天线继续沿所述圆弧轨道进行机械旋转运动，至下一个方位角位置处采集回波数据，直至圆弧轨道上预设的第M-1个方位角位置处的回波数据被采集时止；、传输、处理完毕，从而最终的人体目标点成像结果保存在三维成像结果矩阵I中；

步骤S4：控制所述信号处理设备接收回波数据集

并对回波数据集中的每条回波数据进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，再通过后向投影方式计算三维矩阵I中每个元素的值I(i,j,k)，其中1≤i≤NX，1≤j≤NY，1≤k≤NZ，且i、j和k均为整数，根据计算的到每个元素的值I(i,j,k)更新该元素的初始值。

在一个实施例中，步骤S4具体包括：

步骤S41：控制所述信号处理设备接收回波数据集

并对回波数据集中的每条回波数据沿其信号频率轴方向进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，例如，对第n条回波数据进行IFFT后得到新的数据

其中，n＝0,1,...,N，表示回波数据在其信号频率轴方向上的快速傅里叶逆变换算子，tl表示回波数据在时间域上的采样轴，l＝0,1,...,L，其中L表示快速傅里叶变换之前，每条回波数据在其信号频率轴方向上的采样点的总数；

步骤S42：对回波数据集Dm中的共N条回波数据通过快速傅里叶变换后，将得到的所有新的数据以集合形式表示为数据集D′m，

步骤S43：根据新的数据集D′m中的数据，通过后向投影公式

计算并更新三维矩阵I中每个元素的值I(i,j,k)；

其中，符号“+＝”表示将该符号右端的值与该符号左端变量的值相加作为该符号左端变量的更新值，R′表示柱面坐标为的等效相位总线与索引为(i,j,k)的栅格的几何中心的连线长度，C表示电磁波在真空中传播速度，fc表示天线发射的信号的中心频率。

在一个实施例中，步骤S43中的后向投影公式中的的值是通过对快速傅里叶变换后得到的新的数据集D′m中第n条数据进行插值得到。优选地，具体可以通过三次样条插值方式实现。

如图4所示，本发明的一个实施例提供一种近距离微波成像系统100，该系统用于执行图2所对应的实施例中的方法步骤，该系统包括：

栅格化模块10，用于将目标区域划分为预设分辨率大小的栅格集；

分区存储模块20，用于建立存储所述目标区域的成像结果的存储区域，所述成像结果以预设分辨率大小的矩阵形式表示，所述栅格集中的每个栅格均对应所述矩阵中的一个元素，元素的值即为其对应的栅格的成像结果；

数据采集模块30，用于控制由预设个数的天线组成的线性阵列天线绕预设的圆弧轨道旋转扫描所述目标区域，在所述圆弧轨道上的每个方位角位置点，控制所述线性阵列天线采集预设个数的回波数据，并将所述预设个数的回波数据构成的回波数据集发送给信号处理设备，直到所述线性阵列天线在所述圆弧轨道上的预设方位角位置点完成回波数据的采集时止；

数据处理模块40，用于控制所述信号处理设备每接收到一次所述回波数据集，则对所述回波数据集进行成像处理，并将成像结果保存在所述矩阵中。

本发明实施例通过控制信号处理设备每接收到一次回波数据集，则对所述回波数据集进行成像处理，可以有效提升近距离微波成像的处理速度、缩短处理时间，实现实时成像。

如图5所示，在本发明的一个实施例中，数据处理模块40用于执行图3所对应的实施例中的方法步骤，该数据处理模块40包括：

傅里叶变换单元401，用于分别对所述回波数据集中的每个回波数据进行快速傅里叶变换；

后向投影计算单元402，用于根据所述快速傅里叶变换的结果，通过后向投影算法计算得到与所述每个回波数据对应的元素的值；

更新单元403，用于根据每个元素的值更新所述每个元素的初始值。

在一个实施例中，傅里叶变换单元401具体用于：

分别对所述回波数据集中的每个回波数据沿频率轴方向进行快速傅里叶变换，得到与所述回波数据集对应的数据集；所述数据集包括与所述回波数据集中的每个回波数据对应的数据；

后向投影计算单元402具体用于：

根据所述数据集，通过基于插值法的后向投影算法计算得到与所述每个回波数据对应的元素的值。

在具体应用中，所述插值法可以为样条插值法，所述快速傅里叶变换可以为为并行快速傅里叶变换，所述后向投影算法可以为并行后向投影算法。

本发明所有实施例中的模块或单元，可以通过通用集成电路，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，或通过ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)来实现。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。