一种微波成像系统的直达波抑制方法及系统与流程

本发明实施例属于微波成像技术领域，尤其涉及一种微波成像系统的直达波抑制方法及系统。

背景技术：

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，广泛应用于安检仪等微波成像系统，用于执行人体安全检查任务。目前较为流行的微波成像技术，通常要通过线性阵列天线得到所有等效天线采集位置处的回波信号组成回波信号集，再将回波信号集发送至安检系统的信号处理设备进行统一成像处理，得到目标物体的图像。

然而，在实际应用中，线性阵列天线在其所有等效天线采集位置处得到的回波信号集中还包一部分直达波信号，回波信号集中直达波信号的能量比目标物体反射的回波能量大几个数量级，如果不对直达波信号进行抑制或滤除，会降低回波信号接收机的灵敏度，导致接收机前端饱和甚至损坏，增加了后续的成像处理难度，降低了微波成像系统的成像性能，从而无法得到准确的目标物体的图像。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种微波成像系统的直达波抑制方法及系统，旨在解决在实际应用中，线性阵列天线在等效天线采集位置处得到的回波信号中还包一部分直达波信号，回波信号中直达波信号的能量比目标物体反射的回波能量大几个数量级，如果不对直达波信号进行抑制或滤除，会降低回波信号接收机的灵敏度，导致接收机前端饱和甚至损坏，增加了后续的成像处理过程的难度，降低了微波成像系统的成像性能，从而无法得到准确的目标物体的图像的问题。

本发明实施例一方面提供一种微波成像系统的直达波抑制方法，其包括：

控制由m个天线组成的垂直线性阵列天线绕预设的圆弧轨道旋转扫描目标区域上的n个方位角位置点，获取m×n个频域回波信号并建立频域回波信号集，其中，m和n均为大于0的正整数；

通过第一预设算法对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号进行计算，得到所述预设天线所对应的n条目标时域回波信号；

分别计算所述n条目标时域回波信号中每条目标时域回波信号的平均值，对平均值最大的目标时域回波信号所在的预设区域进行滤波，得到已滤波的n条目标时域信号；

通过第二预设算法对所述已滤波的n条目标时域信号进行计算，得到与所述n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号；

将所述n条目标频域回波信号与所述n条目标时域回波信号对消相减，得到所述n条频域回波信号的直达波抑制结果；

返回通过第一预设算法对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号进行计算的操作，直到得到所述m个天线中的所有天线在所述n个方位角位置点扫描得到的共m×n个频域回波信号的直达波抑制结果时为止。

本发明实施例另一方面还提供一种微波成像系统的直达波抑制系统，其特征在于，所述直达波抑制系统包括：

频域回波信号获取模块，用于控制由m个天线组成的垂直线性阵列天线绕预设的圆弧轨道旋转扫描目标区域上的n个方位角位置点，获取m×n个频域回波信号并建立频域回波信号集，其中，m和n均为大于0的正整数；

时域回波信号处理模块，用于通过第一预设算法对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号进行计算，得到所述预设天线所对应的n条目标时域回波信号；

目标时域回波信号处理模块，用于分别计算所述n条目标时域回波信号中每条目标时域回波信号的平均值，对平均值最大的目标时域回波信号所在的预设区域进行滤波，得到已滤波的n条目标时域信号；

频域回波信号处理模块，用于通过第二预设算法对所述已滤波的n条目标时域信号进行计算，得到与所述n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号；

对消相减模块，用于将所述n条目标频域回波信号与所述n条目标时域回波信号对消相减，得到所述n条频域回波信号的直达波抑制结果；

返回模块，用于返回通过第一预设算法对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号进行计算的操作，直到得到所述m个天线中的所有天线在所述n个方位角位置点扫描得到的共m×n个频域回波信号的直达波抑制结果时为止。

本发明通过对垂直线性阵列天线在其所有等效天线采集位置处得到的回波信号组成的回波信号集进行频域到时域转换、滤波、时域到频域转换和对消相减等一系列滤波操作，可以有效抑制直达波信号所产生的干扰，从而提高了回波信号接收机的灵敏度，简化了后续的成像处理过程，提高了微波成像系统的成像性能，从而可以得到准确的目标物体的图像。

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，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微波成像系统的直达波抑制方法的流程框图；

图3是本发明的一个实施例提供的图2中步骤s20的流程框图；

图4是本发明的一个实施例提供的图2中步骤s40的流程框图；

图5是本发明的一个实施例提供的微波成像系统的直达波抑制方法的基本结构框图；

图6是本发明的一个实施例提供的图5中时域回波信号处理模块的具体结构框图；

图7是本发明的一个实施例提供的图5中频域回波信号处理模块的具体结构框图。

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微波成像系统实现，该系统包括在水平或垂直方向上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(graphicsprocessingunit，gpu)来实现。

机械旋转设备控制线性阵列天线旋转，信号收发设备用于在线性阵列天线在旋转过程中发射信号并接收待成像的目标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，实现对待成像的目标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轴方向上组成垂直线性阵列天线，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γ。

通过获取所有等效天线γ位置采集到的回波信号组成的频域回波信号集，然后对频域回波信号集中所有回波信号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。

本发明实施例在于提供一种微波成像系统的直达波抑制方法及系统，通过对频域回波信号集中所有回波信号所对应的采样点的时间频率信息中的直达波信号进行处理，可以有效抑制直达波信号所产生的干扰，从而提高了回波信号接收机的灵敏度，简化了后续的成像处理过程，提高了微波成像系统的成像性能，从而可以得到准确的目标物体的图像。

如图2所示，本发明的一个实施例提供的一种微波成像系统的直达波抑制方法，其包括：

步骤s10：控制由m个天线组成的垂直线性阵列天线绕预设的圆弧轨道旋转扫描目标区域上的n个方位角位置点，获取m×n个频域回波信号并建立频域回波信号集，其中，m和n均为大于0的正整数。

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；圆弧轨道为与垂直线性阵列天线正交的圆弧轨道。

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，待成像物体可以是二维或者三维物体。

步骤s20：通过第一预设算法对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号进行计算，得到所述预设天线所对应的n条目标时域回波信号。

在具体应用中，n条频域回波信号可以用一个集合表示为sγ＝{sγ1(f),sγ2(f),...,sγn(f)}。

在一个实施例中，第一预设算法可以包括升采样和傅里叶变换，其中，升采样用于对n条频域回波信号进行频率采样滤波，傅里叶变换用于将n条频域回波信号转换成n条目标时域回波信号。

步骤s30：分别计算所述n条目标时域回波信号中每条目标时域回波信号的平均值，对平均值最大的目标时域回波信号所在的预设区域进行滤波，得到已滤波的n条目标时域信号。

在具体应用中，平均值可以以集合的形式表示为n条目标时域信号可以以集合形式表示为

在一个实施例中，对平均值最大的目标时域回波信号所在的预设区域进行滤波，得到已滤波的n条目标时域信号，具体可以包括：

步骤s31：通过预设宽度的矩形窗滤波器对平均值最大的目标时域回波信号所在的预设区域进行滤波，得到已滤波的n条目标时域信号。

在具体应用中，预设区域为包括平均值最大的目标时域回波信号和其周围区域在内的区域，具体的可以根据实际需要进行设定；预设宽度也可以根据实际需要进行设定，例如，预设宽度可以在5～20个矩形窗滤波器的系统距离单元范围内，在一个实施例中，预设宽度可以为10个系统距离单元。

步骤s40：通过第二预设算法对所述已滤波的n条目标时域信号进行计算，得到与所述n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号。

在一个实施例中，第二预设运算法包括傅里叶变换、降采样和频率截取，其中，傅里叶变换用于已滤波的n条目标时域信号变换为n条第一频域回波信号，降采样用于对n条第一频域回波信号进行频率采样滤波，频率截取用于根据需要截取n条第一频域回波信号中频率在预设频率范围内的信号。

步骤s50：将所述n条目标频域回波信号与所述n条目标时域回波信号对消相减，得到所述n条频域回波信号的直达波抑制结果。

在具体应用中，对消相减之后的n条频域回波信号的直达波抑制结果可以用集合形式表示为s'γ＝s′γ1(f),s′γ2(f),...,s′γn(f)。

步骤s60：返回步骤s20，直到得到所述m个天线中的所有天线在所述n个方位角位置点扫描得到的共m×n个频域回波信号的直达波抑制结果时为止。

通过重复执行步骤s20～步骤s40即可实现对所有频域回波信号的直达波抑制。

在一个实施例中，也可以同时对每个天线所采集到的n个频域回波信号同步执行步骤s20～s40，以实现对所有天线采集到的频域回波信号中的直达波的批量处理。

在一个实施例中，上述直达波一致方法还包括：

步骤s70：分别对所述频域回波信号集中每个通道的频域回波信号及所述每个通道的频域回波信号对应的幅相预校正因子进行乘运算。

在一个实施例中，步骤s70之前还包括：

步骤s71：预先测量所述每个通道的频域回波信号对应的幅相预校正因子，所述幅相预校正因子用于在进行成像处理时对其对应的频域回波信号的进行幅相一致性补偿；

步骤s72：对所述幅相预校正因子进行离线存储。

本实施例通过对垂直线性阵列天线在其所有等效天线采集位置处得到的回波信号组成的回波信号集进行频域到时域转换、滤波、时域到频域转换和对消相减等一系列滤波操作，可以有效抑制直达波信号所产生的干扰，从而提高了回波信号接收机的灵敏度，简化了后续的成像处理过程，提高了微波成像系统的成像性能，从而可以得到准确的目标物体的图像。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，图2中的步骤s20具体包括：

步骤s21：对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号的末端进行补0操作，补0长度为所述n条频域回波信号的长度的m-1倍，其中，m≥1且m为正整数。

在具体应用中，m可以根据实际需要进行设置，例如，m可以是0～20中的任一数值。在一个实施例中，m为8。

步骤s22：对补0之后的所述n条频域回波信号进行傅里叶变换，得到n条时域回波信号。

在具体应用中，步骤s22中的傅里叶变换可以为并行快速傅里叶变换，即同时对该对补0之后的n条频域回波信号进行快速傅里叶变换。

步骤s23：对所述n条时域回波信号进行m倍升采样，得到所述预设天线所对应的n条目标时域回波信号。

在具体应用中，n条目标时域回波信号可以以集合形式表示为s”γ＝sγ1(t),sγ2(t),...,sγn(t)。

本实施例通过对n条频域回波信号依次进行补0操作、傅里叶变换和升采样，可以将n条频域回波信号处理为滤波之后的n条时域回波信号。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，图2中的步骤s40具体包括：

步骤s41：将所述已滤波的n条目标时域信号进行傅里叶变换，得到n条第一频域回波信号。

在具体应用中，步骤s41中的傅里叶变换可以为并行快速傅里叶变换，即同时对该已滤波的n条目标时域信号进行快速傅里叶变换。

步骤s42：对所述n条第一频域回波信号进行1/n倍降采样，得到所述n条第一频域回波信号中前1/n部分的第二频域回波信号；

步骤s43：对所述第二频域回波信号进行频率截取，得到与所述n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号。

在具体应用中，进行频率截取得到与所述n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号的目的是为了后续对消相减操作中频域信号和时域信号能够一一对应。

在具体应用中，n条目标频域回波信号可以以集合形式表示为

本实施例通过依次对已滤波的n条目标时域信号进行傅里叶变换、降采样和频率截取，可以得到与前述的n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号，以便于执行步骤s50中的对消相减操作。

如图5所示，本发明的一个实施例提供一种微波成像系统的直达波抑制系统100，用于执行图2所对应的实施例中的方法步骤，其包括：

频域回波信号获取模块10，用于控制由m个天线组成的垂直线性阵列天线绕预设的圆弧轨道旋转扫描目标区域上的n个方位角位置点，获取m×n个频域回波信号并建立频域回波信号集，其中，m和n均为大于0的正整数；

时域回波信号处理模块20，用于通过第一预设算法对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号进行计算，得到所述预设天线所对应的n条目标时域回波信号；

目标时域回波信号处理模块30，用于分别计算所述n条目标时域回波信号中每条目标时域回波信号的平均值，对平均值最大的目标时域回波信号所在的预设区域进行滤波，得到已滤波的n条目标时域信号；

频域回波信号处理模块40，用于通过第二预设算法对所述已滤波的n条目标时域信号进行计算，得到与所述n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号；

对消相减模块50，用于将所述n条目标频域回波信号与所述n条目标时域回波信号对消相减，得到所述n条频域回波信号的直达波抑制结果；

返回模块60，用于返回通过第一预设算法对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号进行计算的操作，直到得到所述m个天线中的所有天线在所述n个方位角位置点扫描得到的共m×n个频域回波信号的直达波抑制结果时为止。

在一个实施例中，目标时域回波信号处理模块30具体用于：通过预设宽度的矩形窗滤波器对平均值最大的目标时域回波信号所在的预设区域进行滤波，得到已滤波的n条目标时域信号。

在一个实施例中，直达波抑制系统100还包括：

逻辑运算模块，用于分别对所述频域回波信号集中每个通道的频域回波信号及所述每个通道的频域回波信号对应的幅相预校正因子进行乘运算。

在一个实施例中，直达波抑制系统还包括：

幅相预校正因子测量模块，用于预先测量所述每个通道的频域回波信号对应的幅相预校正因子，所述幅相预校正因子用于在进行成像处理时对其对应的频域回波信号的进行幅相一致性补偿；

存储模块，用于对所述幅相预校正因子进行离线存储。

本实施例通过对垂直线性阵列天线在其所有等效天线采集位置处得到的回波信号组成的回波信号集进行频域到时域转换、滤波、时域到频域转换和对消相减等一系列滤波操作，可以有效抑制直达波信号所产生的干扰，从而提高了回波信号接收机的灵敏度，简化了后续的成像处理过程，提高了微波成像系统的成像性能，从而可以得到准确的目标物体的图像。

如图6所示，在一个实施例中，图5中的时域回波信号处理模块包括用于执行图3所对应的实施例中的方法步骤的结构，其包括：

补0单元21，用于对所述m个天线中的预设天线在所述n个方位角位置点扫描得到的n条频域回波信号的末端进行补0操作，补0长度为所述n条频域回波信号的长度的m-1倍，其中，m≥1且m为正整数；

第一傅里叶变换单元22，用于对补0之后的所述n条频域回波信号进行傅里叶变换，得到n条时域回波信号；

升采样单元23，用于对所述n条时域回波信号进行m倍升采样，得到所述预设天线所对应的n条目标时域回波信号。

本实施例通过对n条频域回波信号依次进行补0操作、傅里叶变换和升采样，可以将n条频域回波信号处理为滤波之后的n条时域回波信号。

如图7所示，在一个实施例中，图5中的频域回波信号处理模块包括用于执行图3所对应的实施例中的方法步骤的结构，其包括：

第二傅里叶变换单元41，用于将所述已滤波的n条目标时域信号进行傅里叶变换，得到n条第一频域回波信号；

降采样单元42，用于对所述n条第一频域回波信号进行1/n倍降采样，得到所述n条第一频域回波信号中前1/n部分的第二频域回波信号；

频率截取单元43，用于对所述第二频域回波信号进行频率截取，得到与所述n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号。

本实施例通过依次对已滤波的n条目标时域信号进行傅里叶变换、降采样和频率截取，可以得到与前述的n条频域回波信号的频率和维度一致的n条目标频域回波信号，以便于执行对消相减操作。

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(centralprocessingunit，中央处理器)，或通过asic(applicationspecificintegratedcircuit，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，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-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，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。