毫米波收发天线阵列、毫米波扫描成像系统及其成像方法与流程
本公开一般地涉及安检技术领域，尤其涉及一种实时主动式毫米波扫描成像系统及其成像方法以及适用于该系统的毫米波收发天线阵列。
背景技术：
为了保障公共安全，在重要的公共场所入口处进行安全检查是一项必要的手段。现有针对行李物品的安全检查相对较为成熟，采用基于x射线的透射或断层成像技术能够对行李物品形成高分辨率的二维或三维图像，从而实现快速并且高效的安全检查。人体安检由于其特殊性对安检技术提出了更高的要求。基于x射线的透射或背散射成像技术虽然能够形成人体高分辨率的透射或体表图像，但是由于x射线的致电离性，有可能对公众造成健康方面的威胁，因而仅适合于特殊的应用场所。相比于x射线，毫米波不具致电离性，并且能够穿透衣物、塑料和纸张等遮挡材料，因而特别适用于面向公众的人体安检。
毫米波人体安检技术主要可以分为主动式和被动式两种。相比被动式成像，主动式毫米波成像图像分辨率高、对可疑物的识别能力强，因而更具有应用前景。现有主动式毫米波成像技术主要有基于线阵扫描的平面或圆柱成像和基于多发多收技术的面阵成像两大类。采用线阵加机械扫描的方案，需要受检人在设备前静止站立几秒，扫描时间长；基于多发多收技术的面阵成像虽然可以以每秒多帧的速度完成扫描，但是由于其特殊的稀疏排布及数据处理方式，图像重建时间较长，远远无法满足实时成像的需求。
技术实现要素：
根据本公开的一方面，旨在提供一种主动式毫米波扫描成像系统，该系统能够实时地完成对对象的扫描。
根据本公开的另一方面，旨在提供一种快速的图像重建方法，在保证图像分辨率的前提下实现对毫米波全息数据的实时重建。
根据本公开的实施例，提供了一种基于毫米波收发天线阵列对对象的扫描数据来重建对象的图像的方法。毫米波收发天线阵列包括排布成阵列的多个子单元。该方法包括：分别基于各子单元的扫描数据，重建对象的第一图像；识别第一图像中的感兴趣区域；以及针对感兴趣区域，基于整个毫米波收发天线阵列的数据，重建感兴趣区域的第二图像。
本公开提出了分级重建的思想。具体地，在第一级重建中，可以仅基于局部扫描数据进行；而在针对感兴趣区域的第二级重建中，可以基于整体数据进行。在第一级重建中，可以得到低分辨率图像；而在第二级重建中，可以获得感兴趣区域的高分辨率图像。例如，第一级重建可以采用基于快速傅里叶变换的重建算法，第二级重建可以采用反向传播算法
通过这种分级重建思想，可以大大降低计算量，并因此可以实现实时或近似实时的成像。
根据本公开的实施例，扫描数据可以是毫米波收发天线阵列对于对象进行全扫描而获得的全息数据。全息数据携带了对对象进行重建所需的各种信息。
根据本公开的实施例，毫米波收发天线阵列可以是稀疏排布的面阵天线。例如，子单元可以呈矩形状(例如，正方形)。子单元可以只在其形状(矩形或正方形)的四边处包括天线，例如，包括沿矩形的彼此相对的第一边和第二边设置的第一毫米波发射天线线阵和第二毫米波发射天线线阵以及沿矩形的彼此相对的第三边和第四边设置的第一毫米波接收天线线阵和第二毫米波接收天线线阵。各子单元可以拼接构成网格状排布的毫米波收发天线阵列，其中相邻的两个子单元可以共用一条发射或接收天线线阵。这种稀疏排布可以降低天线部件的数量。
在这种稀疏排布阵列的情况下，在各子单元中，可以按照发射天线与接收天线中心位置进行等效，得到近似单发单收满阵全息数据，以便进行图像重建。通过这种等效，可以更好地适用图像重建算法。另外，在等效时，为了降低误差，还可以在各子单元中，基于对象的中心，对近似单发单收满阵全息数据进行相位补偿。
根据本公开的实施例，还提供了一种毫米波扫描成像系统，包括：毫米波收发天线阵列，包括排布成阵列的多个子单元，配置为对对象进行扫描以获得扫描数据；处理器，电连接至毫米波收发天线阵列；以及存储器，电连接至处理器，并且存储有指令，所述指令在由处理器执行时使处理器进行如下操作：分别基于各子单元的扫描数据，重建对象的第一图像；识别第一图像中的感兴趣区域；以及针对感兴趣区域，基于整个毫米波收发天线阵列的数据，重建感兴趣区域的第二图像。
根据本公开的实施例，毫米波收发天线阵列可以被配置为对对象进行全扫描，以获得全息数据。
根据本公开的实施例，子单元可以呈矩形状例如正方形形状，并可以包括沿矩形的彼此相对的第一边和第二边设置的第一毫米波发射天线线阵和第二毫米波发射天线线阵以及沿矩形的彼此相对的第三边和第四边设置的第一毫米波接收天线线阵和第二毫米波接收天线线阵。
根据本公开的实施例，各子单元可以拼接构成网格状排布的毫米波收发天线阵列，其中相邻的两个子单元可以共用一条发射或接收天线线阵。
根据本公开的实施例，毫米波收发天线阵列可以被配置为在一个发射天线发射毫米波信号时，阵列中所有的接收天线均接收从对象反射的毫米波信号。或者，毫米波收发天线阵列可以被配置为在一个发射天线发射毫米波信号时，仅位于与该发射天线同一子单元中的接收天线接收从对象反射的毫米波信号。
根据本公开的实施例，指令在由处理器执行时还可以使处理器进行如下操作：在各子单元中，按照发射天线与接收天线中心位置进行等效，得到近似单发单收满阵全息数据，其中，基于得到的近似单发单收满阵全息数据，重建第一图像。
根据本公开的实施例，指令在由处理器执行时还可以使处理器进行如下操作：在各子单元中，基于对象的中心，对近似单发单收满阵全息数据进行相位补偿，其中，基于相位补偿后的近似单发单收满阵全息数据，重建第一图像。
根据本公开的实施例，还提供了一种毫米波收发天线阵列，包括排布成阵列的多个子单元，各子单元呈矩形状且包括：沿矩形的彼此相对的第一边和第二边设置的第一毫米波发射天线线阵和第二毫米波发射天线线阵；以及沿矩形的彼此相对的第三边和第四边设置的第一毫米波接收天线线阵和第二毫米波接收天线线阵。
根据本公开的实施例，子单元可以呈正方形状。
根据本公开的实施例，各子单元可以拼接构成网格状排布的毫米波收发天线阵列，其中相邻的两个子单元可以共用一条发射或接收天线线阵。
根据本公开的实施例，毫米波收发天线阵列还可以包括：第一毫米波源，被配置为产生第一信号；第二毫米波源，被配置为产生第二信号；混频器，被配置为对第一信号和第二信号进行混频，以得到混频信号；发射模块，被配置为基于第一信号，驱动发射天线发射毫米波；开关矩阵，连接在第一毫米波源和发射模块之间，被配置为控制发射天线的切换；以及接收模块，被配置为接收由接收天线接收到的毫米波信号，并基于混频信号，对接收到的毫米波信号进行解调。
根据本公开的实施例，能够通过毫米波收发天线阵列实现对对象的(近似)实时扫描，并采用分级重建的思想大幅降低计算量，从而实现(近似)实时的主动式毫米波成像。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是示出根据本公开实施例的毫米波扫描成像系统的结构示意图；
图2是示出根据本公开实施例的毫米波收发模块的结构示意图；
图3是示出根据本公开实施例的毫米波收发天线阵列的排布示意图；
图4是示出根据本公开实施例的对子单元数据进行等效的操作的示意图；
图5是示出根据本公开实施例的在对对象进行扫描时一发多收工作的示意图；
图6是示出根据本发明的实施例的成像方法的流程图。
贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
因此，本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(hdd)；光存储装置，如光盘(cd-rom)；存储器，如随机存取存储器(ram)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
图1是示出根据本公开实施例的毫米波扫描成像系统的结构示意图。
如图1所示，根据该实施例的毫米波扫描成像系统100可以包括毫米波收发天线阵列200和数据处理装置300。该毫米波扫描成像系统100例如可以用于主动式毫米波安检。
毫米波收发天线阵列200可以包括排布成阵列的毫米波收发天线，并可以向对象发射毫米波并接收从对象反射的毫米波。毫米波收发天线阵列200可以分成若干个子单元，各子单元具有相应的毫米波收发天线，例如多个毫米波发射天线以及多个毫米波接收天线。在图1的示例中，示出了呈网格状排布的子单元。为数据处理的方便，各子单元可以具有相同或相似的配置，例如相同或相似的形状和/或尺寸、相同或相似的发射天线/接收天线排布。
为了驱动毫米波收发天线发射或接收毫米波，毫米波收发天线阵列200还可以包括驱动天线的毫米波收发模块。
图2是示出根据本公开实施例的毫米波收发模块的结构示意图。
如图2所示，根据该实施例的毫米波收发天线阵列200可以包括用以驱动其中的天线208、209的毫米波收发模块，包括第一毫米波源201、第二毫米波源202、混频器203、开关矩阵204、发射模块205、接收模块206。
第一毫米波源201可以产生第一毫米波信号。例如，第一毫米波源201可以作为本振源产生宽带毫米波信号。第二毫米波源202可以产生第二毫米波信号。例如，第二毫米波源202可以作为参考源。例如，第一毫米波源201和第二毫米波源202可以是产生一定频率的信号的振荡器。混频器203可以将第二毫米波源202产生的第二毫米波信号与第一毫米波源201产生的第一毫米波信号混频，形成混频信号作为参考信号。
发射模块205可以基于第一毫米波源201产生的第一毫米波信号，驱动发射天线208发射毫米波。例如，发射模块205可以将第一毫米波源201输出的第一毫米波信号倍频、功率放大后作为发射信号输入到发射天线208，使发射天线208发射毫米波。发射的毫米波可以照射对象的表面，并被对象表面反射。
开关矩阵204可以连接在第一毫米波源201和发射模块205之间，控制发射天线的切换。例如，开关矩阵204可以通过电子开关控制发射天线按照一定顺序依次发射毫米波信号。根据实施例，可以通过开关矩阵204切换发射天线，对对象进行全电子扫描，以获取全息数据。在某个发射天线发射毫米波信号时，所有的接收天线可以同时接收对象反射的毫米波信号。
对象表面反射后的毫米波由接收天线209接收，接收到的毫米波信号可以输入到接收模块206。接收模块206可以基于混频器203输出的参考信号，对接收到的毫米波信号进行解调，以得到扫描数据。扫描数据可以是包括对象信息的全息数据(例如，包括实部和虚部的复数形式)。
另外，还可以包括多通道模拟转数字电路207，用于将接收模块206输出的毫米波全息数据模拟信号转为为数字信号，以便输出到数据处理装置300进行处理。
在图2中，示意性示出了一个子单元。但是本公开不限于此，图2所示的收发模块可以驱动一个或多个子单元。
图3是示出根据本公开实施例的毫米波收发天线阵列的排布示意图。
如图3所示，根据该示例的毫米波收发天线阵列包括多个矩形(例如，正方形)子单元。子单元可以包括第一和第二发射天线线阵以及第一和第二接收天线线阵，第一发射天线线阵与第二发射天线线阵相对，第一接收天线线阵与第二接收天线线阵相对，第一和第二发射天线线阵以及第一和第二接收天线线阵共同构成了子单元的四条边。
作为示例，发射或接收天线线阵中发射天线或接收天线的距离间隔为第一毫米波信号的中心波长。
作为示例，子单元可以拼接构成网格状排布的毫米波收发天线阵列，其中相邻的两个子单元可以共用一条发射或接收天线线阵。
作为示例，该网格状排布的毫米波收发天线阵列工作时，可以通过开关矩阵204控制发射天线单元依次发射毫米波信号，所有接收天线单元同时接收对象反射的毫米波信号。这种情况下，若该网格状排布的毫米波收发天线阵列的发射天线和接收天线单元数目均为n，且第一毫米波信号的频率采样点数为m，则接收到的毫米波全息数据包含n×n×m组复数。
作为示例，该网格状排布的毫米波收发天线阵列工作时，可以通过开关矩阵204控制发射天线单元依次发射毫米波信号，仅处于和发射天线同一子单元的接收天线同时接收对象反射的毫米波信号。这种情况下，若该网格状排布的毫米波收发天线阵列的发射天线和接收天线单元数目均为n，且第一毫米波信号的频率采样点数为m，按照如图3所示的网格状排布，每个子单元中的发射天线和接收天线单元数目约为n/10，则接收到的毫米波全息数据包含n×n×m/100组复数。
数据处理装置300可以接收扫描得到的全息数据(例如，通过多通道模拟转数字电路207转换后的数字信号)并进行图像重建。例如，数据处理装置300可以包括个人计算机(pc)、服务器、工作站等。根据实施例，数据处理装置300可以包括处理器和存储器。处理器可以电连接至毫米波收发天线阵列200，以接收扫描数据，并对其进行处理。存储器可电连接至处理器，并且存储有指令，所述指令在由处理器执行时使处理器执行根据本公开实施例的图像重建方法。
另外，毫米波扫描成像系统100还可以包括显示装置400。显示装置400可以显示毫米波扫描成像系统100的相关信息，例如状态信息、成像结果、报警信息等。
虽然上述实施例以一个毫米波收发模块为例进行了介绍，但本公开的实施例并不限于一个毫米波收发模块，也可以采用更多的毫米波收发模块对于对象进行扫描，例如可以对于对象的每一侧均采用一个毫米波收发模块来进行扫描，从而完成对对象正反两面的实时成像。
图6是示出根据本发明的实施例的成像方法的流程图。
如图6所示，在操作s1，可以分别基于各子单元的扫描数据，重建对象的第一图像。例如，可以选取由单个子单元所获取的毫米波全息数据，即发射天线及接收天线仅限定于单个子单元的数据。
对于图3所示的稀疏排列的阵列，可以将选取的所有单元全息数据按照发射天线与接收天线中心位置进行等效，即某一组全息数据等效为发射天线与接收天线均位于发射天线与接收天线的连线的中心位置处时获取的全息数据，等效后得到近似的单发单收满阵全息数据sp(x0，y0，ω)(其中，x-y平面为天线阵列平面，假设收发天线位于z＝0平面)。如图4所示，图中▲代表等效全息数据的位置，可以看到等效全息数据填满了整个毫米波收发阵列所在的区域。
另外，可以基于对象的中心，对近似得到的单发单收满阵数据sp(x0，y0，ω)进行相位补偿，以降低等效误差。假设成像目标中心位置为(xc，yc，zc)，则可以对sp(x0，y0，ω)进入如下补偿：
s′p(x0，y0，ω)＝sp(x0，y0，ω)·exp[-j(rt+rr-2rc)](1)
其中rt、rr和rc分别为发射天线(xt，yt，0)、接收天线(xr，yr，0)以及等效中心((xt+xr)/2，(yt+yr)/2，0)与成像目标中心的距离：
在重建第一图像时，可采用本领域各种适用的重建算法如基于快速傅里叶变换的重建算法。例如，可以如下进行重建，形成低分辨率的毫米波图像：
其中ft2d和
在操作s2，可以识别所重建的第一图像中的感兴趣区域，例如可疑区域。这种识别可以通过识别算法自动进行。例如，可以采用机器学习算法对低分辨率的毫米波图像进行快速识别，找出可疑区域。
在操作s3，可以针对感兴趣区域，基于整个毫米波收发天线阵列的数据，重建感兴趣区域的第二图像。在重建第二图像时，可采用本领域各种适用的高精度重建算法。
例如，可以采用获取的全部全息数据对可疑区域进行局部反向传播重建，获取局部的高分辨图像。如图5所示，发射天线501发射毫米波信号，此时所有的线阵接收阵列(601-620)同时接收对象反射的毫米波信号。反向传播算法可以进行逐像素精确重建，对识别出的感兴趣区域进行重建：
其中tl和rm分别表示发射天线和接收天线，rl，m为发射天线到重建点的距离与接收天线到重建点的距离之和：
这样，可以重建得到感兴趣区域的高分辨率图像。对于该高分辨率图像，可以采用自动识别算法进行识别，以查验其中是否存在违禁品，并可以给出最终的安检报警信息。
本公开提供了以下方面的技术。
1.一种基于毫米波收发天线阵列对对象的扫描数据来重建对象的图像的方法，其中毫米波收发天线阵列包括排布成阵列的多个子单元，该方法包括：
分别基于各子单元的扫描数据，重建对象的第一图像；
识别第一图像中的感兴趣区域；以及
针对感兴趣区域，基于整个毫米波收发天线阵列的数据，重建感兴趣区域的第二图像。
2.根据方面1所述的方法，其中，所述扫描数据是毫米波收发天线阵列对于对象进行全扫描而获得的全息数据。
3.根据方面1所述的方法，其中，采用基于快速傅里叶变换的重建算法，来重建第一图像。
4.根据方面1所述的方法，其中，采用反向传播算法，来重建第二图像。
5.根据方面1所述的方法，其中，子单元呈矩形状，包括沿矩形的彼此相对的第一边和第二边设置的第一毫米波发射天线线阵和第二毫米波发射天线线阵以及沿矩形的彼此相对的第三边和第四边设置的第一毫米波接收天线线阵和第二毫米波接收天线线阵，其中，重建第一图像包括：
在各子单元中，按照发射天线与接收天线中心位置进行等效，得到近似单发单收满阵全息数据，
其中，基于得到的近似单发单收满阵全息数据，重建第一图像。
6.根据方面5所述的方法，其中，重建第一图像还包括：
在各子单元中，基于对象的中心，对近似单发单收满阵全息数据进行相位补偿，
其中，基于相位补偿后的近似单发单收满阵全息数据，重建第一图像。
7.一种毫米波扫描成像系统，包括：
毫米波收发天线阵列，包括排布成阵列的多个子单元，配置为对对象进行扫描以获得扫描数据；
处理器，电连接至毫米波收发天线阵列；以及
存储器，电连接至处理器，并且存储有指令，所述指令在由处理器执行时使处理器进行如下操作：
分别基于各子单元的扫描数据，重建对象的第一图像；
识别第一图像中的感兴趣区域；以及
针对感兴趣区域，基于整个毫米波收发天线阵列的数据，重建感兴趣区域的第二图像。
8.根据方面7所述的毫米波扫描成像系统，其中，毫米波收发天线阵列被配置为对对象进行全扫描，以获得全息数据。
9.根据方面7所述的毫米波扫描成像系统，其中，子单元呈矩形状，包括沿矩形的彼此相对的第一边和第二边设置的第一毫米波发射天线线阵和第二毫米波发射天线线阵以及沿矩形的彼此相对的第三边和第四边设置的第一毫米波接收天线线阵和第二毫米波接收天线线阵。
10.根据方面9所述的毫米波扫描成像系统，其中，子单元呈正方形状。
11.根据方面9或10所述的毫米波扫描成像系统，其中，各子单元拼接构成网格状排布的毫米波收发天线阵列，其中相邻的两个子单元共用一条发射或接收天线线阵。
12.根据方面7-11中任一项所述的毫米波扫描成像系统，其中，毫米波收发天线阵列被配置为在一个发射天线发射毫米波信号时，阵列中所有的接收天线均接收从对象反射的毫米波信号。
13.根据方面7-11中任一项所述的毫米波扫描成像系统，其中，毫米波收发天线阵列被配置为在一个发射天线发射毫米波信号时，仅位于与该发射天线同一子单元中的接收天线接收从对象反射的毫米波信号。
14.根据方面9-11中任一项所述的毫米波扫描成像系统，其中，所述指令在由处理器执行时还使处理器进行如下操作：
在各子单元中，按照发射天线与接收天线中心位置进行等效，得到近似单发单收满阵全息数据，
其中，基于得到的近似单发单收满阵全息数据，重建第一图像。
15.根据方面14所述的毫米波扫描成像系统，其中，所述指令在由处理器执行时还使处理器进行如下操作：
在各子单元中，基于对象的中心，对近似单发单收满阵全息数据进行相位补偿，
其中，基于相位补偿后的近似单发单收满阵全息数据，重建第一图像。
16.一种毫米波收发天线阵列，包括排布成阵列的多个子单元，各子单元呈矩形状且包括：
沿矩形的彼此相对的第一边和第二边设置的第一毫米波发射天线线阵和第二毫米波发射天线线阵；以及
沿矩形的彼此相对的第三边和第四边设置的第一毫米波接收天线线阵和第二毫米波接收天线线阵。
17.根据方面16所述的毫米波收发天线阵列，其中，子单元呈正方形状。
18.根据方面16或17所述的毫米波收发天线阵列，其中，各子单元拼接构成网格状排布的毫米波收发天线阵列，其中相邻的两个子单元共用一条发射或接收天线线阵。
19.根据方面16-18中任一项所述的毫米波收发天线阵列，还包括：
第一毫米波源，被配置为产生第一信号；
第二毫米波源，被配置为产生第二信号；
混频器，被配置为对第一信号和第二信号进行混频，以得到混频信号；
发射模块，被配置为基于第一信号，驱动发射天线发射毫米波；
开关矩阵，连接在第一毫米波源和发射模块之间，被配置为控制发射天线的切换；以及
接收模块，被配置为接收由接收天线接收到的毫米波信号，并基于混频信号，对接收到的毫米波信号进行解调。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
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