一种太赫兹安检成像系统及方法与流程

本发明涉及雷达系统及信号处理技术领域，特别涉及一种太赫兹安检成像系统及方法。

背景技术：

太赫兹雷达具有成像分辨率高、体积小重量轻、穿透力强、不伤害人体的优点，主动式太赫兹成像能有效对人体成像，发现违禁物品，同时避免侵犯隐私。目前安检成像系统可分为扫描式和二维阵列式。一种扫描式成像系统是通过太赫兹频段准光聚焦方式实现高分辨率，同时通过二维机械扫描对人体进行逐点成像(文献[1]：g.timms,m.brothers,j.bunton,j.archer,g.rosolen,y.li,etal.,“designandtestingofanactive190-ghzmillimeter-waveimager,”journalofelectronicimaging,vol.19,p.043019,2010.)；另外一种扫描式成像系统是通过对人体进行圆周扫描，通过圆迹合成孔径雷达实现三维成像(文献[2]：d.mcmakin,d.sheen,t.hall,m.kennedy,andh.foote,“biometricidentificationusingholographicradarimagingtechniques,”vol.6538:spie,2007.)二维阵列成像系统将大量阵元排布在二维平面上，通过阵列合成窄波束，结合大带宽测距实现高分辨率三维成像(文献[3]：s.s.ahmed,a.schiessl,f.gumbmann,m.tiebout,s.methfessel,andl.schmidt,“advancedmicrowaveimaging,”ieeemicrowavemagazine,vol.13,pp.26-43,2012.)。

扫描成像方式依赖于机械扫描结构，受限于机械运动的加速、减速过程，一般很难实现高速的扫描。为降低机械扫描的时间，需要增加天线阵元数目，这会增加系统复杂度和成本。二维阵列方式速度快，但阵元数目多，难以保证多个收发通道的一致性，并且复杂的结构增加了系统成本。圆周扫描方式结合了实孔径和机械扫描方式，在垂直维布置多个阵元，方位向通过圆迹合成孔径成像提高分辨率，目前已得到成功应用(文献[4]：d.mcmakin,d.sheen,t.hall,j.tedeschi,anda.m.jones,“newimprovementstomillimeter-wavebodyscanners,”proceedingsof3dbody.tech,2017.)。然而圆周扫描需要将人包围圆形扫描区域内，作用距离受限，每次只能检测一个人，如果需要对多人次同时进行成像，需要寻求新的成像方式。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决太赫兹安检系统对多人同时成像的问题，从而提供一种旋转式扫描太赫兹安检成像系统，通过结合机械扫描与合成孔径成像，阵元数目低，系统成本可控，通过扫描向四周发射信号，可以对多人实现成像，并且作用范围大，即可用于近距离人体安检，也可以用于大范围成像监测。

为实现上述目的，本发明的实施例1提出了一种太赫兹安检成像系统，所述系统包括：一个可垂直上下运动的旋转平台、电机、太赫兹收发通道和设置在上位机的数据处理模块；

所述电机控制旋转平台的水平旋转和上下垂直运动；所述太赫兹收发通道设置在旋转平台的边缘部，能够在旋转平台的运动中实现螺旋扫描；

所述太赫兹收发通道，用于向外发射信号，并获取经过目标反射后回波信号，将回波信号发送至数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对回波信号进行处理，输出二维显示图像。

作为上述系统的一种改进，所述太赫兹收发通道设置在旋转平台上；所述电机包括旋转控制电机和垂直运动控制电机；所述旋转控制电机用于控制旋转平台以转速ω匀速旋转；所述垂直运动控制电机用于控制旋转平台以垂直速度为v进行上下运动。

作为上述系统的一种改进，所述太和兹收发通道为一组或多组；多组太和兹收发通道从上至下固定为一体。

作为上述系统的一种改进，一组太赫兹收发通道包含：太赫兹天线、一个发射机和多个接收机；所述太赫兹天线位于旋转平台边缘；

发射机，用于产生太赫兹频段的发射信号；

太赫兹天线，用于将发射电磁波发射出去；并接收目标反射的回波信号；

接收机，用于采集太赫兹天线接收的目标反射的回波信号，然后发送至数据处理模块。

作为上述系统的一种改进，所述数据处理模块的具体实现过程为：

对目标反射的回波信号进行脉冲压缩，得到距离向压缩数据sr(ta,tr)：

其中tr为单个雷达脉冲内的快时间，ta为发射多个雷达脉冲形成的慢时间，ρ(xp,yp,zp)为位于(xp,yp,zp)处目标的散射系数，b为发射信号带宽，fc为载频，c为光速，rp(ta)为目标与天线的距离：

(xa(ta),ya(ta),za(ta))为ta时刻天线相位中心的三维坐标：

其中，ω为旋转平台水平转速；r为天线相位中心距离旋转平台圆心的半径；v为旋转平台的垂直直线运动速度；

将目标区域划分为三维离散的像素点(xi,yi,zi)，目标中心位置为(xi0,yi0,zi0)，对于每一个像素点，计算(xi,yi,zi)到天线(xa(ta),ya(ta),za(ta))的距离时延tri：

然后对sr(ta,tr)进行插值，找到对应tri的数据sr(ta,tri)，并补偿天线运动产生的相位：

其中tr0为目标中心位置(xi0,yi0,zi0)到天线(xa(ta),ya(ta),za(ta))的距离时延；

最后对所有ta叠加得到三维图像值i(xi,yi,zi)：

对i(xi,yi,zi)沿雷达视线方向取最大值，作为二维显示图像。

本发明的实施例2提供了一种太赫兹安检成像方法，基于上述成像系统实现，所述方法包括：

所述旋转平台在电机的控制下，在水平面内以转速ω匀速旋转，同时以垂直速度v上下往复运动；

所述发射机产生发射信号并通过太赫兹天线发射出去，通过接收机接收经过目标反射后的回波信号，并发送至数据处理模块；

所述数据处理模块对回波信号进行处理，输出二维显示图像。

作为上述方法的一种改进，所述数据处理模块对回波信号进行处理，输出二维显示图像；具体包括：

对目标反射的回波信号进行脉冲压缩，得到距离向压缩数据sr(ta,tr)：

其中tr为距离向快时间，ρ(xp,yp,zp)为位于(xp,yp,zp)处目标的散射系数，b为发射信号带宽，fc为载频，c为光速，rp(ta)为目标与天线的距离：

(xa(ta),ya(ta),za(ta))为ta时刻天线相位中心的三维坐标：

其中，ω为旋转平台水平转速；v为旋转平台的垂直直线运动速度；r为天线相位中心距离旋转平台圆心的半径

将目标区域划分为三维离散的像素点(xi,yi,zi)，目标中心位置为(xi0,yi0,zi0)，对于每一个像素点，计算(xi,yi,zi)到天线(xa(ta),ya(ta),za(ta))的距离时延tri：

然后对sr(ta,tr)进行插值，找到对应tri的数据sr(ta,tri)，并补偿天线运动产生的相位：

其中tr0为目标中心位置(xi0,yi0,zi0)到天线(xa(ta),ya(ta),za(ta))的距离时延；

最后对所有ta叠加得到三维图像值i(xi,yi,zi)：

对i(xi,yi,zi)沿雷达视线方向取最大值，作为二维显示图像。

本发明的优势在于：

1、本发明的系统在降低通道数量的同时，通过二维扫描获取目标信息，进而通过孔径合成技术来实现对目标的高分辨率成像；

2、本发明的系统通过gpu并行计算加速整个计算过程，将多组收发通道的图像再进行快速拼接融合，得到目标整体的图像；

3、本发明的系统的天线旋转扫描实现全向观测，对360度范围的目标进行成像，可以同时对多人进行安检。

附图说明

图1为本发明的太赫兹安检成像系统的结构示意图；

图2为本发明进行点目标仿真的成像几何关系图；

图3为本发明对点目标成像的仿真结果；

图4为本发明正前方观测目标的光学图像；

图5为本发明正前方观测目标的雷达图像；

图6为本发明正后方观测目标的雷达图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明公开了一种太赫兹安检成像系统及方法；所述成像系统包含n组(n≥1)太赫兹收发通道；所述每组太赫兹收发通道包含一个发射和m个(m≥2)接收通道；所述的n组太赫兹收发通道对目标发射电磁波，并接收目标反射的回波信号；所述n组太赫兹收发通道在水平方向通过圆周机械扫描，同时垂直方向进行直线机械扫描，也即整体形成螺旋扫描，来对目标进行完整信息采集；所述成像方法包括在水平面内采用圆周旋转方式，在垂直向采用直线运动方式，整体形成螺旋扫描，通过合成孔径成像得到优于厘米级别的分辨率；结合大带宽测距实现目标三维成像。本发明系统所需阵元数目低，系统成本可控；通过旋转式向四周发射信号，可以同时对多人实现成像，并且作用范围大，即可用于近距离人体安检，也可以用于大范围成像监测。

实施例1

如图1所示，本发明提出了一种太赫兹安检成像系统，其在二维采用合成孔径成像的方式，通过圆周扫描与垂直运动结合，也即形成螺旋扫描，利用天线的运动形成合成孔径，天线采用宽波束覆盖，减小了天线的体积和重量，同时宽波束可以得到大的多普勒带宽，经过合成孔径处理后得到高方位分辨率。

该成像系统包括：一个可垂直上下运动的旋转平台、电机、一个太赫兹收发通道和设置在上位机上的数据处理模块；太赫兹收发通道设置在旋转平台的边缘部，能够在旋转平台的运动中实现螺旋扫描。

太赫兹收发通道设置在旋转平台上，天线相位中心距离圆心的半径为r；电机包括旋转控制电机和垂直运动控制电机；旋转控制电机用于控制旋转平台以转速ω匀速旋转；垂直运动控制电机用于控制旋转平台以垂直速度为v周期性的上下往复运动。

太赫兹收发通道包含：太赫兹天线、一个发射机和m个(m≥2)接收机；太赫兹天线位于旋转平台边缘，其它部件位于旋转平台的中心；太赫兹收发通道在水平方向通过圆周机械扫描，同时垂直方向进行直线机械扫描，也即整体形成螺旋扫描，来对目标进行完整信息采集；

太和兹收发通道可以为一组，也可以在垂直向设置多组用来覆盖更大的高度范围，多组太和兹收发通道从上至下固定为一体，然后再设置在旋转平台的边缘部。

发射机，用于产生太赫兹频段的发射信号；

太赫兹天线，用于将发射电磁波发射出去；并接收目标反射的回波信号；

接收机，用于采集太赫兹天线接收的目标反射的回波信号，然后发送至数据处理模块；

数据处理模块，用于对接收机发送的目标信号进行成像处理，具体包括：

天线采用螺旋式扫描方式，水平面转速为ω，垂直速度为v。在ta时刻，天线相位中心在水平面内的坐标为xa(ta),ya(ta)表示，在垂直向的坐标为za(ta)，

对目标反射的回波信号进行距离压缩，得到sr(ta,tr)：

其中tr为距离向快时间，ρ(xp,yp,zp)为位于(xp,yp,zp)处目标的散射系数，b为发射信号带宽，fc为载频，c为光速，rp(ta)为目标与天线的距离：

成像算法采用backprojection(bp)算法，具体步骤如下：

(1)首先将目标区域划分为三维离散的像素点(xi,yi,zi)，目标中心位置为(xi0,yi0,zi0)，对于每一个像素点，计算(xi,yi,zi)到天线(xa(ta),ya(ta),za(ta))的距离时延tri：

(2)然后对sr(ta,tr)进行插值，找到对应tri的数据sr(ta,tri)，并补偿天线运动产生的相位：

其中tr0为目标中心位置(xi0,yi0,zi0)到天线(xa(ta),ya(ta),za(ta))的距离时延；

(3)最后对所有ta叠加得到图像值i(xi,yi,zi)，

在bp算法实现上，采用gpu+cuda并行处理提高成像速度，最终得到三维图像i(xi,yi,zi)。对i(xi,yi,zi)沿雷达视线方向取最大值，作为二维显示图像。

实施例2

基于上述系统，本发明的实施例2提出了一种太赫兹安检成像方法，包括：

在水平面内采用圆周旋转方式，垂直向采用直线运动，整体形成螺旋扫描，通过发射机和太赫兹天线向外发射信号，经过目标反射后通过接收机获取回波信号，通过合成孔径成像处理，使得水平向和垂直向分辨率优于厘米级。

在三维空间中设定4个点目标进行仿真验证，成像几何关系如图2所示，利用本发明的成像方法，得到4个点目标的仿真结果，如图3所示。经过分析，中心处点目标水平向和垂直向3db宽度为2.2mm×3.4mm，边沿处点目标水平向和垂直向3db宽度为3.4mm×3.6mm。

以n＝1，m＝2作为具体的实施例，也即共1组太赫兹收发通道，每组1个发射通道2个接收通道，构建本发明提出的太赫兹安检成像系统，并试验验证本发明的成像方法。利用该系统和本发明提出的成像方法，对金属字母和手术刀进行了成像试验；图4为目标的光学图像，图5和图6为两个方向的雷达图像，通过对比可以看出，该系统和方法能够清晰地对目标进行成像，验证本方法的有效性。

该系统可同时对四周目标进行成像，在实验中金属字母和手术刀位于系统正前方，在系统正后方为金属控制支架。在对字母和手术刀成像的同时，可以对背部金属支架进行成像，附图6为金属支架的雷达图像，因此该系统和方法可以同时对多个方位的目标进行成像。

在采取不同的m和n的情况下，也即不同的收发组数和每组的接收通道数时，经过多次实验同样可以证明本方法的有效性，所不同的无非是系统采样的时间不同，系统和方法的有效性是一致的。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。