一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法。发射天线辐照到目标所在的人体感知部位形成入射场，与金属物体相互作用形成散射场，对金属物体的散射回波信号进行接收；天线工作于宽带扫频模式，划分成多个随机的频点值，将人体感知部位平均离散成多个小区域，以每个小区域的几何中心作为离散点；建立微波相干成像的线性模型，采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆，获得各个小区域的散射系数，进而获得金属物体所在的小区域，以该区域的离散点作为金属物体的位置。本发明方法，无需设计制造特定的复杂天线，具有定位快速准确，系统结构简单，适用性强等特点。
【专利说明】
一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及了一种人体内物体的定位方法，尤其是涉及了一种基于微波相干成像 的新型人体内金属物体定位方法。
【背景技术】
[0002] 微波成像是指以微波作为信息载体的一种成像或者定位手段，实质属于电磁逆散 射问题。由于它既用被成像目标散射的幅度信息，也用它的相位信息，因此也称为微波全息 成像。其原理是用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的形 状或介电常数分布。其中，依据相干成像模型的成像方法被称为相干成像，包括实孔径雷达 (RA)、合成孔径雷达(SAR)等主要雷达模式。
[0003] 新型微波相干成像技术是单接收天线以非扫描的方式从目标散射场获取物体形 状及其位置的新技术。由于各种介质和金属物体在电磁场中会产生散射作用，其散射场包 含了物体的表面特性信息。根据光学中的鬼成像理论，将已知特性的多组随机分布电磁场 照射在物体上并通过单个位置固定的接收天线接收。在获取多组测量数据后，经过入射场 与散射场的相关计算后可提取散射物体的轮廓和表面信息，从而只用单天线进行电磁成像 定位。该新型方法不需移动探测天线并避免了复杂的天线阵，降低了系统成本同时提高了 辨识目标的能力，在电磁隔墙探测、医学成像以及雷达成像等民用领域和军事领域都有着 巨大的应用潜力。
[0004] 压缩感知是一种新的信息获取理论，是建立在信号稀疏表示、测量矩阵的非相关 性以及逼近理论上的一种信号采集和重建的方法。该理论指出，只要信号是稀疏的或者在 某个基下时刻压缩的，就可以通过远低于奈奎斯特采样定理要求的采样率获取信号的结构 信息，再通过重构算法完成信号的精确重构。其基本思想是先将高维信号降低到低位空间， 通过随机投影取得观测值，这一过程同时完成了采样与压缩，然后利用稀疏先验知识处理 接收的测量值，最后通过求解凸优化问题来重建原始信号。目前基于CS理论的重建算法主 要有正交匹配算法(0ΜΡ)、基追踪算法(BP)、迭代阈值算法(LHT)等。
【发明内容】
[0005] 为了对人体内部未知位置的金属物体进行定位，本发明的目的在于提供一种基于 微波相干成像技术的新型定位方法，发射天线与接收天线工作于宽带扫频模式，单个或者 多个发射天线辐照人体人体感知部位，单个天线接收金属物体产生的散射信号，结合测量 得到人体感知部位的辐射场信息，采用压缩感知算法对目标进行定位。
[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 本发明采用单个或者多个发射天线辐照到金属物体所在的人体感知部位，在人体 感知部位形成入射场，入射场与金属物体相互作用形成散射场，由单个接收天线对金属物 体的散射回波信号进行接收，发射天线和接收天线均朝向人体感知部位；
[0008] 发射天线可以是如图2所示的多个，或者如图1所示的单个，接收天线只有一个。
[0009]发射天线与接收天线工作于宽带扫频模式，将宽带范围划分成m个随机的频点值， m为频率分散度，将人体感知部位平均离散成η个小区域，以每个小区域的几何中心作为离 散点，得到η个离散点；
[0010]根据电磁波散射原理与逆散射理论建立微波相干成像的线性模型，采用压缩感知 计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆，获得各个小区域的散射系数，进而获 得金属物体所在的小区域，以该区域的离散点作为金属物体的位置。
[0011] 本发明方法中，金属物体对于人体感知部位是一个空间域上的稀疏目标，采用压 缩感知算法在欠采样情况下对信号快速复原。
[0012] 采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆具体是选择正 则化函数求解目标函数，并优化目标函数最小值。
[0013] 所述的单个接收天线也可以是发射天线。
[0014] 所述微波相干成像的线性模型表示为：
[0015] Sca(rr) = E].ad (r)E'mJ {r)a(r)
[0016] 其中，Sca(rr)为位于人体外坐标rr处的接收天线接收得到的散射回波信号；￡:".々·） 和CW·)分别表示为发射天线和接收天线在人体感知部位r的辐射场分布;〇(r)为人体感知 部位r内的后向散射系数。
[0017] 所述采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆，具体过程 为：
[0018] 将所述微波相干成像的线性模型在频域和空间域上分别进行离散化处理，得到矩 阵方程：
[0019]
[0020] 其中，下标m表示第m个频率点的电磁场信息，下标η表示第η个定位区域内离散点 处的电磁场信息。
[0021 ]将上述矩阵方程简化为：
[0022] g = Hf
[0023] 其中，〃 表示发射天线与接收天线在人体感知部位的辐射场信息，g 为散射回波信号，f为金属物体的后向散射系数变量。
[0024] 其中，g为mX 1的测量矩阵，即m个频率分散点对应的散射信号。Η为一个mXn的测 量矩阵，其中行向量对应所有的m个不同频点的测量值。η X 1的f向量代表被离散成η点的人 体感知部位的某种特征信息，比如后向散射值。雷达目标的回波信号可以看作是几个强散 射点回波信号叠加的结果，因此原始回波信号在某个变换域上也具有一定的稀疏性。显而 易见，微波相干成像对孤立金属物体的探测定位，待定位金属物体在空间域上就是稀疏信 号。
[0025] 采用压缩感知计算方法通过以下公式求解目标函数的最小值来拟合优化得到，直 到目标函数的最小值达到最小值阈值：
[0026] F(f)^g-Wt +λΚ^
[0027] 其中，F(f)表示金属物体的后向散射系数变量f的目标函数，p表示范数的阶数， ? | |为P阶范数符号，R(f)为正则化函数，λ为调节范数和正则化函数相互之间的权重参 数。
[0028] 具体实施中一种快速收敛的压缩感知算法两步迭代阈值快速算法(TwIST)，当然 本发明也能够选择其他的压缩感知算法。
[0029] 所述的天线频率分散度m大于人体感知部位的目标稀疏度。人体感知部位的目标 稀疏度是指人体感知部位内需定位的金属物体的数量。
[0030] 所述的散射回波信号通过矢量网络分析仪测量获取，即S参数的幅值与相位信息。
[0031] 所述的发射天线辐照到人体感知部位形成的辐射场信息通过天线近场测量得到 或者通过天线近场测量变换到人体感知部位得到。
[0032]本发明的有益效果：
[0033] 本发明利用了压缩感知，使得其在欠采样的情况下进行数据采集和处理，其计算 量大大减小，定位速度快而准确。
[0034] 并且本发明可便捷地定位人体内的金属物体，系统结构简单，能够实现准确和快 速定位，适用性强，可应用于中弹人体内部弹片定位的情况。
【附图说明】
[0035] 图1是本发明的微波相干成像模型。
[0036] 图2是本发明的系统实施结构图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0038]本发明的微波相干成像的线性模型由以下原理过程获得：
[0039] 人体感知部位为Χ0Υ二维平面的区域|2，|2表示二维平面空间，reQ为人体 感知部位内任意一点的矢量位置，D表示天线口径。主要分成三个过程：
[0040] 第一个过程:发射天线与接收天线在人体感知部位的形成辐射场分布。假设发射 天线T在位置rt的口场面分布表示为< 2("上，根据电磁波自由空间传播理论，可以得到在远 场r处的福射场分布：
[0042]
，I r | = | r-rt |为自由空间格林函数。同理可以得到位置rr 处的接收天线R在r处的辐射场分布函数：
[0044]第二个过程，在形成入射辐射场之后，入射辐射场与人体感知部位内的金属物体 互相作用形成散射场。该散射过程与目标的电参数特性、几何形状都有关，针对单个目标， 利用等效的目标后向散射系数σ来描述入射场与目标的相互作用。
[0045] 对于该固定人体感知部位内的静止目标，区域内任意位置r的后向散射系数表示 为〇(r)，假设该系数与频率无关，也不随时间t变化。简单起见，忽略多径散射，利用Born- 阶近似得到金属物体后向散射表达式：
[0046]
[0047] 其中，Esc；a(rr)为发射天线在位置rr处的散射场分布。
[0048]第三个过程，金属物体的散射信号作为二次发射源，并通过处于位置处的接收 天线接收，得到散射回波信号：
[0050]结合上述辐射场表达式，整理简化得到相干成像的线性模型表达式：
[0051 ] S吨X(r)￡?(r)。
[0052]上述关系式表示了接收散射回波信号与天线辐射场、金属物体散射场之间的关 系，发射天线与接收天线在人体感知部位的辐射场￡^(「)￡:。4·)为该成像系统的系统传输函 数H，回波信号Sea即为该系统对于金属物体 〇(r)的系统响应。散射回波中包含了人体感知 部位内金属物体的散射信息，该信息是天线辐射场与金属物体相互作用的结果，上式的积 分特性表示金属物体信息耦合在接收回波之中，成像原理就是基于此关系式从接收散射回 波中提取金属物体信息，得到金属物体散射系数的反演值σ (r)。因此，在已知辐射场信息和 散射信号的情况下，选择合适的矩阵求逆方法得到金属物体散射信息〇。
[0053]本发明的实施例如下：
[0054]搭建如图2所示的定位系统，包括两个发射天线Τ1、Τ2,一个接收天线R和测量天线 辐射场信息与散射信息的矢量网络分析仪以及运行定位算法的计算机。对人体内部建模得 到脂肪-肌肉-脂肪三层结构，根据一般医学经验，金属目标大多位于浅表脂肪下的肌肉层。 发射天线与接收天线均工作于宽带扫频模式，选择不同频率下接收天线得到的电磁散射信 号作为微波相干模型的测量值。发射天线Τ1、Τ2分别依次发射电磁波辐照到人体人体感知 部位，接收天线R接收散射信号。
[0055]天线工作于宽带扫描模式，假定工作频率点数为Μ，人体感知部位离散化点数为Ν。 首先，通过近场测量得到发射天线与接收天线在人体感知部位的辐射场分布，即ΜΧΝ大小 的发射天线辐射g￡L(T1)、发射天线辐射场尤 rf(T2)和接收天线辐射场。发射天线Τ1 辐照人体感知部位，接收天线R得到散射信号MX 1的测量矩阵gl;同样的，发射天线T2辐照 人体感知部位，接收天线R得到散射信号Μ X 1的测量矩阵g2。结合;两次发射与接收过程，令 g= [gl，g2]，H=[iUTl), ￡L(T2)] X [UR), KR)]，计算求逆得到目标值f。
[0056] 实施例采用快速收敛的两步迭代阈值快速算法(TwIST)，TwIST算法将微波相干成 像模型作为一个稀疏问题求解，即通过求解目标函数的最小值来拟合得到：
[0057] / = argmin,(|| g-///1|$ || / Ο
[0058] 其中，I I · I I为范数符号，λ为调节范数和正则化函数相互之间的权重参数，正则 化函数R选择为一阶范数。
[0059] 由此，本发明在欠采样的情况下进行数据采集和处理，大大减小了计算量，定位速 度快而准确，其技术效果显著，适用性强。
【主权项】
1. 一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法，其特征在于所述方法包括 以下步骤： 采用单个或者多个发射天线辐照到金属物体所在的人体感知部位，在人体感知部位形 成入射场，入射场与金属物体相互作用形成散射场，由单个接收天线对金属物体的散射回 波信号进行接收，发射天线和接收天线均朝向人体感知部位； 发射天线与接收天线工作于宽带扫频模式，将宽带范围划分成m个随机的频点值，m为 频率分散度，将人体感知部位平均离散成η个小区域，以每个小区域的几何中心作为离散 占 . 建立微波相干成像的线性模型，采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进 行矩阵求逆，获得各个小区域的散射系数，进而获得金属物体所在的小区域，以该区域的离 散点作为金属物体的位置。2. 根据权利要求1所述的一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法，其 特征在于:采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆具体是选择正 则化函数求解目标函数，并优化目标函数最小值。3. 根据权利要求1所述的一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法，其 特征在于:所述的单个接收天线也可以是发射天线。4. 根据权利要求1所述的一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法，其 特征在于:所述微波相干成像的线性模型表示为：其中，Sca(rr)为位于人体外坐标rr处的接收天线接收得到的散射信号；和L 分别表示为发射天线和接收天线在人体感知部位r的福射场分布;〇(r)为人体感知部位r内 的后向散射系数。5. 根据权利要求1所述的一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法，其 特征在于： 所述采用压缩感知计算方法对微波相干成像的线性模型进行矩阵求逆，具体过程为： 将所述微波相干成像的线性模型在频域和空间域上分别进行离散化处理，得到矩阵方 程：其中，下标m表示第m个频率点的电磁场信息，下标η表示第η个定位区域内离散点处的 电磁场信息。 将上述矩阵方程简化为： g = Hf 其中，〃 =(「)￡二的表示发射天线与接收天线在人体感知部位的辐射场信息，g为散射 回波信号，f为金属物体的后向散射系数变量。 其中，g为mXl的测量矩阵，即m个频率分散点对应的散射信号。Η为一个mXn的测量矩 阵，其中行向量对应所有的m个不同频点的测量值。η X 1的f向量代表被离散成η点的人体感 知部位的某种特征信息，比如后向散射值。雷达目标的回波信号可以看作是几个强散射点 回波信号叠加的结果，因此原始回波信号在某个变换域上也具有一定的稀疏性。显而易见， 微波相干成像对孤立金属物体的探测定位，待定位金属物体在空间域上就是稀疏信号。 采用压缩感知计算方法通过以下公式求解目标函数的最小值来拟合优化得到，直到目 标函数的最小值达到最小值阈值： 其中，F(f)表示金属物体的后向散射系数变量f的目标函数，p表示范数的阶数，11 · | | 为P阶范数符号，R(f)为正则化函数，λ为调节范数和正则化函数相互之间的权重参数。6. 根据权利要求1所述的一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法，其 特征在于:所述的天线频率分散度m大于人体感知部位的目标稀疏度。7. 根据权利要求1所述的一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法，其 特征在于:所述的散射回波信号通过矢量网络分析仪测量获取。8. 根据权利要求1所述的一种基于微波相干成像的新型人体内金属物体定位方法，其 特征在于:所述的发射天线辐照到人体感知部位形成的辐射场信息通过天线近场测量得到 或者通过天线近场测量变换到人体感知部位得到。
【文档编号】G01S13/89GK105866772SQ201610246601
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】皇甫江涛, 周天益
【申请人】浙江大学