综合孔径辐射计波数域近场成像方法及设备

1.本发明属于毫米波辐射探测领域，更具体地，涉及一种综合孔径辐射计波数域近场成像方法及设备。


背景技术：

2.根据普朗克黑体辐射定律，一切温度高于绝对零度的物质均以电磁波的形式向外辐射能量，毫米波辐射计是测量物质在毫米波波段的电磁辐射能量的高灵敏度接收机。通过接收毫米波信号，获取各观测对象的物理参数或信息，这通常被称为无源毫米波辐射探测技术。无源毫米波辐射具有穿透性强、自身隐蔽、可全天时、准全天候工作的优点，因此，被广泛应用于诸如海洋监测、大气遥感、射电天文、人体安检、土壤和植被遥感等领域。
3.目前，主要有实孔径机械扫描成像、焦平面凝视成像、综合孔径成像这三种被动毫米波成像。综合孔径成像探测技术基于孔径综合，用小口径天线组成阵列，从而形成等效大口径阵列，天然具备高分辨率成像探测的能力。传统的综合孔径辐射计主要应用于远场成像，如射电天文、对地遥感。在进行远场观测时，根据范西特-泽尼克定理，场景修正亮温与可见度函数之间存在傅里叶变换关系；在近场成像时，这一关系不再存在。综合孔径辐射计成像探测技术在近场观测方面应用较少，主要面向近场人体安检，当前技术成熟度不高，难以大规模应用。尤其在近场成像算法方面，传统的点源校正算法难以实现大视场、高精度成像；并且随着成像距离的缩短，点源校正算法的成像性能进一步恶化。之前的研究工作中，发明人首次提出将波数域成像算法应用于综合孔径辐射计近场成像中，实现综合孔径辐射计大视场、近距离、高精度成像。但是该算法应用于单对多复相关方式，其阵列要求为满阵，代价极大。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种综合孔径辐射计波数域近场成像方法及设备，其目的在于实现综合孔径毫米波辐射计平面阵列近场高分辨率、高精度、大视场成像，以及实现综合孔径无距离信息近场成像，推动综合孔径被动毫米波成像技术在近场成像领域中的应用。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种综合孔径辐射计波数域近场成像方法，包括：s1，利用综合孔径辐射计的天线阵列测量近场目标区域的亮温分布，以生成相应的四维近场可见度函数；s2，对所述四维近场可见度函数进行傅里叶变换以实现波数域分解，得到所述近场可见度函数中的四维波数域信息；s3，对所述四维波数域信息进行距离向相位补偿以去除距离向耦合，并对距离向相位补偿后的四维波数域信息进行降维累加，得到二维波数域数据；s4，对所述二维波数域数据进行傅里叶变换或傅里叶反变换，以生成所述近场目标区域的反演图像。
6.更进一步地，所述综合孔径辐射计的天线阵列为平面满阵天线。
7.更进一步地，所述s1中生成的四维近场可见度函数：
[0008][0009][0010][0011]
其中，v(xk，yk，x
l
，y
l
)为所述四维近场可见度函数，t(x，y，z)为近场目标区域的亮温分布，(xk，yk)为组成干涉仪所对应的两个天线中一个天线的坐标位置，(x
l
,y
l
)为组成干涉仪所对应的两个天线中另一个天线的坐标位置，(x,y,z)为近场目标区域中目标点的坐标位置，rk、r
l
分别为目标点到组成干涉仪所对应的两个天线的位置，j为虚数单位，k为波数，s为近场目标区域中目标点的面积。
[0012]
更进一步地，所述s2中得到的四维波数域信息为：
[0013][0014][0015][0016][0017][0018]
其中，为所述四维波数域信息，为与xk对应的傅里叶变量，为与yk对应的傅里叶变量，为与x
l
对应的傅里叶变量，为与y
l
对应的傅里叶变量。
[0019]
更进一步地，所述s3中对所述四维波数域信息进行距离向相位补偿后还包括：对距离向相位补偿后的四维波数域信息进行降维累加处理，以得到所述二维波数域数据。
[0020]
更进一步地，当获取到z形成先验距离信息时，所述s3中得到的二维波数域数据为：
[0021][0022]
其中，e
′
(k
x
,ky)为所述二维波数域数据，k
x
为第一合成方位波数，ky为第二合成方位波数，kz为合成距离波数，为方位波数，为距离波数，为所述四维波数域信息，为与xk对应的傅里叶变量，为与yk对应的傅里叶变量，为与x
l
对应
的傅里叶变量，为与y
l
对应的傅里叶变量。
[0023]
更进一步地，当未获取到z形成先验距离信息时，所述s3中得到的二维波数域数据为：
[0024][0025]
其中，e
′
(k
x
,ky)为所述二维波数域数据，k
x
为第一合成方位波数，ky为第二合成方位波数，为方位波数，为距离波数，为所述四维波数域信息，为与xk对应的傅里叶变量，为与yk对应的傅里叶变量，为与x
l
对应的傅里叶变量，为与y
l
对应的傅里叶变量。
[0026]
更进一步地，所述综合孔径辐射计的天线阵列为稀疏阵列天线。
[0027]
更进一步地，所述稀疏阵列天线为十字阵天线，所述s1中还包括：从生成的四维近场可见度函数中选取x
l
、yk维度，得到新的近场可见度函数v(x
l
,yk)：
[0028][0029][0030][0031]
其中，t(x,y,z)为近场目标区域的亮温分布，x
l
为水平阵列单元在x轴的坐标，yk为垂直阵列单元在y轴的坐标，rk为目标点到垂直阵列各天线的距离，r
l
为目标点到水平阵列各天线的距离，(x,y,z)为近场目标区域中目标点的坐标位置，j为虚数单位，k为波数，s为近场目标区域中目标点的面积。
[0032]
按照本发明的另一个方面，提供了一种电子设备，包括：处理器；存储器，其存储有计算机可执行程序，所述程序在被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上所述的综合孔径辐射计波数域近场成像方法。
[0033]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：提出平面阵下综合孔径近场可见度函数为四维的，基于此，利用平面阵列获取四维可见度函数，基于该四维可见度函数，结合波数域成像算法以及降维累加操作，实现近场大视场、近距离、高精度成像，可以将其应用于人体隐匿违禁物品的检测中；进一步地，基于综合孔径阵列可以稀疏成像的特点，针对十字阵设计相应的二维波数域成像算法，实现基于十字稀疏阵列的近场高精度成像；此外，针对满阵设计相应的近场高精度无距离信息成像算法，实现无距离信息的近场高精度成像。
附图说明
[0034]
图1为本发明实施例提供的综合孔径辐射计波数域近场成像方法的流程图；
[0035]
图2为本发明实施例提供的综合孔径二元干涉模型的示意图；
[0036]
图3为本发明实施例提供的综合孔径近场成像二维十字阵的示意图；
[0037]
图4a-图4c为本发明实施例提供的二维十字阵成像的实验设置示意图；
[0038]
图5为本发明实施例提供的双展源目标成像结果示意图；
[0039]
图6为本发明实施例提供的三展源目标成像结果示意图；
[0040]
图7为本发明实施例提供的无距离信息成像点源成像结果示意图；
[0041]
图8为本发明实施例提供的无距离信息双展源成像结果示意图；
[0042]
图9为本发明实施例提供的电子设备的框图。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0044]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0045]
图1为本发明实施例提供的综合孔径辐射计波数域近场成像方法的流程图。参阅图1，结合图2-图8，对本实施例中综合孔径辐射计波数域近场成像方法进行详细说明，方法包括操作s1-操作s4。
[0046]
参阅图2，示出了综合孔径二元干涉模型，综合孔径辐射计的天线阵列位于平面b，近场目标区域位于平面a，平面a与平面b之间的距离为z。采用本实施例中综合孔径辐射计波数域近场成像方法，可以实现利用平面a处的综合孔径辐射计对平面b处的近场目标区域进行成像。
[0047]
操作s1，利用综合孔径辐射计的天线阵列测量近场目标区域的亮温分布，以生成相应的四维近场可见度函数。
[0048]
操作s2，对四维近场可见度函数进行傅里叶变换以实现波数域分解，得到近场可见度函数中的四维波数域信息。
[0049]
操作s3，对四维波数域信息进行距离向相位补偿以去除距离向耦合，并对距离向相位补偿后的四维波数域信息进行降维累加，得到二维波数域数据。
[0050]
操作s4，对二维波数域数据进行傅里叶变换或傅里叶反变换，以生成近场目标区域的反演图像。
[0051]
根据本发明的实施例，综合孔径辐射计的天线阵列为平面满阵天线或稀疏阵列天线。本发明实施例的理论基础是综合孔径成像基本原理和驻定相位原理。以下基于平面满阵天线和稀疏阵列天线中的十字阵天线，对本实施例中综合孔径辐射计波数域近场成像方法进行详细说明。
[0052]
(1)对于平面满阵天线而言，其具体操作如下：
[0053]
(1.1)利用平面满阵天线测量近场目标区域的亮温分布，生成相应的四维近场可见度函数：
[0054]
[0055][0056][0057]
其中，v(xk,yk,x
l
,y
l
)为四维近场可见度函数，t(x,y,z)为近场目标区域的亮温分布，(xk,yk)为组成干涉仪所对应的两个天线中一个天线的坐标位置，(x
l
,y
l
)为组成干涉仪所对应的两个天线中另一个天线的坐标位置，(x,y,z)为近场目标区域中目标点的坐标位置，rk、r
l
分别为目标点到组成干涉仪所对应的两个天线的位置，j为虚数单位，k为波数，s为近场目标区域中目标点的面积。
[0058]
(1.2)对四维近场可见度函数v(xk,yk,x
l
,y
l
)进行傅里叶变换，得到四维波数域信息：
[0059][0060][0061][0062][0063][0064]
其中，为四维波数域信息；为与xk对应的傅里叶变量，为与yk对应的傅里叶变量，为与x
l
对应的傅里叶变量，为与y
l
对应的傅里叶变量，表示角谱数据的坐标，其物理含义是波数矢量，即波数k乘以方向余弦函数。
[0065]
需要说明的是，的物理含义是光学中的角谱。由于近场条件下，可见度函数与目标场景之间不存在傅里叶变换关系，对可见度函数进行傅里叶变换得到的只是波数域信息，这一理论可从驻定相位原理中得到充分论证：
[0066][0067][0068]
[0069][0070][0071][0072]
(1.3)对四维波数域信息进行距离向相位补偿，并对距离向相位补偿后的四维波数域信息进行降维累加处理，以得到二维波数域数据。
[0073]
由于波数域信息中存在距离向的耦合，需进行距离向相位补偿，从而去除该耦合项。同时，由于获得的波数域数据是四维的，为实现近场二维高分辨率成像，需要对波数域数据进行距离项补偿以及降维累加处理，获取二维波数域数据e
′
(k
x
,ky)。其中e
′
(k
x
,ky)是近场亮温分布的频率域信息，是一种虚拟的合成角谱。
[0074]
(1.3.1)当获取到z形成先验距离信息时，得到的二维波数域数据为：
[0075][0076]
其中，e
′
(k
x
,ky)为二维波数域数据，k
x
为第一合成方位波数，ky为第二合成方位波数，kz为合成距离波数，为方位波数，为距离波数，为四维波数域信息，为与xk对应的傅里叶变量，为与yk对应的傅里叶变量，为与x
l
对应的傅里叶变量，为与y
l
对应的傅里叶变量。
[0077]
由于近场观测重点关注的是目标点与背景的亮温差异，因此无需获取真实的亮温信息，无需准确量化图像亮温。对于不需要精确量化图像亮温的场景，二维波数域数据e
′
(k
x
,ky)可近似为：
[0078][0079]
其中：
[0080][0081][0082][0083]
(1.3.2)当未获取到z形成先验距离信息时，得到的二维波数域数据为：
[0084][0085]
此时，kz＝0。其中，e
′
(k
x
,ky)为二维波数域数据，k
x
为第一合成方位波数，ky为第二
合成方位波数，为方位波数，为距离波数，为四维波数域信息，为与xk对应的傅里叶变量，为与yk对应的傅里叶变量，为与x
l
对应的傅里叶变量，为与y
l
对应的傅里叶变量。
[0086]
(1.4)对二维波数域数据e
′
(k
x
,ky)进行傅里叶变换或傅里叶反变换，得到近场无误差的反演图像
[0087][0088]
(2)参阅图3、图4a，示出了典型稀疏阵列为十字阵实现近场成像时的示意图。对于稀疏阵列天线中的十字阵天线而言，其具体操作如下：
[0089]
(2.1)利用十字阵天线测量近场目标区域的亮温分布，生成相应的四维近场可见度函数，从该四维近场可见度函数中选取x
l
、yk维度，得到新的近场可见度函数v(x
l
,yk)：
[0090][0091]
假设十字阵天线多对多复相关操作只发生在垂直线阵和水平线阵之间，此时r
l
、rk可表示为：
[0092][0093][0094]
其中，t(x,y,z)为近场目标区域的亮温分布，x
l
为水平阵列单元在x轴的坐标，yk为垂直阵列单元在y轴的坐标，rk为目标点到垂直阵列各天线的距离，r
l
为目标点到水平阵列各天线的距离，(x,y,z)为近场目标区域中目标点的坐标位置，j为虚数单位，k为波数，s为近场目标区域中目标点的面积。基于以上处理，等效的对数据进行了降维，省略了在波数域数据中进行复杂繁琐的降维累加操作。
[0095]
(2.2)对其四维近场可见度函数v(x
l
,yk)进行傅里叶变换，得到其四维波数域信息e(k
x
,ky)，其中：
[0096][0097][0098][0099]
(2.3)对其四维波数域信息e(k
x
,ky)进行距离向相位补偿，校正消除kz的影响，从而获取二维波数域数据e
′
(k
x
,ky)。
[0100]
(2.4)对二维波数域数据e
′
(k
x
,ky)进行傅里叶变换或傅里叶反变换，得到近场无误差的反演图像
[0101]
对于十字阵天线而言，其阵列在xoy平面，水平线阵h上的所有阵元接收到的信号只与垂直线阵v上的阵元进行复相关，基于此获取四维可见度函数。其所采用的实验设置如
图4a-图4c所示，图4a为24通道94ghz综合孔径系统，系统带宽为400mhz，阵列间距为3cm；图4b为双展源示意图，图4c为三展源示意图；展源目标距离天线口面4.2m。双展源目标、三展源目标的成像结果分别如图5、图6所示。
[0102]
下面介绍无距离信息成像示例。针对二维无距离信息成像，需要二维满阵，代价巨大，本实施例针对一维成像，利用一维线阵验证该方法的有效性。
[0103]
首先，基于图4中十字稀疏阵的水平线阵，获取二维可见度函数数据；其次，对该二维可见度函数数据进行傅里叶变换，获取二维波数域数据；然后，获取二维波数域数据中kz＝0的数据，从而实现等效的将二维波数域数据降维到一维，并对该一维波数域数据进行傅里叶变换，获取无距离信息条件下的一维成像结果。无距离信息条件下点源目标与双展源目标成像结果分别如图7和图8所示。图5-图8所示成像结果验证了本实施例所提供的方法的有效性。
[0104]
综合上述技术方案，本实施例论证了平面阵下近场可见度函数为四维，基于此进行降维累加，获取近场二维波数域数据，实现近场大视场、近距离、高精度成像，可以将其应用于人体隐匿违禁物品的检测中。进一步地，基于综合孔径阵列可以稀疏成像的特点，针对十字阵设计相应的二维波数域成像算法，实现基于十字稀疏阵列的近场高精度成像；此外，针对满阵设计相应的近场高精度无距离信息成像算法，实现无距离信息的近场高精度成像。
[0105]
本公开的实施例还示出了一种电子设备，如图9所示，电子设备900包括处理器910、可读存储介质920。该电子设备900可以执行上面图1-图8中描述的综合孔径辐射计波数域近场成像方法。
[0106]
具体地，处理器910例如可以包括通用微处理器、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(asic))，等等。处理器910还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器910可以是用于执行参考图1-图8描述的根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
[0107]
可读存储介质920，例如可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，可读存储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。可读存储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。
[0108]
可读存储介质920可以包括计算机程序921，该计算机程序921可以包括代码/计算机可执行指令，其在由处理器910执行时使得处理器910执行例如上面结合图1-图8所描述的方法流程及其任何变形。
[0109]
计算机程序921可被配置为具有例如包括计算机程序模块的计算机程序代码。例如，在示例实施例中，计算机程序921中的代码可以包括一个或多个程序模块，例如包括模块921a、模块921b、
……
。应当注意，模块的划分方式和个数并不是固定的，本领域技术人员可以根据实际情况使用合适的程序模块或程序模块组合，当这些程序模块组合被处理器910执行时，使得处理器910可以执行例如上面结合图1-图8所描述的方法流程及其任何变形。
[0110]
本领域的技术人员容易理解，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。