一种焦平面阵列快速扫描成像方法及系统

1.本发明属于毫米波成像的技术领域，更具体地，涉及一种焦平面阵列快速扫描成像方法及系统。


背景技术：

2.毫米波是指波长在1mm-10mm之间的电磁波,被动毫米波成像系统通过被动检测来自目标场景天然存在的热辐射能量来形成图像。被动毫米波成像系统能够全天候、全天时工作,可以在能见度较差的条件下使用，甚至穿透衣物,这种能力使得被动毫米波成像技术在许多民用和军事领域得到了广泛应用，例如大气研究、导航和监视、安检等。
3.被动毫米波焦平面成像系统的常用体制是焦平面阵列成像体制，该体制的辐射计一维放置在聚焦天线的焦平面上进行扫描得到微波图像，通常多次扫描得到多幅图像进行处理，得以改善图像质量。但是，多次扫描所需时间较长，每扫描一个点还需多次采集进行平均处理，整个处理过程所需时间长，效率较低。


技术实现要素：

4.针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种焦平面阵列快速扫描成像方法及系统，旨在解决获取多幅图像需要多次扫描，并且每扫描一个点还需多次采集进行平均处理，整个处理过程所需时间长，效率较低的问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，本发明提供了一种焦平面阵列快速扫描成像方法，该方法包括以下步骤：
6.s1.根据透镜天线和馈源天线的参数数据，确定二维阵列的行、列间距，得到m
×
n的焦平面阵列排布，m为阵列的行数，n为阵列的列数，m≥2，n≥2；
7.s2.根据所述透镜天线和所述馈源天线的参数数据，确定扫描参数，分别设置水平扫描点数n、水平步进角度δθn、俯仰扫描行数m、第一俯仰步进角度δθ
m1
和第二俯仰步进角度δθ
m2
，其中，所述第二俯仰步进角度δθ
m2
大于所述第一俯仰步进角度δθ
m1
；
8.s3.对所述焦平面的阵列的m
×
n个通道进行不一致性校正；
9.s4.设置转台以所述水平步进角度δθn和所述水平扫描点数n，按“z”字形方式扫描；每扫描完一行时，转台转动第一俯仰步进角度δθ
m1
；在当前俯仰扫描行数m
′
为第一预设数量倍数时，所述转台转动第二俯仰步进角度δθ
m2
；
10.s5.获取所述焦平面阵列中每一列的m个通道扫描得到的数据集，根据每一列的数据集生成一幅初始图像，共计生成n幅初始图像；
11.s6.根据所述n幅初始图像的重复信息对目标初始图像进行修正，得到目标修正图像。
12.可选的，在步骤s1中，确定焦平面阵列的行间距和列间距，包括：
13.根据水平方向上相邻的所述馈源天线的波束在透镜天线的偏焦作用下发生偏转，产生的聚焦波束交叠于3db时对应的相邻馈源天线的水平间距，确定阵列的列间距；根据竖
直方向上相邻的所述在透镜天线的偏焦作用下发生偏转，产生的聚焦波束交叠于3db时对应的馈源天线的竖直间距，确定阵列的行间距；设置m
×
n的焦平面阵列排布方式。
14.有益效果：实现相邻天线3db波束宽度尽量紧凑、不重合且空区小，聚焦压缩馈源天线的波束，使波束变窄，提高成像的分辨率。
15.可选的，步骤s2中，确定扫描参数，包括：
16.根据所述馈源天线经所述透镜天线聚焦后在水平截面上的3db波束宽度ωn，以及预设的ωn角度范围内等间隔数b，确定水平步进角度δθn＝ωn/b；
17.根据所述馈源天线经所述透镜天线聚焦后在竖直截面上的3db波束宽度ωm，以及预设的ωm角度范围内等间隔数a，确定第一俯仰步进角度为δθ
m1
＝ωm/a，第二俯仰步进角度δθ
m2
＝(m-1)
×
ωm+δθ
m1
；
18.设置所述水平扫描点数n≥b
×
n，设置所述俯仰扫描行数其中是正整数。
19.有益效果：根据焦平面阵列通道的特点，设置水平步进角度δθn、第一俯仰步进角度为δθ
m1
、第二俯仰步进角度δθ
m2
、水平扫描点数n和俯仰扫描行数m，保证图像像素点获取位置均匀分布，通过一次扫描得到具有重复位置信息的多幅图像，减少了获得多幅图像所需要扫描的次数，缩短扫描的时间。
20.可选的，步骤s3中，不一致性校正包括：采用两点定标法、单点定标法、多点定标法、矩匹配法、神经网络法中的一种进行通道校正，使各个通道对准同一被测物体输出相同的电压值,同时相同的物体辐射亮温的变化会带来相同的电压改变。
21.可选的，步骤s4中，所述第一预设数量为预设的ωm角度范围内等间隔数a，在所述焦平面阵列扫描过程中，在当前俯仰扫描行数m
′
为a的倍数时，扫描完第m
′
行后，转台转动第二俯仰步进角度δθ
m2
；
22.所述第二俯仰步进角度δθ
m2
每响应一次后，俯仰步进角度再设置为所述第一俯仰步进角度δθ
m1
。
23.有益效果：设置两个不同的俯仰步进角度，采用较大角度的第二俯仰步进角度δθ
m2
步进，可以加快场景信息的获取，进一步缩短扫描时间。
24.可选的，步骤s5中，获取的数据集为电压数据集；
25.完成一次扫描，分别得到m
×
n个电压数据集。
26.可选的，所述初始图像的分辨率均为(m
×
m)
×
n。
27.可选的，每一列通道扫描，都会扫描到其他列通道经过的位置并采集到对应的电压数据，即n幅初始图像中不同初始图像包含相同场景位置的重复信息。
28.有益效果：利用多幅图像间重复位置信息进行图像修正，得到修正后的图像数据，提高成像质量。
29.可选的，步骤s6中对目标初始图像进行修正的方法包括均值对比修正方法、加权对比修正方法、神经网络修正方法中的一种。
30.为实现上述目的，按照本发明的第二方面，本发明提供了一种焦平面阵列快速扫描成像系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
31.所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
32.所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方
面中任一项所述的焦平面阵列快速扫描成像方法。
33.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：
34.本发明的焦平面阵列排布方式和扫描参数，由馈源天线和透镜天线的参数数据确定，设置水平扫描点数n、水平步进角度δθn、俯仰扫描行数m、第一俯仰步进角度δθ
m1
和第二俯仰步进角度δθ
m2
，在扫描过程中，当前俯仰扫描行数m
′
为第一预设数量倍数时，俯仰角度由较小的第一俯仰步进角度δθ
m1
改变为较大的第二俯仰步进角度δθ
m2
，每一列的m个通道扫描得到一幅初始图像，一次完整扫描生成n幅初始图像，根据n幅初始图像的重复信息对目标初始图像进行修正。通过一次扫描得到具有重复位置信息的多幅初始图像，同时，加快场景信息的获取；并根据初始图像的重复信息对目标初始图像进行修正，提高成像质量。
附图说明
35.图1是本发明实施例提供的一种焦平面阵列快速扫描成像方法的流程示意图；
36.图2是本发明实施例提供的透镜天线对馈源天线波束偏焦作用示意图；
37.图3是本发明实施例提供的焦平面阵列扫描轨迹示意图。
具体实施方式
38.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。
39.下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
40.在本技术实施例中，对焦平面进行扫描和后处理成像的馈源天线、透镜天线、接收机、二维转台和采集处理系统为现有结构，采集处理系统的处理器可以为mcu或者pc端。
41.如图1所示，一种焦平面阵列快速扫描成像方法包括如下步骤：
42.步骤s1.根据透镜天线和馈源天线的参数数据，确定二维阵列的行、列间距，得到m
×
n的焦平面阵列排布，m为阵列的行数，n为阵列的列数，m≥2，n≥2。
43.相应的，馈源天线和辐射计接收机通道的标号，从左到右、从上到下依次记为1,2
……m×
n。
44.其中，在本领域技术中通常以3db波束宽度来代表波束的分辨率，在本实施例中，馈源天线波束通过透镜天线的偏焦作用，实现相邻天线3db波束宽度尽量紧凑、不重合且空区小，同时聚焦压缩馈源天线的3db波束宽度，提高成像的分辨率。透镜天线与馈源天线按预设方式排列设置，馈源天线阵列的中心与透镜天线的中心对齐，行、列间距分别等间隔设置；当馈源天线放置在距焦点一定位置处，聚焦波束会在透镜天线的偏焦作用下发生偏转，相邻的馈源天线的聚焦波束在透镜天线的偏焦作用下发生偏转，产生的聚焦波束交叠于3db。
45.根据透镜天线和馈源天线的参数数据，确定二维阵列的行、列间距，包括：根据水平方向上相邻的所述馈源天线的波束在透镜天线的偏焦作用下发生偏转，产生的聚焦波束交叠于3db时对应的相邻馈源天线的水平间距，确定阵列的列间距；根据竖直方向上相邻的所述在透镜天线的偏焦作用下发生偏转，产生的聚焦波束交叠于3db时对应的馈源天线的
竖直间距，确定阵列的行间距；设置m
×
n的焦平面阵列排布方式。
46.如图2所示，焦平面8上等间隔设置馈源天线，馈源天线阵列位于焦平面8上，馈源天线2为阵列的中心，并与透镜天线7的中心对齐，馈源天线2对应聚焦波束5，馈源天线1和馈源天线3在偏焦位置，馈源天线1对应聚焦波束6，而馈源天线3对应聚焦波束4。
47.步骤s2.根据透镜天线和馈源天线的参数数据，确定扫描参数，分别设置水平扫描点数n、水平步进角度δθn、俯仰扫描行数m、第一俯仰步进角度δθ
m1
和第二俯仰步进角度δθ
m2
，其中，第二俯仰步进角度δθ
m2
大于第一俯仰步进角度δθ
m1
。
48.根据焦平面阵列通道的特点，为了充分扫描待测目标场景，获取完整的图像数据，设置水平步进角度δθn＝ωn/b，第一俯仰步进角度δθ
m1
＝ωm/a，a≥2，b≥2，a,b为整数；其中，b为预设的ωn角度范围内等间隔数，a为预设的ωm角度范围内等间隔数。根据透镜天线和馈源天线的参数数据，可知，馈源天线经透镜天线聚焦后的波束交叠于3db，则ωm为在竖直截面上的3db波束宽度，ωn为在水平截面上的3db波束宽度，聚焦后的波束为窄波束，即ωm和ωn为小角度。进一步的，确定水平步进角度δθn＝ωn/b，确定第一俯仰步进角度为δθ
m1
＝ωm/a，第二俯仰步进角度δθ
m2
＝(m-1)
×
ωm+δθ
m1
。为了保证图像像素点获取位置是均匀分布的，设置水平扫描点数n≥b
×
n，设置俯仰扫描行数其中是正整数。
49.在焦平面阵列开始扫描前，包括：步骤s3.对焦平面的阵列的m
×
n个通道进行不一致性校正。
50.基于多通道不一致性校正的方法包括：两点定标法、单点定标法、多点定标法、矩匹配法、神经网络法等，通过通道校正，使各个通道对准同一被测物体输出相同的电压值，同时相同的物体辐射亮温的变化会带来相同的电压改变。本实施例中，辐射计接收机通道响应是线性的，采用两点定标法对多通道辐射计接收机的输出电压进行一致性校正。
51.首先分别获得每个通道对准冷热源时的输出电压，得到每个通道输出电压与物体辐射亮温之间的线性关系。
52.将多通道阵列天线对准标准冷源t1，获得各个接收机输出电压集合为其中1≤k≤m
×
n，为第k个通道对准冷源t1时接收机的输出电压。
53.将多通道阵列天线对准标准热源t2，获得各个接收机输出电压集合为其中1≤k≤m
×
n，为第k个通道对准热源t2时接收机的输出电压。
54.计算每一个通道输出电压u
kt
与物体辐射亮温t之间的线性关系：u
kt
＝ak×
t+bk，其中1≤k≤m
×
n；代表第k个通道响应的增益系数；代表第k个通道响应的偏置系数。
55.选择通道1为参考通道，分别计算每个通道与参考通道之间增益系数ak和偏置系数bk的差值δak和δbk。校正各个通道的增益系数和偏置系数。校正后的增益系数a
′k＝ak+δak，偏置系数b
′k＝bk+δbk。
56.在校正完成后，开始进行扫描。
57.步骤s4.设置转台以水平步进角度δθn和水平扫描点数n，按“z”字形方式扫描；每扫描完一行时，转台转动第一俯仰步进角度δθ
m1
；当俯仰扫描行数m
′
为第一预设数量倍数时，转台转动第二俯仰步进角度δθ
m2
。
58.设置转台扫描方式为“z”字形扫描，水平步进角度为δθn，初始俯仰步进角度为第一俯仰步进角度δθ
m1
，每次扫描的水平扫描点数为n。如图3所示，虚线椭圆b1为第1个馈源天线经透镜天线聚焦后3db波束宽度的剖面,实线椭圆b2为第m
×
n个馈源天线经透镜天线聚焦后3db波束宽度的剖面，实线箭头(a1、a2、a3)表示的是第m
×
n个馈源天线对应波束的扫描轨迹，扫描时，实线椭圆b2沿着水平实线箭头a1方向以水平步进角度δθn移动，第一行扫描完成后，实线椭圆b2沿着竖直实线箭头a2方向移动第一俯仰步进角度δθ
m1
，按“z”字形往返扫描，在当前俯仰扫描行数m
′
为预设的ωm角度范围内等间隔数a的整数倍时，即已经对天线阵列所覆盖视场范围的场景信息进行了均匀采样，空间分辨率为δθn×
δθ
m1
。为了提高扫描速度，此时，实线椭圆b2沿着竖直实线箭头a3方向移动第二俯仰角度δθ
m2
，间隔一定距离后，再“z”字形往返扫描，并且俯仰步进角度按第二俯仰角度δθ
m2
响应一次后，俯仰角度再设置为第一俯仰步进角度δθ
m1
，按此规律依次扫描。俯仰步进角度随扫描行数增加在δθ
m1
与δθ
m2
之间切换，加速了对场景信息的获取。
59.在获取扫描数据后，将扫描数据传输至采集处理系统进行数据处理。
60.步骤s5.获取焦平面阵列中每一列的m个通道扫描得到的数据集，根据每一列的数据集生成一幅初始图像，共计生成n幅初始图像。
61.可选的，扫描获取的数据集为电压数据集，完成一次完整的扫描，分别得到m
×
n个电压数据集。示例性的，第k个通道获得的电压数据集为其中，为第k个通道在第i行第j列位置采集到的电压值，1≤k≤m
×
n，1≤i≤m，1≤j≤n，
62.对每一列的m个通道扫描得到的电压数据集进行处理和排布可以得到一幅初始图像，通过一次完整的扫描共计得到n幅初始图像，其中，初始图像的分辨率均为(m
×
m)
×
n。
63.位于焦点位置的馈源天线经过透镜天线的汇聚后，聚焦波束会垂直于透镜天线照明面，当馈源天线放置在距焦点一定位置处，聚焦波束会在透镜天线的偏焦作用下发生偏转，位于上方通道输出的电压对应场景下方的辐射，而位于下方通道输出的电压对应场景上方的辐射，左右方位同理。在处理数据成像时，需要将通道输出电压数据上下颠倒或者左右颠倒，以得到真实场景的图像信息。
64.n幅初始图像中每一幅初始图像的信息，均由特定的一列通道来获取。每一幅初始图像信息的特征在于，在相邻两个第二俯仰步进角度δθ
m2
之间获取的不同通道的数据信息，根据通道排列顺序呈相反的排布，即左右颠倒或是上下颠倒，并且每一个通道随扫描行数的递增，获取的数据信息呈正序排布；每改变一次第二俯仰步进角度δθ
m2
，上述的通道获取数据信息的排布再重复一次。由于第一俯仰步进角度为δθ
m1
＝ωm/a，在竖直截面上的3db波束宽度ωm内，会进行a次扫描，在每一列通道扫描时，都会扫描到其他列通道经过的位置并采集到电压数据，即n幅初始图像之间有相同位置的场景信息，这一特点使得每个通道在每一个位置处采集数据的次数大幅减少，从而进一步缩短扫描时间。
65.在获取n幅初始图像后，根据重复信息可对单幅图像进行修正，以提高图像质量。
66.步骤s6.根据n副初始图像的重复信息对目标初始图像进行修正，得到目标修正图像。
67.可以通过对重复信息取均值来对比修正，减少图像数据误差。对目标初始图像进行修正的方法包括均值对比修正方法、加权对比修正方法、神经网络修正方法中的一种。其中，不论采用何种修正方法，其重点都是将获取的数据与特定的通道准确对应。
68.在本实施例中，采用均值对比修正方法对目标初始图像进行修正，以第p幅图像i
p
中任意位置(m
′
,n
′
)处像素点电压数据的修正进行说明，其中1≤p≤n。
69.分别将m
′
和n
′
分解为两部分，令n
′
＝γ
′×
b+b0，其中，a0,γ
′
,b0都是整数，0＜a0≤a，γ
′
≥0，0＜b0≤b。第p幅图像i
p
中某一位置(m
′
,n
′
)处像素点电压数据由通道k获得，通过计算得到该点获得的电压数据为
70.存在第p+1幅图像i
p+1
中位置(m
′
,n
′
+b)处电压数据为与第p幅图像i
p
中位置(m
′
,n
′
)处电压数据对应于目标场景的同一位置。同理，可以获得其他图像中与第p幅图像i
p
中(m
′
,n
′
)处对应的电压数据。
71.计算n幅图像中包含第p幅图像i
p
位置(m
′
,n
′
)处辐射信息的均值通过对比与差距，当满足其中ε为阈值，差距小于阈值时，认为与均值相差不大，保留原值当满足差距大于阈值，认为与均值相差较大，用均值来对第p幅图像i
p
位置(m
′
,n
′
)处辐射信息进行修正，得到修正后的第p幅图像i
p
。
72.通过一次扫描得到的多幅初始图像具有相同场景位置的重复信息，而不需要进行多次扫描，减少了扫描次数和成像时间；对于一幅图像中的像素点，都可以用以上方法进行修正，这一特点使得每个通道在每一个位置处采集数据的次数大幅减少，从而进一步缩短扫描时间；同样的，n幅图像均可通过其他图像中的重复信息进行修正，从而提高图像质量。
73.本发明实施例的技术方案，通过根据天线波束宽度和阵列的大小，设置水平扫描点数n、水平步进角度δθn、俯仰扫描行数m、第一俯仰步进角度δθ
m1
和第二俯仰步进角度δθ
m2
，在扫描过程中，以水平步进角度δθn按“z”字形方式扫描，每扫描完一行时，转台转动第一俯仰步进角度δθ
m1
，在当前俯仰扫描行数m
′
为第一预设数量倍数时，俯仰角度由第一俯仰步进角度δθ
m1
改变为较大的第二俯仰步进角度δθ
m2
，根据获取的多幅初始图像的重复信息对目标初始图像进行修正。解决了获取多幅图像需要多次扫描，并且每扫描一个点还需多次采集进行平均处理，整个处理过程所需时间长，效率较低的问题，实现一次扫描得到具有重复位置信息的多幅图像，大大减少了获得多幅图像所需要扫描的次数，通过较大的第二俯仰步进角度δθ
m2
可以加快场景信息的获取，缩短扫描时间；一次扫描得到的多幅图像包含重复位置信息，利用图像间重复位置信息进行图像的修正，提高成像质量。并且，本实施例提供的技术方案可用于多种场合，具有很好的应用前景。
74.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。