一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统，属于毫米波三维全息成像技术领域，包括以下步骤：S1：获得回波信号；S2：插值操作；S3：快速傅里叶变换；S4：选择距离平面；S5：频域匹配滤波；S6：快速傅里叶逆变换；S7：时域匹配滤波；S8：相干累加；S9：得到三维复数图像。本发明专利技术采用毫米波稀疏阵列全电子扫描成像体制，相比于传统的光机扫描远场成像系统，存在电磁波闪烁效应小、图像信噪比高和成像视场范围大的特点；同时所采用的信号处理成像方法较传统的时域类成像方法消耗的硬件资源少、存储空间少的优点，算法流程简单易懂，算法主体仅包含快速傅里叶变换、匹配滤波、相干累加的主体流程，计算效率高于传统的时域类算法。

A remote monitoring imaging method and system of millimeter wave sparse array

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统
本专利技术涉及毫米波三维全息成像
，具体涉及一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统。
技术介绍
近年来，毫米波三维全息成像技术越来越广泛的应用于人身安全检查领域，极大的降低了安检人员的工作负担，可以被应用于海关、机场、法院和大型安保活动现场，是一种安全、文明、高效的安检新模式。但是目前基于毫米波技术的人体安检仪，均需要被安检人员以固定姿势站立于安检仪的内部，需要停留短暂时间，以进行扫描成像，同时毫米波人体安检仪工作于近场条件下，其成像距离一般很近，因此目前的毫米波人体安检仪还无法真正达到高效、快速、无感知的人体安检新要求。目前国内外研究机构已经推出和报道的被动式太赫兹人体安检仪的成像速度已经可以达到实时，做到高效、快速、无感知的体验感，但是被动式人体安检仪所成图像为二维的强度图像，所包含的信息量无法与主动式毫米波人体安检仪的三维图像可比，并且大部分被动式太赫兹人体安检仪采用功率式检波器被动的接收人体辐射的太赫兹波，工作环境场景范围内的背景杂散信号也被无差别的接收，最终导致被动式太赫兹人体安检仪对于工作环境的温度、湿度、光照等自然条件要求比较苛刻，无法做到开放式的安检环境，即使做到开放式的安检环境，成像效果也不十分理想。针对于上述分析，在人体安检成像领域中，要做到真正的高效、快速、无感知的安检要求，主动式实时成像体制亟待需要提出和实现。传统的稀疏阵列成像方法一般是基于时域相关算法和后向投影算法来实现，上述算法在时域条件下进行推导，计算流程较为复杂，计算效率较低，对于实时信号处理的硬件资源和存储资源要求较高，因此，提出一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：如何有效地提高稀疏阵列成像方法的计算效率，使计算过程更加简单，进而降低对实时信号处理的硬件资源和存储资源要求，提供了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法。该成像方法采用毫米波稀疏阵列的成像方式能够满足实时成像的要求，基于快速傅里叶变换技术，相比于传统的时域算法，计算流程较为简单，计算效率较高，且由于毫米波稀疏阵列采用全电子开关阵列，无任何机械扫描结构，因此特别适合于人体安检实时成像领域。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括以下步骤：S1：获得回波信号建立毫米波二维稀疏阵列，其发射阵元间距为ΔxT，接收阵元间距为ΔyR，发射阵元与接收阵元通过天线开关来激活对应的天线单元，在整个扫描过程中，获得的回波信号为S(xT,yT,xR,yR,k)，其中xT为发射阵列x维度，yT为发射阵列y维度，xR为接收阵列x维度，yR为接收阵列y维度，k为频率扫描维度；S2：插值操作对获得的回波信号S(xT,yT,xR,yR,k)的xT维度和yR维度进行插值操作，得到插值后的信号为SInterp(xT,yT,xR,yR,k)；S3：快速傅里叶变换对信号SInterp(xT,yT,xR,yR,k)的xT维度和yR维度进行快速傅里叶变换，将信号的xT维度和yR维度变换到频域空间，所得信号为S4：选择距离平面在距离维度划分位置坐标，设置距离维度成像位置为zq，其中zq∈[zmin,zmax]，q＝0,1,2...Q-1，选择单个距离位置索引zq；同时索引发射阵列yT维度、接收阵列xR维度和频率扫描维度k，索引值分别为yT_m、xR_n和kp，其中m＝0,1,2...M-1，n＝0,1,2...N-1，p＝0,1,2...Nf-1，所得信号为S5：频域匹配滤波计算xT维度和yR维度的频域匹配滤波器与信号的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为S6：快速傅里叶逆变换对信号的维度和维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，所得信号为S7：时域匹配滤波计算yT维度与xR维度的时域匹配滤波器H2(yT_m,xR_n,xT,yR)，并且与信号的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号S8：相干累加改变m、n、p的索引值，直到遍历完所有的yT维度、xR维度和k维度,得到信号对信号的yT维度、xR维度和k维度进行相干累加计算，得到距离位置zq处的二维复数图像S9：得到三维复数图像改变zq的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，重复步骤S4～S8，直到遍历完所有距离位置zq，得到最终的三维复数图像σ(x,y,z)，将三维复数图像σ(x,y,z)传输到高性能服务器进行目标检测与目标识别和图像处理，再送至显示端进行图像显示。更进一步的，在所述步骤S1中，毫米波稀疏阵列发射的信号为调频连续波信号或者步进连续波信号，信号的频段范围为12～18GHz，发射阵元间距ΔxT＝0.015m，接收阵元间距ΔyR＝0.015m。更进一步的，在所述步骤S2中，对回波信号S(xT,yT,xR,yR,k)的xT维度和yR维度进行插值操作后，回波信号xT维度和yR维度的空间采样间隔分别变为ΔxT/2和ΔyR/2。更进一步的，在所述步骤S4中，距离维度划分聚焦平面可以设置为zq∈[5m,8m]，Δz＝zq-zq-1为聚焦平面的位置间隔。更进一步的，设置Δz的公式为其中c为自由空间的光速，B＝fmax-fmin为毫米波射频信号的带宽，其中fmin表示射频信号频率最小值，为12GHz，fmax表示射频信号频率最大值，为18GHz。更进一步的，在所述步骤S5中，频域匹配滤波器其中k＝2πf/c为空间频率波数，kxTx为发射阵列x维度的空间波数，取值范围为kxTx∈[-π/(0.5×ΔxT),π/(0.5×ΔxT)]，kyRx为接收阵列y维度的空间波数，取值范围为kyRx∈[-π/(0.5×ΔyR),π/(0.5×ΔyR)]。更进一步的，在所述步骤S7中，时域匹配滤波器其中z0为毫米波稀疏阵列所在的距离位置，通常设置为0。更进一步的，在所述步骤S2中，进行插值操作的方法选自线性插值、样条插值、立方插值和SINC插值中任一种。该成像方法较传统的时域类成像方法消耗的硬件资源少、存储空间少的优点，算法流程简单易懂，算法主体仅包含快速傅里叶变换、匹配滤波、相干累加的主体流程，计算效率高于传统的时域类算法，值得被推广使用。本专利技术还提供了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像系统，包括：回波信号获取模块，用于通过毫米波二维稀疏阵列获取回波信号；插值操作模块，用于对的回波信号的xT维度和yR维度进行插值操作，得到插值后的信号；快速傅里叶变换模块，用于的插值后信号的xT维度和yR维度进行快速傅里叶变换，将信号的xT维度和yR维度变换到频域空间；距离平面选择模块，用于在距离维度划分位置坐标，设置距离维度成像位置为zq，同时索引发射阵列yT维度、接收阵列xR维度和频率扫描维度k，得到信号频域匹配滤波模块，用于计算xT维度和yR维度的频域匹配滤波器与信号的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,得到信号快本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：获得回波信号/n建立毫米波二维稀疏阵列，其发射阵元间距为Δx

【技术特征摘要】
1.一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获得回波信号
建立毫米波二维稀疏阵列，其发射阵元间距为ΔxT，接收阵元间距为ΔyR，发射阵元与接收阵元通过天线开关来激活对应的天线单元，在整个扫描过程中，获得的回波信号为S(xT,yT,xR,yR,k)，其中，xT为发射阵列x维度，yT为发射阵列y维度，xR为接收阵列x维度，yR为接收阵列y维度，k为频率扫描维度；
S2：插值操作
对获得的回波信号S(xT,yT,xR,yR,k)的xT维度和yR维度进行插值操作，得到插值后的信号为SInterp(xT,yT,xR,yR,k)；
S3：快速傅里叶变换
对信号SInterp(xT,yT,xR,yR,k)的xT维度和yR维度进行快速傅里叶变换，将信号的xT维度和yR维度变换到频域空间，所得信号为
S4：选择距离平面
在距离维度划分位置坐标，设置距离维度成像位置为zq，其中zq∈[zmin,zmax]，q＝0,1,2...Q-1，选择单个距离位置索引zq；同时索引发射阵列yT维度、接收阵列xR维度和频率扫描维度k，索引值分别为yT_m、xR_n和kp，其中m＝0,1,2...M-1，n＝0,1,2...N-1，p＝0,1,2...Nf-1，所得信号为
S5：频域匹配滤波
计算xT维度和yR维度的频域匹配滤波器与信号的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为
S6：快速傅里叶逆变换
对信号的维度和维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，所得信号为
S7：时域匹配滤波
计算yT维度与xR维度的时域匹配滤波器H2(yT_m,xR_n,xT,yR)，并且与信号的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号
S8：相干累加
改变m、n、p的索引值，直到遍历完所有的yT维度、xR维度和k维度,得到信号对信号的yT维度、xR维度和k维度进行相干累加计算，得到距离位置zq处的二维复数图像
S9：得到三维复数图像
改变zq的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，重复步骤S4～S8，直到遍历完所有距离位置zq，得到最终的三维复数图像σ(x,y,z)，将三维复数图像σ(x,y,z)传输到高性能服务器进行目标检测与目标识别和图像处理，再送至显示端进行图像显示。


2.根据权利要求1所述的一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法，其特征在于：在所述步骤S1中，毫米波稀疏阵列发射的信号为调频连续波信号或者步进连续波信号，信号的频段范围为12～18GHz，发射阵元间距ΔxT＝0.015m，接收阵元间距ΔyR＝0.015m。


3.根据权利要求1所述的一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法，其特征在于：在所述步骤S2中，对回波信号S(xT,yT,xR,yR,k)的xT维度和yR维度进行插值操作后，回波信号xT维度和yR维度的空间采样间隔分别变为ΔxT/2和ΔyR/2。


4.根据权利要求1所述的一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥新，郭柳柳，余开，张军，
申请(专利权)人：博微太赫兹信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34