CN107966710B - 一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法，首先将整个三维成像区域均匀划分成多个三维成像单元，然后针对每个三维成像单元进行第一层分辨目标信息重构提取，第二层分辨目标信息重构提取……直至第l层分辨目标信息重构提取，然后再将每个三维成像单元的l层高分辨目标信息重构提取结果进行拼接整合即可得到整个三维目标的高分辨成像结果。本发明解决了太赫兹频段孔径编码三维目标高分辨成像中参考信号矩阵规模庞大的问题。采用多层分辨率重构的方式，逐步精确重建出高分辨的三维目标，有效降低了参考信号矩阵规模，提高了计算机运行效率和成像速度。

Description

一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法

技术领域

本发明属于三维目标分块扫描技术领域，特别是一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法。

背景技术

随着社会的发展，雷达高分辨率成像在确保国家战略安全和促进国民经济发展方面扮演着越来越重要的角色。光学雷达可前视成像，波长短，分辨率高，成像速度快，但是依赖于目标辐射，对烟、尘、雾和障碍物等穿透能力差，易受环境因素影响。而微波雷达可主动探测，穿透能力强，但是由于微波频率低，波长长，角分辨率低，且由于成像原理的限制，需要成像积累时间，无法实现前视高帧频、高分辨成像。其中合成孔径雷达(SAR)和逆合成孔径雷达(ISAR)成像虽然能够通过合成孔径获得横向上的高分辨率，但是二者都依赖于雷达与目标的相对运动，无法前视成像，而实孔径阵列雷达与相控阵雷达由于需要使用的阵元数量多，结构复杂，建设与维护成本高昂。微波关联成像技术能够实现前视、凝视条件下的高分辨成像。其通过构造时间不相关、空间相互正交的阵列信号作为发射信号，通过计算推演得到目标所在区域的探测信号，并通过探测信号与目标回波信号之间的关联处理获得目标信息。但是该方法需要在发射端构造较大规模的天线阵列，且难以实现有效实时的波束指向调控。

孔径编码成像借鉴微波关联成像思想，通过阵列编码孔径对太赫兹波束进行实时编码调制，从而形成时-空二维随机分布的辐射场，最后利用探测回波和辐射场参考信号矩阵通过矩阵方程求解的方式实现高分辨、前视和凝视成像，弥补了合成孔径高分辨成像依赖目标运动的不足。太赫兹孔径编码成像的计算难度取决于参考信号矩阵的规模大小，而其规模由成像区域剖分的网格单元数目决定。针对较大体积的三维目标，例如安检成像中的人体，通过分块扫描的方式，能够将整个成像区域划分成N个三维成像单元进行成像。相较于整个成像区域，单个三维成像单元包含的网格单元数目极大减少，从而有效降低了成像难度。在太赫兹频段，由于其波长短，带宽大等优势，使其成像分辨率较高，由于网格单元尺寸和成像分辨率相当，因而对于即使经过扫描划分后的三维成像单元来说，其包含的网格单元数量规模也很庞大，因而其参考信号矩阵规模和成像难度也很大。以划分后的三维网格单元大小0.1m× 0.1m×0.3m，网格单元尺寸0.0025m×0.0025m×0.0025m为例，其网格单元数量为192000，如果时间采样不压缩，那么参考信号矩阵的规模即为192000×192000，参考信号矩阵占用内存大小即可达到30多G。很明显，普通的计算机不可能完成上述运算，因此需要一种在高分辨成像下，能够降低参考信号矩阵规模到合适大小，以降低计算难度和提高计算效率的方法。

发明内容

现有技术的主要缺点在于孔径编码成像体制下的二维成像技术下的参考信号矩阵规模较小，而三维成像技术下的参考信号矩阵规模庞大，同样的参考信号矩阵构造方式不再适用。针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法。本发明将目标所在的整个三维成像区域均匀剖分成相同的三维成像单元后，针对单个三维成像单元，采用多层分辨率重构的方式，逐步精确重建出高分辨的三维目标。本发明可对近距离三维目标实现前视高分辨成像，可应用于安检与反恐、目标探测与识别等近距成像领域。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法，包括以下步骤：

第一步，确定三维成像单元

将太赫兹孔径编码成像***的三维成像区域均匀剖分成M×N个三维成像单元，其中在三维成像区域的y方向上剖分成N个三维成像单元，在其x方向上剖分成M个三维成像单元，整个三维成像区域的三维成像单元个数就是M×N。三维成像单元在z方向上的尺寸就是三维成像区域的厚度。

设太赫兹孔径编码成像***的x方向、y方向和z方向的高分辨率为Δx×Δy×Δz，对各三维成像单元进行l层高分辨成像，要求三维成像单元在x方向、y方向和z方向上的尺寸要能够分别整除2^l-1·Δx，2^l-1·Δy和2^l-1·Δz。

基于太赫兹孔径编码成像体制，利用太赫兹孔径编码成像***对三维成像区域进行分块扫描，分块扫描的方法可以采用本领域的常规分块扫描方法。

第二步，对任一三维成像单元进行l层高分辨目标信息重构提取，l＝1,2,3……；

S2.1第一层分辨目标信息重构提取

第一层分辨网格单元尺寸为2^l-1·Δx×2^l-1·Δy×2^l-1·Δz。

利用第一层分辨网格单元尺寸对任一三维成像单元进行网格剖分，根据网格剖分后的三维成像单元中包含的所有第一层分辨网格单元构造第一层分辨参考信号矩阵S₁，此时的第一层分辨参考信号矩阵的列数和三维成像单元中包含的第一层分辨网格单元数目相同，第一层分辨参考信号矩阵的行数与太赫兹回波向量Sr的时间采样次数相同。其中：太赫兹回波向量Sr通过太赫兹孔径编码成像***中太赫兹收发天线中的接收天线根据一定的采样率在一定的时间长度上接收的所有回波构成，为已知量。太赫兹回波向量Sr和第一层分辨参考信号矩阵S₁存在如下关系：

Sr＝S₁·β₁ (1)

其中，β₁为待求解的第一层分辨目标散射信息。

根据式(1)，可求解β₁，根据β₁的求解结果确定三维成像单元中包含目标散射信息的第一层分辨网格单元，保留包含目标散射信息的第一层分辨网格单元，剔除掉不包含目标散射信息的第一层分辨网格单元。

S2.2，第二层分辨目标信息重构提取

确定第二层分辨网格单元尺寸为2^l-2·Δx×2^l-2·Δy×2^l-2·Δz。

利用第二层分辨网格单元尺寸对S2.1中保留下来的包含目标散射信息的第一层分辨网格单元进行网格剖分；同样的根据网格剖分结果，构造第二层分辨参考信号矩阵S₂；此时的第二层分辨参考信号矩阵的列数和第一层分辨网格单元中包含的第二层分辨网格单元数目相同，第二层分辨参考信号矩阵的行数与太赫兹回波向量Sr的时间采样次数相同。太赫兹回波向量Sr和第二层分辨参考信号矩阵S₂存在如下关系：

Sr＝S₂·β₂ (2)

其中，β₂为待求解的第二层中分辨目标散射信息。

根据式(2)，可求解β₂，根据β₂的求解结果确定S2.1中保留下来的包含目标散射信息的第一层分辨网格单元中包含目标散射信息的第二层分辨网格单元，保留包含目标散射信息的第二层分辨网格单元，剔除掉不包含目标散射信息的第二层分辨网格单元。

S2.3依次类推，第三层分辨网格单元尺寸为2^l-3·Δx×2^l-3·Δy×2^l-3·Δz，第四层分辨网格单元尺寸为2^l-4·Δx×2^l-4·Δy×2^l-4·Δz……第l层分辨网格单元尺寸为2^l-l·Δx×2^l-l·Δy×2^l-l·Δz即Δx×Δy×Δz，按照S2.1、S2.2相同的方法进行第三层分辨目标信息重构提取，第四层分辨目标信息重构提取……直至第l层分辨目标信息重构提取。

第三步、单元重构信息拼接整合

按照第二步的方法，对第一步剖分得到的每个三维成像单元均进行l层高分辨目标信息重构提取，l＝1,2,3……；然后再将每个三维成像单元的l层高分辨目标信息重构提取结果进行拼接整合即可得到整个三维目标的高分辨成像结果。

本发明的有益技术效果是：

本发明旨在提供一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法，解决太赫兹频段孔径编码三维目标高分辨成像中参考信号矩阵规模庞大的问题。本发明基于太赫兹孔径编码成像的基本原理，采用多层、多分辨、多次网格单元划分的技术，逐步提高三维成像分辨率，有效降低了参考信号矩阵规模，同时提高了目标信息重构精确度。

同时本发明针对每个三维成像单元的多层高分辨处理过程可以并行处理，可有效降低对计算机的内存配置要求，提高计算机运行效率和成像速度。

附图说明

图1是基于太赫兹孔径编码成像体制的三维目标高分辨扫描成像方案示意图(yoz剖面)。

图2是本发明的流程图(l＝3时)。

图3是首层低分辨目标重构提取示意图。

图4是次首层中分辨目标重构提取示意图。

图5是末层高分辨目标重构示意图。

图6是基于太赫兹孔径编码成像的人体三维目标高分辨示意图。

具体实施方式

为了使本发明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用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图2，下面以l＝3，即以三层多分辨成像为例，对本发明一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法的技术方案进行阐述，但本发明中的多层高分辨成像包括但不限于三层多分辨。

第一步，确定三维成像单元

在太赫兹孔径编码成像体制中，辐射场参考信号矩阵规模受网格单元数量影响，而网格单元数量由网格单元尺寸和目标三维成像范围决定。因此为降低该成像体制对计算机内存配置要求，首先将太赫兹孔径编码成像***的三维成像区域均匀剖分成M×N个三维成像单元，其中在三维成像区域的y方向上剖分成N个三维成像单元，在其x方向上剖分成M个三维成像单元，整个三维成像区域的三维成像单元个数就是M×N。

由太赫兹成像***参数通过仿真的方式可以探测出***高分辨率，设太赫兹孔径编码成像***的x方向、y方向和z方向的高分辨率为Δx×Δy×Δz，对各三维成像单元进行l层高分辨成像，要求三维成像单元在x方向、y方向和z方向上的尺寸要能够分别整除2^{l -1}·Δx，2^l-1·Δy 和2^l-1·Δz。三维成像单元在z方向上的尺寸就是三维成像区域的厚度，为已知量。

基于太赫兹孔径编码成像体制，利用太赫兹孔径编码成像***对三维成像区域进行分块扫描。如图1所示为基于太赫兹孔径编码成像体制的三维目标高分辨扫描成像方案yoz剖面示意图，图中大写字母A、B、C、D分别代表太赫兹收发天线，阵列编码孔径，三维成像区域和焦平面，z轴为经过太赫兹收发天线和阵列编码孔径的中心的轴线，y轴为经过阵列编码孔径竖直方向中心平分线的轴线，o点为阵列编码孔径的中心位置。图中的1，…，n，…N为三维成像区域中的某一列中N个三维成像单元的编号。三维成像过程中y方向和x方向的原理完全相同，图1是以y方向为例简要阐述扫描过程。阵列编码孔径第p个阵元加载(1)式的透镜相位调制因子来控制太赫兹波束照射第n个三维成像单元：

其中，f_y为透镜的焦距，k＝2πf_c/c，f_c为太赫兹波的中心频率，c为光速，y_p为透射式编码孔径竖直方向上第p个阵元中心点的纵坐标，p＝1,2…P，为透射式编码孔径上透镜相位调制因子的相位中心位置处的纵坐标。阵列编码孔径在竖直方向上即y方向上均匀分布着P 个阵元，每个阵元通过加载式(1)的透镜相位调制因子，可以定向照射到目标三维成像单元。

接下来，对任一三维成像单元进行l层高分辨目标信息重构提取，本实施例中l＝3，即分别进行第一层分辨目标信息重构提取，第二层分辨目标信息重构提取和第三层分辨目标信息重构提取。

S2.1，第一层分辨目标信息重构提取

下面以第n个三维成像单元为例，结合图3对首层低分辨目标信息重构提取过程进行阐述。

由太赫兹成像***参数通过仿真的方式可以探测出***高分辨极值，假设水平、竖直和距离方向的高分辨率为Δx×Δy×Δz，则首层低分辨网格单元尺寸为4Δx×4Δy×4Δz。

利用第一层分辨网格单元尺寸对任一三维成像单元进行网格剖分，如图3中的流程(2)。为清除展示剖分过程，图3中仅将三维成像单元剖分成了8个低分辨网格单元，实际整个三维成像单元包含1000-3000个低分辨网格单元。根据网格剖分后的三维成像单元中包含的所有第一层分辨网格单元构造第一层分辨参考信号矩阵S₁，此时的第一层分辨参考信号矩阵的列数和三维成像单元中包含的第一层分辨网格单元数目相同，第一层分辨参考信号矩阵的行数与太赫兹回波向量Sr的时间采样次数相同。其中：太赫兹回波向量Sr通过太赫兹孔径编码成像***中太赫兹收发天线中的接收天线根据一定的采样率在一定的时间长度上接收的所有回波构成，为已知量。太赫兹回波向量Sr和第一层分辨参考信号矩阵S₁存在如下关系：

Sr＝S₁·β₁ (2)

其中，β₁为待求解的第一层分辨目标散射信息。

根据式(2)，可求解β₁，根据β₁的求解结果确定三维成像单元中包含目标散射信息的第一层分辨网格单元，如图3流程(3)中的灰色网格单元。其他没有包含目标散射信息的第一层分辨网格单元为冗余信息，对高分辨成像没有贡献，只会增大参考信号矩阵规模。所以为降低参考信号矩阵规模，减少运算复杂度，只保留包含目标散射信息的第一层分辨网格单元，剔除掉不包含目标散射信息的第一层分辨网格单元。

S2.2，第二层分辨目标信息重构提取

确定第二层分辨网格单元尺寸为2^l-2·Δx×2^l-2·Δy×2^l-2·Δz。

如图4所示为次首层中分辨目标重构提取示意图。S2.1中保留下来的包含目标散射信息的第一层分辨网格单元，如图4中的流程(1)中的灰色网格单元。利用第二层分辨网格单元尺寸对S2.1中保留下来的包含目标散射信息的第一层分辨网格单元进行网格剖分，如图4中的流程(2)。同样的根据网格剖分结果，构造第二层分辨参考信号矩阵S₂；此时的第二层分辨参考信号矩阵的列数和第一层分辨网格单元中包含的第二层分辨网格单元数目相同，第二层分辨参考信号矩阵的行数与太赫兹回波向量Sr的时间采样次数相同。太赫兹回波向量Sr和第二层分辨参考信号矩阵S₂存在如下关系：

Sr＝S₂·β₂ (3)

其中，β₂为待求解的第二层分辨目标散射信息。

根据式(3)，可求解β₂，根据β₂的求解结果确定S2.1中保留下来的包含目标散射信息的第一层分辨网格单元中包含目标散射信息的第二层分辨网格单元，保留包含目标散射信息的第二层分辨网格单元(如图4流程(3)中的较深色灰色网格单元。)，剔除掉不包含目标散射信息的第二层分辨网格单元。

S2.3第三层分辨目标信息重构提取

如图5所示为第三层分辨目标信息重构提取示意图。第三层分辨网格单元尺寸为Δx×Δy×Δz。

S2.2中保留下来的包含目标散射信息的第二层分辨网格单元，如图5中的流程(1)中的较深色灰色网格单元。

利用第三层分辨网格单元尺寸对S2.2中保留下来的包含目标散射信息的第二层分辨网格单元进行网格剖分，如图5中的流程(2)。同样的根据网格剖分结果，构造第三层分辨参考信号矩阵S₃。经过前两步的多层分辨及重构提取，参考信号矩阵规模已经得到极大精简，通过普通计算机即可进行运算。此时的第三层分辨参考信号矩阵的列数和第二层分辨网格单元中包含的第三层分辨网格单元数目相同，第三层分辨参考信号矩阵的行数与太赫兹回波向量Sr 的时间采样次数相同。太赫兹回波向量Sr和第三层分辨参考信号矩阵S₃存在如下关系：

Sr＝S₃·β₃ (4)

其中，β₃为待求解的第三层分辨目标散射信息。

根据式(4)，可求解β₃，β₃的求解结果即为该三维成像单元的高分辨成像的结果。如图 5流程(3)中的最深色灰色区域即为第三层分辨目标散射信息β₃。

第三步、单元重构信息拼接整合

按照S2.1至S2.3中的方法，对第一步剖分得到的每个三维成像单元均进行l层高分辨目标信息重构提取，l＝3；然后再将每个三维成像单元的l层高分辨目标信息重构提取结果进行拼接整合即可得到整个三维目标的高分辨成像结果。

下面针对如图6所示的人体三维目标，在太赫兹编码孔径三维高分辨成像体制下，应用本实施例中所述方法进行实例说明，根据如图6所示的人体目标大小，可确定整个三维成像区域的大小为0.8m×1.8m×0.3m。假设某***参数下的极限分辨率大小为0.0025m×0.0025m×0.0025m，如果不扫描并均匀剖分成三维成像单元，整个三维成像区域共包含网格单元数目为27648000，在该网格单元数目下，如果时间采样次数和网格单元数目相同，那么参考信号矩阵的规模为 27648000×27648000，一般的计算机很难进行计算。

根据本发明的方法，首先将整个三维成像区域进行划分，假设划分成144个尺寸为0.1m×0.1m×0.3m的三维成像单元，在该条件下直接构造的参考信号矩阵规模为64000×64000，该参考信号矩阵的规模仍然十分庞大，还是无法进行计算。采用本发明实施例中的方法，第一层分辨网格单元尺寸设定为0.01m×0.01m×0.01m，此时构造的第一层分辨参考信号矩阵规模为3000×3000，一般计算机即可进行计算。经过第一层分辨目标信息重构提取后，144个三维成像单元中，头部包含的散射信息最为丰富，提取出的包含目标散射信息的第一层分辨网格单元数目为260。第二层分辨网格单元尺寸为0.005m×0.005m×0.005m，对前面提取出的这260 个包含目标散射信息的第一层分辨网格单元根据第一层分辨网格单元尺寸进行剖分，然后构造得到的第二层分辨参考信号矩阵规模为2080×2080。同样的步骤，重构提取出892个包含目标散射信息的第二层分辨网格单元。第三层分辨网格单元尺寸为0.0025m×0.0025m×0.0025m，对前面提取出的这892个包含目标散射信息的第二层分辨网格单元进行重新剖分，构造的第三层分辨参考信号矩阵规模为7136×7136，可以发现每层构造的参考信号矩阵大小都可以采用一般的计算机进行处理，因而本发明方法在太赫兹孔径编码三维高分辨成像中的实用性得到验证。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，确定三维成像单元

将太赫兹孔径编码成像***的三维成像区域均匀剖分成M×N个三维成像单元，其中在三维成像区域的y方向上剖分成N个三维成像单元，在其x方向上剖分成M个三维成像单元，整个三维成像区域的三维成像单元个数就是M×N；

第二步，对任一三维成像单元进行l层高分辨目标信息重构提取，l＝1,2,3……；

S2.1第一层分辨目标信息重构提取

设太赫兹孔径编码成像***的x方向、y方向和z方向的高分辨率为Δx×Δy×Δz，第一层分辨网格单元尺寸为2^l-1·Δx×2^l-1·Δy×2^l-1·Δz；

利用第一层分辨网格单元尺寸对任一三维成像单元进行网格剖分，根据网格剖分后的三维成像单元中包含的所有第一层分辨网格单元构造第一层分辨参考信号矩阵S₁，此时的第一层分辨参考信号矩阵的列数和三维成像单元中包含的第一层分辨网格单元数目相同，第一层分辨参考信号矩阵的行数与太赫兹回波向量Sr的时间采样次数相同；太赫兹回波向量Sr和第一层分辨参考信号矩阵S₁存在如下关系：

Sr＝S₁·β₁ (1)

其中，β₁为待求解的第一层分辨目标散射信息；

根据式(1)，可求解β₁，根据β₁的求解结果确定三维成像单元中包含目标散射信息的第一层分辨网格单元，保留包含目标散射信息的第一层分辨网格单元，剔除掉不包含目标散射信息的第一层分辨网格单元；

S2.2，第二层分辨目标信息重构提取

确定第二层分辨网格单元尺寸为2^l-2·Δx×2^l-2·Δy×2^l-2·Δz；

利用第二层分辨网格单元尺寸对S2.1中保留下来的包含目标散射信息的第一层分辨网格单元进行网格剖分；同样的根据网格剖分结果，构造第二层分辨参考信号矩阵S₂；此时的第二层分辨参考信号矩阵的列数和第一层分辨网格单元中包含的第二层分辨网格单元数目相同，第二层分辨参考信号矩阵的行数与太赫兹回波向量Sr的时间采样次数相同；太赫兹回波向量Sr和第二层分辨参考信号矩阵S₂存在如下关系：

Sr＝S₂·β₂ (2)

其中，β₂为待求解的第二层中分辨目标散射信息；

根据式(2)，可求解β₂，根据β₂的求解结果确定S2.1中保留下来的包含目标散射信息的第一层分辨网格单元中包含目标散射信息的第二层分辨网格单元，保留包含目标散射信息的第二层分辨网格单元，剔除掉不包含目标散射信息的第二层分辨网格单元；

S2.3依次类推，第三层分辨网格单元尺寸为2^l-3·Δx×2^l-3·Δy×2^l-3·Δz，第四层分辨网格单元尺寸为2^l-4·Δx×2^l-4·Δy×2^l-4·Δz......第l层分辨网格单元尺寸为2^{l -l}·Δx×2^l-l·Δy×2^l-l·Δz即Δx×Δy×Δz，按照S2.1、S2.2相同的方法进行第三层分辨目标信息重构提取，第四层分辨目标信息重构提取……直至第l层分辨目标信息重构提取；

第三步、单元重构信息拼接整合

对第一步剖分得到的每个三维成像单元的l层高分辨目标信息重构提取结果进行拼接整合即可得到整个三维目标的高分辨成像结果。

2.根据权利要求1所述的基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法，其特征在于：对各三维成像单元进行l层高分辨成像，要求三维成像单元在x方向、y方向和z方向上的尺寸要能够分别整除2^l-1·Δx，2^l-1·Δy和2^l-1·Δz，其中三维成像单元在z方向上的尺寸就是三维成像区域的厚度。

3.根据权利要求1所述的基于太赫兹孔径编码成像的三维目标高分辨成像方法，其特征在于：l≥3。