CN110794471A - 一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及*** - Google Patents

一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及***，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***，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。

Description

一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及***
技术领域
本发明涉及毫米波三维全息成像技术领域，具体涉及一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及***。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
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
Figure BDA0002222703900000022
S5：频域匹配滤波
计算xT维度和yR维度的频域匹配滤波器
Figure BDA0002222703900000023
与信号
Figure BDA0002222703900000024
的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为
Figure BDA0002222703900000025
S6：快速傅里叶逆变换
对信号
Figure BDA0002222703900000026
的维度和
Figure BDA0002222703900000028
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
Figure BDA0002222703900000029
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
Figure BDA0002222703900000031
的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号
Figure BDA0002222703900000032
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
Figure BDA0002222703900000033
对信号
Figure BDA0002222703900000034
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
Figure BDA0002222703900000035
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
Figure BDA0002222703900000036
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
Figure BDA0002222703900000037
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
Figure BDA0002222703900000042
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。
本发明还提供了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像***，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
Figure BDA0002222703900000045
的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,得到信号
Figure BDA0002222703900000046
快速傅里叶逆变换模块，用于对信号
Figure BDA0002222703900000047
的维度和
Figure BDA0002222703900000049
维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，得到信号
Figure BDA00022227039000000410
时域匹配滤波模块，用于计算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
Figure BDA00022227039000000411
的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号
相干累加模块，用于通过改变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
Figure BDA00022227039000000413
对信号
Figure BDA00022227039000000414
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
Figure BDA0002222703900000051
三维复数图像模块，用于通过改变zq的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，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)；
中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关步骤；
所述回波信号获取模块、插值操作模块、快速傅里叶变换模块、距离平面选择模块、频域匹配滤波模块、快速傅里叶逆变换模块、时域匹配滤波模块、相干累加模块、三维复数图像模块均与中央处理模块电连接。该***成像特点为远场成像，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***，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。
本发明相比现有技术具有以下优点：该毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及***，适用于远程人体安检成像工作中，成像范围设置为大于等于五米，成像特点为远场成像，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***，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，值得被推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例二中毫米波稀疏阵列远程监视成像***的稀疏阵列阵元分布示意图；
图2是本发明实施例二中成像方法的具体实施流程图；
图3是本发明实施例二中毫米波稀疏阵列远程监视成像方法的成像结果图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
本实施例提供一种技术方案：一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法，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
Figure BDA0002222703900000061
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
Figure BDA0002222703900000062
S5：频域匹配滤波
计算xT维度和yR维度的频域匹配滤波器
Figure BDA0002222703900000063
与信号的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为
Figure BDA0002222703900000065
S6：快速傅里叶逆变换
对信号
Figure BDA0002222703900000066
的
Figure BDA0002222703900000067
维度和
Figure BDA0002222703900000068
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
Figure BDA0002222703900000069
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
Figure BDA00022227039000000610
的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号
Figure BDA00022227039000000611
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
Figure BDA00022227039000000612
对信号
Figure BDA00022227039000000613
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
Figure BDA0002222703900000071
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。
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。
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。
在所述步骤S4中，距离维度划分聚焦平面为zq∈[5m,8m]，Δz＝zq-zq-1为聚焦平面的位置间隔。
设置Δz的公式为
Figure BDA0002222703900000072
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。
在所述步骤S5中，频域匹配滤波器
Figure BDA0002222703900000073
其中k＝2πf/c为空间频率波数，
Figure BDA0002222703900000074
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)]。
在所述步骤S7中，时域匹配滤波器其中
Figure BDA0002222703900000076
z0为毫米波稀疏阵列所在的距离位置，通常设置为0。
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。
本实施例还提供了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像***，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
Figure BDA0002222703900000081
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
Figure BDA0002222703900000082
与信号
Figure BDA0002222703900000083
的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,得到信号
Figure BDA0002222703900000084
快速傅里叶逆变换模块，用于对信号
Figure BDA0002222703900000085
的
Figure BDA0002222703900000086
维度和
Figure BDA0002222703900000087
维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，得到信号
Figure BDA0002222703900000088
时域匹配滤波模块，用于计算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
Figure BDA00022227039000000810
相干累加模块，用于通过改变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
Figure BDA00022227039000000811
对信号
Figure BDA00022227039000000812
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
Figure BDA00022227039000000813
三维复数图像模块，用于通过改变zq的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，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)；
中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关步骤；
所述回波信号获取模块、插值操作模块、快速傅里叶变换模块、距离平面选择模块、频域匹配滤波模块、快速傅里叶逆变换模块、时域匹配滤波模块、相干累加模块、三维复数图像模块均与中央处理模块电连接。该***成像特点为远场成像，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***，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。
实施例二
如图1所示，为该毫米波稀疏阵列远程监视成像***的稀疏阵列阵元分布示意图，其空间覆盖范围为1.08m×2.45m(方位维度×竖直维度)，能够覆盖整个人体，水平布置的阵元为发射阵元，竖直布置的阵元为接收阵元，发射阵元与接收阵元通过天线开关的切换实现天线波束在空间中的综合，当所有天线开关切换完毕后，经过毫米波中频接收机解调后的后向散射回波信号为S(xT,yT,xR,yR,k)，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。
如图2所示，本实施例的具体实现过程如下：
该毫米波稀疏阵列的信号频率范围为12～18GHz，发射阵元间距ΔxT和接收阵元间距ΔyR均设为0.015m，整个稀疏阵列包含8个子阵列，每个子阵列包含48个发射阵元和48个接收阵元，子阵列之间x维度的间距为47×ΔxT，y维度的间距为47×ΔyR
将图1所示毫米波稀疏阵列的回波信号S(xT,yT,xR,yR,k)的xT维度和yR维度进行插值操作，使得回波信号xT维度和yR维度的空间采样间隔分别变为ΔxT/2和ΔyR/2，插值后的信号变为SInterp(xT,yT,xR,yR,k)，采用的插值方法可以为线性插值、样条插值、立方插值和SINC插值等。
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
Figure BDA0002222703900000091
并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q＝0,1,2...Q-1，距离维度划分的聚焦位置范围为zq∈[5m,8m]，Δz＝zq-zq-1为聚焦平面的位置间隔，设置Δz为
Figure BDA0002222703900000092
则距离维度划分的点数为Nz＝(zmax-zmin)/Δz，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。
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n＝0,1,2...N-1，p＝0,1,2...Nf-1，得到的信号为
Figure BDA0002222703900000101
计算xT维度和yR维度的频域匹配滤波器
Figure BDA0002222703900000102
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
Figure BDA0002222703900000104
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)]，与信号
Figure BDA0002222703900000105
的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为
Figure BDA0002222703900000106
对所述信号
Figure BDA0002222703900000107
的维度和
Figure BDA0002222703900000109
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
Figure BDA00022227039000001010
计算yT维度与xR维度的时域匹配滤波器
Figure BDA00022227039000001011
其中与所得信号
Figure BDA00022227039000001013
的xT和yR维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号为
Figure BDA00022227039000001014
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
Figure BDA00022227039000001015
对所述信号
Figure BDA00022227039000001016
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
Figure BDA00022227039000001017
改变zq的索引值q，直到遍历完所有距离位置zq，获得不同位置处的二维复数图像，最终得到三维复数图像σ(x,y,z)。并将三维复数图像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。
图3所示为本发明成像方法所成图像，图3(a)和图3(b)分别为5m处和8m处的点目标成像结果，点目标聚焦效果良好，可以验证本发明的具体实施的有效性和正确性。
综上所述，上述两组实施例的毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及***，适用于远程人体安检成像工作中，成像范围设置为大于等于五米，成像特点为远场成像，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***，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，值得被推广使用。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

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
Figure FDA0002222703890000012
S5：频域匹配滤波
计算xT维度和yR维度的频域匹配滤波器
Figure FDA0002222703890000013
与信号的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为
Figure FDA0002222703890000015
S6：快速傅里叶逆变换
对信号
Figure FDA0002222703890000016
的
Figure FDA0002222703890000017
维度和
Figure FDA0002222703890000018
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
Figure FDA0002222703890000019
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
Figure FDA0002222703890000022
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
Figure FDA0002222703890000023
对信号
Figure FDA0002222703890000024
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，其特征在于：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。
5.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。
6.根据权利要求5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：设置Δz的公式为
Figure FDA0002222703890000026
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。
7.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S5中，频域匹配滤波器
Figure FDA0002222703890000031
其中k＝2πf/c为空间频率波数，
Figure FDA0002222703890000032
kxTx为发射阵列x维度的空间波数，取值范围为
Figure FDA0002222703890000033
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)]。
8.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S7中，时域匹配滤波器其中
Figure FDA0002222703890000036
z0为毫米波稀疏阵列所在的距离位置。
9.一种毫米波稀疏阵列远程监视成像***，其特征在于，利用如权利要求1～8任一所述的远程监视成像方法进行人体安检实时成像工作，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
Figure FDA0002222703890000038
与信号
Figure FDA0002222703890000039
的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,得到信号
Figure FDA00022227038900000310
快速傅里叶逆变换模块，用于对信号
Figure FDA00022227038900000311
的
Figure FDA00022227038900000312
维度和
Figure FDA00022227038900000313
维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，得到信号
Figure FDA00022227038900000314
时域匹配滤波模块，用于计算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
Figure FDA00022227038900000315
的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号
相干累加模块，用于通过改变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
Figure FDA0002222703890000041
对信号
Figure FDA0002222703890000042
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
Figure FDA0002222703890000043
三维复数图像模块，用于通过改变zq的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，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)；
中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关步骤；
所述回波信号获取模块、插值操作模块、快速傅里叶变换模块、距离平面选择模块、频域匹配滤波模块、快速傅里叶逆变换模块、时域匹配滤波模块、相干累加模块、三维复数图像模块均与中央处理模块电连接。
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