CN112162328A - 用于柱面孔径的三维成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于柱面孔径的三维成像的方法及装置。在该方法中，获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号；对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，利用非线性相位匹配滤波函数将经过傅里叶变换后的第二回波信号中在柱面三维坐标方向上非线性变化的相位过滤，以得到包括在柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号，对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到三维柱面成像数据。通过上述方法，无需针对各个像素点再单独地进行运算，减少了计算量，提高了三维成像效率。

Description

用于柱面孔径的三维成像方法及装置

技术领域

本公开涉及三维成像技术领域，具体地，涉及一种用于柱面孔径的三维成像方法及装置。

背景技术

成像检测技术被广泛运用，尤其是安检领域中的安检成像设备，安检成像设备包括多种类型，比如，常见的毫米波人体安检设备，毫米波人体安检设备通过毫米波成像技术，能够在不直接接触被测人员的情况下，有效检测出在衣物覆盖下藏匿于人体各部位的违禁品等，并可以从基于检测而生成的图像上提取藏匿的异物的形状、大小和位置等信息。

成像检测技术中重要的一个过程是三维成像，根据扫描得到的回波信号可以形成三维图像，从而可以直观地展示出被测人员的扫描情况，并且根据三维图像便于获取异物所在的位置。目前的三维成像是将回波信号转换成频域信号，在频域中对图像中每个像素点进行处理，并进行频域插值处理，然后再从频域转换至时域，得到三维图像。在上述三维成像过程中，在频域中需要针对每个像素点都进行处理，这样导致三维成像过程中的计算量大，进而导致三维成像处理效率低。

发明内容

鉴于上述，本公开提供了一种用于柱面孔径的三维成像方法及装置。在本公开提供的技术方案中，利用非线性相位匹配滤波函数将频域的第二回波信号进行相位过滤，得到可以在时域中转换成三维图像的包括在柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号，这样无需针对各个像素点再单独地进行运算，减少了计算量，提高了三维成像效率。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于柱面孔径的三维成像方法，包括：获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号；对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号；利用非线性相位匹配滤波函数将经过傅里叶变换后的第二回波信号中在柱面三维坐标方向上非线性变化的相位过滤，以得到包括在所述柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号；以及对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

可选地，在上述方面的一个示例中，还包括：根据环境温度信息对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理；以及对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号包括：对经过校正处理后的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

可选地，在上述方面的一个示例中，根据环境温度信息对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理包括：从温度与幅度及相位校正系数的对应关系中确定出所述环境温度信息对应的相位校正系数和幅度校正系数；以及根据所述环境温度信息、所述相位校正系数以及所述幅度校正系数对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理。

可选地，在上述方面的一个示例中，对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号包括：对所获取的第一回波信号分别在俯仰维方向上以及在柱面旋转角度方向上进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

可选地，在上述方面的一个示例中，所述非线性相位匹配滤波函数按照以下方式得到：确定基于柱面旋转角度的第一非线性相位匹配滤波函数以及基于柱面半径和俯仰维方向坐标的第二非线性相位匹配滤波函数；以及根据所述第一非线性相位匹配滤波函数和所述第二非线性相位匹配滤波函数得到基于柱面旋转角度、柱面半径以及俯仰维方向坐标的所述非线性相位匹配滤波函数。

可选地，在上述方面的一个示例中，还包括：根据天线单元的在柱面旋转角度方向上的孔径来生成基于柱面旋转角度的函数；以及对所生成的函数进行傅里叶变换，得到基于柱面旋转角度的所述第一非线性相位匹配滤波函数。

可选地，在上述方面的一个示例中，对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据包括：对经过相位过滤的第三回波信号分别在柱面旋转角度方向上和在所述柱面三维坐标方向上进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

可选地，在上述方面的一个示例中，还包括：使用时域插值的方式将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

可选地，在上述方面的一个示例中，使用时域插值的方式将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据包括：从基于柱面坐标系的三维柱面成像数据中确定成像区域的三维柱面成像数据；以及使用时域插值的方式将所确定的成像区域的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

可选地，在上述方面的一个示例中，所述天线反馈的第一回波信号包括雷达信号。

可选地，在上述方面的一个示例中，所获取的第一回波信号是均匀分布的。

根据本公开的另一方面，还提供一种用于柱面孔径的三维成像装置，包括：回波信号获取单元，被配置为获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号；傅里叶变换单元，被配置为对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号；相位过滤单元，被配置为利用非线性相位匹配滤波函数将经过傅里叶变换后的第二回波信号中在柱面三维坐标方向上非线性变化的相位过滤，以得到包括在所述柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号；以及傅里叶逆变换单元，被配置为对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

可选地，在上述方面的一个示例中，还包括：幅相位校正单元，被配置为根据环境温度信息对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理；以及所述傅里叶变换单元被配置为：对经过校正处理后的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

可选地，在上述方面的一个示例中，所述幅相位校正单元被配置为：从温度与幅度及相位校正系数的对应关系中确定出所述环境温度信息对应的相位校正系数和幅度校正系数；以及根据所述环境温度信息、所述相位校正系数以及所述幅度校正系数对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理。

可选地，在上述方面的一个示例中，所述傅里叶变换单元被配置为：对所获取的第一回波信号分别在俯仰维方向上以及在柱面旋转角度方向上进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

可选地，在上述方面的一个示例中，还包括非线性相位匹配滤波函数生成单元，所述非线性相位匹配滤波函数生成单元被配置为：确定基于柱面旋转角度的第一非线性相位匹配滤波函数以及基于柱面半径和俯仰维方向坐标的第二非线性相位匹配滤波函数；以及根据所述第一非线性相位匹配滤波函数和所述第二非线性相位匹配滤波函数得到基于柱面旋转角度、柱面半径以及俯仰维方向坐标的所述非线性相位匹配滤波函数。

可选地，在上述方面的一个示例中，所述傅里叶逆变换单元被配置为：对经过相位过滤的第三回波信号分别在柱面旋转角度方向上和在所述柱面三维坐标方向上进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

可选地，在上述方面的一个示例中，还包括：坐标系映射单元，被配置为使用时域插值的方式将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

可选地，在上述方面的一个示例中，所述坐标系映射单元被配置为：从基于柱面坐标系的三维柱面成像数据中确定成像区域的三维柱面成像数据；以及使用时域插值的方式将所确定的成像区域的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

根据本公开的另一方面，还提供一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及存储器，所述存储器存储指令，当所述指令被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行如上所述的用于柱面孔径的三维成像的方法。

根据本公开的另一方面，还提供一种机器可读存储介质，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行如上所述的用于柱面孔径的三维成像的方法。

附图说明

通过参照下面的附图，可以实现对于本公开内容的本质和优点的进一步理解。在附图中，类似组件或特征可以具有相同的附图标记。

图1示出了本公开的用于柱面孔径的三维成像方法的一个示例的流程图。

图2示出了本公开的柱面坐标系的一个示例的示意图。

图3示出了本公开的柱面投影的一个示例的示意图。

图4示出了本公开的用于柱面孔径的三维成像装置的一个示例的方框图。

图5示出了本公开的实现用于柱面孔径的三维成像方法的电子设备的方框图。

具体实施方式

以下将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。另外，相对一些示例所描述的特征在其它例子中也可以进行组合。

如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。

在目前的三维成像处理中，首先将回波信号转换成频域信号，在频域中针对图像中每个像素点进行计算处理，有些像素点甚至需要经过反复多次运算，此外，在频域中还需要进行频域插值运算。在频域中经过大量计算后，再将频域信号转换成时域信号，从而得到三维图像。在上述三维成像过程中，在频域内需要针对各个像素点进行计算处理，这样使得三维成像处理过程中的计算量大，进而导致三维成像处理效率低。

鉴于上述问题，本公开提供了一种用于柱面孔径的三维成像方法及装置。在该方法中，获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号；对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号；利用非线性相位匹配滤波函数将经过傅里叶变换后的第二回波信号中在柱面三维坐标方向上非线性变化的相位过滤，以得到包括在柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号；以及对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。通过利用非线性相位匹配滤波函数将频域的第二回波信号进行相位过滤，得到可以在时域中转换成三维图像的包括在柱面三维坐标方向上线性变化的相位的回波信号，这样无需针对各个像素点再单独地进行运算，减少了计算量，提高了三维成像效率。

下面将结合附图来详细描述根据本公开的用于柱面孔径的三维成像方法及装置。

图1示出了本公开的用于柱面孔径的三维成像方法的一个示例100的流程图。

如图1所示，在110，获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号。

在本公开中，第一回波信号可以是发射天线单元向被测对象发射电磁波信号后被测对象反射给接收天线单元的信号，其中，发射天线单元和接收天线单元可以组成一个收发天线单元组合。收发天线单元组合用于发射和接收电磁波信号进行扫描可以形成柱面，第一回波信号可以用柱面坐标系的坐标来表示。

以图2为例，图2示出了本公开的柱面坐标系的一个示例的示意图。如图2所示，在直角坐标系中的柱面，z轴方向表示俯仰维方向。柱面上的P点可以是一个收发天线单元的等效采样点，该点P的坐标是(R，θ，Z)，其中，R表示柱面半径，θ表示柱面旋转角度，Z表示俯仰维方向上的坐标。

天线反馈的第一回波信号可以包括雷达信号，雷达信号可以包括微波、毫米波、太赫兹波等频段的信号。

所获取的第一回波信号可以是均匀分布的。在一个示例中，进行扫描的天线(包括发射天线单元和接收天线单元)可以线性扫描，这样天线所形成的等效采样点分布均匀，从而第一回波信号也是均匀分布的。在另一个示例中，进行扫描的天线可以随机扫描，这样天线形成的等效采样点分布不均匀，从而第一回波信号也是不均匀分布的。此时，可以将不均匀分布的第一回波信号处理成均匀分布，然后将经过处理的均匀分布的第一回波信号作为用于三维成像的第一回波信号。

在本公开的一个示例中，第一回波信号可以是在一个全息成像安检***中生成的，该全息成像安检***可以包括：多子带调制解调装置、通道开关切换装置、分布式天线装置和数据采集处理装置。其中，多子带调制解调装置可以分别与通道开关切换装置和数据采集处理装置连接，通道开关切换装置还可以与分布式天线装置连接。在该示例中，本公开的用于柱面孔径的三维成像的方法可以应用于数据采集处理装置。

该示例中的全息成像安检***可以执行如下操作：多子带调制解调装置可以被配置为响应于用于安检请求的带宽信号，将带宽信号调制成多个子带信号，并将所调制的多个子带信号发送给通道开关切换装置；通道开关切换装置可以被配置为根据多个子带信号和时间周期切换对应的通道开关组合，并使用通道开关组合中对应的各个通道开关将各个子带信号发送给对应的收发天线单元组合；分布式天线装置中的收发天线单元组合可以被配置为响应于接收到子带信号，向被测对象发射电磁波信号，接收对应的第一回波信号，并将第一回波信号反馈给通道开关切换装置；通道开关切换装置可以被配置为将所接收到的第一回波信号发送给多子带调制解调装置；多子带调制解调装置可以被配置为对所接收到的第一回波信号进行解调处理，并将解调后的第一回波信号发送给数据采集处理装置；以及数据采集处理装置可以被配置为根据解调后的第一回波信号进行三维成像处理。

在该示例中，第一回波信号依次经由分布式天线装置、通道开关切换装置传输给多子带调制解调装置，其中，触发发射天线单元发射电磁波信号的子带信号与基于该电磁波信号反射的第一回波信号是对应的，通道开关切换装置传输第一回波信号的通道开关与传输该第一回波信号对应的子带信号的通道开关相同。

接着，在120，可以对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

在本公开中，傅里叶变换可以包括快速傅里叶变换(FFT，Fast FourierTransform)、离散傅里叶变换(DFT，Discrete Fourier transform)、离散时间傅里叶变换(DTFT，discrete-time Fourier transform)、傅里叶级数(Fourier series)等。相应地，本公开中的傅里叶逆变换可以包括逆快速傅里叶变换(IFFT，Inverse Fast FourierTransform)、离散傅里叶逆变换、离散时间傅里叶逆变换等。逆快速傅里叶变换也可称为快速傅里叶逆变换。下面以快速傅里叶变换和逆快速傅里叶变换为例进行说明。

在一个示例中，可以对所获取的第一回波信号分别在俯仰维方向上和在柱面旋转角度方向上进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

在该示例中，可以先在俯仰维方向上对第一回波信号进行傅里叶变换，然后在柱面旋转角度方向上继续进行傅里叶变换。也可以先在柱面旋转角度方向上对第一回波信号进行傅里叶变换，然后在俯仰维方向上继续进行傅里叶变换。在俯仰维方向上和柱面旋转角度方向上先后进行傅里叶变换，所得到的第二回波信号是频域信号。

在本公开的一个示例中，在获取到第一回波信号后，可以根据环境温度信息对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理。其中，环境温度信息可以由温度测量装置测得，温度测量装置可以实时测量当前环境温度。

环境温度可以影响信号的幅度以及相位，并且不同的环境温度对同一信号的影响程度不同，对于同一信号来说，在不同的环境温度下可以有不同的幅度以及相位。基于此，在当前的环境温度下，对回波信号进行幅度及相位校正，以避免因为环境温度而导致的回波信号的误差。

在一个示例中，可以利用幅度及相位校正系数对信号的幅度和相位进行校正，幅度及相位校正系数可以包括幅度校正系数和相位校正系数，幅度校正系数用于对信号的幅度进行校正，相位校正系数用于对信号的相位进行校正。幅度及相位校正系数可以与环境温度一一对应，不同的环境温度对应的幅度及相位校正系数可以不同，这样，对于幅度及相位校正系数来说，在不同的环境温度下使用相应的幅度及相位校正系数对信号的幅度和相位进行校正，提高了幅度和相位的校正精确度。

进一步地，可以预设环境温度与幅度及相位校正系数的对应关系，该对应关系可以根据关于环境温度、幅度、相位之间的历史数据得到，根据历史数据中的信号的幅度和相位数据可以确定出各个环境温度下幅度和相位的偏差，再针对各个环境温度下的偏差进行回归处理得到一个待校正的幅度偏差和相位偏差，然后设置各个环境温度下的幅度校正系数和相位校正系数，幅度校正系数和相位校正系数分别校正对应环境温度下的幅度偏差和相位偏差。

在环境温度与幅度及相位校正系数的对应关系中可以确定出环境温度信息对应的幅度校正系数及相位校正系数，然后根据环境温度信息、相位校正系数以及幅度校正系数可以对所获取的回波信号进行幅度和相位校正处理。

在校正处理的一个方式中，可以根据相位校正系数和幅度校正系数得到总的校正系数，然后将总的校正系数乘以待校正的第一回波信号得到校正后的第一回波信号。

在校正处理的另一个方式中，环境温度信息对应一个环境温度校正系数，可以根据环境温度校正系数、相位校正系数和幅度校正系数得到总的校正系数，然后将总的校正系数乘以待校正的第一回波信号得到校正后的第一回波信号。

进一步地，在一个示例中，在同一环境温度下，不同的天线单元对应的幅度校正系数和相位校正系数可以不同。基于此，每个天线单元可以对应一个对应关系表，该对应关系表中可以包括多个环境温度与幅度及相位校正系数的对应关系。在该示例中，在获取到第一回波信号后，可以先确定发送第一回波信号的天线单元，然后根据所确定的天线单元进一步确定对应关系表，然后根据所确定的对应关系表来针对信号的幅度和相位进行校正处理。

例如，反馈第一回波信号的天线单元的环境温度校正系数、幅度校正系数和相位校正系数分别为C_temp(R,θ,Z,T_temper)，A_Amp(R,θ,Z)和

从上可以得到总的校正系数为：

然后，将上述总的校正系数H_com(R,θ,Z)与第一回波信号S_r相乘得到校正后的第一回波信号S_rCOM：S_rCOM＝S_r×H_com(R,θ,Z)。

在上述示例中，对所获取的第一回波信号进行校正处理，校正环境温度对信号的幅度和相位的误差，以得到更精确的第一回波信号，从而基于更精确的第一回波信号得到更精确的三维成像数据。

基于上述示例得到的经过校正的第一回波信号是S_rCOM，对该第一回波信号S_rCOM在俯仰维方向上进行快速傅里叶变换可以得到信号S_{rCOM_ZFFT}，然后再对信号S_{rCOM_ZFFT}在柱面旋转角度方向上进行傅里叶变换，得到频域的第二回波信号S_{rCOM_θZFFT}。上述Z表示俯仰维方向，θ表示柱面旋转角度方向。

在得到频域的第二回波信号后，在130，利用非线性相位匹配滤波函数可以将经过傅里叶变换后的第二回波信号中对柱面三维坐标方向上非线性变化的相位进行过滤，以得到包括在柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号。这样得到的第三回波信号中可以仅包括在柱面三维坐标方向上线性变化的相位，根据这些线性变化的相位可以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

在本公开中，柱面三维坐标方向可以包括柱面旋转角度方向、柱面半径方向和俯仰维方向。以图2为例，柱面旋转角度可以用θ表示，柱面半径可以用R表示，俯仰维方向的坐标可以用Z表示。

在本公开中，非线性相位匹配滤波函数可以是基于柱面旋转角度、柱面半径以及俯仰维方向坐标的函数，其中，第二回波信号的波速在柱面半径方向上，因此，柱面半径方向可以用第二回波信号的波速来表示。例如，非线性相位匹配滤波函数可以表示为

其中，R表示柱面半径，K_ω表示第二回波信号的波速，K_θ表示柱面旋转角度，K_Z表示俯仰维方向坐标。

利用基于柱面旋转角度、柱面半径以及俯仰维方向坐标的非线性相位匹配滤波函数可以分别在柱面旋转角度方向、柱面半径方向以及俯仰维方向三个方向上进行相位过滤，即，可以对在柱面旋转角度方向、柱面半径方向以及俯仰维方向三个方向上非线性变化的相位可以进行补偿处理，以将这些非线性变化的相位进行过滤，进而在第三回波信号中仅保留在柱面三维坐标方向上线性变化的相位。

在利用非线性相位匹配滤波函数进行相位过滤的一个方式中，可以将非线性相位匹配滤波函数进行取复共轭运算，取复共轭运算后的非线性相位匹配滤波函数与频域的第二回波信号的乘积即为经过相位过滤后的第三回波信号。

在本公开的一个示例中，非线性相位匹配滤波函数可以是指定的。在另一个示例中，非线性相位匹配滤波函数还可以根据以下方式得到：首先，可以确定基于柱面旋转角度的第一非线性相位匹配滤波函数以及基于柱面半径和俯仰维方向坐标的第二非线性相位匹配滤波函数。然后，根据第一非线性相位匹配滤波函数和第二非线性相位匹配滤波函数得到基于柱面旋转角度、柱面半径以及俯仰维方向坐标的非线性相位匹配滤波函数。

针对第一非线性相位匹配滤波函数，可以根据天线单元在柱面旋转角度方向上的孔径来生成基于柱面旋转角度的函数。天线单元的孔径可以是收发天线单元组合所形成的等效采样点的孔径，还可以是收发天线单元组合中的发射天线单元和接收天线单元所形成的孔径。

然后，可以对所生成的函数进行傅里叶变换，得到基于柱面旋转角度的第一非线性相位匹配滤波函数。具体地，可以在柱面旋转角度方向上对所生成的函数进行傅里叶变换。

例如，天线单元在柱面旋转角度方向上的孔径为θ_A，根据天线单元的孔径θ_A生成基于柱面旋转角度的函数H_θ，函数H_θ是基于空间域的函数，函数H_θ如下所示：

其中，

可以表示天线单元在柱面旋转角度方向上的孔径θ_A的大小，当柱面旋转角度在天线单元的孔径θ_A的范围内时则函数H_θ为1，否则函数H_θ为0。

然后，对上述生成的函数H_θ进行傅里叶变换，得到第一非线性相位匹配滤波函数

第一非线性相位匹配滤波函数

是基于频域的函数。

针对第二非线性相位匹配滤波函数，第二非线性相位匹配滤波函数用于滤除在柱面半径方向上和在俯仰维方向上非线性变化的相位，从而仅保留在柱面半径方向上以及在俯仰维方向上线性变化的相位。第二非线性相位匹配滤波函数可以是三维徙动匹配函数，例如，第二非线性相位匹配滤波函数可以是

其中，K_ω表示频域的第二回波信号的波速，K_Z表示频域的俯仰维方向坐标，R表示柱面半径。K_ω表示的波速与柱面半径方向一致，基于此，可以用K_ω来对应表征柱面半径方向。

利用上述第二非线性相位匹配滤波函数

可以将第二回波信号中的在柱面半径方向上和在俯仰维方向上非线性变化的相位过滤。

在确定出第一非线性相位匹配滤波函数和第二非线性相位匹配滤波函数后，可以将第一非线性相位匹配滤波函数和第二非线性相位匹配滤波函数进行卷积运算，卷积运算可以是在柱面旋转角度上进行。卷积运算的结果是非线性相位匹配滤波函数。例如，第一非线性相位匹配滤波函数是

第二非线性相位匹配滤波函数是

则所得到的非线性相位匹配滤波函数

是：

表示卷积运算。

再利用非线性相位匹配滤波函数

对经过傅里叶变换得到的第二回波信号S_{rCOM_θZFFT}进行相位过滤处理，得到相位过滤后的第三回波信号S_r2DFilte，如下所示：

其中，

表示对

取复共轭运算。

接着，在得到经过相位过滤后的第三回波信号后，在140，对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

在一个示例中，可以对经过相位过滤的第三回波信号分别在柱面旋转角度方向上和在柱面三维坐标方向上进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

具体地，可以先在柱面旋转角度方向上对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，然后在柱面三维坐标方向上继续进行傅里叶逆变换。还可以先在柱面三维坐标方向上对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，然后在柱面旋转角度方向上继续进行傅里叶逆变换。经过两次傅里叶逆变换所得到的计算结果是基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

柱面三维坐标方向可以包括柱面旋转角度方向、柱面半径方向和俯仰维方向，当在柱面三维坐标方向上进行傅里叶逆变换时，针对柱面旋转角度方向、柱面半径方向和俯仰维方向三个方向上所执行的傅里叶逆变换的顺序可以不限定。

例如，经过相位过滤的第三回波信号是S_r2DFilte，在柱面旋转角度方向上对该第三回波信号S_r2DFilter进行逆快速傅里叶变换可以得到基于频域的回波信号

然后，在柱面三维坐标方向上进行傅里叶逆变换可以得到三维柱面成像数据I_cynlin(r,θ,z)：

在一个示例中，可以在柱面半径方向上对三维柱面成像数据I_cynlin(r,θ,z)进行柱面投影，得到二维图像(二维柱面图像)I_2Dcynlin(θ,z)，所得到的二维图像I_2Dcynlin(θ,z)可以用于异物检测，比如，雷达安检***中的异物识别和检测。

在另一个示例中，在获得二维图像(二维柱面图像)I_2Dcynlin(θ,z)的基础上，还可以进行图像非线性尺度变换，通过柱面到平面的非线性尺度变换，可以获得二维图像I_{2Dcyn_coor}(y_3D,z_3D)和/或I_{2Dcyn_coor}(x_3D,z_3D)。其中，I_{2Dcyn_coor}(y_3D,z_3D)是二维柱面图像I_2Dcynlin(θ,z)针对y方向投影得到的，I_{2Dcy_coor}(x_3D,z_3D)是二维柱面图像I_2Dcynlin(θ,z)针对x方向投影得到的。具体地，I_{2Dcyn_coor}(y_3D,z_3D)按照下述方式进行计算得到：

I_{2Dcyn_coor}(x_3D,z_3D)按照下述方式进行计算得到：

其中，x_3D、y_3D和z_3D为均匀分布的二维图像坐标位置，Δy_3D表示相邻两个像素点在y轴上的间隔距离，Δx_3D表示相邻两个像素点在x轴上的间隔距离，R_2D为三维柱面成像数据I_cynlin(r,θ,z)进行柱面投影时选择的最大半径。在针对y方向投影时，l表示在y方向上各个柱面像素点的序号，l与坐标系相关，在坐标系原点位置处的像素点的l序号为0，在正坐标轴方向的第一个像素点的l序号为1，以此类推，N_xx和-N_xx是离坐标系原点最远的像素点的序号。lΔy_3D表示序号为l的像素点在y方向上的坐标。相应地，在针对x方向投影时，l表示在x方向上各个柱面像素点的序号，l与坐标系相关，在坐标系原点位置处的像素点的l序号为0，在正坐标轴方向的第一个像素点的l序号为1，以此类推，N_yy和-N_yy是离坐标系原点最远的像素点的序号。lΔx_3D表示序号为l的像素点在x方向上的坐标。

图3示出了本公开的柱面投影的一个示例的示意图。如图3所示，上面的方框部分为三维柱面中z＝z₀的二维剖面图像，三个图像点分布进行柱面投影，得到二维图像I_2Dcynlin(θ,z₀)。在该示例中，将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据进行柱面投影得到的二维图像的图像点扩展函数不扩散，便于高灵敏度的异物识别和检测。

通过生成二维图像I_2Dcynlin(θ,z)可以避免直角坐标投影导致的距离向点扩展函数扩散，从而影响图像清晰度和对比度的问题。

在本公开的一个示例中，在得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据后，还可以使用时域插值的方式将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据I_cynlin(r,θ,z)映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。基于直角坐标系的三维直角成像数据便于与其它的图像、坐标等进行匹配结合，从而便于后续基于该三维直角成像数据进行异物识别和检测，提高异物识别和检测的准确度。

在该示例中，时域插值可以包括sinc插值、多项式插值、三次样条插值等中的任一种插值方式。

柱面坐标系与直角坐标系的映射关系可以是：

其中，x_3D、y_3D和z_3D是三维直角成像数据的三维直角坐标，r、θ和z是三维柱面成像数据的三维柱面坐标。在映射过程中，使用时域插值的方式将三维柱面成像数据中的各个图像点一一映射至直角坐标系中的图像点，在将三维柱面成像数据中的各个图像点都映射至直角坐标系之后，得到基于直角坐标系的三维直角成像数据。

在得到基于直角坐标系的三维直角成像数据后，可以在不同方向上对三维直角成像数据进行投影，以得到不同方向上的二维图像。

例如，经过映射得到的三维直角成像数据是I_coordi(x_3D,y_3D,z_3D)，在x方向上的投影为I_2Dcoordi(y_3D,z_3D)＝max|_x{I_coordi(x_3D,y_3D,z_3D)}，在y方向上的投影为I_2Dcoordi(x_3D,z_3D)＝max|_y{I_coordi(x_3D,y_3D,z_3D)}，在z方向上的投影为I_2Dcoordi(x_3D,y_3D)＝max|_z{I_coordi(x_3D,y_3D,z_3D)}。其中，max|{I_coordi(x_3D,y_3D,z_3D)}表示对三维直角成像数据进行正射投影的最大值。

通过上述示例，利用时域插值的方式可以获得基于直角坐标系的三维直角成像数据，该示例中的时域插值仅需进行图像插值，即时域插值从图像到图像的插值方式，相比于在频域中进行从频域到图像的频率插值方式，该示例中的时域插值方式更简单，图像的映射处理效率更高。

在本公开的一个示例中，所得到三维柱面成像数据是基于柱面坐标系的，因此，三维柱面成像数据对应的图像点分布在柱面坐标系上形成柱面的图像。

在三维柱面成像数据所形成的柱面图像中，仅包括部分图像区域是成像区域，其他部分是非成像区域。此时可以从基于柱面坐标系的三维柱面成像数据中确定成像区域的三维柱面成像数据，即，从三维柱面成像数据所形成的柱面图像中确定出成像区域。然后，使用时域插值的方式仅将所确定出的成像区域的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

在该示例中，仅将成像区域的三维柱面成像数据映射至基于直角坐标系的三维直角成像数据，减少了进行映射的数据量，从而提高了从柱面坐标系映射到直角坐标系的映射处理效率。

图4示出了本公开的用于柱面孔径的三维成像装置(以下称为三维成像装置400)的一个示例的方框图。如图4所示，三维成像装置400可以包括回波信号获取单元410、傅里叶变换单元420、相位过滤单元430和傅里叶逆变换单元440。

回波信号获取单元410被配置为获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号。回波信号获取单元410的操作可以参考上面参照图1描述的块110的操作。

傅里叶变换单元420被配置为对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。傅里叶变换单元420的操作可以参考上面参照图1描述的块120的操作。

相位过滤单元430被配置为利用非线性相位匹配滤波函数将经过傅里叶变换后的第二回波信号中在柱面三维坐标方向上非线性变化的相位过滤，以得到包括在所述柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号。相位过滤单元430的操作可以参考上面参照图1描述的块130的操作。

傅里叶逆变换单元440被配置为对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。傅里叶逆变换单元440的操作可以参考上面参照图1描述的块140的操作。

在一个示例中，三维成像装置400还可以包括幅相位校正单元，幅相位校正单元被配置为根据环境温度信息对所获取的回波信号进行幅度及相位校正处理。傅里叶变换单元420被配置为：对经过校正处理后的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

在一个示例中，幅相位校正单元被配置为：从温度与幅度及相位校正系数的对应关系中确定出所述环境温度信息对应的相位校正系数和幅度校正系数；以及根据所述环境温度信息、所述相位校正系数以及所述幅度校正系数对所获取的回波信号进行幅度及相位校正处理。

在一个示例中，傅里叶变换单元420被配置为：对所获取的第一回波信号分别在俯仰维方向上以及在柱面旋转角度方向上进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

在一个示例中，三维成像装置400还可以包括非线性相位匹配滤波函数生成单元，非线性相位匹配滤波函数生成单元被配置为：确定基于柱面旋转角度的第一非线性相位匹配滤波函数以及基于柱面半径和俯仰维方向坐标的第二非线性相位匹配滤波函数；以及根据所述第一非线性相位匹配滤波函数和所述第二非线性相位匹配滤波函数得到基于柱面旋转角度、柱面半径以及俯仰维方向坐标的所述非线性相位匹配滤波函数。

在一个示例中，傅里叶逆变换单元440被配置为：对经过相位过滤的第三回波信号分别在柱面旋转角度方向上和在所述柱面三维坐标方向上进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

在一个示例中，三维成像装置400还可以包括坐标系映射单元，坐标系映射单元被配置为使用时域插值的方式将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。在一个示例中，坐标系映射单元还可以被配置为：从基于柱面坐标系的三维柱面成像数据中确定成像区域的三维柱面成像数据；以及使用时域插值的方式将所确定的成像区域的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

以上参照图1到图4，对根据本公开实施例的用于柱面孔径的三维成像的方法及装置的实施例进行了描述。

本公开的用于柱面孔径的三维成像的装置可以采用硬件实现，也可以采用软件或者硬件和软件的组合来实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在设备的处理器将存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。在本公开中，用于柱面孔径的三维成像的装置例如可以利用电子设备实现。

图5示出了本公开的实现用于柱面孔径的三维成像方法的电子设备500的方框图。

如图5所示，电子设备500可以包括至少一个处理器510、存储器(例如，非易失性存储器)520、内存530和通信接口540，并且至少一个处理器510、存储器520、内存530和通信接口540经由总线550连接在一起。至少一个处理器510执行在存储器中存储或编码的至少一个计算机可读指令(即，上述以软件形式实现的元素)。

在一个实施例中，在存储器中存储计算机可执行指令，其当执行时使得至少一个处理器510：获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号；对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号；利用非线性相位匹配滤波函数将经过傅里叶变换后的第二回波信号中在柱面三维坐标方向上非线性变化的相位过滤，以得到包括在柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号；以及对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

应该理解，在存储器中存储的计算机可执行指令当执行时使得至少一个处理器510进行本公开的各个实施例中以上结合图1-4描述的各种操作和功能。

根据一个实施例，提供了一种例如机器可读介质的程序产品。机器可读介质可以具有指令(即，上述以软件形式实现的元素)，该指令当被机器执行时，使得机器执行本公开的各个实施例中以上结合图1-4描述的各种操作和功能。

具体地，可以提供配有可读存储介质的***或者装置，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该***或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。

在这种情况下，从可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本发明的一部分。

本说明书各部分操作所需的计算机程序代码可以用任意一种或多种程序语言编写，包括面向对象编程语言，如Java、Scala、Smalltalk、Eiffel、JADE、Emerald、C++、C#、VB、NET以及Python等，常规程序化编程语言如C语言、Visual Basic 2003、Perl、COBOL 2002、PHP以及ABAP，动态编程语言如Python、Ruby和Groovy，或者其他编程语言等。该程序编码可以在用户计算机上运行，或者作为独立的软件包在用户计算机上运行，或者部分在用户计算机上运行另一部分在远程计算机运行，或者全部在远程计算机或服务器上运行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何网络形式与用户计算机连接，比如局域网(LAN)或广域网(WAN)，或连接至外部计算机(例如通过因特网)，或者在云计算环境中，或者作为服务使用，比如软件即服务(SaaS)。

可读存储介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD-RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

上述各流程和各***结构图中不是所有的步骤和单元都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或单元。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行确定。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些单元可能由同一物理实体实现，或者，有些单元可能分由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。

在整个本说明书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。

以上结合附图详细描述了本公开的实施例的可选实施方式，但是，本公开的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的实施例的技术构思范围内，可以对本公开的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的实施例的保护范围。

本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (21)

1.一种用于柱面孔径的三维成像方法，包括：

获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号；

对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号；

利用非线性相位匹配滤波函数将经过傅里叶变换后的第二回波信号中在柱面三维坐标方向上非线性变化的相位过滤，以得到包括在所述柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号；以及

对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

2.如权利要求1所述的三维成像方法，还包括：

根据环境温度信息对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理；以及

对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号包括：

对经过校正处理后的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

3.如权利要求2所述的三维成像方法，其中，根据环境温度信息对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理包括：

从温度与幅度及相位校正系数的对应关系中确定出所述环境温度信息对应的相位校正系数和幅度校正系数；以及

根据所述环境温度信息、所述相位校正系数以及所述幅度校正系数对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理。

4.如权利要求1所述的三维成像方法，其中，对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号包括：

对所获取的第一回波信号分别在俯仰维方向上以及在柱面旋转角度方向上进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

5.如权利要求1所述的三维成像方法，其中，所述非线性相位匹配滤波函数按照以下方式得到：

确定基于柱面旋转角度的第一非线性相位匹配滤波函数以及基于柱面半径和俯仰维方向坐标的第二非线性相位匹配滤波函数；以及

根据所述第一非线性相位匹配滤波函数和所述第二非线性相位匹配滤波函数得到基于柱面旋转角度、柱面半径以及俯仰维方向坐标的所述非线性相位匹配滤波函数。

6.如权利要求5所述的三维成像方法，还包括：

根据天线单元的在柱面旋转角度方向上的孔径来生成基于柱面旋转角度的函数；以及

对所生成的函数进行傅里叶变换，得到基于柱面旋转角度的所述第一非线性相位匹配滤波函数。

7.如权利要求1所述的三维成像方法，其中，对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据包括：

对经过相位过滤的第三回波信号分别在柱面旋转角度方向上和在所述柱面三维坐标方向上进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

8.如权利要求1所述的三维成像方法，还包括：

使用时域插值的方式将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

9.如权利要求8所述的三维成像方法，其中，使用时域插值的方式将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据包括：

从基于柱面坐标系的三维柱面成像数据中确定成像区域的三维柱面成像数据；以及

使用时域插值的方式将所确定的成像区域的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

10.如权利要求1所述的三维成像方法，其中，所述天线反馈的第一回波信号包括雷达信号。

11.如权利要求1所述的三维成像方法，其中，所获取的第一回波信号是均匀分布的。

12.一种用于柱面孔径的三维成像装置，包括：

回波信号获取单元，被配置为获取天线反馈的基于柱面坐标系的第一回波信号；

傅里叶变换单元，被配置为对所获取的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号；

相位过滤单元，被配置为利用非线性相位匹配滤波函数将经过傅里叶变换后的第二回波信号中在柱面三维坐标方向上非线性变化的相位过滤，以得到包括在所述柱面三维坐标方向上线性变化的相位的第三回波信号；以及

傅里叶逆变换单元，被配置为对经过相位过滤的第三回波信号进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

13.如权利要求12所述的三维成像装置，还包括：

幅相位校正单元，被配置为根据环境温度信息对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理；以及

所述傅里叶变换单元被配置为：

对经过校正处理后的第一回波信号进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

14.如权利要求13所述的三维成像装置，其中，所述幅相位校正单元被配置为：

从温度与幅度及相位校正系数的对应关系中确定出所述环境温度信息对应的相位校正系数和幅度校正系数；以及

根据所述环境温度信息、所述相位校正系数以及所述幅度校正系数对所获取的第一回波信号进行幅度及相位校正处理。

15.如权利要求12所述的三维成像装置，其中，所述傅里叶变换单元被配置为：

对所获取的第一回波信号分别在俯仰维方向上以及在柱面旋转角度方向上进行傅里叶变换，以得到频域的第二回波信号。

16.如权利要求12所述的三维成像装置，还包括非线性相位匹配滤波函数生成单元，所述非线性相位匹配滤波函数生成单元被配置为：

确定基于柱面旋转角度的第一非线性相位匹配滤波函数以及基于柱面半径和俯仰维方向坐标的第二非线性相位匹配滤波函数；以及

根据所述第一非线性相位匹配滤波函数和所述第二非线性相位匹配滤波函数得到基于柱面旋转角度、柱面半径以及俯仰维方向坐标的所述非线性相位匹配滤波函数。

17.如权利要求12所述的三维成像装置，其中，所述傅里叶逆变换单元被配置为：

对经过相位过滤的第三回波信号分别在柱面旋转角度方向上和在所述柱面三维坐标方向上进行傅里叶逆变换，以得到基于柱面坐标系的三维柱面成像数据。

18.如权利要求12所述的三维成像装置，还包括：

坐标系映射单元，被配置为使用时域插值的方式将基于柱面坐标系的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

19.如权利要求18所述的三维成像装置，其中，所述坐标系映射单元被配置为：

从基于柱面坐标系的三维柱面成像数据中确定成像区域的三维柱面成像数据；以及

使用时域插值的方式将所确定的成像区域的三维柱面成像数据映射成基于直角坐标系的三维直角成像数据。

20.一种电子设备，包括：

至少一个处理器，以及

与所述至少一个处理器耦合的存储器，所述存储器存储指令，当所述指令被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器执行如权利要求1到11中任一所述的方法。

21.一种机器可读存储介质，其存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行如权利要求1到11中任一所述的方法。

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