CN116520318A - 毫米波成像实时校准方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种毫米波成像校准方法、装置、计算机设备和存储介质，毫米波成像校准装置包括天线阵列和平行于天线阵列的标定物，在天线阵列和标定物之间形成成像通道；成像对象设置于成像通道中；其中方法应用于毫米波成像校准装置，包括通过天线阵列收发步进频信号，对成像对象和标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据；根据标定物相对于天线阵列的参考位置，从第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数；在校准参数满足预设条件时，根据校准参数对第一回波数据进行补偿校准。本申请能够实时获取校准参数，用于补偿校准第一回波数据，解决了无法实时校准收发通道的一致性，导致成像质量较差的问题。
Description
技术领域
本申请涉及毫米波成像技术领域，特别是涉及一种毫米波成像校准方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
在安检领域中，基于毫米波实现的人体安检成像设备可以对人体进行精确成像，同时结合先进的人工智能识别算法，能够准确地识别出人体携带的危险物品和类别。对于毫米波安检成像设备，其中天线阵列包含大量收发通道，而收发通道幅度和相位的不均衡，限制了安检成像的图像质量，进而影响了危险物品检测的准确性，因此需要对收发通道的一致性进行校准。
目前可以通过收发天线间的互相校准，获取每一收发通道参照参考通道的相位补偿值，以对收发通道的一致性进行校准后成像，但是当收发通道不一致频繁发生时，无法进行实时校准，从而导致成像质量较差的问题。
针对相关技术中存在无法实时校准收发通道的一致性，导致成像质量较差的问题，目前还没有提出有效的解决方案。
发明内容
在本实施例中提供了一种毫米波成像校准方法、装置、计算机设备和存储介质，以解决相关技术中无法实时校准收发通道的一致性，导致成像质量较差的问题。
第一个方面，在本实施例中提供了一种毫米波成像校准方法，应用于毫米波成像校准装置，所述毫米波成像校准装置包括天线阵列和平行于所述天线阵列的标定物，在所述天线阵列和所述标定物之间形成成像通道；成像对象设置于所述成像通道中；所述方法包括：
通过所述天线阵列收发步进频信号，对所述成像对象和所述标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据；
根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数；
在所述校准参数满足预设条件时，根据所述校准参数对所述第一回波数据进行补偿校准。
在其中的一些实施例中，所述通过所述天线阵列收发步进频信号，对所述成像对象和所述标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据，包括：
通过所述天线阵列的收发通道，采集所述成像对象和所述标定物反射的回波数据，作为所述第一回波信号；其中，所述第一回波数据为每一所述收发通道在每一频点的所述成像对象和所述标定物的回波数据。
在其中的一些实施例中，所述根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数，包括：
根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，获取所述标定物与所述天线阵列的距离范围；
基于所述距离范围，从所述第一回波数据中筛选得到所述标定物反射的所述第二回波数据；
根据所述标定物的反射区域和所述参考位置建立匹配滤波模型，并对所述第二回波数据进行匹配滤波，求解得到所述校准参数。
在其中的一些实施例中，上述方法还包括：
基于所述校准参数对所述第二回波数据进行校准，并通过成像算法，得到标定物成像；
基于所述标定物成像的尺寸与所述标定物的尺寸间的误差，计算所述校准参数的置信度，并结合预设阈值，判断所述校准参数是否满足预设条件；
当所述置信度小于所述预设阈值时，判断所述校准参数不满足所述预设条件；
当所述置信度大于或等于所述预设阈值时，判断所述校准参数满足所述预设条件。
在其中的一些实施例中，上述方法还包括：
在所述校准参数不满足所述预设条件时，通过调整所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，重新从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数。
在其中的一些实施例中，上述方法还包括：
根据所述成像对象相对于所述天线阵列的参考位置，从校准后的所述第一回波数据中筛选并处理得到第三回波数据；
基于反向传播算法对所述第三回波数据进行重构成像，得到所述成像对象的图像。
第二个方面，在本实施例中提供了一种毫米波成像校准装置，其特征在于，包括：天线阵列、平行于所述天线阵列的标定物以及校准模块；在所述天线阵列和所述标定物之间形成成像通道；成像对象设置于所述成像通道中；
所述天线阵列用于收发步进频信号，对所述成像对象和所述标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据；
所述成像对象和所述标定物，用于反射所述天线阵列发射的步进频信号；
所述校准模块用于根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数；
在所述校准参数满足预设条件时，根据所述校准参数对所述第一回波数据进行补偿校准。
在其中的一些实施例中，所述标定物包括反射区域和中空区域，且所述中空区域面积大于所述成像对象的尺寸；
所述反射区域为漫反射材料；或，金属材料。
在其中的一些实施例中，上述装置还包括：判断模块和成像模块；
所述判断模块，用于基于所述校准参数对所述第二回波数据进行校准，并通过成像算法，得到标定物成像；
基于所述标定物成像的尺寸与所述标定物的尺寸间的误差，计算所述校准参数的置信度，并结合预设阈值，判断所述校准参数是否满足预设条件；
当所述置信度小于所述预设阈值时，判断所述校准参数不满足所述预设条件；当所述置信度大于或等于所述预设阈值时，判断所述校准参数满足所述预设条件；
所述成像模块，用于根据所述成像对象相对于所述天线阵列的参考位置，从校准后的所述第一回波数据中筛选并处理得到第三回波数据；
基于反向传播算法对所述第三回波数据进行重构成像，得到所述成像对象的图像。
第三个方面，在本实施例中提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一个方面所述的毫米波成像校准方法。
第四个方面，在本实施例中提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一个方面所述的毫米波成像校准方法。
与相关技术相比，在本实施例中提供的一种毫米波成像校准方法、装置、计算机设备和存储介质，其中方法应用于毫米波成像校准装置，所述毫米波成像校准装置包括天线阵列和平行于所述天线阵列的标定物，在所述天线阵列和所述标定物之间形成成像通道；成像对象设置于所述成像通道中；所述方法包括：通过所述天线阵列收发步进频信号，对所述成像对象和所述标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据；根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数；在所述校准参数满足预设条件时，根据所述校准参数对所述第一回波数据进行补偿校准，能够在成像时实时获取校准参数，用于校准第一回波数据，以补偿收发通道的相位不一致，减少收发通道相位波动对成像的影响，解决了无法实时校准收发通道的一致性，导致成像质量较差的问题。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是一个实施例中毫米波成像校准装置的结构示意图；
图2是一个实施例中各频点的间隔示意图；
图3是一个实施例中毫米波成像校准方法的流程图；
图4是一个优选实施例中毫米波成像校准装置的结构示意图；
图5是一个优选实施例中毫米波成像校准方法的流程图。
图中：10、天线阵列；11、发射天线；12、接收天线；20、标定物；21、反射区域；22、中空区域；30、成像对象。
具体实施方式
为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。
除另作定义外，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应具有本申请所属技术领域具备一般技能的人所理解的一般含义。在本申请中的“一”、“一个”、“一种”、“该”、“这些”等类似的词并不表示数量上的限制，它们可以是单数或者复数。在本申请中所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体，其目的是涵盖不排他的包含；例如，包含一系列步骤或模块(单元)的过程、方法和***、产品或设备并未限定于列出的步骤或模块(单元)，而可包括未列出的步骤或模块(单元)，或者可包括这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块(单元)。在本申请中所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并不限定于物理的或机械连接，而可以包括电气连接，无论是直接连接还是间接连接。在本申请中所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。通常情况下，字符“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系。在本申请中所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等，只是对相似对象进行区分，并不代表针对对象的特定排序。
在安检领域中，基于毫米波实现的人体安检成像设备可以对人体进行精确成像，同时结合先进的人工智能识别算法，能够准确地识别出人体携带的危险物品和类别。
对于毫米波安检成像设备，包括线阵平扫、线阵环扫以及面阵扫描等几种工作方式，每种工作方式对应不同的成像设备结构，其中大型天线阵列包含大量收发通道，而收发通道幅度和相位的不均衡，限制了安检成像的图像质量，进而影响了危险物品检测的准确性，因此需要对收发通道的一致性进行校准。
目前可以通过收发天线间的互相校准，获取每一收发通道参照参考通道的相位补偿值，以对收发通道的一致性进行校准后，结合时域或者波数域的方式成像，例如在专利《主动式毫米波实时三维成像安检***的校准***及方法》中，通过在安检通道的左右通道墙体配置毫米波天线阵列口面，完成对设置于地板上的校准体的回波信号采集，得到校准参数以对收发通道的相位不一致进行补偿校准，并将该校准参数用于后续的安全检查的成像中，但是当收发通道不一致频繁发生时，在安检成像时使用之前的校准参数进行校准不一定能够实现高质量成像，因此无法进行实时校准，导致成像质量较差。
为了解决以上问题，在以下实施例提供了一种毫米波成像校准方法、装置、计算机设备和存储介质，能够通过天线阵列和平行于天线阵列的标定物，在标定物和天线阵列中形成成像通道，并将成像对象设置于成像通道中，以获取标定物和成像对象的回波数据，实时计算校准参数，并用于对成像对象的成像校准。
在本实施例中提供了一种毫米波成像校准装置，图1是本实施例中装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：天线阵列10、平行于天线阵列的标定物20以及校准模块(图中未示出)；在天线阵列和标定物之间形成成像通道；成像对象30设置于成像通道中。
上述天线阵列10用于收发步进频信号，对成像对象30和标定物20的回波数据进行采集，得到第一回波数据；其中，成像对象30和标定物20，用于反射天线阵列10发射的步进频信号。
天线阵列10包括若干发射天线和接收天线，任一发射天线和接收天线组成收发通道。其中，发射天线向外辐射步进频信号，图2是本实施例中各频点的间隔示意图，如图2所示，坐标系横轴表示频点的周期T，坐标系纵轴表示频点的频率，各频点间的间隔可以均等，也可以按照一定规律排布，频点的数目不限于32和64等，具体可以根据最大无模糊可探测距离以及距离分辨率进行选择。接收天线采用超外差结构进行混频，中频信号频率依赖于ADC(模拟数字转换器，Analog-to-digital converter)采样率以及射频芯片的滤波特性等因素，并且ADC采样率具体要满足对中频信号整周期采样。
进一步地，天线阵列10是稀疏天线阵列，其阵列天线分布不限于方形阵列和圆形阵列等。一种发射天线和接收天线的示例布局，发射天线和接收天线均线性排列，且两列发射天线和两列接收天线分别相对设置。
标定物20作为校准参照物，平行于天线阵列10设置，用于反射天线阵列10发射的步进频信号。其中，标定物20的形状可以与天线阵列10的形状，以及天线阵列中发射天线、接收天线的排列对应设置，以在天线阵列10更好地获得回波数据。优选地，在实际应用中可以将标定物20距天线阵列10的深度设为2m。
在安检领域，成像对象30具体可以是待检测的人或者物体，用于反射天线阵列10发射的步进频信号。并且，成像对象30设置于天线阵列10和标定物20之间形成的成像通道中，成像对象30和标定物20相对于天线阵列10分别具有不同的深度(距离)，天线阵列10对标定物20和成像对象30的回波数据进行采集，得到第一回波数据时，以根据不同深度区分标定物20和成像对象30的回波数据。优选地，在实际应用中可以将成像对象30距天线阵列10的深度设为0.5m。其中，天线阵列10获取的第一回波数据可以是多维ADC数据格式。
上述校准模块与天线阵列10连接，用于根据标定物20相对于天线阵列10的参考位置，从第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数；在校准参数满足预设条件时，根据校准参数对第一回波数据进行补偿校准。
具体的，标定物20的尺寸可以通过高精度测量仪器获得，比如游标卡尺等。以天线阵列10的平面建立XYZ轴的天线坐标系，上述参考位置是标定物20投射至天线坐标系的集合，具体可以通过激光器对齐结合标定物20的尺寸获得。
根据标定物20相对于天线阵列10的参考位置，可以计算得到标定物20上反射点至天线阵列10的最大距离和最小距离，以得到标定物20与天线阵列10的距离范围。
由于成像对象30和标定物20相对于天线阵列10分别具有不同距离，进一步基于距离范围，从第一回波数据中筛选得到标定物20反射的回波数据，作为第二回波数据，并且进行匹配滤波，求解得到校准参数。其中，校准参数是对收发通道相位的补偿值。
进一步地，通过对校准参数进行门限判断，具体可以通过计算校准参数的置信度，结合预设阈值建立预设条件，在校准参数满足预设条件时，通过上述得到的校准参数实时对第一回波数据进行校准，以补偿收发通道的相位不一致，减少对成像质量的影响。
本实施例中提供的装置，通过天线阵列和平行于天线阵列的标定物，在天线阵列和标定物之间形成成像通道，将成像对象设置于成像通道中，通过天线阵列采集成像对象和标定物的回波数据，并根据标定物相对于天线阵列的参考位置，筛选得到标定物反射的回波数据，进一步计算校准参数并用于成像校准中，能够实时获取校准参数并用于补偿收发通道的相位不一致，减少收发通道相位波动对成像的影响，解决了无法实时校准收发通道的一致性，导致成像质量较差的问题。
在其中的一些实施例中，上述标定物包括反射区域和中空区域，且中空区域面积大于成像对象的尺寸。其中，反射区域为漫反射材料；或，金属材料。
具体的，标定物的反射区域用于反射天线阵列发射的步进频信号，具体可以是漫反射材料，或者其他能够实现反射的金属材料，具体根据实际反射效果决定。
进一步，在标定物的中间形成中空区域，且中空区域的面积大于成像对象的尺寸，这样通过本实施例中的标定物的中空结构，能够减少标定物和成像对象之间多次反射的回波的干扰，仅通过标定物边缘的反射区域进行反射，能够更好地区分标定物和成像对象反射的回波数据。
在其中的一些实施例中，上述装置还包括：判断模块和成像模块。
判断模块，用于基于校准参数对第二回波数据进行校准，并通过成像算法，得到标定物成像；基于标定物成像的尺寸与标定物的尺寸间的误差，计算校准参数的置信度，并结合预设阈值，判断校准参数是否满足预设条件；当置信度小于预设阈值时，判断校准参数不满足预设条件；当置信度大于或等于预设阈值时，判断校准参数满足预设条件。
具体的，将上述筛选得到的第二回波数据与校准参数对应相乘，再采用K-space等快速成像算法，对校准后的标定物进行成像，得到标定物成像。
将上述标定物成像的尺寸分别与标定物真实测量的尺寸进行对比，通过累加各项差值的平方得到综合误差。其中，在累加过程中，针对每一项差值的平方可以设定不同的权重，权重值具体根据实验分析得到。
得到综合误差后，可以采用贝叶斯网络计算置信度，或者对综合误差进行分层判断。例如，当综合误差大于某一阈值时(根据实际结果设定)，此时置信度为0；当综合误差小于该阈值时，采用线性方程来计算置信度。将通过理论仿真所得的预设阈值，结合置信度建立预设条件。
成像模块，用于根据成像对象相对于天线阵列的参考位置，从校准后的第一回波数据中筛选并处理得到第三回波数据；基于反向传播算法对第三回波数据进行重构成像，得到成像对象的图像。
具体的，将校准参数与第一回波数据进行两两对应相乘，得到补偿校准后的第一回波数据。
通过将补偿后的第一回波数据进行逆傅里叶变换，得到距离－功率谱，根据成像对象相对于天线阵列的参考位置，选取距离小于或等于D(标定物与天线阵列最小距离)，且大于等于L(成像对象相对于天线阵列的深度)的回波数据，再进行傅里叶变换，并且，为了使雷达回波均匀，减少镜面放射的影响，对第三回波数据添加窗函数进行优化处理，比如汉明窗等，得到成像对象反射的第三回波数据。基于BP(反向传播)算法对第三回波数据进行重构成像。
通过本实施例中提供的判断模块和成像模块，能够通过对标定物成像，与标定物的尺寸计算校准参数的置信度，并对校准参数的置信度进行判断，从而对不符合的校准参数进行在线校正，以提高校准参数的准确性，进而从校准后的第一回波数据中筛选得到成像对象反射的回波数据，并结合成像算法，得到更高质量的成像。
需要说明的是，上述各个模块可以是功能模块也可以是程序模块，既可以通过软件来实现，也可以通过硬件来实现。对于通过硬件来实现的模块而言，上述各个模块可以位于同一处理器中；或者上述各个模块还可以按照任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
在本实施例中提供了一种毫米波成像校准方法，应用于上述实施例中的毫米波成像校准装置，图3是本实施例方法的流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S310，通过天线阵列收发步进频信号，对成像对象和标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据。
具体的，在上述毫米波成像装置中，天线阵列包括若干发射天线和接收天线，任一发射天线和接收天线组成收发通道。其中，发射天线向外辐射步进频信号，成像对象和标定物，用于反射天线阵列发射的步进频信号，并通过接收天线进行接收，采集得到多维ADC数据格式的第一回波数据，在第一回波数据中包括成像对象和标定物反射的回波数据。
步骤S320，根据标定物相对于天线阵列的参考位置，从第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数。
具体的，标定物的尺寸可以通过高精度测量仪器获得，比如游标卡尺等。以天线阵列的平面建立XYZ轴的天线坐标系，上述参考位置是标定物投射至天线坐标系的集合，具体可以通过激光器对齐结合标定物的尺寸获得。
根据标定物相对于天线阵列的参考位置，可以计算得到标定物上所有反射点至天线阵列的最大距离和最小距离，以得到标定物与天线阵列的距离范围。
由于成像对象和标定物相对于天线阵列分别具有不同距离，进一步基于距离范围，从第一回波数据中筛选得到标定物反射的回波数据，作为第二回波数据，并且进行匹配滤波，求解得到校准参数。其中，校准参数是对收发通道相位的补偿值。
步骤S330，在校准参数满足预设条件时，根据校准参数对第一回波数据进行补偿校准。
具体的，通过对校准参数进行门限判断，具体可以通过计算校准参数的置信度，结合预设阈值建立预设条件，在校准参数满足预设条件时，通过上述得到的校准参数实时对第一回波数据进行校准，以补偿收发通道的相位不一致，减少对成像质量的影响。
上述步骤通过天线阵列和平行于天线阵列的标定物，在天线阵列和标定物之间形成成像通道，将成像对象设置于成像通道中，通过天线阵列采集成像对象和标定物的回波数据，并根据标定物相对于天线阵列的参考位置，筛选得到标定物反射的回波数据，进一步计算校准参数并用于成像校准中，相比于现有技术中，在安检成像时使用之前的校准参数进行校准，不一定能够实现高质量成像的情况，本实施例能够实时获取校准参数并用于补偿收发通道的相位不一致，减少收发通道相位波动对成像的影响，解决了无法实时校准收发通道的一致性，导致成像质量较差的问题。
在其中的一些实施例中，上述步骤S310中得到第一回波数据的过程，具体可以通过以下步骤实现：
通过天线阵列的收发通道，采集成像对象和标定物反射的回波数据，作为第一回波信号；其中，第一回波数据为每一收发通道在每一频点的成像对象和标定物的回波数据。
具体的，天线阵列包括若干发射天线和接收天线，任一发射天线和接收天线组成收发通道。对于获取的第一回波数据，具体是天线阵列的每一收发通道在每一频点收到的，成像对象和标定物的回波数据。
在一个示例中，第一回波数据的数据格式可以设定为Data[TxNum][RxNum][FreNum]，其中，TxNum为发射天线数目，RxNum为接收天线数目，FreNum为频点数，对每个收发通道(假定发射天线ID为TxIdx，接收天线ID为RxIdx)所对应的回波数据的集合为{Data[TxIdx][RxIdx][0]，Data[TxIdx][RxIdx][1]，……，Data[TxIdx][RxIdx][FreNum-1]}。
通过本实施例中利用毫米波成像校准装置，将成像对象设置于天线阵列和标定物之间的成像通道中，并且使标定物和成像对象相对于天线阵列具有不同的深度，能够一次采集得到标定物和成像对象的回波数据，再分别通过与天线阵列的距离，对标定物和成像对象的回波数据进行区分。
在其中的一些实施例中，上述步骤S320中根据标定物相对于天线阵列的参考位置，从第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数，包括以下步骤：
步骤S321，根据标定物相对于天线阵列的参考位置，获取标定物与天线阵列的距离范围。
具体的，通过高精度测量仪器，比如游标卡尺获得标定物的尺寸，其中包括标定物的高度等参数。在以天线阵列所在平面建立的天线坐标系中，通过激光器对齐，将标定物上所有反射点投射至天线坐标系的集合，得到标定物相对于天线阵列的参考位置。
在上述参考位置中，已知标定物与天线阵列最小距离为D，则标定物上反射点至天线距离大于或等于D，然后根据标定物的高度以及最小距离D，用勾股定理求得标定物上反射点至天线阵列的最大距离DMax，进而得到标定物与天线阵列的距离范围。
步骤S322，基于距离范围，从第一回波数据中筛选得到标定物反射的第二回波数据。
具体的，对于上述第一回波数据，通过进行逆傅里叶变换，转换到距离-功率谱上，再基于距离范围，在距离－功率谱上滤除距离范围[D，DMax]以外距离的目标后，通过傅里叶变换转换到时域上，得到标定物反射的第二回波数据，其中，第二回波数据的格式同样为多维ADC数据Data[TxNum][RxNum][FreNu m]。
步骤S323，根据标定物的反射区域和参考位置建立匹配滤波模型，并对第二回波数据进行匹配滤波，求解得到校准参数。
具体的，设定标定物反射区域的位置集为P，结合天线坐标系下的参考位置(xRef,yRef,zRef)进行转换，建立如下形式的匹配滤波模型：
其中，j表明当前表达式为复数表达式，k代表波数，k＝2*π/λ，λ表示波长，代表某一发射天线的空间位置，/>代表某一接收天线的空间位置，/>表示标定物位置集合P。
进一步，将每一收发通道假设成目标反射点，标定物上的每一反射点看作等效天线，对第二回波数据进行时域上的匹配滤波，具体如下：
其中，w(T,R,F)为发射通道T，接收通道R在频点F下的附加幅相补偿值；s(T,R,F)为经过距离筛选后的发射通道T，接收通道R在频点F下的ADC采样数值(即第二回波数据)。
求得上述附加幅相补偿值w(T,R,F)后，由于收发通道相位误差对成像的影响大于收发通道幅值不一致对成像质量的影响，计算得到相位补偿值φ(T,R,F)＝abs(w(T，R,F))/w(T，R,F)，并将相位补偿值作为校准参数。
本实施例中根据标定物和成像对象分别相对于天线阵列具有不同的深度，能够通过将第一回波数据转换至距离－功率谱上，结合标定物与天线阵列的距离范围从中筛选得到标定物反射的第二回波数据，进一步通过匹配滤波计算得到用于收发通道的相位补偿值，作为校准参数。
在得到校准参数后，为了提高校准参数的准确性，在其中的一些实施例中，可以通过对标定物成像，对校准参数的置信度进行判断，并对不符合的校准参数进行在线校正，具体可以通过以下步骤实现：
步骤S410，基于校准参数对第二回波数据进行校准，并通过成像算法，得到标定物成像。
具体的，将上述筛选得到的第二回波数据与校准参数对应相乘，再采用K-space等快速成像算法，对校准后的标定物进行成像，得到标定物成像。
步骤S420，基于标定物成像的尺寸与标定物的尺寸间的误差，计算校准参数的置信度，并结合预设阈值，判断校准参数是否满足预设条件。
具体的，计算标定物成像中标定物的尺寸，例如标定物***长度和宽度，对于以上实施例中标定物包括反射区域和中空区域的情形，进一步计算标定物的内围长度和宽度，以及标定物中反射区域和中空区域的对比度，其中，对比度可以通过实心部分(反射区域)的功率均值与空心部分(中空区域)的功率均值的比值，再求其对数值得到。
将上述标定物成像的尺寸分别与标定物真实测量的尺寸进行对比，通过累加各项差值的平方得到综合误差。其中，在累加过程中，针对每一项差值的平方可以设定不同的权重，权重值具体根据实验分析得到。
得到综合误差后，可以采用贝叶斯网络计算置信度，或者对综合误差进行分层判断。例如，当综合误差大于某一阈值时(根据实际结果设定)，此时置信度为0；当综合误差小于该阈值时，采用线性方程来计算置信度。将通过理论仿真所得的预设阈值，结合置信度建立预设条件。
步骤S430，当置信度小于预设阈值时，校准参数不满足预设条件；当置信度大于或等于预设阈值时，校准参数满足预设条件。
具体的，当置信度大于或等于预设阈值时，校准参数满足预设条件，可以将该校准参数用于补偿收发通道的相位。
当置信度小于预设阈值时，校准参数不满足预设条件，进一步考虑到计算时间的需要，设置合理的迭代次数上限(通过***允许计算时间所得)。若计置信度小于预设阈值，且当前计算次数小于迭代次数上限时，对不满足预设条件的校准参数继续进行在线校正，以提高校准参数的准确性。
进一步地，通过以下步骤对不满足预设条件的校准参数进行在线校正：
在校准参数不满足预设条件时，通过调整标定物相对于天线阵列的参考位置，重新从第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数。
具体的，通过采用遗传算法、梯度下降算法或者粗精搜等方法调整参考位置，并且为了进一步减小算法的计算次数，可以预先限定相对参考位置的搜索范围，比如结合上述激光器测量的测量不确定度得到。
对参考位置进行调整后，重新筛选得到标定物反射的第二回波数据，通过以上实施例中的方法计算得到校准参数，并对校准参数的置信度进行判断。
本实施例中通过对标定物成像，与标定物的尺寸计算校准参数的置信度，并对校准参数的置信度进行判断，从而对不符合的校准参数进行在线校正，以提高校准参数的准确性，后续实现更好的成像。
在其中的一些实施例中，上述方法还包括成像对象的成像过程，具体通过以下步骤实现：
根据成像对象相对于天线阵列的参考位置，从校准后的第一回波数据中筛选并处理得到第三回波数据；基于反向传播算法对第三回波数据进行重构成像，得到成像对象的图像。
具体的，将校准参数φ(T,R,F)与第一回波数据m(T，R,F)进行两两对应相乘，得到补偿校准后的第一回波数据m′(T,R,F)。其中，m(T,R,F)和m′(T,R,F)表示发射通道T，接收通道R在频点F下的ADC采样数值。
通过将补偿后的第一回波数据进行逆傅里叶变换，得到距离－功率谱，根据成像对象相对于天线阵列的参考位置，选取距离小于或等于D(标定物与天线阵列最小距离)，且大于等于L(成像对象相对于天线阵列的深度)的回波数据，再进行傅里叶变换，并且，为了使雷达回波均匀，减少镜面放射的影响，对第三回波数据添加窗函数进行优化处理，比如汉明窗等，得到成像对象反射的第三回波数据n(T,R,F)。
基于BP(反向传播)算法对n(T,R,F)进行重构成像，具体步骤如下：
其中NK为波数的数目，NT为发射天线的数目，NR为接收天线的数目，代表对应发射天线的空间位置，/>代表对应接收天线的空间位置，/>k代表波数，λ表示波长，k＝2*π/λ。
对上式进行如下变形：
二维卷积可以用如下二维傅里叶方式来实现：
本实施例中能够从校准后的第一回波数据中筛选得到成像对象反射的回波数据，并结合成像算法，得到更高质量的成像。
在上述实施例中提供的方法实施例可以在终端、计算机或者类似的运算装置中执行。比如在终端上运行，终端可以包括一个或多个处理器和用于存储数据的存储器，其中，处理器可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置。上述终端还可以包括用于通信功能的传输设备以及输入输出设备。本领域普通技术人员可以理解，上述描述仅为示意，其并不对上述终端的结构造成限制。例如，终端还可包括比更多或者更少的组件，或者具有的不同配置。
存储器可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如在本实施例中的毫米波成像校准方法对应的计算机程序，处理器通过运行存储在存储器内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器可进一步包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
传输设备用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络包括终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备包括一个网络适配器(Network InterfaceController，简称为NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备可以为射频(Radio Frequency，简称为RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
下面通过优选实施例对本实施例进行描述和说明。
图4是本优选实施例的毫米波成像校准装置的结构示意图，如图4所示，毫米波成像校准装置包括：天线阵列10、平行于天线阵列的标定物20以及校准模块(图4中未示出)；在天线阵列和标定物之间形成成像通道；成像对象30设置于成像通道中。
上述天线阵列10用于收发步进频信号，对成像对象30和标定物20的回波数据进行采集，得到第一回波数据。
天线阵列10包括若干发射天线11和接收天线12，发射天线11和接收天线12均线性排列，且两列发射天线11和两列接收天线12分别相对设置。标定物20作为校准参照物，平行于天线阵列10设置，且距离为2m，用于反射天线阵列10发射的步进频信号。
在安检领域，成像对象30具体可以是待检测的人或者物体，用于反射天线阵列10发射的步进频信号。并且，成像对象30设置于天线阵列10和标定物20之间形成的成像通道中，成像对象30和标定物20相对于天线阵列10分别具有不同的深度(距离)，可以将成像对象30距天线阵列10的深度设为0.5m。
标定物20包括反射区域21和中空区域22，且中空区域22面积大于成像对象30的尺寸。其中，反射区域21为漫反射材料；或，金属材料。
上述校准模块与天线阵列10连接，用于根据标定物20相对于天线阵列10的参考位置，从第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数；在校准参数满足预设条件时，根据校准参数对第一回波数据进行补偿校准。
具体的，标定物20的尺寸可以通过高精度测量仪器获得，比如游标卡尺等。以天线阵列10的平面建立XYZ轴的天线坐标系，上述参考位置是标定物20投射至天线坐标系的集合，具体可以通过激光器对齐结合标定物20的尺寸获得。
根据标定物20相对于天线阵列10的参考位置，可以计算得到标定物20上反射点至天线阵列10的最大距离和最小距离，以得到标定物20与天线阵列10的距离范围。
由于成像对象30和标定物20相对于天线阵列10分别具有不同距离，进一步基于距离范围，从第一回波数据中筛选得到标定物20反射的回波数据，作为第二回波数据，并且进行匹配滤波，求解得到校准参数。其中，校准参数是对收发通道相位的补偿值。
进一步地，通过对校准参数进行门限判断，具体可以通过计算校准参数的置信度，结合预设阈值建立预设条件，在校准参数满足预设条件时，通过上述得到的校准参数实时对第一回波数据进行校准，以补偿收发通道的相位不一致，减少对成像质量的影响。
进一步地，上述装置还包括：判断模块和成像模块(图4中均未示出)。判断模块，用于基于校准参数对第二回波数据进行校准，并通过成像算法，得到标定物成像；基于标定物成像的尺寸与标定物的尺寸间的误差，计算校准参数的置信度，并结合预设阈值，判断校准参数是否满足预设条件；当置信度小于预设阈值时，判断校准参数不满足预设条件；当置信度大于或等于预设阈值时，判断校准参数满足预设条件。
成像模块，用于根据成像对象相对于天线阵列的参考位置，从校准后的第一回波数据中筛选并处理得到第三回波数据；基于反向传播算法对第三回波数据进行重构成像，得到成像对象的图像。
本优选实施例中提供的装置，能够通过天线阵列采集成像对象和标定物的回波数据，并根据标定物相对于天线阵列的参考位置，筛选得到标定物反射的回波数据，进一步计算校准参数并用于成像校准中，能够实时获取校准参数并用于补偿收发通道的相位不一致，减少收发通道相位波动对成像的影响，解决了无法实时校准收发通道的一致性，导致成像质量较差的问题。
其中，通过本实施例中的标定物的中空结构，能够减少标定物和成像对象之间多次反射的回波的干扰，仅通过标定物边缘的反射区域进行反射，能够更好地区分标定物和成像对象反射的回波数据。
图5是本优选实施例的毫米波成像校准方法的流程图，如图5所示，该方法应用于上述优选毫米波成像校准装置，具体包括以下步骤：
步骤S510，通过天线阵列的收发通道，采集成像对象和标定物反射的回波数据，作为第一回波信号。
步骤S520，根据标定物相对于天线阵列的距离和尺寸，获取标定物与天线阵列的距离范围，并基于距离范围，从第一回波数据中筛选得到标定物反射的第二回波数据。
步骤S530，通过对第二回波数据进行匹配滤波，求解得到校准参数；基于校准参数对第二回波数据进行校准，并通过成像算法，得到标定物成像。
步骤S540，基于标定物成像的尺寸与标定物的尺寸间的误差，计算校准参数的置信度，并结合预设阈值，判断校准参数是否满足预设条件。
步骤S550，在校准参数不满足预设条件时，通过调整标定物相对于天线阵列的参考位置，重新从第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数。
步骤S560，在校准参数满足预设条件时，根据校准参数对第一回波数据进行补偿校准，并根据成像对象相对于天线阵列的参考位置，筛选并处理得到成像对象反射的第三回波数据；基于反向传播算法对第三回波数据进行重构成像，得到成像对象的图像。
需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。例如，步骤S550和步骤S560分别根据校准参数是否满足预设条件的情况相应执行，不区分先后顺序。
通过本优选实施例提供的方法，能够通过天线阵列采集成像对象和标定物的回波数据，并根据标定物相对于天线阵列的参考位置，筛选得到标定物反射的回波数据，进一步计算校准参数并用于成像校准中，相比于现有技术中，在安检成像时使用之前的校准参数进行校准，不一定能够实现高质量成像的情况，本实施例能够实时获取校准参数并用于补偿收发通道的相位不一致，减少收发通道相位波动对成像的影响，解决了无法实时校准收发通道的一致性，导致成像质量较差的问题。
进一步，通过对标定物成像，与标定物的尺寸计算校准参数的置信度，并对校准参数的置信度进行判断，从而对不符合的校准参数进行在线校正，以提高校准参数的准确性，后续实现更好的成像。
在本实施例中还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
可选地，上述计算机设备还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
需要说明的是，在本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，在本实施例中不再赘述。
此外，结合上述实施例中提供的毫米波成像校准方法，在本实施例中还可以提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序；该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种毫米波成像校准方法。
需要说明的是，本申请所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据。
应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本申请保护范围。
显然，附图只是本申请的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本申请适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本申请披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本申请公开的内容不足。
“实施例”一词在本申请中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本申请的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其他实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技术人员能够清楚或隐含地理解的是，本申请中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其他实施例结合。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种毫米波成像校准方法，其特征在于，应用于毫米波成像校准装置，所述毫米波成像校准装置包括天线阵列和平行于所述天线阵列的标定物，在所述天线阵列和所述标定物之间形成成像通道；成像对象设置于所述成像通道中；所述方法包括：
通过所述天线阵列收发步进频信号，对所述成像对象和所述标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据；
根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数；
在所述校准参数满足预设条件时，根据所述校准参数对所述第一回波数据进行补偿校准。
2.根据权利要求1所述的毫米波成像校准方法，其特征在于，所述通过所述天线阵列收发步进频信号，对所述成像对象和所述标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据，包括：
通过所述天线阵列的收发通道，采集所述成像对象和所述标定物反射的回波数据，作为所述第一回波信号；其中，所述第一回波数据为每一所述收发通道在每一频点的所述成像对象和所述标定物的回波数据。
3.根据权利要求1所述的毫米波成像校准方法，其特征在于，所述根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数，包括：
根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，获取所述标定物与所述天线阵列的距离范围；
基于所述距离范围，从所述第一回波数据中筛选得到所述标定物反射的所述第二回波数据；
根据所述标定物的反射区域和所述参考位置建立匹配滤波模型，并对所述第二回波数据进行匹配滤波，求解得到所述校准参数。
4.根据权利要求1所述的毫米波成像校准方法，其特征在于，还包括：
基于所述校准参数对所述第二回波数据进行校准，并通过成像算法，得到标定物成像；
基于所述标定物成像的尺寸与所述标定物的尺寸间的误差，计算所述校准参数的置信度，并结合预设阈值，判断所述校准参数是否满足预设条件；
当所述置信度小于所述预设阈值时，所述校准参数不满足所述预设条件；
当所述置信度大于或等于所述预设阈值时，所述校准参数满足所述预设条件。
5.根据权利要求4所述的毫米波成像校准方法，其特征在于，还包括：
在所述校准参数不满足所述预设条件时，通过调整所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，重新从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数。
6.根据权利要求1所述的毫米波成像校准方法，其特征在于，还包括：
根据所述成像对象相对于所述天线阵列的参考位置，从校准后的所述第一回波数据中筛选并处理得到第三回波数据；
基于反向传播算法对所述第三回波数据进行重构成像，得到所述成像对象的图像。
7.一种毫米波成像校准装置，其特征在于，包括：天线阵列、平行于所述天线阵列的标定物以及校准模块；在所述天线阵列和所述标定物之间形成成像通道；成像对象设置于所述成像通道中；
所述天线阵列用于收发步进频信号，对所述成像对象和所述标定物的回波数据进行采集，得到第一回波数据；
所述成像对象和所述标定物，用于反射所述天线阵列发射的步进频信号；
所述校准模块用于根据所述标定物相对于所述天线阵列的参考位置，从所述第一回波数据中筛选得到第二回波数据，并通过匹配滤波得到校准参数；
在所述校准参数满足预设条件时，根据所述校准参数对所述第一回波数据进行补偿校准。
8.根据权利要求7所述的毫米波成像校准装置，其特征在于，所述标定物包括反射区域和中空区域，且所述中空区域面积大于所述成像对象的尺寸；
所述反射区域为漫反射材料；或，金属材料。
9.根据权利要求7所述的毫米波成像校准装置，其特征在于，还包括：判断模块和成像模块；
所述判断模块，用于基于所述校准参数对所述第二回波数据进行校准，并通过成像算法，得到标定物成像；
基于所述标定物成像的尺寸与所述标定物的尺寸间的误差，计算所述校准参数的置信度，并结合预设阈值，判断所述校准参数是否满足预设条件；
当所述置信度小于所述预设阈值时，判断所述校准参数不满足所述预设条件；当所述置信度大于或等于所述预设阈值时，判断所述校准参数满足所述预设条件；
所述成像模块，用于根据所述成像对象相对于所述天线阵列的参考位置，从校准后的所述第一回波数据中筛选并处理得到第三回波数据；
基于反向传播算法对所述第三回波数据进行重构成像，得到所述成像对象的图像。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至6中任一项所述的毫米波成像校准方法。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的毫米波成像校准方法的步骤。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117388834A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-01-12 | 深圳英美达医疗技术有限公司 | 回波校准方法、校准结构件、装置、设备和存储介质 |
| CN117388834B (zh) * | 2023-12-12 | 2024-03-15 | 深圳英美达医疗技术有限公司 | 回波校准方法、校准结构件、装置、设备和存储介质 |
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