CN102520402A - 一种圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法，其包括：1.对接收并经过Dechirp处理后的回波信号进行预处理；2.对预处理后的回波信号进行角度和高程的二维傅立叶变换；3.对二维傅立叶变换后的回波信号进行相位补偿；4.对相位补偿后的回波信号进行角度频域ξ的反傅立叶变换；5.对经反傅立叶变换的回波信号旋转一个固定角度并进行插值，得到旋转角度对应的三维图像在笛卡尔坐标系的三维频域；6.对三维图像在笛卡尔坐标系的三维频域进行三维反傅立叶变换，得到目标区域的三维图像；7.对三维图像进行投影显示，得到一个角度的二维投影图像；重复执行步骤5-7多次，得到多个角度下的二维投影图像。

Description

一种圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法

技术领域

本发明专利涉及三维成像领域，具体而言，涉及一种圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法。

背景技术

随着科技的发展，人类开发了很多新的交通工具，如飞机、高速火车、地铁等，这些交通工具承载了大量人群，一旦有携带危险品进入该交通工具里，极易带来安全隐患，给周围的人造成生命威胁。例如，携带易燃易爆等物品进入飞机或地铁等。

另外，随着人类的社会活动越来越广泛，经常会有大型集会的召开，而这些大型集会中往往聚集了成千上万的人。一旦有人携带危险物进入或者恐怖分子携带爆炸性物品进入以进行恐怖活动，会造成严重的生命危害。

针对这些情况，人们研发了一种三维成像安检设备，其能够全面实现对人体携带的各种危险品实施检测。为了能够实现对人体的360度成像，该三维成像安检设备中的扫描装置通常为圆柱阵面，如下图1所示。

当前的圆柱阵面三维成像安检系统进行安全检测成像的时候，需要对被检查的人或物进行多角度成像并显示，这些选取的角度一般成递增关系，具有固定角度差，设固定的角度差为Δθ，Δθ可以是5度、10度等。现行的处理方法是针对每一个选取的角度θ_select，选取该角度±θ_L/2范围内扫描的回波数据进行三维成像处理，θ_L为选取的角度向的孔径积累长度，θ_L不能太小，否则会影响角度方向的分辨率。在成像的过程中实现圆柱坐标系到笛卡尔坐标系的转换，得到被检查的人或物的三维图象f(x，y，z)，其坐标映射关系是：x＝r·cos(θ-θ_select)，y＝r·cos(θ-θ_select)，z＝z′。

从分辨率理论可知，x方向的分辨率由系统的带宽来决定，一般只能达到cm级，而y、z方向则可以达到mm级，并且由于x方向的遮挡问题，通常都沿x轴方向进行二维投影显示，得到该选定的θ角度的二维图像。采用与上述相同的方法对N个角度分别进行三维成像处理，可以获得N个角度的二维图像，实现多角度成像显示。

采用现行方法的缺点是由于成像的角度多、数据量大，整个成像处理的时间太长，必须在成像的图像数量和单个图像方位向积累角度大小之间有一个折中处理，一定程度降低了角度域的孔径积累时间，也降低了角度方向的分辨率，而总的耗时却很多。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法，其包括：

a)对接收并经过Dechirp处理后的回波信号进行预处理，包括对采集的回波信号去直流以及去掉收发通道的隔离度不够所产生的泄漏信号；

b)对预处理后的回波信号进行角度和高程的二维傅立叶变换，得到该信号在圆柱坐标系的三维频域S₂(ξ，ω，k_z)，其中ξ为角度方向的频域，k_z为高程方向的频域；

c)对二维傅立叶变换后的回波信号进行相位补偿；

d)对相位补偿后的回波信号进行角度频域ξ的反傅立叶变换；

e)对经反傅立叶变换的回波信号旋转一个固定角度并进行插值，得到旋转角度对应的三维图像在笛卡尔坐标系的三维频域；

f)对获得的三维图像在笛卡尔坐标系的三维频域进行三维反傅立叶变换，得到目标区域的三维图像；

g)对获得的三维图像f(x，y，z)进行投影显示，得到在一个角度下的二维投影图像；

h)重复执行步骤e)-g)M次得到M个角度下的二维投影图像，其中M＝1+最大扫描角度/所选择的相邻两个角度之间的角度差。

根据本发明的方法通过大角度积累提高了信噪比，保证了成像的角度方向的分辨率，提高了成像速度；即成像速度和成像质量都得到了提高。

附图说明

图1为示出天线阵列位置以及圆柱坐标系到笛卡尔坐标系的映射关系示意图；

图2为本发明的圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法的流程图。

具体实施方式

在一般应用中，扫描系统包含的收发天线阵列组可以是一组或两组。当收发天线阵列组为一组时，该收发天线阵列组的扫描角度一般在300度以上，甚至是360度。而当收发天线阵列组为两组时，该收发天线阵列组的最大扫描角度一般在120-180度之间。

下面以收发天线阵列组为两组，最大扫描角度为150度例，具体说明本发明的圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法。

图2为本发明的圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法的流程图，该方法包括：

一.对接收并经过Dechirp处理后的回波信号进行预处理。

接收的射频回波信号经过Dechirp处理之后得到的中频信号可表示为：

$s_r(\mathrm{\θ},\mathrm{\ω},z^{\′})=\∫\∫\∫f(x,y,z)e^{j2k\sqrt{{(R\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{(R\sin \mathrm{\θ}-y)}^2+(z^{\′}-z)}}\mathrm{dxdydz}+\mathrm{in}(\mathrm{\θ},\mathrm{\ω},z^{\′})$

其中s_r(θ，ω，z′)为各空间采样点在圆柱坐标系的坐标为(R，θ，z′)的位置上所接收到的基带回波信号，空间采样点在圆柱坐标系的坐标为(R，θ，z′)如图1所示，f(x，y，z)为被检测目标的归一化反射系数，k＝2ω/c为波数，ω为发射的射频线性调频信号的频率，c为光速，x，y，z为笛卡尔坐标系的坐标，

为从发射电磁波到其从被检测目标表面反射回来被接收通道接收的双程延迟距离，in(θ，ω，z′)为杂波、噪声及实际物理系统产生的多余的信号。

在本发明中，z′的取值范围为天线阵列所能覆盖的所有范围；θ为天线阵列扫描的角度范围，即从0角度到最大扫描角度；ω的范围为发射的射频线性调频信号的最小频率到最大频率。

对该回波信号进行预处理能够改善图像成像质量。该预处理包括对采集的回波信号去直流以及去掉收发通道的隔离度不够所产生的泄漏信号。去直流和去泄漏信号的具体方法是：选定以某个角度θ_i和高程z′_j接收的回波信号s_r(θ_i，ω，z′_j)，根据参考信号通道和收发通道之间的延迟差，确定泄漏信号经Dechirp处理之后生成的点频信号所在的频点(称为泄漏频点)，然后对s_r(θ_i，ω，z′_j)进行ω的傅立叶变换以去掉0频信号和泄漏频点的信号，将0频和泄漏频点的信号的幅度值置0，然后再对变换处理后的信号进行ω的反傅立叶变换，遍历所有的角度θ和高程z′以去直流和去泄漏信号，就完成了对所有空间采样点的回波信号的预处理。

二、对预处理后的回波信号进行角度和高程的二维傅立叶变换。

对预处理后的回波信号进行角度和高程的二维傅立叶变换，得到该信号在圆柱坐标系的三维频域，表示为S₂(ξ，ω，kz)，其中ξ为角度方向的频域，k_z为高程方向的频域。进行角度和高程的二维傅立叶变换的具体实现过程可采用公知的快速傅立叶变换法来实现。

三、对二维傅立叶变换后的回波信号进行相位补偿。

利用第二步获得的S₂(ξ，ω，k_z)与

的共轭相乘就实现了相位补偿，其中H_ξ(2k_rR)为hankel函数，其中

具体的过程是：先生成ξ、k_z和ω的取值范围所对应的hankel函数表，然后再生成

的共轭，将其与第二步骤中获得的S₂(ξ，ω，k_z)进行相乘，就实现了对二维傅立叶变换后的回波信号进行相位补偿。

四、对相位补偿后的回波信号进行角度频域ξ的反傅立叶变换。

对第三步的乘积进行角度频域ξ的反傅立叶变换，得到S₄(θ，ω，k_z)，即完成对相位补偿后的回波信号进行角度频域ξ的反傅立叶变换。

五、对经反傅立叶变换的回波信号旋转一个固定角度并进行插值，得到旋转角度对应的三维图像在笛卡尔坐标系的三维频域。

进行坐标转换的时候，需要通过插值处理来实现。当对经反傅立叶变换的回波信号旋转一个固定角度n·Δθ，再进行坐标转换，从圆柱坐标系到笛卡尔坐标系的映射关系为：

2k_rcos(θ-n·Δθ)＝k_x

2k_rsin(θ-n·Δθ)＝k_y

$k=\frac{2\mathrm{\ω}}{c}=\sqrt{k_x^2+k_y^2+k_z^2}$

$k_r=\sqrt{k_x+k_y}$

其中n＝0并且每重复执行步骤五时自动加1；Δθ为所选择的相邻两个角度之间的角度差；θ为天线阵列扫描的角度范围；ω为发射的射频线性调频信号的频率；c为光速；k_x为在笛卡尔坐标系下x方向的频域；k_y为在笛卡尔坐标系下y方向的频域。

具体实现过程是：先通过θ，k_z，ω的取值确定k_x、k_y和k_z的范围和间隔，生成采样点(k_x，k_y，k_z)，对每一个采样点(k_x，k_y，k_z)求取对应的坐标值(θ，k_z，ω)。由于数据是离散的，映射过来的点不一定刚好在采样点上，因此需要通过插值求取该点的值，插值方法可以采用双线性插值、sinc插值、近邻法插值，本发明优选近邻法，该近邻方法能够极大程度提高插值速度。通过插值，得到了采样点在笛卡尔坐标系的三维频域F(k_x，k_y，k_z)，即F(k_x，k_y，k_z)＝S₄(θ，ω，k_z)，该F(k_x，k_y，k_z)为f(x，y，z)的三维频域表示。

六、对第五步获得的三维图像在笛卡尔坐标系的三维频域F(k_x，k_y，k_z)进行三维反傅立叶变换，得到目标区域的三维图像f(x，y，z)。

七、对第六步获得的三维图像f(x，y，z)进行投影显示，得到一个角度的二维投影图像p(y，z)。

具体的投影方法是：根据三维图像f(x，y，z)中(y，z)的取值范围，生成一个初始二维投影图像p(y，z)，对于初始二维投影图像中的任一点(y_i，z_j)求取在所有x的取值范围之内的f(x，y_i，z_j)的最大值，将该最大值赋给p(y_i，z_j)。对所有的y和z进行遍历，完成对一个角度的二维投影图像p(y，z)的所有像素点的赋值，就可以在屏幕上显示出一个角度的二维投影图像。

以上过程仅仅获得了一个角度的二维投影图像p(y，z)。实际应用过程中，例如安检系统，需要得到被检查目标的多个角度的二维投影图像p(y，z)，选择多个角度中的相邻两个角度相差一个固定角度Δθ，可以是5度或10度等。在一般应用中，对于两个收发天线阵列组构成的扫描系统，收发天线阵列的最大扫描角度一般在120-180度之间。为了获得全方位的二维投影图像p(y，z)，一般每间隔2度、5度或10度等获得一个角度的二维投影图像p(y，z)，具体间隔角度可以根据实际应用需要来确定。以收发天线阵列扫描150度、间隔角度为5度为例，在0度获得一个角度的二维投影图像p后，接着获取5度的二维投影图像p₁，再接着获取10度的二维投影图像p₂……直到获得150度的二维投影图像p_n。因此，为了获得对检测目标的全方位的二维投影图像p，还需要执行下面的步骤。

八、重复执行步骤五至七M次得到M个角度的二维投影图像，其中M＝最大扫描角度/Δθ+1。如最大扫描角度为150度，Δθ＝10度，则M＝150/10+1＝16，即从显示0度的二维投影图像开始，每隔10度显示一个该角度下的二维投影图像，一共显示16个二维投影图像。

在实际应用中，想要形成所选取第一角度的二维投影图像为高质量图像，通常该第一角度不是从0度开始，而是从θ_L/2度开始，θ_L为选取的角度向的孔径积累长度，θ_L取值不能太小，否则会影响角度方向的分辨率，这种情况下，M＝(最大扫描角度-θ_L)/Δθ+1。例如，当θ_L为60度时，M＝(150-60)/10+1＝10，即显示的第一个二维投影图像是扫描到30度的二维投影图像，之后每隔10度显示一个该角度下的二维投影图像，显示的第后一个二维投影图像是扫描到120度的二维投影图像，一共显示10个二维投影图像。当第一个选取的角度为θ_L/2度时，步骤五中的映射关系可修改为：

2k_rcos(θ-n·Δθ-θ_L/2)＝k_x，

2k_rsin(θ-n·Δθ-θ_L/2)＝k_y；

$k=\frac{2\mathrm{\ω}}{c}=\sqrt{k_x^2+k_y^2+k_z^2},$

$k_r=\sqrt{k_x+k_y}.$

另外，对于单个收发天线阵列组，其扫描角度可以是300度以上，甚至是360度，在这种情况下，为了便于三维图象的二维投影显示，可以先将所有扫描回波数据按角度分成2或3组，针对第一组扫描回波数据执行步骤一至八，直到获得第一组下的所有选择角度的二维投影图像；然后重复执行步骤一至八，直到获得第二组下的所有选择角度的二维投影图像，和/或然后重复执行步骤一至八，直到获得第三组下的所有选择角度的二维投影图像。

根据本发明的方法保证了角度向最小积累孔径θ_L的基础上提高了中间角度图像的角度向孔径，既提高了信噪比也提高了角度向分辨率；同时由于只需要对步骤五到步骤七进行重复，降低了运算量，提高了成像速度，对比现行方法，本发明中的方法将成像时间从6s降低到2.5s，运算速度提高2倍多。即成像质量和成像速度都得到了提高。

Claims (8)

1.一种圆柱阵面三维成像系统的多角度快速成像显示方法，其包括：

a)对接收并经过Dechirp处理后的回波信号进行预处理，包括对采集的回波信号去直流以及去掉收发通道的隔离度不够所产生的泄漏信号；

b)对预处理后的回波信号进行角度和高程的二维傅立叶变换，得到该信号在圆柱坐标系的三维频域S₂(ξ，ω，k_z)，其中ξ为角度方向的频域，k_z为高程方向的频域；

c)对二维傅立叶变换后的回波信号进行相位补偿；

d)对相位补偿后的回波信号进行角度频域ξ的反傅立叶变换；

e)对经反傅立叶变换的回波信号旋转一个固定角度并进行插值，得到旋转角度对应的三维图像在笛卡尔坐标系的三维频域；

f)对获得的三维图像在笛卡尔坐标系的三维频域进行三维反傅立叶变换，得到目标区域的三维图像；

g)对获得的三维图像进行投影显示，得到在一个角度下的二维投影图像；

h)重复执行步骤e-g)M次得到M个角度下的二维投影图像，其中M＝1+最大扫描角度/所选择的相邻两个角度之间的角度差。

2.根据权利要求1的方法，其中在步骤a)中，选定发射和接收天线单元在某个角度θ_i和高程z′_j位置所接收的回波信号s_r(θ_i，ω，z′_j)，根据参考信号通道和收发通道之间的延迟差，确定泄漏信号经Dechirp处理之后生成的点频信号所在的泄漏频点，然后对s_r(θ_i，ω，z′_j)进行ω的傅立叶变换以去掉0频信号和泄漏频点的信号，将0频和泄漏频点的信号的幅度值置0，然后再对变换处理后的信号进行ω的反傅立叶变换，遍历所有的角度θ和高程z′以去直流和去泄漏信号。

3.根据权利要求1的方法，其中在步骤c)中，利用步骤b获得的S₂(ξ，ω，k_z)与

的共轭相乘以实现相位补偿，其中H_ξ(2k_rR)为hankel函数，

4.根据权利要求1的方法，其中在步骤e)中，先通过θ，k_z，ω的取值确定k_x、k_y和k_z的范围和间隔，生成笛卡尔坐标系下的空间采样点(k_x，k_y，k_z)，对每一个采样点(k_x，k_y，k_z)求取对应的坐标值(θ，k_z，ω)，通过近邻插值法得到笛卡尔坐标系下的三维频域F(k_x，k_y，k_z)。

5.根据权利要求1的方法，其中在步骤g)中，根据三维图像f(x，y，z)中(y，z)的取值范围生成一个初始二维投影图像p(y，z)，对于初始二维投影图像中的任一点(y_i，z_j)求取在所有x的取值范围之内的f(x，y_i，z_j)的最大值，将该最大值赋给p(y_i，z_j)，对所有的y和z进行遍历，完成对一个角度的二维投影图像p(y，z)的所有像素点的赋值，在屏幕上显示出一个角度的二维投影图像。

6.根据权利要求1的方法，其中所选取第一角度的二维投影图像不是从0度开始，而是从θ_L/2度开始，θ_L为选取的单次成像的积累角度，此时M＝(最大扫描角度-θ_L)/Δθ+1，Δθ为所选择的相邻两个角度之间的角度差。

7.根据权利要求1的方法，其中当扫描角度大于180度时，先将所有扫描回波数据按角度分成2组或3组，根据投影显示的角度要求，相邻组数据之间在角度上可部分重叠，针对第一组扫描回波数据执行步骤一至八直到获得第一组下的所有选择角度的二维投影图像；然后重复执行步骤一至八直到获得第2组、第3组下的所有选择角度的二维投影图像。

8.根据权利要求4的方法，其中对每一个采样点(k_x，k_y，k_z)求取对应的坐标值(θ，k_z，ω)的方法是：

2k_rcos(θ-n·Δθ)＝k_x

2k_rsin(θ-n·Δθ)＝k_y

$k=\frac{2\mathrm{\ω}}{c}=\sqrt{k_x^2+k_y^2+k_z^2}$

$k_r=\sqrt{k_x+k_y}$

其中n＝0并且每重复执行步骤e)时自动加1；Δθ为所选择的相邻两个角度之间的角度差；θ为天线阵列扫描的角度范围；ω为发射的射频线性调频信号的频率；c为光速。

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