CN104635277B - 一种单通道毫米波编码成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单通道毫米波编码成像装置，包括：前置聚光镜汇聚目标场景的辐射毫米波；测量挡板为带编码模板，对前置聚光镜汇聚的毫米波进行编码调制；出射狭缝确保每一次测量只有一个编码模板的信号透过；后级聚光镜将出射狭缝射出的编码信号汇聚；辐射计天线接收后级聚光镜发出的信号；毫米波辐射计将辐射计天线接收的信号转化为电信号并传输至图像采集、重构与控制板模块；图像采集、重构与控制板模块对电信号进行解码成像、差值处理重构目标场景图像；模板运动机构用于移动测量挡板。本发明利用编码测量的高选择性、高信噪比的优点来实现目标场景的重构，实现了在不增加通道数量、不提高系统成本的前提下，毫米波成像的性能优化。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波探测成像技术领域，特别是一种采用单通道毫米波编码技术来实现目标场景重构的装置。
背景技术
毫米波成像系统具有全天候工作能力。毫米波成像分为主动成像与被动成像，被动毫米波系统不发射电磁波，对被成像的物体或场景没有电磁污染、伤害或干扰，同时隐蔽性好，从而被广泛应用于人体安检、医学检查、非法药品检测和军事隐蔽侦查等领域。
被动毫米波成像系统可以采用单通道(单个探测器)模式，其优点是系统简单可靠、成本低，但是成像时间长、分辨率低；也可以采用多探测器或天线阵列模式，这种模式成像速度快，但是系统复杂，体积大，并且成像质量受制于毫米波器件的工艺及水平(阵列式器件存在不均匀性)，同时高质量的毫米波部件价格昂贵，成本远高于单通道系统，应用场合受到限制。武帅等人的专利“一种单相素毫米波成像装置和方法”(公布号：CN103809176A)采用压缩感知的方法，利用信号的稀疏性，采用少量数据，通过一定的重构算法，恢复出原始信号，但是重构算法比较复杂，实施性差，实现存在一定困难。同时，在可见光到近红外等波段，空间光调制技术已经比较成熟，如数字微镜阵列(DMD)等，MarcoF.Duarte等人的文章“Single-Pixel Imaging via Compressive Sampling”中设计出了可见光的单相素相机，但是同样存在图像重构算法比较复杂、实施性差、实现比较困难的问题。本发明着重于单通道编码成像方式及成像装置的设计，通过阿达玛编码，实现数据获取与图像采集，利用快速阿达玛变换以及基于快速阿达玛变换与π变换的快速解码算法进行图像的重构，在不增加通道数量、不提高系统成本的前提下，提高成像的速度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种单通道毫米波编码成像装置，利用编码测量的高选择性、高信噪比的优点来实现目标场景的重构，实现了在不增加通道数量、不提高系统成本的前提下，毫米波成像的性能优化。
一种单通道毫米波编码成像装置，包括前置聚光镜、测量挡板、出射狭缝模板、后级聚光镜、辐射计天线、毫米波辐射计、模板运动机构、图像采集、重构与控制板模块，其特征在于，
模板运动机构提供动力于测量挡板；
前置聚光镜汇聚目标场景的辐射毫米波；
测量挡板为编码模板，在模板运动机构的控制下运动，并对前置聚光镜汇聚的毫米波进行编码调制；
出射狭缝模板设有出射狭缝，经测量编码后的毫米波通过出射狭缝射出；
后级聚光镜将出射狭缝射出的编码信号汇聚；
辐射计天线接收后级聚光镜发出的信号；
毫米波辐射计将辐射计天线接收的信号转化为电信号并传输至图像采集、重构与控制板模块；
图像采集、重构与控制板模块对电信号进行解码成像、差值处理重构目标场景图像。
本发明采用以下技术手段进一步实现发明目的：
(1)测量挡板放置于前置聚光镜的像平面上；测量挡板到后级聚光镜中心的距离和后级聚光镜中心到辐射计天线的距离符合后级聚光镜的物像关系。
(2)测量挡板是由相同的折叠码板排列而成圆形码板，出射狭缝与折叠码板紧密靠近，出射狭缝的形状与码板形状对应，确保每一次测量只有一个编码模板的信号透过。
测量挡板由循环S矩阵设计产生，产生方法如下：
构造一个22n-1阶循环S矩阵A，n为正整数，折叠码矩阵大小为(2n-1)×(2n+1)，循环S矩阵为0，1矩阵；
将循环S矩阵A的第一行折叠为(2n-1)×(2n+1)的矩阵B，将2n个B矩阵依次横向排列；
从第二个B矩阵开始变化，变化规则为：后一个矩阵是前一个矩阵将第1行移至最后1行，第2行分别向上移动1行得到的；
对变换后的2n个矩阵，取第1～(2n-1)行，第1～2n(2n+1)-1列，得到一个(2n-1)×[2n(2n+1)-1]矩阵C；
根据矩阵C制作码板，且矩阵C中的0对应码板上毫米波不透过部分，1对应码板上毫米波透过部分；
在直线形码板最后添加一列定位码元构成(2n-1)行、2n(2n+1)列的形状；
将添加了定位码元的直线形码板首尾相接得到圆形的测量挡板[2]。
(3)重构目标场景采取以下手段：
重构目标场景所需的电信号的获得遵循如下规则：改变测量挡的位置，让目标场景辐射透过不同位置测量挡板，每次改变测量挡板的位置，毫米波辐射计[6]接收一次信号；重构算法采用如下规则：快速阿达玛变换以及基于快速阿达玛变换与π变换的快速解码算法。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：将阿达玛编码测量理论应用于单通道毫米波成像，单次测量得到一个值，多次测量得到多个值，并且利用快速阿达玛变换进行图像重构，在不增加通道数量的前提下，大大提高了图像重构的质量，减少了成像所需要的时间；在提高性能的同时，却不会大幅提高装置成本，很好的解决了现阶段被动毫米波成像遇到的问题。
下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
附图说明
图1为本发明单通道毫米波编码成像装置的原理框图；
图2为本发明中圆形测量挡板和出射狭缝模板组合示意图；
图3为采用循环S矩阵构造编码矩阵模板远离示意图；
图4为以15阶循环S矩阵为例子构成的直线形码板示意图；
图5为以15阶循环S矩阵为例子构成的直线形码板加上定位码元的示意图；
图6为以15阶循环S矩阵为例子构成的圆形码板示意图。
具体实施方式
结合图1，一种单通道毫米波编码成像装置，包括前置聚光镜1、测量挡板2、出射狭缝3、后级聚光镜4、辐射计天线5、毫米波辐射计6、模板运动机构7、图像采集、重构与控制板模块8：
目标场景通过辐射毫米波，将辐射能量通过前置聚光镜1汇聚照射到测量挡板2上；
测量挡板2为编码模板，对前置聚光镜1汇聚的毫米波进行编码调制；
出射狭缝3确保每一次测量只有一个编码模板的信号透过；
后级聚光镜4将出射狭缝射出的编码信号汇聚；
辐射计天线5接收后级聚光镜4发出的信号；
毫米波辐射计6将辐射计天线5接收的信号转化为电信号并传输至图像采集、重构与控制板模块8；
图像采集、重构与控制板模块8对电信号进行解码成像、差值处理重构目标场景图像；
模板运动机构7用于移动测量挡板2。
所述测量挡板2放置于前置聚光镜1的像平面上；测量挡板2到后级聚光镜4中心的距离和后级聚光镜4中心到辐射计天线5的距离符合后级聚光镜4的物像关系。
所述测量挡板2由若干相同的折叠码板排列而成，形状可以有所差别，出射狭缝模板3与折叠码板紧密靠近且不影响测量挡板2转动。狭缝模板3不动，出射狭缝3-1的形状与码板形状对应，确保每一次测量只有一个编码模板的信号透过。
测量挡板2由循环S矩阵设计产生，产生方法如下：
构造一个22n-1阶循环S矩阵A，n为正整数，折叠码矩阵大小为(2n-1)×(2n+1)，循环S矩阵为0，1矩阵；
将循环S矩阵A的第一行折叠为(2n-1)×(2n+1)的矩阵B，将2n个B矩阵依次横向排列；
从第二个B矩阵开始变化，变化规则为：后一个矩阵是前一个矩阵将第1行移至最后1行，第2行分别向上移动1行得到的；
对变换后的2n个矩阵，取第1～(2n-1)行，第1～2n(2n+1)-1列，得到一个(2n-1)×[2n(2n+1)-1]矩阵C；
根据矩阵C制作码板，且矩阵C中的0对应码板上毫米波不透过部分(如图2、3、4、5、6中的黑色码元)，1对应码板上毫米波透过部分(如图2、3、4、5、6中的白色码元)，如图4所示；
在直线形码板最后添加一列定位码元构成(2n-1)行、2n(2n+1)列的形状；
将添加了定位码元的直线形码板首尾相接得到圆形的测量挡板。
编码矩阵模板2对毫米波进行编码调制，出射狭缝模板3设有出射狭缝3-1，经过编码调制后的毫米波通过出射狭缝3-1射出，出射狭缝3-1尺寸满足每次测量仅有2n+1列码元编码过的毫米波从出射狭缝3-1中射出。
电机与传动装置7与测量挡板2连接，给测量挡板2动力，编码矩阵模板2在控制模块11的控制下运动，运动符合以下规律：每一次测量，编码矩阵模板2只有一列码元将编码调制后的毫米波通过出射狭缝3-1射出。
结合图2，测量挡板2和出射狭缝模板3为形状对应的圆形。测量挡板2与出射狭缝模板3紧密靠近，且圆点重叠。出射狭缝模板3固定不动，测量挡板2绕自身圆心旋转。测量挡板2圆心处安装有模板运动机构7，模板运动机构7使测量挡板2按一定规律旋转。控制模块6控制模板运动机构7。
测量挡板2与出射狭缝模板3在不影响转动的前提下紧密靠近，且圆点重叠。出射狭缝模板3固定不动，即出射狭缝3-1不变，测量挡板2绕自身圆心旋转。
测量时，测量挡板2按照一定规律运动，该规律满足以下条件：第一次测量，编码矩阵模板1将第1～2n+1列码元露出出射狭缝8-1，即只有第1～2n+1列码元编码后的毫米波射出出射狭缝3-1；第二次测量测量挡板2将第2～2n+2列码元露出出射狭缝3-1，即只有第2～2n+2列码元编码后的毫米波射出出射狭缝3-1；第三次测量测量挡板2将第3～2n+3列码元露出出射狭缝8-1，即只有第3～2n+3列码元编码后的毫米波射出出射狭缝3-1；以此类推，一直到定位码元露出出射狭缝8-1，完成一幅图像的采集。
结合图4、5、6，以15阶循环S矩阵为例，测量挡板2的设计步骤如下：
构造一个15阶循环S矩阵来完成对目标场景的全部编码测量，将第一行折叠为3×5的矩阵，把4个这样的矩阵依次横向排列，其中后一个矩阵是前一个矩阵将最后一行移至第一行得到的。取第1～3行，第1～19列，得到直线形的码板。在直线形码板最后添加一列，构成3行、20列的形状。添加的码元用来占用一列码元位置，将用这一列作为码板的定位区域，将其首尾相接得到圆形的编码矩阵模板1。
测量时，测量挡板2按照一定规律运动，该规律满足以下条件：第一次测量，编码矩阵模板1将第1～5列码元露出出射狭缝3-1，即只有第1～5列码元编码后的毫米波射出出射狭缝3-1；第二次测量测量挡板2将第2～6列码元露出出射狭缝8-1，即只有第2～6列码元编码后的毫米波射出出射狭缝3-1；第三次测量挡板2将第3～7列码元露出出射狭缝3-1，即只有第3～7列码元编码后的毫米波射出出射狭缝8-1；以此类推，一直到定位码元露出出射狭缝3-1，完成一幅图像的采集。
结合图1，测量挡板2对目标场景进行调制，是单通道毫米波成像装置关键部分之一。测量挡板2基于循环S矩阵构造，由若干相同的折叠码板按特定方式排列而成，折叠码板由透射码元与非透射码元组成。非透射码元(图1中测量挡板2上黑色部分)表示目标场景辐射的毫米波能量被阻挡，无法通过挡板；透射码元(图1中测量挡板2上白色部分)则表示毫米波能量可以通过挡板。这样折叠码板就实现了对前置聚光镜1汇聚的毫米波能量进行编码。在测量挡板2之后、后级聚光镜4之前，放置有出射狭缝板3。测量挡板2由于折叠码板排列形式的不同而具有不同形状，相应的出射狭缝板3形状也不尽相同。测量挡板2与出射狭缝板3紧密靠近，使每一次编码时只有一个折叠码板的编码信号可以照射到后级聚光镜4。
采集、重构与控制板模块8为FPGA+DSP的双处理器架构：(1)以XC3S1600E为核心处理器的图像采集与电机控制模块主要负责采集毫米波辐射计输出的电压、根据输入的指令控制编码模板的运动，并把采集的数据传送到DSP处理器。(2)以TMS320DM6437为核心处理器的图像处理模块接收FPGA采集到的编码图像数据、进行解码成像以及差值增强等处理，最终把得到的图像通过显示部分显示，完成对目标场景的成像。
采集、重构与控制板模块8包括存储电路9、模数变换器10、电机驱动接口11、FPGA12、命令参数输入13、DSP14、显示部分15；模数变换器10接收毫米波辐射计6的辐射信号后转化为电压信号给FPGA12；命令参数输入13的输入命令控制FPGA12；存储电路9存储FPGA12的数据；电机驱动接口11接收FPGA12的命令控制模板运动机构7的运动；DSP14接收FPGA12传输的场景信号并进行解码重构得到目标场景毫米波图像。
重构目标场景采取以下手段：
装置成像时，通过改变测量挡板2的位置，使不同的折叠码板对准出射狭缝板3的出射狭缝3-1，则辐射计6接收的信号发生变化。每改变一次测量挡板2的位置，就进行了一次编码测量。改变测量挡板n次，即得到n次编码测量结果。通过基于快速阿达玛变换和对称π变换的快速解码算法，进行场景图像的解码重构，得到场景的毫米波辐射特性分布图像。
Claims (5)
1.一种单通道毫米波编码成像装置，包括前置聚光镜(1)、测量挡板(2)、出射狭缝模板(3)、后级聚光镜(4)、辐射计天线(5)、毫米波辐射计(6)、模板运动机构(7)、图像采集、重构与控制板模块(8)，其特征在于，
模板运动机构(7)提供动力于测量挡板(2)；
前置聚光镜(1)汇聚目标场景的辐射毫米波；
测量挡板(2)为编码模板，在模板运动机构(7)的控制下运动，并对前置聚光镜(1)汇聚的毫米波进行编码调制；
出射狭缝模板(3)设有出射狭缝(3-1)，经测量编码后的毫米波通过出射狭缝(3-1)射出；
后级聚光镜(4)将出射狭缝射出的编码信号汇聚；
辐射计天线(5)接收后级聚光镜(4)发出的信号；
毫米波辐射计(6)将辐射计天线(5)接收的信号转化为电信号并传输至图像采集、重构与控制板模块(8)；
图像采集、重构与控制板模块(8)对电信号进行解码成像、差值处理重构目标场景图像；
测量挡板(2)为圆形编码模板，由循环S矩阵设计产生，产生方法如下：
构造一个22n-1阶循环S矩阵A，n为正整数，折叠码矩阵大小为(2n-1)×(2n+1)，循环S矩阵为0，1矩阵，
将循环S矩阵A的第一行折叠为(2n-1)×(2n+1)的矩阵B，将2n个B矩阵依次横向排列，
从第二个B矩阵开始变化，变化规则为：后一个矩阵是前一个矩阵将第1行移至最后1行，第2行分别向上移动1行得到的，
对变换后的2n个矩阵，取第1～(2n-1)行，第1～2n(2n+1)-1列，得到一个(2n-1)×[2n(2n+1)-1]矩阵C，
根据矩阵C制作码板，且矩阵C中的0对应码板上毫米波不透过部分，1对应码板上毫米波透过部分，
在直线形码板最后添加一列定位码元构成(2n-1)行、2n(2n+1)列的形状，
将添加了定位码元的直线形码板首尾相接得到圆形的测量挡板(2)；
出射狭缝模板(3)的出射狭缝(3-1)为扇形，该扇形是以出射狭缝模板(3)圆心为起点沿径向辐射至其边缘，出射狭缝(3-1)尺寸满足每次测量仅有2n+1列码元编码过的毫米波从出射狭缝(3-1)中射出。
2.根据权利要求1所述的单通道毫米波编码成像装置，其特征在于，测量挡板(2)放置于前置聚光镜(1)的像平面上；测量挡板(2)到后级聚光镜(4)中心的距离和后级聚光镜(4)中心到辐射计天线(5)的距离符合后级聚光镜(4)的物像关系。
3.根据权利要求1所述的单通道毫米波编码成像装置，其特征在于，测量挡板(2)旋转满足以下条件：每次测量仅移动一列码元。
4.根据权利要求1所述的单通道毫米波编码成像装置，其特征在于，测量挡板(2)由印刷线路板制造。
5.根据权利要求1所述的单通道毫米波编码成像装置，其特征在于，重构目标场景采用快速阿达玛变换以及基于快速阿达玛变换与π变换的快速解码算法。
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