CN104765034A - 一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统，包括如下步骤：发射连续波太赫兹信号；在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号；对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。本发明一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统，通过在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号，对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算，实现运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度，实现了对目标物体较好的三维全息成像。

Description

一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统

技术领域

本发明涉及一种成像方法及系统，尤其涉及一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统。

背景技术

调频连续波信号与不同波长信号成像技术的融合，促进了一个宽带、有效、低耗、高质量的成像系统形成，特别是在安全探测系统的应用中，当天线阵列连续的发射和接收调频连续波信号，其不间断的运动影响将不再会被忽略，因此，传统的在合成孔径成像算法中的间断式方法需要在调频连续波成像处理中被优化改进，传统算法，例如波数域算法、频率缩放算法以及范围多普勒算法等，均是集中在调频连续波孔径成像数据的优化上。现有的图像成像处理方法注重成像数据的优化，并没有考虑到信号传送过程中运动的影响，因此，严重影响电磁波信号探测的成像效果。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统，克服现有技术连续波信号成像过程中未考虑运动的影响，成像效果不佳的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种近距离太赫兹三维全息成像方法，包括如下步骤：

发射太赫兹信号：沿待成像物表面发射连续波太赫兹信号，所述连续波太赫兹信号包括连续波太赫兹探测信号和连续波太赫兹参考信号；

获取采样信号：在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号；

信号转换：利用参考信号对接收到的回波信号进行最大化，对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；

重构回波信号：对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。

本发明的进一步技术方案是：沿待成像物表面环绕发射连续波太赫兹信号。

本发明的进一步技术方案是：在相对方分别环绕发射连续波太赫兹信号。

本发明的进一步技术方案是：所述双线性插值运算包括对于三维空间波数域内的回波信号进行非均匀采样和均匀采样的插值运算。

本发明的进一步技术方案是：对于空间波数域内的非均匀采样，还包括在空间波数域内进行向均匀采样过度的差值运算。

本发明的技术方案是：构建一种近距离太赫兹三维全息成像系统，包括太赫兹信号发射源、获取采样信号的信号采样模块、进行信号转换的信号转换模块、重构回波信号的重构模块、成像模块，所述太赫兹信号发射源发射连续波太赫兹信号，所述连续波太赫兹信号包括连续波太赫兹探测信号和连续波太赫兹参考信号，所述信号采样模块在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号；所述信号转换模块利用参考信号对接收到的回波信号进行最大化，对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；所述重构模块对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，所述成像模块根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。

本发明的进一步技术方案是：所述电磁波发射源为多个，多个所述电磁波发射源排列成阵列。

本发明的进一步技术方案是：所述电磁波发射源沿待成像物表面环绕发射连续波雷达信号。

本发明的进一步技术方案是：所述电磁波发射源为至少两个，所述电磁波发射源在相对方分别环绕发射连续波雷达信号。

本发明的进一步技术方案是：还包括所述重构模块对于三维空间波数域内的回波信号进行非均匀采样和均匀采样的插值运算。

本发明的技术效果是：构建一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统，包括如下步骤：沿待成像物表面发射连续波太赫兹信号，所述连续波太赫兹信号包括连续波太赫兹探测信号和连续波太赫兹参考信号；在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号；利用参考信号对接收到的回波信号进行最大化，对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。本发明一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统，通过在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号，对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算，实现运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度，在连续波信号成像过程中未进行运动补偿，实现了对目标物体较好的三维全息成像。

附图说明

图1为本发明的成像系统模型。

图2为本发明的成像系统结构模块图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1、图2所示，本发明的具体实施方式是：提供一种近距离太赫兹三维全息成像方法，包括如下步骤：定义被成像物体区域为(X₀,Y₀,Z₀)＝(R₀cosθ,R₀sinθ,Z)的圆柱体，其中R₀为需要成像区域半径，θ是圆柱坐标系统中的角度，θ∈[0,2π]，天线阵列长度即沿着Z轴方向的合成孔径长度为L_Z，孔径中心位置z＝Z_C的平面。成像过程中，天线阵列绕着被成像物体或者部分的绕着被成像物体转动，形成圆周θ方向的合成孔径。采样位置为(R，θ，Z)，物体任意成像位置P_n的坐标为(x_n,y_n,z_n)，其对应的散射强度为σ(x_n,y_n,z_n)。

太赫兹信号发射源1沿待成像物表面发射连续波太赫兹信号，所述连续波太赫兹信号包括连续波太赫兹探测信号和连续波太赫兹参考信号。具体实施例中，将待成像物体视为柱状，沿待成像物表面发射连续波太赫兹信号时，可以将太赫兹信号发射头沿待成像物环绕转动一周，环绕过程中，同时发射连续波太赫兹信号。也可以将太赫兹信号发射头环绕转动一定弧度即可，只要其发射的太赫兹信号覆盖待成像物体即可。

具体实施过程如下：发射太赫兹信号为p(t)，其中f₀是基本频率，t是单个信号发射周期内的时间变量，K是对发射信号的频率进行扫描的速率，我们假设太赫兹信号的发射时间是τ，接收时间为τ+τ_d，其中τ_d是双向延迟时间，天线元件与靶目标之间的瞬时距离范围是R(τ)～R(τ+τ_d)之间。双向延迟时间可以表示为

${\mathrm{\τ}}_d=\frac{R\left(\mathrm{\τ}\right)+R(\mathrm{\τ}+{\mathrm{\τ}}_d)}{c}---\left(1\right)$

其中，c是光速，

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\sqrt{{(R_0\cos \mathrm{\θ}-x_n)}^2+{(R_0\sin \mathrm{\θ}-y_n)}^2+{(Z-Z_c-z_n)}^2}---\left(2\right)$

其中，

τ＝nT_θ+mT_zv+t＝τ_n+τ_m+t，    (3)

n是阵列元素的个数，m是沿着正面图方向的采样个数，T_θ是沿着弧形阵列元件在方位域中的信号发射周期，

获取采样信号：信号采样模块2在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号。若天线阵列与目标之间的距离非常短，(1)式可以近似表示为：

${\mathrm{\τ}}_d=\frac{2R\left(\mathrm{\τ}\right)}{c}---\left(4\right)$

太赫兹的辐射图在聚束目标区上是不变的，在(t，θ，z)域中测得单点靶目标P_n点的回波信号为

S_R(t，θ，z)＝σ(x_n,y_n,z_n)·p(t-τ_d)    (5)

信号转换模块3利用参考信号对接收到的回波信号进行最大化，对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换。

具体实施过程如下：在调频接收的合成孔径系统中，为了减少采样要求以及数据传输速率，对接收到的信号可用一个参考信号进行最大化，我们假设参考信号是一个延时时间为τ_i的发射信号，则回波信号可表示为：

S_F(t,θ,z)＝σ(x_n,y_n,z_n)·exp[-j2πf₀(τ_d-τ_i)]exp[-j2πK(τ_d-τ_i)(t-τ_i)]    (6)

f＝K(t-τ_i)，将其代入(6)式中，可以得到

S_F(f,θ,z)＝σ(x_n,y_n,z_n)exp[-j2πK(f+f₀)(τ_d-τ_c)]    (7)

由(3)式代入(7)式可得

$S_F(f,\mathrm{\θ},z;{\mathrm{\τ}}_n,{\mathrm{\τ}}_m,t)=\mathrm{\σ}(x_n,y_n,z_n)[-j4\mathrm{\π}(f+f_0)(\frac{R({\mathrm{\τ}}_n+{\mathrm{\τ}}_m+t)}{c}-\frac{R_i}{c})]---\left(8\right)$

其中 $R_i=\frac{c{\mathrm{\τ}}_i}{2}$

带着空间变量z_m(z_m＝vτ_m＝vmT_y)，对(8)式进行一维傅里叶变换即可得

$S_F(f,\mathrm{\θ},k_z;{\mathrm{\τ}}_n,t)=\frac{1}{v}{\∫S}_R(f,\mathrm{\θ};z_m,{\mathrm{\τ}}_n,t)\exp (-j{k}_z{z}_m){\mathrm{dz}}_m---\left(9\right)$

用固定相位法对(9)式进行估计，偏导后取极值，同时结合式(8)，取 $k_r=\frac{2\mathrm{\π}(f+f_0)}{c},R_{\mathrm{xy}}=\sqrt{{(R_0\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{(R_0\sin \mathrm{\θ}-y)}^2}$ 最终得

$S_F{(k}_r,\mathrm{\θ},k_z;{\mathrm{\τ}}_n,t)=\frac{1}{v}\mathrm{\σ}(x,y,z)\exp \{-j[-k_{z}z+k_z(z_0-v{\mathrm{\τ}}_n-\mathrm{vt})-2k_r{R}_i+R_{\mathrm{xy}}\sqrt{{4k}_r^2-k_z^2}\left]\right\}---\left(10\right)$

当被检测体体积较大时，我们定义t＝f/K+2R_i/c，

$k_{\mathrm{xy}}=\sqrt{{4k}_r^2-k_z^2}$

信号模型可表示为

$\begin{array}{c}{S}_F(k_r,\mathrm{\θ},k_z)=\frac{1}{v}\exp \{-j[k_z{z}_0-k_{z}v{\mathrm{\τ}}_n-k_{z}v\frac{f}{K}-k_{z}v\frac{2R_i}{c}-2k_r{R}_i\left]\right\}\×\\ \underset{x}{\∫}\underset{y}{\∫}{J}_z(x,y,k_z)h_{\mathrm{\θ}}(k_{\mathrm{xy}},x,y)\mathrm{dxdy}\end{array}---\left(11\right)$

其中， $J_z(x,y,k_z)=\underset{z}{\∫}\mathrm{\σ}(x,y,z)\exp \left(j{k}_{z}z\right)\mathrm{dz}$

$h_{\mathrm{\θ}}(k_{\mathrm{xy}},x,y)=\exp \left[j{k}_{\mathrm{xy}}\sqrt{{(R_0\cos \mathrm{\θ}-x)}^2+{(R_0\sin \mathrm{\θ}-y)}^2}\right]$

重构模块4对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，成像模块5根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。

基于Parseval定理以及利用圆形对称函数的傅里叶性质推导后可得出：

$\begin{array}{c}{S}_F(k_r,\mathrm{\θ},k_z)=\frac{1}{v}\exp \{-j[k_z{z}_0-k_{z}v{\mathrm{\τ}}_n-k_{z}v\frac{f}{K}-k_{z}v\frac{2R_i}{c}-2k_r{R}_i\left]\right\}\×\\ \underset{k_{\mathrm{xy}}}{\∫}{k}_{\mathrm{xy}}[J_{k_{\mathrm{xy}}}(k_{\mathrm{xy}},\mathrm{\θ},k_z)\⊗H_{k_{\mathrm{xy}}}(k_{\mathrm{xy}},\mathrm{\θ})]{\mathrm{dk}}_{\mathrm{xy}}\end{array}---\left(12\right)$

推导可知

$J_{k_{\mathrm{xy}}}(k_{\mathrm{xy}},\mathrm{\θ},k_z)=v*{\mathrm{IFFT}}_{\left(\mathrm{\θ}\right)}\left\{\frac{{\mathrm{FFT}}_{\left(\mathrm{\θ}\right)}\left\{S_R(k_z,k_r;\mathrm{\θ})\exp \right[\mathrm{j\Φ}(k_z,k_r;f)]}{{\mathrm{FFT}}_{\left(\mathrm{\θ}\right)}\left[H_{k_{\mathrm{xy}}}(k_{\mathrm{xy}},\mathrm{\θ})\right]}\right\}---\left(13\right)$

其中

$H_{k_{\mathrm{xy}}}(k_{\mathrm{xy}},\mathrm{\θ})=\exp \left[{\mathrm{jk}}_{\mathrm{xy}}{R}_0\cos \mathrm{\θ}\right]$

$\mathrm{\Φ}(k_z,k_r;f)=k_z{z}_0-k_{z}v{\mathrm{\τ}}_n-k_{z}v\frac{f}{K}-k_{z}v\frac{2R_i}{c}-2k_r{R}_i---\left(14\right)$

对于式(14)，k_zz₀表示阵列的原始位置，k_zvτ_n表示由于第n个天线元件的运动引起的仰角范围变换所对应的相位变化，表示在一个扫描时间内由于阵列的运动引起的空间非变量值，和2k_rR_i表示方位角和距离的常数变化变量。

对于空间波数域内的非均匀采样，需要在空间波数域内进行向均匀采样过度的差值运算，圆柱采样数通过一个插值算法转换成J(k_x,k_y,k_z)，其中k_x＝k_xycosθ，k_y＝k_xysinθ，σ(x,y,z)和J(k_x,k_y,k_z)组成了一个傅里叶变换对，进行三维反傅里叶变换最终得到直角坐标系下重构的目标散射强度为

σ(x,y,z)＝v∫∫∫J(k_x,k_y,k_z)exp[j(k_xx-k_yy+k_zz)]dk_xdk_ydk_z    (15)

得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。

具体实施方式是：近距离太赫兹三维全息成像系统，包括太赫兹信号发射源1、获取采样信号的信号采样模块2、进行信号转换的信号转换模块3、重构回波信号的重构模块4、成像模块5，所述太赫兹信号发射源1沿待成像物表面发射连续波太赫兹信号，所述连续波太赫兹信号包括连续波太赫兹探测信号和连续波太赫兹参考信号，所述信号采样模块2在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号；所述信号转换模块3利用参考信号对接收到的回波信号进行最大化，对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；所述重构模块4对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，所述成像模块5根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。

本发明的技术效果是：构建一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统，包括如下步骤：发射连续波太赫兹信号，所述连续波太赫兹信号包括连续波太赫兹探测信号和连续波太赫兹参考信号；在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号；利用参考信号对接收到的回波信号进行最大化，对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。本发明一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统，通过在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号，对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算，实现运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度，在连续波信号成像过程中未进行运动补偿，实现了对目标物体较好的三维全息成像。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种近距离太赫兹三维全息成像方法，包括如下步骤：

发射太赫兹信号：沿待成像物表面发射连续波太赫兹信号，所述连续波太赫兹信号包括连续波太赫兹探测信号和连续波太赫兹参考信号；

获取采样信号： 在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号；

信号转换：利用参考信号对接收到的回波信号进行最大化，对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；

重构回波信号并成像：对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。

2.根据权利要求1所述近距离太赫兹三维全息成像方法，其特征在于，沿待成像物表面环绕发射连续波太赫兹信号。

3.根据权利要求1所述近距离太赫兹三维全息成像方法，其特征在于，在相对方分别环绕发射连续波太赫兹信号。

4.根据权利要求1所述近距离太赫兹三维全息成像方法，其特征在于，所述双线性插值运算包括对于三维空间波数域内的回波信号进行非均匀采样和均匀采样的插值运算。

5.根据权利要求4所述近距离太赫兹三维全息成像方法，其特征在于，对于空间波数域内的非均匀采样，还包括在空间波数域内进行向均匀采样过度的差值运算。

6.一种近距离太赫兹三维全息成像系统，其特征在于，包括太赫兹信号发射源、获取采样信号的信号采样模块、进行信号转换的信号转换模块、重构回波信号的重构模块、成像模块，所述太赫兹信号发射源沿待成像物表面发射连续波太赫兹信号，所述连续波太赫兹信号包括连续波太赫兹探测信号和连续波太赫兹参考信号，所述信号采样模块在以时间、圆周角及Z轴方向形成三维域中测得回波信号；所述信号转换模块利用参考信号对接收到的回波信号进行最大化，对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；所述重构模块对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，所述成像模块根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。

7.根据权利要求6所述近距离太赫兹三维全息成像系统，其特征在于，所述电磁波发射源为多个，多个所述电磁波发射源排列成阵列。

8.根据权利要求6所述近距离太赫兹三维全息成像系统，其特征在于，所述电磁波发射源沿待成像物表面环绕发射连续波雷达信号。

9.根据权利要求6所述近距离太赫兹三维全息成像系统，其特征在于，所述电磁波发射源为至少两个，所述电磁波发射源在相对方分别环绕发射连续波雷达信号。

10.根据权利要求6所述近距离太赫兹三维全息成像系统，其特征在于，还包括所述重构模块对于三维空间波数域内的回波信号进行非均匀采样和均匀采样的插值运算。