CN107015222B - 周期型双阵列通道式毫米波主动三维运动成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种周期型双阵列通道式毫米波主动三维运动成像系统及方法，包括两个相同结构的平面阵列，每个阵列以特定结构的子阵列周期式展开构成，中间的通道区域供被成像人体通过，其特点在于：采用频分‑多输入多输出与单快拍成像相结合的技术方案，大幅度提高了采样速度，具备运动人体实时三维成像的能力；通道式双阵列成像保证了电磁波覆盖能力，有效成像面积加倍；周期子阵列构成的单位阵列交替式工作，提高了通道铺设的灵活性，并保证被测目标在整个通道中，全程图像分辨率不随空间变化，有利于后续的图像识别或多图像融合处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种周期型双阵列通道式毫米波主动三维运动成像系统及方法。
背景技术
主动式毫米波成像仪是一种重要的人体安检设备，不同于X射线，毫米波技术为非电离辐射，具有穿透普通衣服、塑料、陶瓷等材料能力的同时，不会对人体造成伤害，且能有效区分皮肤与金属、易爆品等违禁物品；采用电磁成像技术完成三维图像重构，具有比微波成像更高的分辨率。
被动式毫米波成像仪采用更为简单的采样方式，完全利用目标本身的电磁辐射，例如同方威视技术股份有限公司提出的一种通过式人体安全检查系统，专利号为“CN201110424156.9”。无源的系统结构只包含接收通道，无法形成相干信息，因此分辨率比主动式成像仪低很多，但是较强的实时成像能力使得此类系统在特定的场合具有应用价值。目前，主动式毫米波三维人体成像系统的实现以两种技术方案为主，线阵圆柱扫描和平面阵列电子扫描。如美国L3通信公司研发的Provision系列安检门应用线阵圆柱扫描成像技术，其特点是具有全向电磁波覆盖范围，通道数比平面阵列少，成本低，但是扫描时间长，成像效率低，不利于高人流密度场所使用；德国纽森堡大学研制的一台平面阵列样机是面阵成像技术的代表，该系统采用多输入多输出技术，大量减少阵元数量的同时，单次快拍采样的速度快，为毫秒量级，其缺点是电磁波有效覆盖面积有限，单阵列无法构成全面的人体覆盖，因此成像区域受限。除此之外，以上两种方案同时具有的缺陷是对运动目标不具有成像能力。
在非合作目标的电磁成像中，目标的速度是未知的，逆合成孔径中处理运动目标成像时多采用自聚焦技术，从回波数据中提取目标的运动状态，包括速度和加速度等。但是该技术的目标多是刚体，或假设远程目标为点目标，这些前提保证了目标散射点的运动趋势具有规律性。对于近程的人体目标，四肢和躯干的复杂运动使得多快拍之间的相干积累困难极大，这也是主动式毫米波人体成像仪无法完成运动目标成像的最大原因。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种周期型双阵列通道式毫米波主动三维运动成像系统及方法，本发明以平面阵列成像技术为基础，采用频分-多输入多输出与单快拍成像相结合的技术方案，在时分-多输入多输出的基础上，大幅度提高了采样速度足以忽略采样期间目标运动带来的误差，避免了多快拍相干叠加引起的图像散焦问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种周期型双阵列通道式毫米波主动三维运动成像系统，包括天线阵列系统、发射系统、接收系统和数字信号处理系统，其中：
所述天线阵列系统包括两个相互平行放置的平面阵列，且平面阵列与地面垂直，两平面阵列之间形成的通道供被测目标通过；
所述发射系统包括依次连接的频率合成器、多级倍频器、功率放大器和毫米波开关网络，被配置为提供辐射信号和本振信号，并由发射阵元辐射至空间中，各发射阵元的频率切换通过开关网络实现；
所述接收系统包括依次相连的下变频器组、功率分配网络和多个接收机，每个接收机对应连接有一个接收阵元，接收本振信号；
所述接收阵元和发射阵元设置于平面阵列上；
所述数字信号处理系统接收接收机的多路信号，进行AD转换后存储，实现正交解调和成像。
进一步的，所述两平面阵列结构完全相同，皆以子阵列为基本单元，向通道的长度和高度两个维度上周期性、无交叠地延伸构成。
进一步的，每个子阵列包含固定数目的发射和接收阵元，发射阵元和接收阵元等间隔排布在阵列平面的长度和高度两个维度上。
进一步的，同一时刻只有若干子阵列工作，称为单位阵列，单位阵列完成一次数据采集，得到一幅三维图像，单位阵列以子阵列为单元划分，相邻单位阵列之间彼此交叠，一次全通道扫描通过顺序激励单位阵列完成。
进一步的，所述发射系统中的频率合成器在晶振的控制下，产生源信号和参考信号，源信号是一组频域上等间隔采样的单频信号，共N路经过相同的多级倍频和功率放大后，得到毫米波信号；参考信号直接连接接收系统中的下变频器组；毫米波信号一部分用于辐射，另一部分连接下变频器组，和参考信号一起产生本振信号；用于辐射的毫米波信号通过毫米波开关网络并经由发射阵元辐射至空间中，探测波形采用宽带步进频率连续波。
进一步的，所述接收系统的接收机共有M个，M个接收阵元与M个接收机对应相连；各接收机包含N个并行接收通道，各通道采用超外差方式且结构完全相同。
进一步的，所述接收系统的接收信号依次通过限幅器、低噪声放大器和滤波器后，分别与对应通道的本振信号混频；产生本振信号的毫米波信号与参考信号一起经过下变频器组，并行接入多级功率分配网络；功率分配网络将一组本振信号分成M路，并行地输入各接收机中作为本振信号；中频信号经过放大和滤波后，直接送入数字信号处理系统。
进一步的，所述数字信号处理系统包括AD转换器、存储器和数字信号处理器，M×N路中频信号并行进入AD转换器，并写入存储器；数字信号处理器被配置为实现正交解调和成像算法运算。
基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：
(1)按通道阵列的划分方式，单位阵列依次对目标进行扫描，确认各个发射阵元的时域辐射信号和脉冲对应的信号频率；
(2)根据待测目标域的范围，确定各个发射阵元的发射信号经目标反射后，接收阵元接收到的回波信号及波程；
(3)回波信号经过下变频后，送入ADC和存储器，并由数字信号处理器首先完成正交解调，得到零中频信号，对解调后的零中频信号进行处理，进行目标函数的图像重构。
所述步骤(1)中，按通道阵列的划分方式，第一组单位阵列对目标进行扫描，不失一般性地假设发射信号包含N个频点，与单位阵列的发射阵元总数相同，则坐标为(xtn，ytn，ztn)的第n个发射阵元的时域辐射信号表示为
其中，t表示时间，S0为信号的幅值，步进频率连续波的脉冲宽度为τ，第j个脉冲对应的信号频率为fRFj，矩形函数
任意脉冲j持续时间内，各发射阵元n的信号频率fRFj互不相同。
所述步骤(2)中，待测目标域范围是D(x,y,z)，第n个阵元的发射信号经目标反射后，第m个阵元接收到的回波信号为
其中，σ(x，y，z)是目标域散射点的反射系数，是用于重构的目标函数；c是电磁波在空间中的传播速度；发射阵元坐标为(xrm，yrm，zrm)，接收阵元坐标为(xtn，ytn，ztn)；Rmn表示从发射阵元到散射点、散射点到接收阵元的波路程；M是接收阵元总数，由接收阵列孔径尺寸和相邻接收阵元间距决定；N是发射阵元总数，由发射阵列孔径尺寸和相邻发射阵元间距决定。
所述步骤(3)中，正交解调输出的零中频信号为
对解调后的零中频信号进行处理，即根据公式完成目标函数的图像重构：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明以平面阵列成像技术为基础，采用频分-多输入多输出(FrequencyDivision–Multiple Input Multiple Output，简称FD-MIMO)与单快拍成像相结合的技术方案，在时分-多输入多输出(Time Division–Multiple Input Multiple Output，简称TD-MIMO)的基础上，大幅度提高了采样速度足以忽略采样期间目标运动带来的误差，避免了多快拍相干叠加引起的图像散焦问题；
(2)相对于单阵列成像方式，通道式双阵列成像提高了电磁波覆盖能力，有效成像面积加倍，实现近360°全方位实时三维成像，弥补了单阵列成像的缺点；
(3)本发明利用周期子阵列构成的单位阵列交替式工作，一方面降低了功率损耗，另一方面提高了通道铺设的灵活性，最重要的是保证被测目标在整个通道中，全程图像分辨率不存在空间变化，有利于后续的图像识别或多图像融合处理。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，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。
图1是通道式双阵列和目标域示意图；
图2是单通道阵列排布示意图；
图3是FD-MIMO技术的系统结构示意图；
图4是微波开关网络的功能性描述图；
图5是接收机结构的示意图。
图中：1、目标域，即人体运动通道，2、平面阵列通道，3、发射阵元，4、接收阵元，5、子阵列，6、单位阵列，7、频率合成器，8、多通道发射机，9、微波开关网络，10、下变频器，11、多级功率分配网络，12、接收机组，13、接收机组中的某个接收机，14、数字信号处理系统。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释部分：
FD-MIMO：频分-多输入多输出，Frequency Division–Multiple Input MultipleOutput；
TD-MIMO：时分-多输入多输出，Time Division–Multiple Input MultipleOutput。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在主动式毫米波人体成像仪无法完成运动目标成像的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种周期型双阵列通道式毫米波主动三维运动成像系统。
一种周期型双阵列通道式收发系统，该系统包含四个子系统：天线阵列系统、发射系统、接收系统和数字信号处理系统。
天线阵列系统由两个相互平行放置的平面阵列构成，且与地面垂直，中间形成的通道供被测人体通过。两平面阵列结构完全相同，皆以子阵列为基本单元，向通道的长度和高度两个维度上周期性、无交叠地延伸构成。每个子阵列包含固定数目的发射和接收阵元，在阵列平面的两个维度上，发射和接收阵元等间隔排布。系统工作时，同一时刻只有若干子阵列工作，称为单位阵列。单位阵列完成一次数据采集，可以得到一幅三维图像，即完成一次快拍成像。单位阵列以子阵列为单元划分，相邻单位阵列之间彼此交叠，一次全通道扫描是通过顺序激励单位阵列完成的。
发射系统由频率合成器，多级倍频器、功率放大器和毫米波开关网络组成，用于提供辐射信号和接收机的本振信号。频率合成器在高稳定度晶振的控制下，产生源信号和参考信号。源信号是一组频域上等间隔采样的单频信号，共N路经过相同的多级倍频和功率放大后，得到毫米波信号；参考信号直接连接接收系统中的下变频器组；毫米波信号一部分用于辐射，另一部分连接下变频器组，和参考信号一起产生本振信号；用于辐射的毫米波信号通过毫米波开关网络并经由发射阵元辐射至空间中，探测波形采用宽带步进频率连续波，各发射阵元的频率切换通过开关网络实现。
接收系统由下变频器组、功率分配网络和M个接收机组成，M个接收阵元与M个接收机对应相连；各接收机包含N个并行接收通道，各通道采用超外差方式且结构完全相同：接收信号依次通过限幅器、低噪声放大器和滤波器后，分别与对应通道的本振信号混频；用于产生本振信号的毫米波信号与参考信号一起经过下变频器组，并行接入多级功率分配网络；功率分配网络将一组本振信号分成M路，并行地输入各接收机中作为本振信号。中频信号经过放大和滤波后，直接送入数字信号处理系统。
数字信号处理系统包括AD转换器、存储器和数字信号处理器。M×N路中频信号并行进入AD转换器，并写入存储器；数字信号处理器用于实现正交解调和成像算法相关运算。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种周期型双阵列通道式毫米波主动三维运动成像系统，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按通道阵列的划分方式，第一组单位阵列对目标进行扫描，不失一般性地假设发射信号包含N个频点，与单位阵列的发射阵元总数相同，则坐标为(xtn，ytn，ztn)的第n个发射阵元的时域辐射信号表示为
其中，t表示时间，S0为信号的幅值，步进频率连续波的脉冲宽度为τ，第j个脉冲对应的信号频率为fRFj，矩形函数
任意脉冲j持续时间内，各发射阵元n的信号频率fRFj互不相同；
(2)待测目标域范围是D(x,y,z)，第n个阵元的发射信号经目标反射后，第m个阵元接收到的回波信号为
其中，σ(x，y，z)是目标域散射点的反射系数，是用于重构的目标函数；c是电磁波在空间中的传播速度；Rmn表示从发射阵元到散射点、散射点到接收阵元的波路程。
(3)回波信号经过下变频后，送入ADC和存储器，并由数字信号处理器首先完成正交解调，得到零中频信号
kj是波数,与信号频率相对应；信号的幅值及其传播衰减在公式(4)中被略去，且不会造成明显影响；零中频信号可以看作步进频率信号各频点上的系统响应，是稳态响应，因此因子可以省去。
(4)对解调后的零中频信号进行处理，即根据公式(5)完成目标函数的图像重构：
本申请的一种典型的实施方式中，周期型双阵列通道式毫米波成像系统的工作方式如图1所示。被成像目标以任意自然速度通过区域(1)，单位阵列(6)内采用FD-MIMO技术，两阵列通道(2)相互对应的一组单位阵列(6)同时工作，称为一个单位阵列工作期，简称一个工作期。在一个工作期内，单位阵列(6)内的所有发射阵元(3)同时发射步进频率波，所有接收阵元(4)平行接收散射波，这样理论上一个扫频周期即可完成单快拍采样。整个通道内，一次完整的电磁扫描是由所有周期阵列在若干个工作期内交替完成的。
图2是一种阵列排布的实施例，其中子阵列(5)的排布方式是可以改变的，同时单位阵列(6)内所含的子阵列(5)的数目也是变量，但是单位阵列(6)的大小是固定的，由分辨率决定。如此，周期型双阵列通道式毫米波成像系统的设计流程如下：
1、选择工作频段和带宽：毫米波频段均适用于毫米级分辨率要求，更具体的频率选择需要综合考虑系统成本，大气窗口，人体皮肤在该频段内的电特性参数等；工作带宽由深度向分辨率决定，即
其中，c表示自由空间中电磁波的传播速度，ρr表示深度向分辨率，B表示系统工作带宽；
2、系统工作条件：针对特定的工作环境，选定一个工作期内系统的目标域(1)尺寸，阵列(2)与目标域的最近距离R0及通道的全长；
3、确定单位阵列(6)的尺寸：单位阵列尺寸是在一个工作期内同时工作的天线孔径，分为发射阵元孔径和接收阵元孔径，是由成像分辨率直接决定的，依据分辨率估计公式：
其中，ρu是设计目标分辨率，λc是中心波长，Lut和Lur分别指发射阵元孔径和接收阵元孔径，在本实施例中，二者相等；
4、阵元间距的确定：理论上，相邻阵元间距必须满足空间域奈奎斯特采样定理，相对保守的估计公式为
其中，Δus指某个维度上的阵元间距，λmin指最小工作波长，Lus和Du指该维度上的孔径尺寸和单工作期内目标域(1)在该维度上的尺寸；
5、子阵列(5)：由于阵元间距是确定的，单位阵列内子阵列的数目越多，则阵列的阵元和通道数目也越多，阵列的布置方式也更灵活，但是成像质量未必越高。本实施例是一种性能比较优越的排布方式，单位阵列只包含4个子阵列，基本能够兼顾布阵灵活性和通道数目。另外，单个子阵列的尺寸实际上与阵元的稀疏度有关，稀疏度越高则阵元数目越少，但是图像栅瓣和旁瓣越高，成像质量越差；反之则成像质量更好，但是成本增加。最后，在本实施例中子阵列(5)为十字阵列，其特点是发射和接收阵元的采样方式对称，在阵列平面的两个维度上，分辨率是一致的，而且有利于采用更为高效的成像算法。
6、步进频率波频点数N和接收机数目M的选择：接收机的数目M必定与接收阵元的数目相同，而发射和接收阵元的数目在步骤5可以确定；步进频率波频点数N由2个因素限定，首先N必须大于等于两个通道单位阵列发射阵元的总数目，其次更多的频点必然导致微波开关网络控制的扫频周期过长，影响系统的采样实时性，因此需要两者综合考虑。
采用FD-MIMO技术的系统结构如图3所示。本实施例将步进频率连续波作为探测波形，因此不需要脉冲调制。在高稳定性晶振控制下，频率合成器(7)用于生成源信号和参考信号，源信号经过N路发射机(8)的倍频和放大后，得到包含N个单频点fRF1,fRF2,…,fRFN的步进频率波，一部分通过微波开关网络(9)和发射阵元(3)辐射到空间中用于探测，与目标域(1)内目标体相互作用后产生的散射场有一部分被接收阵元(4)探测到；另一部分用于产生本振信号。本实施例中微波开关网络(9)是N输入N输出网络，其作用是控制各频点信号的连接通道。通过图4对微波开关网络(9)的作用进行说明：假设初始时刻为t0，开关网络每隔Δt切换一次状态，输出的N路信号CH1，CH2，…，CHN在任意时刻频率均不相同，且以NΔt为周期周期性变化，如此完成了FD。开关网络的输出信号CH1，CH2，…，CHN仍然是步进频率波，选择任意一路用于产生本振信号，本实施例中选择CHN，伴随固定频率的参考信号fIF一同输入下变频器组(10)，下变频器组(10)的输出信号即接收机使用的本振信号fLO1,fLO2，…,fLON，满足
fLOn＝fRFn-fIFn＝1，2，...，N(9)
不失一般性地假设接收机组(12)包含M个接收机，每个接收机(13)的结构如图5所示。接收通道采用超外差结构，回波信号经过限幅器和放大滤波后进入下变频器，多级功率分配网络(11)将N路单频本振信号fLO1,fLO2，…,fLON同时分配到M个接收机作为本振信号，各接收通道下变频后的中频信号取相同的频率分量fIF，根据公式(9)可以确知对应的发射阵元位置。经过放大和滤波的中频信号被ADC采样后转换为数字信号，并写入存储器。正交解调和三维成像算法都是通过信号处理器完成的。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种周期型双阵列通道式毫米波主动三维运动成像系统，其特征是：包括天线阵列系统、发射系统、接收系统和数字信号处理系统，其中：
所述天线阵列系统包括两个相互平行放置的平面阵列，且平面阵列与地面垂直，两平面阵列之间形成的通道供被测目标通过；
所述两平面阵列结构完全相同，皆以子阵列为基本单元，向通道的长度和高度两个维度上周期性、无交叠地延伸构成；或，每个子阵列包含固定数目的发射和接收阵元，发射阵元和接收阵元等间隔排布在阵列平面的长度和高度两个维度上；
同一时刻只有若干子阵列工作，称为单位阵列，单位阵列完成一次数据采集，得到一幅三维图像，单位阵列以子阵列为单元划分，相邻单位阵列之间彼此交叠，一次全通道扫描通过顺序激励单位阵列完成；
所述单位阵列内采用FD-MIMO技术；
所述发射系统包括依次连接的频率合成器、多级倍频器、功率放大器和毫米波开关网络，被配置为提供辐射信号和本振信号，并由发射阵元辐射至空间中，各发射阵元的频率切换通过开关网络实现；
所述接收系统包括依次相连的下变频器组、功率分配网络和多个接收机，每个接收机对应连接有一个接收阵元，接收本振信号；
所述接收阵元和发射阵元设置于平面阵列上；
所述数字信号处理系统接收接收机的多路信号，进行AD转换后存储，实现正交解调和成像；
所述发射系统中的频率合成器在晶振的控制下，产生源信号和参考信号，源信号是一组频域上等间隔采样的单频信号，共N路经过相同的多级倍频和功率放大后，得到毫米波信号；参考信号直接连接接收系统中的下变频器组；毫米波信号一部分用于辐射，另一部分连接下变频器组，和参考信号一起产生本振信号；用于辐射的毫米波信号通过毫米波开关网络并经由发射阵元辐射至空间中，探测波形采用宽带步进频率连续波；
所述接收系统的接收机共有M个，M个接收阵元与M个接收机对应相连；各接收机包含N个并行接收通道，各通道采用超外差方式且结构完全相同；
所述接收系统的接收信号依次通过限幅器、低噪声放大器和滤波器后，分别与对应通道的本振信号混频；产生本振信号的毫米波信号与参考信号一起经过下变频器组，并行接入多级功率分配网络；功率分配网络将一组本振信号分成M路，并行地输入各接收机中作为本振信号；中频信号经过放大和滤波后，直接送入数字信号处理系统；
数字信号处理系统包括AD转换器、存储器和数字信号处理器，M×N路中频信号并行进入AD转换器，并写入存储器；数字信号处理器被配置为实现正交解调和成像算法运算。
2.基于如权利要求1中所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)按通道阵列的划分方式，单位阵列依次对目标进行扫描，确认各个发射阵元的时域辐射信号和脉冲对应的信号频率；
(2)根据待测目标域的范围，根据各个发射阵元的发射信号经目标反射后，确定接收阵元接收到的回波信号；
(3)回波信号经过下变频后，送入ADC和存储器，并由数字信号处理器首先完成正交解调，得到零中频信号，对解调后的零中频信号进行处理，进行目标函数的图像重构。
3.如权利要求2所述的工作方法，其特征是：所述步骤(1)中，按通道阵列的划分方式，第一组单位阵列对目标进行扫描，不失一般性地假设发射信号包含N个频点，与单位阵列的发射阵元总数相同，则坐标为(xtn，ytn，ztn)的第n个发射阵元的时域辐射信号表示为
其中，t表示时间，S0为信号的幅值，步进频率连续波的脉冲宽度为τ，第j个脉冲对应的信号频率为fRFj，矩形函数
任意脉冲j持续时间内，各发射阵元n的信号频率fRFj互不相同。
4.如权利要求2所述的工作方法，其特征是：所述步骤(2)中，待测目标域范围是D(x，y，z)，第n个阵元的发射信号经目标反射后，第m个阵元接收到的回波信号为
其中，σ(x，y，z)是目标域散射点的反射系数，是用于重构的目标函数；c是电磁波在空间中的传播速度；
发射阵元坐标为(xrm，yrm，zrm)，接收阵元坐标为(xtn，ytn，ztn)；Rmn表示从发射阵元到散射点、散射点到接收阵元的波路程；M是接收阵元总数，由接收阵列孔径尺寸和相邻接收阵元间距决定；N是发射阵元总数，由发射阵列孔径尺寸和相邻发射阵元间距决定。
5.如权利要求2所述的工作方法，其特征是：所述步骤(3)中，正交解调输出的零中频信号为
Sr(xrm，yrm，zrm；xtn，ytn，ztn，kj)＝∫∫∫D(x，y，z)σ(x，y，z)exp(-ikjRmn)dxdydz
对解调后的零中频信号进行处理，，即根据公式完成目标函数的图像重构：
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