CN107132510B - 一种微波成像系统的幅相校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波成像系统的幅相校正方法及系统，其中，幅相校正方法包括：根据第一预设算法，对线性阵列天线获得的目标物体反射的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号；提取所述距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值；根据所述距离值对所述回波信号进行时延补偿，得到时延补偿信号；根据第二预设算法，对所述时延补偿信号进行数据处理，得到幅相信号；根据所述时延补偿信号和所述幅相信号对所述回波信号进行幅相校正，得到校正回波信号。本发明通过直接利用对线性阵列天线获取的目标物体的回波信号进行幅相校正，不依赖于直达波，可以较好的补偿线性阵列天线各通道之间方向图的差异。

Description

一种微波成像系统的幅相校正方法及系统

技术领域

本发明实施例属于微波成像技术领域，尤其涉及一种微波成像系统的幅相校正方法及系统。

背景技术

微波成像技术采用主动发射微波波段电磁波的方式对物体进行扫描成像，因其能够穿透物体表面而检测藏匿于物体内部的金属或非金属违禁品，且由于其具有辐射剂量小、属于非电离辐射等特点，可广泛应用于安检仪等微波成像系统，用于执行人体安全检查任务。目前较为流行的微波成像技术，通常要通过线性阵列天线得到所有等效天线采集位置处的回波信号组成回波信号集，再将回波信号集发送至安检系统的信号处理设备进行统一成像处理，得到目标物体的图像。在实际应用中，线性阵列天线的各通道之间的方向图、微波能量和初始相位均存在差异，需要对线性阵列天线各通道所采集的回波信号进行幅相校正，才能使各通道的回波信号相干，实现正常成像。

然而，目前常用的幅相校正方法通常是利用线性阵列天线各通道所采集的回波信号中的直达波信号进行校正，只能实现对幅度在0度附近的回波信号的校正，无法补偿各通道之间的方向图差异，并且当直达波信号较弱时，校正效果不理想。

发明内容

本发明实施例提供一种微波成像系统的幅相校正方法及系统，旨在解决目前常用的幅相校正方法存在的一系列问题，即：传统方法通常是利用线性阵列天线各通道所采集的回波信号中的直达波信号进行校正，这种校正方法只能实现对幅度在0度附近的回波信号的校正，无法补偿各通道之间的方向图差异，并且当直达波信号较弱时，校正效果不理想。

本发明实施例，一方面提供了一种微波成像系统的幅相校正方法，其包括：

根据第一预设算法，对线性阵列天线获取的目标物体反射的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号；

提取所述距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值；

根据所述距离值对所述回波信号进行时延补偿，得到时延补偿信号；

根据第二预设算法，对所述时延补偿信号进行数据处理，得到幅相信号；

根据所述时延补偿信号和所述幅相信号对所述回波信号进行幅相校正，得到校正回波信号。

本发明实施例，另一方面还提供一种微波成像系统的幅相校正系统，其包括：

距离向压缩处理模块，用于根据第一预设算法，对线性阵列天线获取的目标物体反射的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号；

距离值提取模块，用于提取所述距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值；

时延补偿模块，用于根据所述距离值对所述回波信号进行时延补偿，得到时延补偿信号；

幅相信号处理模块，用于根据第二预设算法，对所述时延补偿信号进行数据处理，得到幅相信号；

回波校正模块，用于根据所述时延补偿信号和所述幅相信号对所述回波信号进行幅相校正，得到校正回波信号。

本发明通过直接利用对线性阵列天线获取的目标物体的回波信号进行幅相校正，不依赖于直达波，可以较好的补偿线性阵列天线各通道之间的方向图的差异。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一个实施例提供的笛卡尔坐标系下的柱面扫描系统的示意图。

图2是本发明的一个实施例提供的微波成像系统的幅相校正方法的基本流程框图；

图3是本发明的一个实施例提供的微波成像系统的幅相校正方法的具体流程框图；

图4是本发明的另一个实施例提供的微波成像系统的幅相校正方法的具体流程框图；

图5是本发明的一个实施例提供的微波成像系统的幅相校正系统的基本结构框图；

图6是本发明的一个实施例提供的微波成像系统的幅相校正系统的具体框图；

图7是本发明的另一个实施例提供的微波成像系统的幅相校正系统的具体结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

本发明所有实施例基于微波成像系统实现，该系统包括在水平或垂直方向上线性排列的预设个数的天线组成的线性阵列天线、信号收发设备和机械旋转设备和信号处理设备。

在具体应用中，信号处理设备可以采用图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)来实现。

机械旋转设备控制线性阵列天线绕预设转轴旋转，信号收发设备用于在线性阵列天线在旋转过程中发射信号并接收待成像的目标物体反射的回波信号，信号收发设备将回波信号发送给信号处理设备处理为成像结果实现对待成像物体上各采样点的扫描成像。根据线性阵列天线旋转过程中的等效相位位置所形成的扫描面的形状，可以将微波成像系统分为平面扫描系统或柱面扫描系统。

以下着重介绍柱面扫描系统的工作原理：

如图1所示，设定X轴平行于水平面，设定与X轴正交且处于同一水平面的轴为Y轴，设定预设转轴为Z轴，设定X轴、Y轴和Z轴相交于Z轴上的一点O，以O为原点建立包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系O-XYZ。

多个天线在平行于Z轴的方向上组成垂直线性阵列天线，绕Z轴旋转获取目标物体反射的回波信号，垂直线性阵列天线中的各天线的阵列向相位中心等间隔分布，即相邻天线在阵列向相位中心之间的距离相等。

在一个实施例中，目标物体具体可以是对微波信号反射率较高且吸收率或透过率较低的金属物体，例如，金属板、金属块等。

如图2所示，本发明的一个实施例提供的一种微波成像系统的幅相校正方法，其包括：

步骤S10：根据第一预设算法，对线性阵列天线获取的目标物体反射的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号。

在具体应用中，对线性阵列天线获取的目标物体的回波信号在距离向进行数据处理具体是指对线性阵列天线中每个天线所获取的目标物体的回波信号都利用第一预设算法进行距离向的数据处理，分别得到每个天线获取的回波数据的距离向压缩信号。

在一个实施例中，步骤S10之前包括：

控制线性阵列天线绕预设转轴旋转，以获取目标物体的回波信号，所述线性阵列天线与所述目标物体之间的距离在预设距离范围内。

在具体应用，当线性阵列天线为是图1中的垂直线性阵列天线，时预设转轴即为图1中的Z轴，目标物体可以是对微波反射率较高的金属板，预设距离范围可以根据实际需要进行设置，在一个实施例中，预设距离范围可以是3cm(厘米)～15cm，目标物体与阵列天线之间的距离即为目标物体的几何中心点与线性阵列天线所在平面的垂直距离r₀。

在一个实施例中，线性阵列天线在其所有天线的阵列向相位中心点位置处所获取的回波信号表达式均为：

S₁(k,z) (1)

其中，k＝4πf/C，k为距离向双程波数，f为发射信号的频率，C为光速，k方向为距离向，即每个天线的阵列向相位中心点与其对应的目标物体上的信号反射点之间的连线所在的方向，z为每个阵列向相位中心点的位置，z方向为阵列向，不同天线所对应的回波信号表达式(1)中的z的取值是不同的。

在一个实施例中，第一预设算法具体包括补0和傅里叶逆变换，距离向压缩信号的表达式为：

其中，r为每个天线的阵列向相位中心点与其对应的目标物体上的信号反射点之间距离，不同天线所对应的距离向压缩信号表达式(2)中的r取值是不同的。

步骤S20：提取所述距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值。

在一个实施例中，距离值的表达式为：

d(z) (3)

不同天线所对应的距离值表达式(3)中z的取值是不同的。

步骤S30：根据所述距离值对所述回波信号进行时延补偿，得到时延补偿信号。

在一个实施例中，步骤S30包括：

根据时延补偿函数H(k,z)＝exp[jkd(z)]对回波信号S₁(k,z)进行时延补偿，得到时延补偿信号S₃(k,z)。

步骤S40：根据第二预设算法，对所述时延补偿信号进行数据处理，得到幅相信号。

在一个实施例中，第二预设算法具体包括傅里叶逆变换和信号提取。

步骤S50：根据所述时延补偿信号和所述幅相信号对所述回波信号进行幅相校正，得到校正回波信号。

在一个实施例中，步骤S50具体包括：

根据公式E_c(θ,k,z)＝E(θ,k,z)·exp{jk·(d(z)-r₀)}·s*(z)/|s(z)²，计算得到校正回波信号；

其中，E_c(θ,k,z)为校正回波信号，E(θ,k,z)为回波信号，exp{jk·(d(z)-r₀)}为时延补偿信号，s(z)为幅相信号，*代表共轭。

本实施例通过直接利用对线性阵列天线获取的目标物体的回波信号进行幅相校正，不依赖于直达波，可以较好的补偿线性阵列天线各通道之间的方向图的差异。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，图2所对应的实施例中的步骤S10具体包括：

步骤S11：对所述回波信号的距离向数据的末端进行M倍补0操作，其中，M为正整数。

在具体应用中，M可以根据实际需要进行设置，其可以是10～1000之间的一个整数，例如，20、50、100等，本实施例中，M默认取值为20。

步骤S12：对补0后的所述回波信号的距离向数据作距离向傅里叶逆变换，得到距离向压缩信号。

在具体应用中，傅里叶逆变换可以为并行快速傅里叶逆变换，即可以同时对补0之后的每个天线所对应的回波信号的距离向数据作距离向傅里叶逆变换，可以加快数据处理速度。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，图2所对应的实施例中的步骤S40具体包括：

步骤S41：对所述时延补偿信号作距离向傅里叶逆变换，得到时延补偿距离向压缩数据。

在具体应用中，傅里叶逆变换可以为并行快速傅里叶逆变换，即可以同时对每个天线所对应的时延补偿信号作距离向傅里叶逆变换，可以加快数据处理速度。

在一个实施例中，时延补偿距离向压缩数据的表达式为：

步骤S42：提取所述时延补偿距离向压缩数据中的起始点信号，得到幅相信号。

在具体应用中，起始点信号即是指在在r＝0处的信号。

在一个实施例中，幅相信号的表达式为：

s(z)＝S₅(0,z) (5)

在一个实施例中，微波成像系统为柱面扫描系统，设柱面扫描系统所获取的目标物体反射的回波信号的表达式为E(θ,k,z)，则通过上述图2～4所对应的实施例中的方法步骤得到的校正回波信号的表达式为：

E_c(θ,k,z)＝E(θ,k,z)·exp{jk·(d(z)-r₀)}·s*(z)/|s(z)|² (6)

其中，θ为线性阵列天线绕预设转轴旋转的旋转角度，·表示相乘，*表示共轭。

本发明实施例通过采用傅里叶逆变换、参考函数相乘等算法步骤对线性阵列天线绕预设转轴旋转所获得的目标物体反射的回波信号进行幅相误差校正，操作简单、易于实现、精度高且不依赖于直达波信号，可以广泛适用于各种微波成像系统特别是近距离微波成像系统的幅相校正。

如图5所示，本发明的一个实施例提供一种微波成像系统100的幅相校正系统，用于执行图2所对应的实施例中的方法步骤，其包括：

距离向压缩信号处理模块10，用于根据第一预设算法，对线性阵列天线获取的目标物体反射的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号；

距离值提取模块20，用于提取所述距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值；

时延补偿模块30，用于根据所述距离值对所述回波信号进行时延补偿，得到时延补偿信号；

幅相信号处理模块40，用于根据第二预设算法，对所述时延补偿信号进行数据处理，得到幅相信号；

回波校正模块50，用于根据所述时延补偿信号和所述幅相信号对所述回波信号进行幅相校正，得到校正回波信号。

在一个实施例中，幅相校正系统100还包括：

回波信号获取模块，用于控制线性阵列天线绕预设转轴旋转，以获取目标物体反射的回波信号，所述线性阵列天线与所述目标物体之间的距离在预设距离范围内。

在一个实施例中，时延补偿模块50具体用于：

根据公式E_c(θ,k,z)＝E(θ,k,z)·exp{jk·(d(z)-r₀)}·s*(z)/|s(z)|²，计算得到校正回波信号；

其中，E_c(θ,k,z)为校正回波信号，E(θ,k,z)为回波信号，exp{jk·(d(z)-r₀)}为时延补偿信号，s(z)为幅相信号，*代表共轭。

本实施例通过直接利用对线性阵列天线获取的目标物体的回波信号进行幅相校正，不依赖于直达波，可以较好的补偿线性阵列天线各通道之间的方向图的差异。

如图6所示，在本发明的一个实施例中，图5所对应的实施例中的距离向压缩信号处理模块10包括用于执行图3所对应的实施例中的方法步骤的结构，其包括：

补0单元11，用于对所述回波信号的距离向数据的末端进行M倍补0操作，其中，M为正整数；

第一傅里叶逆变换单元12，用于对补0后的所述回波信号的距离向数据作距离向傅里叶逆变换，得到距离向压缩信号。

如图7所示，在本发明的一个实施例中，图5所对应的实施例中的幅相信号处理模块40包括用于执行图3所对应的实施例中的方法步骤的结构，其包括：

第二傅里叶逆变换单元41，用于对所述时延补偿信号作距离向傅里叶逆变换，得到时延补偿距离向压缩数据；

信号提取单元42，用于提取所述时延补偿距离向压缩数据中的起始点信号，得到幅相信号。

在一个实施例中，微波成像系统为柱面扫描系统，时延补偿模块50具体用于：

根据公式E_c(θ,k,z)＝E(θ,k,z)·exp{jk·(d(z)-r₀)}·s*(z)/|s(z)|²计算柱面扫描系统的校正回波信号；

其中，θ为线性阵列天线绕预设转轴旋转的旋转角度，·表示相乘，*表示共轭。

本发明实施例通过采用傅里叶逆变换、参考函数相乘等算法步骤对线性阵列天线绕预设转轴旋转所获得的目标物体反射的回波信号进行幅相误差校正，操作简单、易于实现、精度高且不依赖于直达波信号，可以广泛适用于各种微波成像系统特别是近距离微波成像系统的幅相校正。

本发明所有实施例中的模块或单元，可以通过通用集成电路，例如CPU(CentralProcessing Unit，中央处理器)，或通过ASIC(Application Specific IntegratedCircuit，专用集成电路)来实现。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微波成像系统的幅相校正方法，其特征在于，所述幅相校正方法包括：

根据第一预设算法，对线性阵列天线获取的目标物体反射的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号；

提取所述距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值；

根据所述距离值对所述回波信号进行时延补偿，得到时延补偿信号；

根据第二预设算法，对所述时延补偿信号进行数据处理，得到幅相信号；

根据所述时延补偿信号和所述幅相信号对所述回波信号进行幅相校正，得到校正回波信号；

其中，所述第一预设算法包括补0和傅里叶逆变换；所述第二预设算法包括傅里叶逆变换和信号提取；

所述根据第一预设算法对线性阵列天线获取的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号具体包括：

对所述回波信号的距离向数据的末端进行M倍补0操作，其中，M为正整数；

对补0后的所述回波信号的距离向数据作距离向傅里叶逆变换，得到距离向压缩信号；

所述根据第二预设算法对所述时延补偿信号进行数据处理，得到幅相信号具体包括：

对所述时延补偿信号作距离向傅里叶逆变换，得到时延补偿距离向压缩数据；

提取所述时延补偿距离向压缩数据中的起始点信号，得到幅相信号。

2.如权利要求1所述的微波成像系统的幅相校正方法，其特征在于，所述根据所述时延补偿信号和所述幅相信号对所述回波信号进行幅相校正，得到校正回波信号，包括：

根据公式E_c(θ,k,z)＝E(θ,k,z)·exp{jk·(d(z)-r₀)}·s*(z)/|s(z)|²，计算得到校正回波信号；

其中，E_c(θ,k,z)为校正回波信号，E(θ,k,z)为回波信号，exp{jk·(d(z)-r₀)}为时延补偿信号，s(z)为幅相信号，*代表共轭；

θ为线性阵列天线绕预设转轴旋转的旋转角度，k为距离向双程波数，z为每个阵列向相位中心点的位置，d(z)为距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值，r₀为目标物体的几何中心点与线性阵列天线所在平面的垂直距离。

3.如权利要求1所述的微波成像系统的幅相校正方法，其特征在于，所述根据第一预设算法，对线性阵列天线获取的目标物体的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号之前，包括：

控制线性阵列天线绕预设转轴旋转，以获取目标物体反射的回波信号，所述线性阵列天线与所述目标物体之间的距离在预设距离范围内。

4.一种微波成像系统的幅相校正系统，其特征在于，所述幅相校正系统包括：

距离向压缩信号处理模块，用于根据第一预设算法，对线性阵列天线获取的目标物体反射的回波信号在距离向进行数据处理，得到距离向压缩信号；

距离值提取模块，用于提取所述距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值；

时延补偿模块，用于根据所述距离值对所述回波信号进行时延补偿，得到时延补偿信号；

幅相信号处理模块，用于根据第二预设算法，对所述时延补偿信号进行数据处理，得到幅相信号；

回波校正模块，用于根据所述时延补偿信号和所述幅相信号对所述回波信号进行幅相校正，得到校正回波信号；

其中，所述第一预设算法包括补0和傅里叶逆变换；所述第二预设算法包括傅里叶逆变换和信号提取；

所述距离向压缩信号处理模块包括：

补0单元，用于对所述回波信号的距离向数据的末端进行M倍补0操作，其中，M为正整数；

第一傅里叶逆变换单元，用于对补0后的所述回波信号的距离向数据作距离向傅里叶逆变换，得到距离向压缩信号；

所述幅相信号处理模块包括：

第二傅里叶逆变换单元，用于对所述时延补偿信号作距离向傅里叶逆变换，得到时延补偿距离向压缩数据；

信号提取单元，用于提取所述时延补偿距离向压缩数据中的起始点信号，得到幅相信号。

5.如权利要求4所述的微波成像系统的幅相校正系统，其特征在于，所述时延补偿模块具体用于：

根据公式E_c(θ,k,z)＝E(θ,k,z)·exp{jk·(d(z)-r₀)}·s*(z)/|s(z)|²，计算得到校正回波信号；

其中，E_c(θ,k,z)为校正回波信号，E(θ,k,z)为回波信号，exp{jk·(d(z)-r₀)}为时延补偿信号，s(z)为幅相信号，*代表共轭；

θ为线性阵列天线绕预设转轴旋转的旋转角度，k为距离向双程波数，z为每个阵列向相位中心点的位置，d(z)为距离向压缩信号在距离向的最大幅值所对应的距离值，r₀为目标物体的几何中心点与线性阵列天线所在平面的垂直距离。

6.如权利要求4所述的微波成像系统的幅相校正系统，其特征在于，所述幅相校正系统还包括：

回波信号获取模块，用于控制线性阵列天线绕预设转轴旋转，以获取目标物体反射的回波信号，所述线性阵列天线与所述目标物体之间的距离在预设距离范围内。