CN107132538A - 一种微波三维成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波三维成像系统及方法，包括信号收发模块、至少两组天线阵列模块、开关阵列模块、机械扫描模块和数据处理模块；开关阵列模块用于控制天线阵列模块中每个发射天线单元和每个接收天线单元的开关状态，机械扫描模块用于控制所有天线阵列模块沿预设旋转方向同时绕预设目标旋转；在天线阵列模块在旋转过程中，信号收发模块通过天线阵列模块向预设目标发射电磁波、接收预设目标反射回来的电磁波并将反射电磁波转换为模拟回波信号；数据处理模块对模拟回波信号进行处理，得到预设目标的三维图像数据。本发明通过采用至少两组天线阵列模块对预设目标进行扫描，可以快速获取预设目标的回波数据，从而实现对预设目标的快速成像。

Description

一种微波三维成像系统及方法

技术领域

本发明实施例属于微波成像技术领域，尤其涉及一种微波三维成像系统及方法。

背景技术

微波成像技术采用阵列天线绕特定转轴旋转形成曲面扫描面，以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，广泛应用于安检系统，用于执行人体安全检查任务。

然而，现有的基于微波成像技术实现的微波成像系统，获取数据的速度较慢，严重降低了物体的微波成像速度，使得现有的微波成像无法很好的实现人体安检。

发明内容

本发明实施例提供一种微波三维成像系统及方法，旨在解决现有的基于微波成像技术实现的微波成像系统，获取数据速度较慢，严重降低物体的微波成像速度，使得现有的微波成像无法很好的实现人体安检的问题。

本发明实施例一方面提供一种微波三维成像系统，其包括信号收发模块、至少两组天线阵列模块、开关阵列模块、机械扫描模块和数据处理模块；

所述信号收发模块分别与所述开关阵列模块和所述数据处理模块通信连接，所述开关阵列模块和所述天线阵列模块通信连接，所述机械扫描模块分别与所述天线阵列模块和所述开关阵列模块机械连接，所述数据处理模块分别与所述开关阵列模块和所述机械扫描模块通信连接；

所述开关阵列模块用于控制所述天线阵列模块中每个发射天线单元和每个接收天线单元的开关状态，所述机械扫描模块用于控制所有所述天线阵列模块沿预设旋转方向同时绕预设目标旋转；在所述天线阵列模块在旋转过程中，所述信号收发模块通过所述天线阵列模块向所述预设目标发射电磁波、接收所述预设目标反射回来的反射电磁波并将所述反射电磁波转换为模拟回波信号；所述数据处理模块对所述模拟回波信号进行处理，得到所述预设目标的三维图像数据，所述数据处理模块还用于对所述开关阵列模块和所述机械扫描模块的工作状态进行控制。

在一个实施例中，所述信号收发模块具体用于通过所有所述天线阵列模块依次向所述预设目标发射预设频率的电磁波，或者分别通过每组所述天线阵列模块向所述预设目标发射不同频率的电磁波。

在一个实施例中，所述天线阵列模块包括发射天线阵列和接收天线阵列，所述发射天线阵列包括线性排列的至少两个发射天线单元，所述接收天线阵列包括线性排列且与所有所述发射天线单元数量相等的至少两个接收天线单元；

所述发射天线阵列和所述接收天线阵列均与所述信号收发模块通信连接，所述发射天线阵列相对于所述接收天线阵列线性平行设置，所述发射天线阵列在阵列向上相对所述接收天线阵列下移半个所述接收天线单元的长度距离，以使任意两个相邻的所述接收天线单元均对应一个所述发射天线单元，一个所述发射天线单元发射电磁波时，其所对应的两个相邻的所述接收天线单元同时接收反射电磁波。

在一个实施例中，相邻的两个所述发射天线单元和相邻的两个接收天线单元之间的距离均为0.25～3个所述电磁波的波长。

在一个实施例中，所述机械扫描模块具体用于控制所有所述天线阵列模块沿预设旋转方向同时绕预设目标的几何中轴线旋转，以通过所有所述天线阵列模块在旋转过程中的等效相位位置形成弧面扫描面或柱面扫描面。

在一个实施例中，所述数据处理模块包括模数转换单元和数据处理单元，所述模数转换单元与所述信号收发模块通信连接，所述数据处理单元与所述模数转换单元、所述开关阵列模块和所述机械扫描模块通信连接；

所述模数转换单元用于将所述模拟回波信号转换为数字回波信号，所述数据处理单元用于将所述数字回波信号处理为三维图像数据，所述数据处理单元还用于对所述开关阵列模块和所述机械扫描模块的工作状态进行控制。

在一个实施例中，所述数据处理单元具体用于通过三维重建算法将所述数字回波信号处理为所述三维图像数据。

在一个实施例中，所述通过三维重建算法将所述数字回波信号处理为所述三维图像数据，包括：

获取所述数字回波信号；

对所述数字回波信号进行二维傅里叶变换，得到二维傅里叶变换信号；

对所述二维傅里叶变换信号和预设相位因子进行乘计算，得到一维傅立叶反变换信号；

通过内插重构算法，对所述一维傅立叶反变换信号中的预设采样点进行一维傅立叶反变换插值，得到以内插值替换的乘积；

对所述以内插值替换的乘积进行三维反变换，得到复三维图像数据；

计算所述复三维图像数据的幅度，得到所述三维图像数据。

在一个实施例中，所述微波三维成像系统还包括显示模块，所述显示模块与所述数据处理模块通信连接，用于将所述三维图像数据还原为三维图像进行显示。

本发明另一方面还提供一种基于上述的微波三维成像系统实现的微波三维成像方法，其包括：

通过机械扫描模块控制所有天线阵列模块沿预设旋转方向同时绕预设目标旋转，形成一个弧面合成孔径或柱面合成孔径；

通过开关阵列模块控制所述天线阵列模块中每个发射天线单元和每个接收天线单元的开关状态；

在所述天线阵列模块在旋转过程中，控制信号收发模块通过所述天线阵列模块向所述预设目标发射电磁波、接收所述预设目标反射回来的电磁波并将所述反射电磁波转换为模拟回波信号；

通过数据处理模块对所述模拟回波信号进行模数转换和三维重建，得到所述预设目标的三维图像数据。

本发明实施例通过采用至少两组天线阵列模块对预设目标进行扫描，可以快速获取预设目标的回波数据，从而实现对预设目标的快速成像，易于实现，适于广泛推广使用。

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作简单地介绍，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微波三维成像系统的结构框图。

图2是本发明的一个实施例提供的笛卡尔坐标系下的微波三维成像系统扫描原理的示意图；

图3是本发明的另一个实施例提供的天线阵列模块的结构示意图；

图4是本发明的另一个实施例提供的微波三维成像系统的结构框图

图5是本发明的一个实施例提供的三维重建算法的流程框图；

图6是本发明的另一个实施例提供的微波三维成像方法的流程框图。

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。

如图1所示，本发明的一个实施例提供一种微波三维成像系统100，其包括信号收发模块10、至少两组天线阵列模块、开关阵列模块30、机械扫描模块40和数据处理模块50。

在具体应用中，天线阵列模块的数量可以根据实际需要进行设置，天线陈列模块的数量越多扫描速度越快。图1中示例性的示出天线阵列模块21、天线阵列模块22、……、天线阵列模块2n共n组天线阵列模块，其中，n≥2且n为正整数。

如图1所示，本实施例所提供的微波三维成像系统100中各模块的连接关系为：

信号收发模块10分别与开关阵列模块21～2n和数据处理模块50通信连接，开关阵列模块30与天线阵列模块21～2n通信连接，机械扫描模块40分别与天线阵列模块21～2n和开关阵列模块30机械连接，数据处理模块50分别与开关阵列模块30和机械扫描模块40通信连接。

图1中带箭头连接线表示通信连接关系，直线表示机械连接关系。本实施例中的通信连接具体是指通信连接的两个模块之间有信号或数据传输。

本实施例所提供的微波三维成像系统100中各模块的工作原理为：

开关阵列模块30用于控制天线阵列模块21～21n中每个发射天线单元和每个接收天线单元的开关状态。

在具体应用中，每个天线阵列模块都由至少两对线性阵列天线组合构成，每对天线组合包括一个用于发射电磁波的发射天线单元和一个用于接收电磁波的接收天线单元；开关状态具体是指天线单元的开启和关闭状态，发射天线单元开启时，发射电磁波；接收天线单元开启时接收电磁波。通过开关阵列模块可以分别对每个发射天线单元和每个接收天线单元的开关状态进行单独控制，从而实现所有天线阵列模块中天线单元的依次开启和关闭或者同时批量开启和关闭，每个天线具体的开关时间或状态可以根据实际需要进行设置。

在具体应用中，天线阵列模块可以垂直于水平面放置、平行于水平面放置或者倾斜放置，具体可以根据实际需要进行选择，只要保证其能绕预设目标正常旋转即可。

机械扫描模块40用于控制所有天线阵列模块21～2n沿预设旋转方向同时绕预设目标旋转。

在具体应用中，机械扫描模块40可以是通过旋转电机来驱动的任意运动控制设备；预设旋转方向具体可以是指绕预设目标旋转的顺时针方向或逆时针方向；预设目标可以是任意的待成像物体，通常是二维或三维物体，例如，人体、金属物体等。

在一个实施例中，机械扫描模块40具体用于控制所有天线阵列模块21～2n沿预设旋转方向同时绕预设目标的几何中轴线旋转，以通过所有天线阵列模块21～2n在旋转过程中的等效相位位置形成弧面扫描面或柱面扫描面。

在具体应用中，等效相位位置具体是指包括多个天线组合的天线阵列模块距预设目标的几何中轴线的距离为R(即天线阵列模块的旋转半径为R)时，该阵列天线模块绕几何中轴线旋转一周(即360°)后，等效形成在柱面或弧面上分布的等方位角间隔、等高度间隔的多个等效天线位置，该等效天线位置称为天线组合的等效相位中心，根据天线组合旋转过程中的等效相位位置所形成的扫描面的形状，可以将微波三维成像系统分为弧面扫描系统或柱面扫描系统。

如图2所示，即为本发明实施例提供的笛卡尔坐标系下的微波三维成像系统的扫描原理示意图。设定平行于水平面的X轴，设定与X轴正交且处于同一平面的Y轴，设定位于垂直于水平面的平面中Z轴，设定X轴、Y轴和Z轴相交于一点O，以O为原点建立包括X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系X-Y-Z-O。

信号收发模块10用于在天线阵列模块21～2n旋转过程中，通过天线阵列模块21～2n向预设目标发射电磁波、接收预设目标反射回来的反射电磁波并将反射电磁波转换为模拟回波信号。

在具体应用中，信号收发模块10包括电磁波发射单元和电磁波接收单元，其发射的电磁波的频率可以根据实际需要进行设置，可以通过发射频率相同或不同的电磁波使每个天线阵列模块发射的电磁波频率相同或不同。

在一个实施例中，信号收发模块10具体用于通过所有天线阵列模块21～2n依次向预设目标发射预设频率的电磁波，或者分别通过每组天线阵列模块向预设目标发射不同频率的电磁波。

在具体应用中，信号收发模块10通过不同的母线(相当于通信总线，其引出多条分支通信线连接不同的天线单元)分别与每个天线阵列模块通信连接，每条母线上的电磁波信号的频率相同。

数据处理模块50用于对模拟回波信号进行处理，得到预设目标的三维图像数据，还用于对所述开关阵列模块和所述机械扫描模块的工作状态进行控制。

在具体应用中，数据处理模块50具体用于对模拟回波信号进行模数转换和三维图像数据重构等处理。

在具体应用中，数据处理单元可以采用图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)或者PC(Personal Computer)终端。

本发明实施例通过采用至少两组天线阵列模块对预设目标进行扫描，可以快速获取预设目标的回波数据，从而实现对预设目标的快速成像，易于实现，适于广泛推广使用。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，以天线阵列模块21为例对图1所对应的实施例中的天线阵列模块21～2n中每个天线阵列模块的结构进行详细介绍，具体如下：

天线阵列模块21包括发射天线阵列211和接收天线阵列212，发射天线阵列211包括线性排列的至少两个发射天线单元(图3中示例性的示出2111～211m共m个发射天线单元，其中，m≥2且m为正整数)，接收天线阵列212包括线性排列且与所有发射天线单元2111～211m数量相等的至少两个接收天线单元(图3中示例性的示出2121～212m共m个接收天线单元)。

发射天线阵列211和接收天线阵列212均与信号收发模块10通信连接(图中未示出)，发射天线阵列211相对于接收天线阵列212线性平行设置，发射天线阵列211在阵列向上相对接收天线阵列212下移半个接收天线单元的长度距离，以使任意两个相邻的接收天线单元均对应一个发射天线单元，一个发射天线单元发射电磁波时，其所对应的两个相邻的接收天线单元同时接收反射电磁波。图3中示例性的示出接收天线单元2121和2122对应发射天线单元2111，接收天线单元2122和2123对应发射天线单元2112，接收天线单元2123和2124对应发射天线单元2113，……，以此类推。

在具体应用中，上述阵列向具体是指沿阵列的排列方向，即沿发射天线阵列211中发射天线单元的排列方向。

在一个实施例中，相邻的两个发射天线单元和相邻的两个接收天线单元之间的距离A均为0.25～3个电磁波的波长。此处所指的距离是指相邻两个天线单元的几何中心之间的距离，而不是两个天线单元之间的间隔空隙的距离。本实施例中不对天线单元之间的距离作特别限定。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，数据处理模块50包括模数转换单元51和数据处理单元52，模数转换单元51与信号收发模块10通信连接，数据处理单元52与模数转换单元51、开关阵列模块30和机械扫描模块40通信连接。

模数转换单元51用于将模拟回波信号转换为数字回波信号，数据处理单元52用于将数字回波信号处理为三维图像数据，还用于对开关阵列模块30和机械扫描模块40的工作状态进行控制。

在具体应用中，模数转换单元51具体可以选用模数转换器或相应电路；数据处理单元52具体可以通过通用集成电路，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，或通过ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)来实现。

在一个实施例中，数据处理单元52具体用于通过三维重建算法将数字回波信号处理为三维图像数据。

如图4所示，在本实施例中，微波三维成像系统100还包括显示模块60，显示模块60与数据处理模块50通信连接，用于将三维图像数据还原为三维图像进行显示。

在具体应用中，显示模块690具体可以选用显示器类设备。

如图5所示，在本发明的一个实施例中，数据处理单元52所采用的三维重建算法具体包括：

步骤S101：获取所述数字回波信号。

在具体应用中，数字回波信号实际上包括通过所有天线阵列模块中的每个接收天线单元在每个等效相位位置所采集到的反射电磁波处理得到的数据，本实施例中只是为了表述方便，而将这些数据统称为数字回波信号，同理，下述步骤中的所有信号实际上均是由多个性质相同的数据组成，每个数据均由一个等效相位位置所采集到的反射电磁波经过一系列数据处理后得到。

步骤S102：对所述数字回波信号进行二维傅里叶变换，得到二维傅里叶变换信号。

在具体应用中，二维傅里叶变换具体可以选用并行快速二维傅里叶变换，即可以同时对在每个等效相位位置对应的数字数据进行处理，以加快数据处理速度。

步骤S103：对所述二维傅里叶变换信号和预设相位因子进行乘计算，得到一维傅立叶反变换信号。

在具体应用中，得到一维傅立叶反变换信号的处理过程也可以是类似于上述并行快速二维傅里叶变换的并行处理过程。

步骤S104：通过内插重构算法，对所述一维傅立叶反变换信号中的预设采样点进行一维傅立叶反变换插值，得到以内插值替换的乘积。

在具体应用中，可以根据需要选择任意常用的内插重构算法；通过插值可以将不均匀的数据转换成均匀的数据。

步骤S105：对所述以内插值替换的乘积进行三维反变换，得到复三维图像数据；

步骤S106：计算所述复三维图像数据的幅度，得到所述三维图像数据。

如图6所示，本发明的一个实施例还提供一种基于上述微波三维成像系统实现的微波三维成像方法，其包括：

步骤S201：通过机械扫描模块控制所有天线阵列模块沿预设旋转方向同时绕预设目标旋转，形成一个弧面合成孔径或柱面合成孔径；

步骤S202：通过开关阵列模块控制所述天线阵列模块中每个发射天线单元和每个接收天线单元的开关状态；

步骤S203：在所述天线阵列模块在旋转过程中，控制信号收发模块通过所述天线阵列模块向所述预设目标发射电磁波、接收所述预设目标反射回来的反射电磁波并将所述反射电磁波转换为模拟回波信号；

步骤S204：通过数据处理模块对所述模拟回波信号进行模数转换和三维重建，得到所述预设目标的三维图像数据。

本实施例通过控制至少两组天线阵列模块绕预设目标旋转，扫描得到预设目标反射的回波数据，可以有效提高扫描数据获取速度，从而加快微波三维成像速度。

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 (10)

1.一种微波三维成像系统，其特征在于，所述微波三维成像系统包括信号收发模块、至少两组天线阵列模块、开关阵列模块、机械扫描模块和数据处理模块；

所述信号收发模块分别与所述开关阵列模块和所述数据处理模块通信连接，所述开关阵列模块和所述天线阵列模块通信连接，所述机械扫描模块分别与所述天线阵列模块和所述开关阵列模块机械连接，所述数据处理模块分别与所述开关阵列模块和所述机械扫描模块通信连接；

所述开关阵列模块用于控制所述天线阵列模块中每个发射天线单元和每个接收天线单元的开关状态，所述机械扫描模块用于控制所有所述天线阵列模块沿预设旋转方向同时绕预设目标旋转；在所述天线阵列模块在旋转过程中，所述信号收发模块通过所述天线阵列模块向所述预设目标发射电磁波、接收所述预设目标反射回来的电磁波并将所述反射电磁波转换为模拟回波信号；所述数据处理模块对所述模拟回波信号进行处理，得到所述预设目标的三维图像数据，所述数据处理模块还用于对所述开关阵列模块和所述机械扫描模块的工作状态进行控制。

2.如权利要求1所述的微波三维成像系统，其特征在于，所述信号收发模块具体用于通过所有所述天线阵列模块依次向所述预设目标发射预设频率的电磁波，或者分别通过每组所述天线阵列模块向所述预设目标发射不同频率的电磁波。

3.如权利要求1所述的微波三维成像系统，其特征在于，所述天线阵列模块包括发射天线阵列和接收天线阵列，所述发射天线阵列包括线性排列的至少两个发射天线单元，所述接收天线阵列包括线性排列且与所有所述发射天线单元数量相等的至少两个接收天线单元；

所述发射天线阵列和所述接收天线阵列均与所述信号收发模块通信连接，所述发射天线阵列相对于所述接收天线阵列线性平行设置，所述发射天线阵列在阵列向上相对所述接收天线阵列下移半个所述接收天线单元的长度距离，以使任意两个相邻的所述接收天线单元均对应一个所述发射天线单元，一个所述发射天线单元发射电磁波时，其所对应的两个相邻的所述接收天线单元同时接收反射电磁波。

4.如权利要求3所述的微波三维成像系统，其特征在于，相邻的两个所述发射天线单元和相邻的两个接收天线单元之间的距离均为0.25～3个所述电磁波的波长。

5.如权利要求1所述的微波三维成像系统，其特征在于，所述机械扫描模块具体用于控制所有所述天线阵列模块沿预设旋转方向同时绕预设目标的几何中轴线旋转，以通过所有所述天线阵列模块在旋转过程中的等效相位位置形成弧面扫描面或柱面扫描面。

6.如权利要求1所述的微波三维成像系统，其特征在于，所述数据处理模块包括模数转换单元和数据处理单元，所述模数转换单元与所述信号收发模块通信连接，所述数据处理单元与所述模数转换单元、所述开关阵列模块和所述机械扫描模块通信连接；

所述模数转换单元用于将所述模拟回波信号转换为数字回波信号，所述数据处理单元用于将所述数字回波信号处理为三维图像数据，所述数据处理单元还用于对所述开关阵列模块和所述机械扫描模块的工作状态进行控制。

7.如权利要求6所述的微波三维成像系统，其特征在于，所述数据处理单元具体用于通过三维重建算法将所述数字回波信号处理为所述三维图像数据。

8.如权利要求7所述的微波三维成像系统，其特征在于，所述通过三维重建算法将所述数字回波信号处理为所述三维图像数据，包括：

获取所述数字回波信号；

对所述数字回波信号进行二维傅里叶变换，得到二维傅里叶变换信号；

对所述二维傅里叶变换信号和预设相位因子进行乘计算，得到一维傅立叶反变换信号；

通过内插重构算法，对所述一维傅立叶反变换信号中的预设采样点进行一维傅立叶反变换插值，得到以内插值替换的乘积；

对所述以内插值替换的乘积进行三维反变换，得到复三维图像数据；

计算所述复三维图像数据的幅度，得到所述三维图像数据。

9.如权利要求1所述的微波三维成像系统，其特征在于，所述微波三维成像系统还包括显示模块，所述显示模块与所述数据处理模块通信连接，用于将所述三维图像数据还原为三维图像进行显示。

10.一种基于权利要求1～9任一项所述的微波三维成像系统实现的微波三维成像方法，其特征在于，所述微波三维成像方法包括：

通过机械扫描模块控制所有天线阵列模块沿预设旋转方向同时绕预设目标旋转，形成一个弧面合成孔径或柱面合成孔径；

通过开关阵列模块控制所述天线阵列模块中每个发射天线单元和每个接收天线单元的开关状态；

在所述天线阵列模块在旋转过程中，控制信号收发模块通过所述天线阵列模块向所述预设目标发射电磁波、接收所述预设目标反射回来的反射电磁波并将所述反射电磁波转换为模拟回波信号；

通过数据处理模块对所述模拟回波信号进行模数转换和三维重建，得到所述预设目标的三维图像数据。