CN108020833B - 太赫兹isar成像方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种太赫兹ISAR成像方法，包括向预设速度运动的成像目标发射线性调频信号，以及对太赫兹ISAR回波信号进行快时间域内的匹配滤波、慢时间域内的基带变换、消除快时间域零点偏移、基带变换、离散化并插值、二维傅里叶逆变换等处理，进而获得该成像目标的二维图像。该方法既满足了安检中对藏匿危险品的成像精度要求，又满足了快速安检成像的实时性要求。本发明同时还提供一种太赫兹ISAR成像系统。

Description

太赫兹ISAR成像方法及系统
技术领域
本发明属于成像技术领域，特别是涉及一种利用太赫兹ISAR的人体安检成像方法及系统。
背景技术
人体安检的目的主要是防止旅客藏匿枪支、军用或警用械具及其仿制品、爆炸物品、管制刀具、易燃易爆物品及其他危害安全的物品。现有的选用X光等作为辐射源的人体安检成像技术易对人体造成危害。太赫兹波作为光源，其光子能量小，安全可靠，且由于其波长短，分辨率高，非常适合用于对人体隐匿物的高分辨成像。
但传统的太赫兹成像存在着成像速度较慢、成像精度不高等不足。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种兼顾了处理时间和成像精确性的太赫兹ISAR成像方法及系统。
一种太赫兹ISAR成像方法，包括以下步骤：太赫兹ISAR向成像目标发射线性调频信号，并获取回波信号sr(t,u)，所述成像目标以预设速度运动；设定一目标参考位置，并根据该目标参考位置获取参考信号s0(t)；利用所述参考信号s0(t)对所述回波信号sr(t,u)进行快时间域内的匹配滤波，得到数据矩阵SM(ω,u)；对所述数据矩阵SM(ω,u)进行慢时间域内的基带变换，得到基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)以及相对应的信号频谱Sb(ω,ku)；对所述基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)进行修正以消除快时间域零点偏移，得到修正后的数据矩阵S(w,ku)；利用参考信号的相位函数对修正后的数据矩阵S(w,ku)进行基带变换，得到第一目标函数F(kx,ky)；对所述第一目标函数F(kx,ky)进行离散化，得到F(kxmn,kymn)，并在kxmn域上插值，以使F(kxmn,kymn)在kxmn域上均匀分布；以及对插值后的第一目标函数进行逆变换，得到第二目标函数f(xn,yn)，生成成像目标的二维图像。
在其中一个实施例中，所述利用所述参考信号s0(t)对所述回波信号sr(t,u)进行匹配滤波的步骤包括：采用去频调的方式对所述回波信号进行匹配滤波。
在其中一个实施例中，所述对所述数据矩阵SM(ω,u)进行慢时间域内的基带变换的步骤中，所述基带变换的过程为Sb(ω,u)＝SM(ω,u)exp(-j2kcsinθcu)，其中，
Figure GDA0002218405820000021
c为太赫兹波速，fc为太赫兹波频率。
在其中一个实施例中，所述对所述数据矩阵SM(ω,u)进行基带变换，得到基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)以及相对应的信号频谱Sb(ω,ku)的步骤包括：对所述基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)进行慢时间域内的傅里叶变换获得所述信号频谱Sb(ω,ku)。
在其中一个实施例中，所述对所述基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)进行修正以消除快时间域零点偏移的步骤包括：通过以下公式对基带变换后的数据矩阵进行修正：S(ω,ku)＝Sb(ω,ku)exp(-jωTc)。
在其中一个实施例中，所述利用参考信号的相位函数对修正后的数据矩阵S(w,ku)进行基带变换的步骤中，所述基带变换为：
Figure GDA0002218405820000022
其中
Figure GDA0002218405820000023
ky＝ku。
在其中一个实施例中，在对所述第一目标函数F(kx,ky)进行离散化，得到F(kxmn,kymn)，并在kxmn域上插值的步骤中，所述插值方法为Stolt插值方法，
Figure GDA0002218405820000031
其中
Figure GDA0002218405820000032
Figure GDA0002218405820000033
一种太赫兹ISAR成像系统，包括：太赫兹ISAR，用于对成像目标发射太赫兹波并接收回波信号；平动电梯，用于平行传送成像目标，并驱动成像目标的移动与平动电梯的传动速度同步；控制单元，用于控制所述太赫兹ISAR的运行及所述平动电梯的速度；成像处理单元，根据所述回波信号、平动电梯速度对所述成像目标进行成像。
在其中一个实施例中，所述成像处理单元进一步包括：参考信号生成模块，根据一假设的目标参考位置(Xc,Yc)生成参考信号；匹配滤波模块，接收所述参考信号生成模块生成的参考信号s0(t)，并利用该参考信号s0(t)对太赫兹ISAR回波信号sr(t,u)进行快时间域内的匹配滤波，得到数据矩阵SM(ω,u)；第一基带变换模块，接收所述数据矩阵SM(ω,u)，并对该数据矩阵SM(ω,u)进行慢时间域内的基带变换，得到基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)以及相对应的信号频谱Sb(ω,ku)；零点偏移消除模块，接收所述第一基带变换模块获得的信号频谱Sb(ω,ku)，对该信号频谱Sb(ω,ku)进行修正以消除快时间域零点偏移，得到修正后的数据矩阵S(ω,ku)＝Sb(ω,ku)exp(-jωTc)；第二基带变换模块，接收所述零点偏移消除模块修正后的数据矩阵S(w,ku)，并利用参考信号的相位函数对该修正后的数据矩阵S(w,ku)进行基带变换，得到第一目标函数F(kx,ky)；差值模块，接收所述第二基带变换模块得到的第一目标函数F(kx,ky)，对该第一目标函数F(kx,ky)进行离散化处理得到F(kxmn,kymn)，以及在kxmn域上进行插值，以使在kxmn域上均匀分布；二维傅里叶逆变换模块，接收所述差值模块获得的插值后的第一目标函数，对该插值后的第一目标函数进行二维傅里叶逆变换，得到第二目标函数f(xn,yn)，即成像目标的二维图像。
在其中一个实施例中，所述太赫兹ISAR发射信号发射功率为5mw，中心频率340GHz,带宽7.2GHz。
本发明实施例提供的太赫兹ISAR成像方法及系统将成像目标从非合作目标转变为合作目标，从而减少了成像目标自身动作对回波信号造成的干扰，得到的回波数据更适合高分辨成像。兼顾了处理时间和精确性，既满足了安检中对藏匿危险品的成像精度要求，又满足了快速安检成像的实时性要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的太赫兹ISAR成像方法流程图。
图2为利用本发明实施例提供的太赫兹ISAR成像方法获得的仿真图。
图3为本发明实施例提供的太赫兹ISAR成像系统结构示意图。
图4为本发明实施例提供的太赫兹ISAR成像系统的成像处理单元结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种太赫兹ISAR(逆合成孔径雷达，InverseSynthetic Aperture Radar)成像方法，包括以下步骤：
S1，太赫兹ISAR向成像目标发射线性调频信号，并获取回波信号sr(t,u)；
S2，设定一目标参考位置(Xc,Yc)，并根据该目标参考位置(Xc,Yc)给出参考信号
Figure GDA0002218405820000051
S3，利用所述参考信号s0(t)对所述回波信号sr(t,u)进行快时间域内的匹配滤波，得到数据矩阵SM(ω,u)；
S4，对所述数据矩阵SM(ω,u)进行慢时间域内的基带变换，得到基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)以及相对应的信号频谱Sb(ω,ku)；
S5，对所述基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)进行修正以消除快时间域零点偏移，得到修正后的数据矩阵S(ω,ku)＝Sb(ω,ku)exp(-jωTc)；
S6，利用参考信号的相位函数对修正后的数据矩阵S(w,ku)进行基带变换，得到第一目标函数F(kx,ky)；
S7，对所述第一目标函数F(kx,ky)进行离散化，得到F(kxmn,kymn)，并在kxmn域上插值，以使在kxmn域上均匀分布；
S8，对插值后的第一目标函数进行二维傅里叶逆变换，得到第二目标函数f(xn,yn)，即成像目标的二维图像。
步骤S1中，所述成像目标的运动速度已知，优选为匀速直线运动。所述太赫兹ISAR的发射信号为线性调频信号。太赫兹ISAR的载频信号为ej2πfct，发射的脉冲信号以重复周期T时间间隔依次发射，用tm＝mT(m＝0，1，2···)表示每个发射脉冲的发射时刻，也称为慢时间。快时间是电波传播的时间。
步骤S2中，所述目标参考位置(Xc,Yc)是一个预设的参考位置，X、Y分别为该目标参考位置的坐标，c为该目标参考位置的角标。根据该目标参考位置(Xc,Yc)可以给出参考信号
Figure GDA0002218405820000061
其中st形式与s0相同，均为线性调频信号，只是增加了一个时延，该参考信号的频谱为
Figure GDA0002218405820000062
步骤S3中，针对太赫兹波大带宽的特点，优选采用去频调的方式进行匹配滤波。
步骤S4中，利用所述基带变换可以得到适合于信道传输的传输信号，以及更好地校正方位维的距离徙动，使成像精度更高。
所述基带变换的过程为：Sb(ω,u)＝SM(ω,u)exp(-j2kcsinθcu)，其中，
Figure GDA0002218405820000063
c为太赫兹波速，fc为太赫兹波频率。
所述信号频谱Sb(ω,ku)可以通过对所述基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)进行慢时间域内的傅里叶变换获得。
步骤S5中，所述快时间域零点偏移通常是由快速傅里叶变换所导致，所述快时间域零点偏移的修正过程为：S(ω,ku)＝Sb(ω,ku)exp(-jωTc)，其中
Figure GDA0002218405820000064
步骤S6中，所述参考信号的相位函数即参考信号相位表达形式。所述基带变换的过程为：
Figure GDA0002218405820000065
其中
Figure GDA0002218405820000066
ky＝ku。
步骤S7中，所述离散化过程为：
Figure GDA0002218405820000067
所述插值方法不限，本实施例提供一种Stolt插值方法，具体过程为：
Figure GDA0002218405820000068
其中
Figure GDA0002218405820000069
Figure GDA0002218405820000071
本实施例步骤S4-S7为方位向上的频谱处理，目的是校正方位向上的距离徙动，使成像精度更高，这也是该方法不同于传统二维FFT方法之处。
图2为利用本发明第一实施例提供的太赫兹ISAR成像方法在matlab R2010b下获得的成像目标仿真图。仿真的参数如下：太赫兹ISAR中心频率fc＝340GHz，发射信号带宽B＝7.2GHz。成像目标为点目标，该点目标的初始位置坐标为(-2,0)，以v＝1m/s的速度向前(此处为X轴正方向)匀速运动，太赫兹ISAR固定在坐标(0,-10)处。由仿真图像可知，该成像方法能够成对成像目标成清晰的像。
请参阅图3，本发明第二实施例提供一种太赫兹ISAR成像系统100，用于对机场、车站中的行人进行成像。该太赫兹ISAR成像系统100包括：太赫兹雷达10、平动电梯20以及总控中心30。所述总控中心30进一步包括控制单元31以及成像处理单元33。
所述太赫兹雷达10用于对成像目标100发射太赫兹波并接受回波。太赫兹雷达10为逆合成孔径雷达。所述成像目标100可以为机场、车站等处等待接受人身安全检查的乘客。所述太赫兹雷达10设置的位置不限，只要能够对待检乘客发射太赫兹波并接收回波即可。本实施例中所述太赫兹雷达10发射的信号为线性调频信号。
所述太赫兹ISAR与待检乘客之间的距离可以为5米-20米，在此距离范围内能保证一个较高的成像分辨率。本实施例中距离选取10米，所述太赫兹ISAR发射信号发射功率为5mw，中心频率340GHz,带宽7.2GHz，采用调频连续波，从而能够在降低能耗，节省处理时间的同时，保证成像的精确性。
所述平动电梯20用于平行传送成像目标。检测时成像目标100位于平动电梯20上，并与该平动电梯20保持相对静止。本实施例中成像目标100为待检乘客。待检乘客在走动过程中有很多自然动作，例如摆手、抬腿、扭头等，上述动作易对太赫兹雷达10的回波信号造成干扰，导致成像结果出现伪影和模糊。待检乘客站立于平动电梯20上利用平动电梯20的传送向前行进，使得待检乘客的移动速度与平动电梯的传动速度同步，从而可以有效的降低上述伪影和模糊。所述平动电梯行进速度范围可以为0.2m/s～1m/s，本实施例中平动电梯以0.5m/s匀速行进。太赫兹逆合成孔径雷达所用成像信息为目标运动过程中各个孔径回波合成得到。更慢的速度意味着更大的回波数据量，需要成像处理的数据越多，可能造成系统无法实时成像；更快的速度意味着更少的数据量，可能导致分辨率下降。
所述控制单元31用于控制所述太赫兹雷达10及所述平动电梯20的运行。具体的，所述控制单元31可以控制所述太赫兹雷达10与所述平动电梯20的距离，太赫兹雷达10发射信号带宽、中心频率、脉冲持续时间、重复周期，平动电梯20的行进速度等变量。并根据需要将上述变量信息传送给所述成像处理单元33。
当开始安检，启动太赫兹ISAR及成像处理单元；停止安检即关闭。如果增大电梯速度，则需要更高的采样频率来保持相同的成像分辨率，可以通过增加发射信号带宽来实现。
所述成像处理单元33根据太赫兹雷达10回波信号、平动电梯20运行速度等信息对成像目标进行成像。
请参见图4，所述成像处理单元33进一步包括：参考信号生成模块331、匹配滤波模块332、第一基带变换模块333、零点偏移消除模块334、第二基带变换模块335、差值模块336以及逆变换模块337。
所述参考信号生成模块331根据一假设的目标参考位置(Xc,Yc)生成参考信号
Figure GDA0002218405820000091
所述匹配滤波模块332利用所述参考信号s0(t)对所述太赫兹雷达10回波信号sr(t,u)进行快时间域内的匹配滤波，得到数据矩阵SM(ω,u)。
所述第一基带变换模块333接收所述数据矩阵SM(ω,u)，并对该数据矩阵SM(ω,u)进行慢时间域内的基带变换，得到基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)以及相对应的信号频谱Sb(ω,ku)。
所述零点偏移消除模块334接收所述第一基带变换模块333获得的信号频谱Sb(ω,ku)，对其进行修正以消除快时间域零点偏移，得到修正后的数据矩阵S(ω,ku)＝Sb(ω,ku)exp(-jωTc)。
所述第二基带变换模块335接收所述零点偏移消除模块334修正后的数据矩阵S(w,ku)，并利用参考信号的相位函数对该修正后的数据矩阵S(w,ku)进行基带变换，得到第一目标函数F(kx,ky)。
所述差值模块336接收所述第二基带变换模块335得到的第一目标函数F(kx,ky)，首先对其进行离散化处理得到F(kxmn,kymn)，进而在kxmn域上进行插值，以使在kxmn域上均匀分布。
所述逆变换模块337接收所述差值模块336获得的插值后的第一目标函数，并对其进行二维傅里叶逆变换，得到第二目标函数f(xn,yn)，即成像目标的二维图像。
本发明实施例提供的太赫兹ISAR成像方法及系统将成像目标从非合作目标转变为合作目标，从而减少了成像目标自身动作对回波信号造成的干扰，得到的回波数据更适合高分辨成像。兼顾了处理时间和精确性，既满足了安检中对藏匿危险品的成像精度要求，又满足了快速安检成像的实时性要求。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种太赫兹ISAR成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
太赫兹ISAR向成像目标发射线性调频信号，并获取回波信号sr(t,u)，所述成像目标以预设速度运动；
设定一目标参考位置，并根据该目标参考位置获取参考信号s0(t)；
利用所述参考信号s0(t)对所述回波信号sr(t,u)进行快时间域内的匹配滤波，得到数据矩阵SM(ω,u)；
对所述数据矩阵SM(ω,u)进行慢时间域内的基带变换，得到基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)以及相对应的信号频谱Sb(ω,ku)；
对所述基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)进行修正以消除快时间域零点偏移，得到修正后的数据矩阵S(w,ku)；
利用参考信号的相位函数对修正后的数据矩阵S(w,ku)进行基带变换，得到第一目标函数F(kx,ky)；
对所述第一目标函数F(kx,ky)进行离散化，得到F(kxmn,kymn)，并在kxmn域上插值，以使F(kxmn,kymn)在kxmn域上均匀分布；以及
对插值后的第一目标函数进行逆变换，得到第二目标函数f(xn,yn)，获得成像目标的二维图像。
2.根据权利要求1所述的太赫兹ISAR成像方法，其特征在于，所述利用所述参考信号s0(t)对所述回波信号sr(t,u)进行匹配滤波的步骤包括：采用去频调的方式对所述回波信号进行匹配滤波。
3.根据权利要求1所述的太赫兹ISAR成像方法，其特征在于，所述对所述数据矩阵SM(ω,u)进行慢时间域内的基带变换的步骤中，所述基带变换的过程为Sb(ω,u)＝SM(ω,u)exp(-j2kcsinθcu)，其中，
Figure FDA0002218405810000011
c为太赫兹波速，fc为太赫兹波频率，Xc为所述目标参考位置的第一坐标，Yc为所述目标参考位置的第二坐标，所述目标参考位置通过(Xc，Yc)表示。
4.根据权利要求1所述的太赫兹ISAR成像方法，其特征在于，所述对所述数据矩阵SM(ω,u)进行基带变换，得到基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)以及相对应的信号频谱Sb(ω,ku)的步骤包括：对所述基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)进行慢时间域内的傅里叶变换获得所述信号频谱Sb(ω,ku)。
5.根据权利要求1所述的太赫兹ISAR成像方法，其特征在于，所述对所述基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)进行修正以消除快时间域零点偏移的步骤包括：通过以下公式对基带变换后的数据矩阵进行修正：S(ω,ku)＝Sb(ω,ku)exp(-jωTc)，其中，
Figure FDA0002218405810000021
Xc为所述目标参考位置的第一坐标，Yc为所述目标参考位置的第二坐标，所述目标参考位置通过(Xc，Yc)表示，c为太赫兹波速。
6.根据权利要求1所述的太赫兹ISAR成像方法，其特征在于，所述利用参考信号的相位函数对修正后的数据矩阵S(w,ku)进行基带变换的步骤中，所述基带变换为：
Figure FDA0002218405810000022
其中
Figure FDA0002218405810000023
ky＝ku，Xc为所述目标参考位置的第一坐标，Yc为所述目标参考位置的第二坐标，所述目标参考位置通过(Xc，Yc)表示。
7.根据权利要求1所述的太赫兹ISAR成像方法，其特征在于，在对所述第一目标函数F(kx,ky)进行离散化，得到F(kxmn,kymn)，并在kxmn域上插值的步骤中，所述插值方法为Stolt插值方法，
Figure FDA0002218405810000024
其中
Figure FDA0002218405810000025
Figure FDA0002218405810000026
8.一种太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，包括：
太赫兹ISAR，用于对成像目标发射太赫兹波并接收回波信号；
平动电梯，用于平行传送成像目标，并驱动成像目标的移动与平动电梯的传动速度同步；
控制单元，用于控制所述太赫兹ISAR的运行及所述平动电梯的速度；
成像处理单元，用于根据所述回波信号、平动电梯速度对所述成像目标进行成像；
所述成像处理单元进一步包括：
参考信号生成模块，用于根据一假设的目标参考位置(Xc,Yc)生成参考信号；
匹配滤波模块，用于接收所述参考信号生成模块生成的参考信号s0(t)，并利用该参考信号s0(t)对太赫兹ISAR回波信号sr(t,u)进行快时间域内的匹配滤波，得到数据矩阵SM(ω,u)；
第一基带变换模块，用于接收所述数据矩阵SM(ω,u)，并对该数据矩阵SM(ω,u)进行慢时间域内的基带变换，得到基带变换后的数据矩阵Sb(ω,u)以及相对应的信号频谱Sb(ω,ku)；
零点偏移消除模块，用于接收所述第一基带变换模块获得的信号频谱Sb(ω,ku)，对该信号频谱Sb(ω,ku)进行修正以消除快时间域零点偏移，得到修正后的数据矩阵S(ω,ku)＝Sb(ω,ku)exp(-jωTc)，其中，
Figure FDA0002218405810000031
Xc为所述目标参考位置的第一坐标，Yc为所述目标参考位置的第二坐标，所述目标参考位置通过(Xc，Yc)表示，c为太赫兹波速；
第二基带变换模块，用于接收所述零点偏移消除模块修正后的数据矩阵S(w,ku)，并利用参考信号的相位函数对该修正后的数据矩阵S(w,ku)进行基带变换，得到第一目标函数F(kx,ky)；
差值模块，用于接收所述第二基带变换模块得到的第一目标函数F(kx,ky)，对该第一目标函数F(kx,ky)进行离散化处理得到F(kxmn,kymn)，以及在kxmn域上进行插值，以使在kxmn域上均匀分布；
二维傅里叶逆变换模块，用于接收所述差值模块获得的插值后的第一目标函数，对该插值后的第一目标函数进行二维傅里叶逆变换，得到第二目标函数f(xn,yn)，即成像目标的二维图像。
9.根据权利要求8所述的太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，所述太赫兹ISAR发射信号发射功率为5mw，中心频率340GHz，带宽7.2GHz。
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