CN108802842A - 一种基于ldpc码的被动毫米波编码成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置及方法。该装置包括成像透镜、旋转驱动电机、编码模板、出射狭缝模板、聚焦透镜、接收天线、辐射计、驱动电机控制部件及计算机。方法为：目标场景经成像透镜后汇聚到编码模板上；编码模板采用基于LDPC码校验矩阵对目标场景进行调制；调制后的信号经聚焦透镜，被接收天线接收；然后以电压的形式，输出到计算机；驱动电机控制部件控制旋转驱动电机，改变编码模板，进行下一次单通道测量；经过多次测量后，得到多个测量值；输入计算机处理重构出原始目标场景；最后将通过编码模板获取到的畸变辐射图像进行校正，恢复为矩形编码图像。本发明减小了编码模板的面积，易于硬件的实现。

Description

一种基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置及方法

技术领域

本发明涉及编码成像技术领域，特别是一种基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置及方法。

背景技术

毫米波辐射成像技术是指通过利用不同物体间在毫米波波段所呈现出的自然辐射特性差异，对背景中的目标进行探测，并生成图像的一种手段，属于毫米波被动探测的范畴，可用于安检、飞机盲降、战场环境成像等领域。目前，毫米波辐射成像方法存在成像速度慢、多通道间通道均衡与定标难、系统结构复杂与成本较高等问题。

编码成像技术最初应用在光学成像技术领域，即通过模板构型来分析通过仪器的光辐射，提高分析速度，改善信噪比。如今，编码成像技术在光学成像、医疗成像、红外成像、超分辨率成像领域都具有很高的应用价值和潜力。现有专利“一种单通道毫米波编码成像装置”(公布号：CN104635277A)选取循环S矩阵作为编码矩阵，其编码矩阵属于结构化随机编码矩阵，需满足一些特定的条件，这样的结构化大大限制了它的应用；且其编码图像为畸变图像，不能很好地通过重构算法重构出原始图像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种编码模板面积小、易于硬件实现的基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置，包括旋转驱动电机、驱动电机控制部件、计算机，以及沿光路方向顺次设置的成像透镜、编码模板、出射狭缝模板、聚焦透镜、接收天线、辐射计；所述编码模板采用基于LDPC码校验矩阵的方法制备；

所述编码模板为圆盘形，旋转驱动电机驱动编码模板沿中心轴旋转并进行编码成像；计算机通过驱动电机控制部件对旋转驱动电机进行控制；成像透镜将目标图像完整投影到编码模板上，聚焦透镜将透过编码模板、出射狭缝模板的像素值汇聚到接收天线，再传送至辐射计，辐射计的输出端接入计算机。

一种基于LDPC码的被动毫米波编码成像方法，包括以下步骤：

步骤1、在满足凸透镜成像公式的前提下，目标场景经成像透镜汇聚到编码模板上；

步骤2、编码模板对目标场景进行调制；

步骤3、在满足凸透镜成像公式的前提下，调制后的图像经出射狭缝模板入射至聚焦透镜，聚焦透镜将图像聚焦并被接收天线接收；

步骤4、聚焦后的图像经接收天线传入辐射计，以电压的形式输出到计算机；

步骤5、驱动电机控制部件控制旋转驱动电机，改变编码模板以进行下一次单通道测量；经过多次测量后，得到多个测量值；

步骤6、步骤5所得的多个测量值经过计算机处理后，重构出原始目标场景；

步骤7、将通过编码模板获取到的畸变辐射图像进行校正，恢复为矩形编码图像。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用像面畸变校正的方法对由于旋转运动型编码模板在成像过程中产生的像面畸变进行校正，将从环形编码模板获取的畸变辐射图像，校正为矩形辐射图像，即将畸变图像的每个顶点恢复到矩形顶点所在位置，完成畸变像面校正；(2)采用基于LDPC码校验矩阵的编码矩阵作为单通道被动毫米波编码成像的编码矩阵，其具有以下几方面的优势：一，该类矩阵满足压缩感知测量矩阵条件，提高了信号采集及重构的速度与质量；二，该类编码矩阵具有很强的正交性，可以通过相应的构造方法进行控制、分析；三，构造具有循环或准循环结构的LDPC码校验矩阵可以减少成像系统中编码模板的面积，更易在硬件上实现；(3)所使用的凸透镜为平凸透镜，与双凸透镜相比，其不易发生图像失真，能够最大可能的保证图像原状。

下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明基于LDPC码校验矩阵的单通道被动毫米波编码成像装置的光路设计流程示意图。

图2为本发明的光路设计示意图。

图3为本发明实施例中以8×16维LDPC码校验矩阵为例的编码模板设计过程示意图。

图4为本发明实施例中以8×16维LDPC码校验矩阵为例的直线型编码模板示意图。

图5为本发明实施例中以8×16维LDPC码校验矩阵为例的在最前端添加定位码元的直线型编码模板示意图。

图6为本发明实施例中以8×16维LDPC码校验矩阵为例旋转运动型编码模板的示意图。

图7为本发明实施例中旋转运动型编码模板获取的畸变图像校正原理示意图。

图8为本发明实施例中旋转运动型编码模板获取的畸变图像校正示意图。

图9为本发明实施例中对不同测量矩阵进行重构的PSNR对比示意图。

具体实施方式

本发明基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置，包括旋转驱动电机22、驱动电机控制部件28、计算机29，以及沿光路方向顺次设置的成像透镜21、编码模板23、出射狭缝模板24、聚焦透镜25、接收天线26、辐射计27；所述编码模板23采用基于LDPC码校验矩阵的方法制备；

所述编码模板23为圆盘形，旋转驱动电机22驱动编码模板23沿中心轴旋转并进行编码成像；计算机29通过驱动电机控制部件28对旋转驱动电机22进行控制；成像透镜21将目标图像完整投影到编码模板23上，聚焦透镜25将透过编码模板23、出射狭缝模板24的像素值汇聚到接收天线26，再传送至辐射计27，辐射计27的输出端接入计算机29。

进一步地，所述成像透镜21、聚焦透镜25的成像公式，均满足下式：

1/d₀+1/d_i＝1/f

其中，d₀为物距，d_i为相距，f为焦距。

进一步地，所述成像透镜21、聚焦透镜25均为平凸透镜。

进一步地，所述编码模板23采用基于LDPC码校验矩阵的方法制备，具体如下：

(1)构造一个大小为2^2n-1×2²ⁿ的LDPC码校验矩阵H，H为0,1矩阵，且n为正整数；

(2)从矩阵H中取出第一行，将其折叠为一个2ⁿ阶矩阵，得到编码模板的第一次测量；

(3)将在2ⁿ阶矩阵的每行第一个元素前面填入这些元素对应在H矩阵中的下一列元素，完成编码模板的第二次测量；

(4)以此类推，完成编码模板的2ⁿ次测量，得到一个大小为2ⁿ×(2^2n-1+2ⁿ-1)的矩阵A；

(5)将矩阵A中0制作为码板上的不透波部分，1制作为码板上的透波部分，得到直线型编码模板；

(6)在直线型编码模码板最前端添加一列定位码元，得到的模板大小为2ⁿ×(2^2n-1+2ⁿ)，将所得模板首尾相接得到圆形的编码矩阵模板。

一种基于LDPC码的被动毫米波编码成像方法，包括以下步骤：

步骤1、在满足凸透镜成像公式的前提下，目标场景经成像透镜21汇聚到编码模板23上；

步骤2、编码模板23对目标场景进行调制；

步骤3、在满足凸透镜成像公式的前提下，调制后的图像经出射狭缝模板24入射至聚焦透镜25，聚焦透镜25将图像聚焦并被接收天线26接收；

步骤4、聚焦后的图像经接收天线26传入辐射计27，以电压的形式输出到计算机29；

步骤5、驱动电机控制部件28控制旋转驱动电机22，改变编码模板23以进行下一次单通道测量；经过多次测量后，得到多个测量值；

步骤6、步骤5所得的多个测量值经过计算机29处理后，重构出原始目标场景；

步骤7、将通过编码模板23获取到的畸变辐射图像进行校正，恢复为矩形编码图像。

进一步地，所述编码模板23采用基于LDPC码校验矩阵的方法制备，具体如下：

(1)构造一个大小为2^2n-1×2²ⁿ的LDPC码校验矩阵H，H为0,1矩阵，且n为正整数；

(2)从矩阵H中取出第一行，将其折叠为一个2ⁿ阶矩阵，得到编码模板的第一次测量；

(3)将在2ⁿ阶矩阵的每行第一个元素前面填入这些元素对应在H矩阵中的下一列元素，完成编码模板的第二次测量；

(4)以此类推，完成编码模板的2ⁿ次测量，得到一个大小为2ⁿ×(2^2n-1+2ⁿ-1)的矩阵A；

(5)将矩阵A中0制作为码板上的不透波部分，1制作为码板上的透波部分，得到直线型编码模板；

(6)在直线型编码模码板最前端添加一列定位码元，得到的模板大小为2ⁿ×(2^2n-1+2ⁿ)，将所得模板首尾相接得到圆形的编码矩阵模板。

进一步地，步骤7所述的将通过编码模板23获取到的畸变辐射图像进行校正，恢复为矩形编码图像，具体为：将从环形编码模板23获取的畸变图像的每个顶点恢复到矩形顶点所在位置，将畸变图像校正为矩形编码图像。

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明作进一步详细说明。

实施例1

结合图1、2，本发明建立了一种基于LDPC码校验矩阵的单通道被动毫米波编码成像装置的前端光路设计模型。同现有的扫描式成像不同，单通道被动毫米波编码成像系统中辐射计本身不变，其天线接收视域覆盖的整个成像范围，需对前端透镜光路进行设计和参数计算。

本发明中基于LDPC码校验矩阵的单通道被动毫米波编码成像装置包括：成像透镜21、旋转驱动电机22、编码模板23、出射狭缝模板24、聚焦透镜25、接收天线26、辐射计27、驱动电机控制部件28和计算机29；具体步骤为：

步骤1、在满足凸透镜成像公式的前提下，目标场景经成像透镜21汇聚到编码模板23上；

步骤2、编码模板23对目标场景进行调制；

步骤3、调制后的信号经出射狭缝模板24和聚焦透镜25，在满足凸透镜成像公式的前提下，将从编码模板23射出的图像缩小，被接收天线26接收；

步骤4、目标场景经接收天线26传入辐射计27，经过编码，以电压的形式，输出到计算机29；

步骤5、驱动电机控制部件28控制旋转驱动电机，改变编码模板23，进行下一次单通道测量；经过多次测量后，得到多个测量值；

步骤6、步骤5所得的多个测量值经过计算机29处理后，重构出原始目标场景；

步骤7、将通过编码模板23获取到的畸变辐射图像进行校正，恢复为矩形编码图像。

本发明所使用的凸透镜为平凸透镜，与双凸透镜相比，其不易发生图像失真，能够最大可能的保证图像原状。

成像透镜21的作用是将目标图像以合适的大小投影到编码模板23上，聚焦透镜25是将透过编码模板23上的像素值汇聚到接收天线26，再传送至辐射计27。本发明中以成像透镜焦距85mm，聚焦透镜焦距30mm为例。

根据透镜的焦距，为保证图像能被完全编码，成像透镜放大率为M＝1/2；为保证图像能被接收天线完全接收，聚焦透镜的放大率为M＝1/4。

本发明所用的接收天线24为角锥喇叭天线，需将其等效为圆锥喇叭天线来得到其等效半径，等效后的天线半径为r_antenna＝16.98mm。

聚焦透镜的线视场(FOV)如下式所示：

FOV≡2a＝2b/M＝2r_antenna/M

计算可得本发明所用装置的FOV为135.84mm。因此，此装置提供135.84mm FOV，接收天线最大能够接收的经过编码模板的图像直径为135.84mm。图3、4、5、6中使用的编码模板61大小为4×11，且每个孔径大小为1mm²，因而能够完整地将编码图像接收。

编码模板的设计过程如下：

(2.1)结合图3、4、5、6，本发明以长为16的(2,4)LDPC码为例，对应LDPC码校验矩阵设计如下式所示：

H矩阵虚线左右两边都是一个8阶矩阵，两边矩阵的下一行都是由上一行向右移动一个元素，并且下一行第一个元素是上一行最后一个元素。可以将其看作是由两个行重为2，维数为8×8的循环方阵拼接而成。

编码模板的设计过程如下：

(2.2)从H矩阵中取出第一行，将这一行折叠成一个4阶矩阵，如图3实线方框31所示，H矩阵的第一行元素即这个4阶矩阵是编码模板的第一次测量；

(2.3)由于H矩阵的下一行元素是上一行元素向后循环移动一个元素得到，因此在4阶矩阵中的每行第一个元素前面这些元素对应H矩阵中下一列元素，如图3虚线方框32所示，即H矩阵的第二行元素为编码模板的第二次测量；

(2.4)按上面的方法将H矩阵中剩下的元素依次写入折叠矩阵的左边，得到一个4×11维矩阵，如图4所示；

(2.5)将4×11维矩阵制作成编码模板，其中矩阵中“0”对应不透波(黑色)41的部分，“1”代表透波(白色)42的部分；

(2.6)将制作成的直线型码板最前端加上一列定位码元51，如图5所示。最后将其首尾相接得到圆形编码模板61，如图6所示。

在单通道被动毫米波编码成像系统中，制作半径与编码模板61相同且带有出射狭缝的出射狭缝模板62，并将其固定于编码模板射出波的一侧，其圆心在编码模板上的投影与编码模板圆心重合。

在出射狭缝模板62上以圆心为起点沿半径向出射狭缝模板边缘切割一个扇形缺口的出射狭缝。出射狭缝尺寸满足每次测量仅有4列码元编码的波从出射狭缝中射出。

第一次测量时，通过驱动电机控制部件28控制旋转驱动电机22使编码模板23逆时针移动，编码模板将1-4列码元露出出射狭缝；

第二次测量，模板逆时针移动一次，编码模板将2-5列码元露出出射狭缝；

以此类推，直至第九次测量，定位码元51露出出射狭缝，完成一幅图像的采集。

最后通过压缩感知理论对所得测量信号进行恢复重构，得到场景的毫米波辐射特性分布图像。

结合图7、8，编码模板61获取的畸变辐射图像校正方法如下：

旋转运动型编码模板使得编码图像像面由矩形ABCD畸变成一段环形A’B’C’D’，如图7所示。

由图7可知，圆盘半径O'B'＝O'O＝R，因此得到下式(4)：

β＝α/2 (4)

由图7可知：因此可得下式(5)：

由于ABCD畸变成了A’B’C’D’，因此只要将A’B’C’D’恢复成ABCD，即达到畸变校正的效果：

以点B为例，将B’对应到竖直平面的B”处，即OB’＝OB”。将B”恢复到B便达到畸变校正的效果。

由图8可知，图像原点位于左下角，宽和高分别为N和P。则O的坐标为(N/2,P/2),设畸变后的点B”的坐标为(x₁,y₁)，则畸变校正后的坐标(x₂,y₂)可通过以下过程求得：

7.1)计算点B”坐标(x₁,y₁)与O点距离L₁：

(7.2)计算点B(x₂,y₂)与O点连线的倾角θ：

(7.3)由式(5)得：L₂＝L₁cosβ-δ₂；

(7.4)校正后点B(x₂,y₂)坐标为：

结合图9，使用不同的测量矩阵对图像进行编码，最终得到重构图像的重构误差和PSNR如表1所示：

表1不同测量矩阵重构效果对比

矩阵类型	重构误差/％	PSNR/dB
			循环S矩阵	7.2423	19.265
Hadamard矩阵	10.7641	17.6911
			PEG—准循环	4.1938	22.4444

表1可以看出，基于PEG—准循环LDPC码校验矩阵相比其他测量矩阵重构误差最小，峰值性噪比最高，在图像重构性能上具有一定的优势，因此可以将此测量矩阵运用在编码成像中，提高重构图像质量。

Claims (7)

1.一种基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置，其特征在于，包括旋转驱动电机(22)、驱动电机控制部件(28)、计算机(29)，以及沿光路方向顺次设置的成像透镜(21)、编码模板(23)、出射狭缝模板(24)、聚焦透镜(25)、接收天线(26)、辐射计(27)；所述编码模板(23)采用基于LDPC码校验矩阵的方法制备；

所述编码模板(23)为圆盘形，旋转驱动电机(22)驱动编码模板(23)沿中心轴旋转并进行编码成像；计算机(29)通过驱动电机控制部件(28)对旋转驱动电机(22)进行控制；成像透镜(21)将目标图像完整投影到编码模板(23)上，聚焦透镜(25)将透过编码模板(23)、出射狭缝模板(24)的像素值汇聚到接收天线(26)，再传送至辐射计(27)，辐射计(27)的输出端接入计算机(29)。

2.根据权利要求1所述的基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置，其特征在于，所述成像透镜(21)、聚焦透镜(25)的成像公式，均满足下式：

1/d₀+1/d_i＝1/f

其中，d₀为物距，d_i为相距，f为焦距。

3.根据权利要求1所述的基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置，其特征在于，所述成像透镜(21)、聚焦透镜(25)均为平凸透镜。

4.根据权利要求1所述的基于LDPC码的被动毫米波编码成像装置，其特征在于，所述编码模板(23)采用基于LDPC码校验矩阵的方法制备，具体如下：

(1)构造一个大小为2^2n-1×2²ⁿ的LDPC码校验矩阵H，H为0,1矩阵，且n为正整数；

(2)从矩阵H中取出第一行，将其折叠为一个2ⁿ阶矩阵，得到编码模板的第一次测量；

(3)将在2ⁿ阶矩阵的每行第一个元素前面填入这些元素对应在H矩阵中的下一列元素，完成编码模板的第二次测量；

(4)以此类推，完成编码模板的2ⁿ次测量，得到一个大小为2ⁿ×(2^2n-1+2ⁿ-1)的矩阵A；

(5)将矩阵A中0制作为码板上的不透波部分，1制作为码板上的透波部分，得到直线型编码模板；

(6)在直线型编码模码板最前端添加一列定位码元，得到的模板大小为2ⁿ×(2^2n-1+2ⁿ)，将所得模板首尾相接得到圆形的编码矩阵模板。

5.一种基于LDPC码的被动毫米波编码成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在满足凸透镜成像公式的前提下，目标场景经成像透镜(21)汇聚到编码模板(23)上；

步骤2、编码模板(23)对目标场景进行调制；

步骤3、在满足凸透镜成像公式的前提下，调制后的图像经出射狭缝模板(24)入射至聚焦透镜(25)，聚焦透镜(25)将图像聚焦并被接收天线(26)接收；

步骤4、聚焦后的图像经接收天线(26)传入辐射计(27)，以电压的形式输出到计算机(29)；

步骤5、驱动电机控制部件(28)控制旋转驱动电机(22)，改变编码模板(23)以进行下一次单通道测量；经过多次测量后，得到多个测量值；

步骤6、步骤5所得的多个测量值经过计算机(29)处理后，重构出原始目标场景；

步骤7、将通过编码模板(23)获取到的畸变辐射图像进行校正，恢复为矩形编码图像。

6.根据权利要求5所述的基于LDPC码的被动毫米波编码成像方法，其特征在于，所述编码模板(23)采用基于LDPC码校验矩阵的方法制备，具体如下：

(1)构造一个大小为2^2n-1×2²ⁿ的LDPC码校验矩阵H，H为0,1矩阵，且n为正整数；

(2)从矩阵H中取出第一行，将其折叠为一个2ⁿ阶矩阵，得到编码模板的第一次测量；

(3)将在2ⁿ阶矩阵的每行第一个元素前面填入这些元素对应在H矩阵中的下一列元素，完成编码模板的第二次测量；

(4)以此类推，完成编码模板的2ⁿ次测量，得到一个大小为2ⁿ×(2^2n-1+2ⁿ-1)的矩阵A；

(5)将矩阵A中0制作为码板上的不透波部分，1制作为码板上的透波部分，得到直线型编码模板；

(6)在直线型编码模码板最前端添加一列定位码元，得到的模板大小为2ⁿ×(2^2n-1+2ⁿ)，将所得模板首尾相接得到圆形的编码矩阵模板。

7.根据权利要求5所述的基于LDPC码的被动毫米波编码成像方法，其特征在于，步骤7所述的将通过编码模板(23)获取到的畸变辐射图像进行校正，恢复为矩形编码图像，具体为：将从环形编码模板(23)获取的畸变图像的每个顶点恢复到矩形顶点所在位置，将畸变图像校正为矩形编码图像。