CN109581526A - 一种应用于摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法，解决传统综合孔径快速傅里叶变换算法在近场成像应用中的反演误差问题，提出使用波束近场聚焦的相位补偿方法配合红外测距信息进行综合孔径阵列近场聚焦成像。包括利用红外摄像头获取目标距离数据，利用系统校准信息获得近场聚焦成像的相位补偿值与目标距离的关系，根据计算结果进行成像位置的逐点相位补偿实现近场聚焦成像。通过本发明的算法，可以实现摄像式毫米波人体安检仪近场情况下的实时跟踪快速成像。

Description

一种应用于摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像 方法

技术领域

本发明涉及综合孔径近场反演算法，具体的说，是一种应用于摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法。

背景技术

摄像式毫米波人体安检仪工作在毫米波频段，毫米波人体安检仪自身不发射电磁，对人体不造成任何伤害，并具有全天时、全天候的工作能力。因此，被动毫米波成像技术作为一种新兴的安检手段被广泛应用在机场、车站等人员聚集的公共场所，对人体携带的隐匿违禁物品进行快速、非接触式检测。

综合孔径辐射计成像技术采用小孔径稀疏天线阵列，利用干涉测量技术完成对视场内亮温分布的空间频域(可视度函数)的测量，进而基于可视度函数进行图像反演实现实时成像。鉴于综合孔径辐射计具有高分辨率快速实时成像的优点，其在射电天文和对地观测领域得到了越来越多的应用。然而，将毫米波综合孔径辐射计技术应用于近距离人体隐匿违禁物品安全检测时，仍存在一些技术问题亟待解决，如近场图像反演算法：综合孔径辐射计通过对直接测量的可视度函数进行反演计算以获得场景亮温图像，图像反演算法将直接影响亮温分布图像的质量。早在综合孔径成像技术应用于地球遥感领域之初，Ruf等人^[1]就提出，在满足电磁理论理想远场条件下，可视度函数与场景亮温分布之间满足傅里叶变换关系，并在实际研究中获得验证，如MIRAS中^[2]。然而，在人体安全检测应用中，观测目标往往处于综合孔径辐射计天线阵列的近场区域，傅里叶变换所使用的远场平面波近似条件不再适用，综合孔径辐射计应被视为复杂的空变系统，需要采用与之相适应的图像反演算法以获得高质量的亮温分布反演图像。基于反演理论，为得到精确的反演图像，可以采用基于系统响应G矩阵的数值图像反演算法。Tanner等人在研究一维ESTAR系统的过程中提出基于综合孔径辐射计系统响应G矩阵的数值图像反演算法^[3]，并指出利用该算法不仅可以消除实际系统中的不理想因素，还可以缓解无法校正的去相关效应对图像反演的影响^[4]。但是研究发现随着通道数量增加系统响应G矩阵的数值图像反演算法变成病态问题^[5]，为此Camps提出了基于迭代运算的扩展CLEAN算法进行图像反演^[6]，但其计算量庞大，无法从本质上消除问题的病态性，也不能满足摄像师毫米波人体安检仪实时成像的成像速度需求。

与傅里叶变换的反演方法相比，本发明提出的成像方法适用于近场成像场景，近场成像精度高；具有跟踪成像功能，根据成像距离不同调节相位补偿数值使图像聚焦更准确。与系统响应G矩阵成像法相比，本发明提出的成像方法无需对每个成像位置进行校准测量(根据成像距离需求通常该测量需要数小时)，节约了系统校准所需时间；算法运算量相对G矩阵方法大幅下降，满足实时成像的成像速度需求。

[1]Ruf C S,Swift C T,Tanner A B,et al.Interferometric SyntheticAperture Microwave Radiometry for the Remote Sensing of the Earth[J].IEEETransactions on Geoscience and Remote Sensing,1988,26(5):597-611.

[2]Camps A,Bara J,Sanahuja I C,et al.Processing of HexagonallySampled Signals with Standard Rectangular Techniques:Application to 2-D LargeAperture Synthesis Interferometric Radiometers[J].IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing,1997,35(1):183-189.

[3]Tanner A B,Swift C T.Calibration of a Synthetic ApertureRadiometer[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1993,31(1):257-267.

[4]Picard B,Anterrieu E,Caudal G,et al.Impact of the Fringe WashingFunction on the Spatial Resolution and on the Radiometric Sensitivity of theSmos Instrument；proceedings of the 2003IGARSS:Learning From Earth's Shapesand Colours,July 21,2003-July 25,2003,Toulouse,France,F,2003[C].Institute ofElectrical and Electronics Engineers Inc.

[5]Camps A.Application of Interferometric Radiometry to EarthObservation[D]；Univ.Politecnica de Catalunya,Nov.1996.

[6]Camps A,Bara J,Torres F,et al.Extension of the Clean Technique tothe Microwave Imaging of Continuous Thermal Sources by Means of ApertureSynthesis Radiometers[J].Journal of Electromagnetic Waves and Applications,1998,12(3):311-313。

发明内容

本发明的技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种应用于摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法，通过安检仪提供的成像距离信息对特定距离目标进行快速的跟踪成像，它具有跟踪距离可以快速调节的特点并且适用于近场成像情景。

本发明的技术解决方案：一种应用于摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法，该方法可用于基于综合孔径成像技术进行实时跟踪快速成像的毫米波人体安检仪，实现将干涉式测量获得的可视度函数通过算法反演得到毫米波亮温图像，其实施步骤为：

第一步，通过红外摄像头测距，获取成像目标与安检仪阵列天线口面距离d；

第二步，根据成像目标距离d处的成像面各像素与安检仪阵列天线单元排布的几何位置关系，计算各成像点与阵列天线单元距离d_ij；

第三步，根据综合孔径阵列天线基线构成和d_ij，计算各基线对应的相位补偿值和幅度补偿值α_ij；

第四步，基于相位补偿值和幅度补偿值α_ij，根据近场波束聚焦补偿方法对相关值进行幅度和相位补偿补偿，得到成像面各像素补偿后的基线矩阵V_ij进而运算形成成像面各像素位置对应的亮温T_ij；

第二步中，根据成像目标距离d处的成像面各像素与安检仪阵列天线单元排布的几何位置关系，计算各成像点与阵列天线单元距离d_ij的方法为：

以天线阵列口面中心为坐标参考原点P_原(0,0,0)，根据成像目标与阵列天线单元距离d确定的成像面为z＝d，因此面上各成像像素点可表示为：

P_image(x_i,y_i,z),i＝1,…,n

再根据成像系统阵列天线各单元相位中心位置P_j(x_j,y_j,0),j＝1,…,l，其中j＝1,…,l为系统中的各天线单元。可计算得到P_image(x_i,y_j,z)到P_j(x_j,y_j,0)距离d_ij为：

第三步中，根据综合孔径阵列天线基线构成和d_ij，计算各基线对应的相位补偿值和幅度补偿值的方法为：

根据系统基线构成，确定可组成基线的天线阵列分别为第j号阵列和第k号阵列，则它们对应的相位补偿值通过下式计算：

其中λ是系统工作中心频率对应的波长，d_ij和d_ik分别是第i个成像像素点位置分别到第j号阵列和第k号阵列的距离。

幅度补偿值通过下式计算：

其中F_j和F_k为第j号阵列和第k号阵列的天线方向图，(θ_ji,φ_ji)和(θ_ki,φ_ki)则为相应天线阵列与成像点方位和俯仰方向夹角。d_ij和d_ik为第i个成像像素点位置分别到第j号阵列和第k号阵列的距离用于补偿电磁波传输过程中因距离产生的幅度衰减。

第四步中，根据近场波束聚焦补偿方法对相关值进行幅度和相位补偿，得到成像面各像素补偿后的基线矩阵V_ij进而运算形成成像面各像素位置对应的亮温T_ij的方法为：

通过对相关值进行幅度和相位补偿为和在此对基线进行编号即第j号阵列和第k号阵列组成的基线编号表示为j＝1,…,m。因此可将幅度和相位补偿简化表示为和α_ij，它们所对应的基线矩阵V_ij为：

其中R_ij为系统成像获得的相关值。根据综合孔径近场成像原理，对应成像位置的相关值之和的实部可作为近场成像的亮温反演结果：

目前综合孔径成像的方法主要包括傅里叶变换法和系统响应G矩阵法。与傅里叶变换的反演方法相比，本发明提出的成像方法优点在于：

(1)相比于傅里叶变换法，由于本发明方法考虑了近场效应，所以用于近场成像场景时精度更高。

(2)本发明本身具有跟踪功能，可根据成像距离调节相位补偿数值实现对不同距离目标进行聚焦，这是傅里叶变换法所不具备的。

与系统响应G矩阵成像法相比，本发明提出的成像方法优点在于：

(1)成像前无需长时间的系统校准测量。通常，系统响应G矩阵成像法在使用前需要对各个成像像素位置进行系统校准，所需时间至少达数小时，这在安检仪的实际工作中使用是不现实的。而本方法基于单点系统校准，从准备工作到校准完成所需时间不超过半小时，是符合安检仪的实际应用场景的。

(2)运算量更小，更适用于实时成像的快速成像速度需求。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为对比实例中成像系统阵列排布形式(左)和成像范围示意图(右)；

图3为应用本发明的成像结果实例，包括实际场景可见光图像(左)和毫米波反演图像(右)。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明具体实施如下：

以实际成像结果为例，对摄像式毫米波人体安检仪中快速跟踪和聚焦成像为例进行逐步说明：

1.获取通过红外摄像头测距d。示例中安检仪测距通过红外摄像头实现，由PCI接口直接读取速度满足摄像式快速成像需求，获得成像距离d＝2m。

2.计算成像距离d＝2m处成像面各像素与安检仪阵列天线单元排布的几何位置关系。

首先，图2所示为示例中的天线阵列排布形式和成像范围示意图，左图中矩形代表单元天线位置和天线口径，星型点为单元天线的相位中心位置；右图为成像范围和像素点分布示意图。计算各成像点与阵列天线单元距离d_ij的方法为：

以天线阵列口面中心为坐标参考原点P_原(0,0,0)，根据成像目标与阵列天线单元距离d确定的成像面为z＝d，因此面上各成像像素点可表示为：

P_image(x_i,y_i,z),i＝1,…,n

再根据成像系统阵列天线各单元相位中心位置P_j(x_j,y_j,0),j＝1,…,l，其中j＝1,…,l为系统中的各天线单元。可计算得到P_image(x_i,y_j,z)到P_j(x_j,y_j,0)距离d_ij为：

3.根据综合孔径阵列天线基线构成和d_ij，计算各基线对应的相位补偿值和幅度补偿值的方法为：

根据系统基线构成，确定可组成基线的天线阵列分别为第j号阵列和第k号阵列，则它们对应的相位补偿值通过下式计算：

其中λ是系统工作中心频率对应的波长，d_ij和d_ik分别是第i个成像像素点位置分别到第j号阵列和第k号阵列的距离。

幅度补偿值通过下式计算：

其中F_j和F_k为第j号阵列和第k号阵列的天线方向图，(θ_ji,φ_ji)和(θ_ki,φ_ki)则为相应天线阵列与成像点方位和俯仰方向夹角。d_ij和d_ik为第i个成像像素点位置分别到第j号阵列和第k号阵列的距离用于补偿电磁波传输过程中因距离产生的幅度衰减。

4.根据近场波束聚焦补偿方法对相关值进行幅度和相位补偿，得到成像面各像素补偿后的基线矩阵V_ij进而运算形成成像面各像素位置对应的亮温T_ij的方法为：

通过对相关值进行幅度和相位补偿为和在此对基线进行编号即第j号阵列和第k号阵列组成的基线编号表示为j＝1,…,m。因此可将幅度和相位补偿简化表示为和α_ij，它们所对应的基线矩阵V_ij为：

其中R_ij为系统成像获得的相关值。根据综合孔径近场成像原理，对应成像位置的相关值之和的实部可作为近场成像的亮温反演结果：

根据上述运算获得的成像结果如图3所示。左图为目标人员站在安检仪成像范围内的可见光图像；右图为亮温图像，由安检仪通过红外摄像头测距并使用本发明方法进行成像获得。

基于matlab平台编写基于傅里叶变换法、G矩阵法和本发明方法的成像成像并进行成像运算，每幅图像成像运算平均所需运算时间分别为：0.003s，0.431s和0.018s，可以发现本方法慢于傅里叶变换法但是快于G矩阵法。对于摄像式毫米波安检仪成像来说，摄像式的成像速度要求安检仪成像速度高于25帧/s，即每一帧图像成像时间应小于0.040s，考虑到图像连贯性成像时间一般小于0.030s。由此可见，本发明与傅里叶变换法能够满足摄像式毫米波安检仪成像的成像速度需求，而如果使用G矩阵法则会由于成像速度过慢造成图像延迟和帧数降低。可见，本发明是在保证摄像式毫米波安检仪的成像速度满足需求的前提下提高成像精度的一种解决方案。

Claims (4)

1.一种应用于摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法，其特征在于：

第一步，通过红外摄像头测距，实时获取成像目标与安检仪阵列天线口面距离d；

第二步，根据安检仪对成像目标与安检仪阵列天线口面距离d处目标成像时成像面各像素与安检仪阵列天线单元位置的几何位置关系，计算各像素与阵列天线单元距离d_ij；

第三步，根据综合孔径阵列天线基线构成和d_ij，计算各基线对应的相位补偿值和幅度补偿值α_ij；

第四步，基于相位补偿值和幅度补偿值α_ij，根据近场波束聚焦补偿方法对相关值进行幅度和相位补偿，得到成像面各像素补偿后的基线矩阵V_ij，进而运算形成成像面各像素位置对应的亮温T_ij，获得毫米波亮温图像。

2.根据权利要求1所述的摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法，其特征在于：所述第二步中，根据成像目标与安检仪阵列天线口面距离d处的成像面各像素与安检仪阵列天线单元排布的几何位置关系，计算各成像点与阵列天线单元距离d_ij的方法为：

以天线阵列口面中心为坐标参考原点P_原(0,0,0)，根据成像目标与安检仪阵列天线口面距离d确定的成像面为z＝d，成像面上各成像像素点为：

P_image(x_i,yi,z),i＝1,…,n

其中i＝1,…,n代表图像中n个像素点中的第i个，根据成像系统阵列天线各单元相位中心位置P_j(x_j,y_j,0),j＝1,…,l，其中j＝1,…,l代表毫米波人体安检仪天线阵列中的l个像素点中的第j个天线单元，计算得到P_image(x_i,y_j,z)到P_j(x_j,y_j,0)距离d_ij为：

3.根据权利要求1所述的摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法，其特征在于：所述第三步中，根据综合孔径阵列天线基线构成和d_ij，计算各基线对应的相位补偿值和幅度补偿值的方法为：

根据毫米波人体安检仪天线阵列的基线构成，确定可组成基线的天线阵列分别为第j号阵列和第k号阵列，则对应的相位补偿值通过下式计算：

其中λ是毫米波人体安检仪的中心工作频率对应的波长，d_ij和d_ik分别是第i个成像像素点位置分别到第j号阵列和第k号阵列的距离，

幅度补偿值通过下式计算：

其中F_j和F_k为第j号阵列和第k号阵列的天线方向图，(θ_ji,φ_ji)和(θ_ki,φ_ki)为相应天线阵列与成像点方位和俯仰方向夹角，d_ij和d_ik为第i个成像像素点位置分别到第j号阵列和第k号阵列的距离用于补偿电磁波传输过程中因距离产生的幅度衰减。

4.根据权利要求1所述的摄像式毫米波人体安检仪的实时跟踪快速成像方法，其特征在于：所述第四步中，根据近场波束聚焦补偿方法对相关值进行幅度和相位补偿，得到成像面各像素补偿后的基线矩阵V_ij进而运算形成成像面各像素位置对应的亮温T_ij的方法为：

通过对相关值进行幅度和相位补偿为和在此对基线进行编号即第j号阵列和第k号阵列组成的基线编号表示为j＝1,…,m，将幅度和相位补偿表示为和α_ij，它们所对应的基线矩阵V_nm为：

其中R_ij为系统成像获得的相关值，根据综合孔径近场成像原理，对应成像位置的相关值之和的实部作为近场成像的亮温反演结果：

其中T代表目标成像时成像面各像素位置的亮温矩阵，表示为形式，其中T_i,i＝1,…,n代表亮温矩阵中n个像素点中的第i个像素的亮温，V_nm代表基线矩阵，real()是取实部运算符号。