CN110609282B - 基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法及装置 - Google Patents

基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法及装置，方法包括：分别对逆傅里叶变换后的基带回波信号和参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域回波向量和空间域参考信号矩阵；提取二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量；构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵；对二维成像平面各分区进行成像；根据二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像。本发明通过提取空间域回波向量中的有脉冲响应的空间域回波向量，剔除噪声，提高了信噪比。此外，二维成像平面区域的划分，使得二维成像平面各区域并行独立成像，解决了太赫兹孔径编码三维目标成像过程中单次成像参考信号矩阵规模过大的问题，提高了计算能力和计算精度。

Description

基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法及装置
技术领域
本发明涉及雷达三维成像技术领域，具体涉及一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法及装置。
背景技术
随着社会的发展，雷达高分辨率成像在确保国家战略安全和促进国民经济发展方面扮演着越来越重要的角色。
太赫兹孔径编码成像借鉴微波关联成像思想，通过阵列编码孔径对太赫兹波束的实时调制来取代微波关联成像中的雷达阵列，实现更复杂多样的空间波调制。相对于传统雷达，太赫兹波具有更高频率和更短波长，使得太赫兹雷达能够提供更大的绝对带宽，在相同孔径天线条件下结合孔径编码技术，更易产生多样性的照射模式和更快的模式切换速度，照射模式越多样则自由度越高，回波中携带的目标信息越丰富，利用回波进行目标高分辨成像的潜力也就越大。
然而，太赫兹孔径编码三维成像主要存在两方面问题。一方面，太赫兹孔径编码成像的计算难度取决于参考信号矩阵的规模大小。相较于二维成像，三维成像参考信号矩阵规模成倍扩张，对计算能力和计算精度提出较高要求。另一方面，真实成像环境噪声大，所以信噪比较低条件下，常规方法难以实现三维高分辨成像。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法及装置。
第一方面，本发明实施例提出一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法，包括：
对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量；
对逆傅里叶变换后的参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵；
基于所述空间域回波向量提取二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量；
基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵；
根据所述有脉冲响应的空间域回波向量和所述与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，对所述二维成像平面各分区进行成像；
根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像。
可选地，所述基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，具体包括：
根据提取的所述二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量在所述空间域回波向量中的行坐标位置，提取所述空间域参考信号矩阵的行向量，得到与所述有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵。
可选地，所述对所述二维成像平面各分区进行成像，具体包括：
命名三维目标的其中一个二维成像平面分区为xa，利用模型：
Sr″xa＝S″xaβxa+w″xa
Figure GDA0002652546470000021
对所述二维成像平面各分区并行独立成像；其中，所述二维成像平面分区为xa，xa∈{x1,x2,x3,x4}，Sr″xa、S″xa、βxa和w″xa分别为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量、空间域参考信号矩阵、目标散射系数向量和噪声向量；Nxa为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量长度，Kxa为所述二维成像平面分区xa的剖分网格单元数目。
可选地，所述根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像，具体包括：
根据所述二维成像平面各分区的成像，采用压缩感知算法进行三维目标成像。
可选地，所述对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量之前，所述三维目标成像方法还包括：
根据发射信号和三维目标的目标散射系数，确定回波信号；
对所述回波信号和太赫兹孔径编码收发天线内部的本振信号进行混频处理，得到基带回波信号；
对所述基带回波信号进行逆傅里叶变换，得到逆傅里叶变换后的基带回波信号。
第二方面，本发明实施例还提出一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像装置，包括：向量得到模块、矩阵得到模块、向量提取模块、矩阵构造模块、二维成像模块及三维成像模块；
所述向量得到模块，用于对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量；
所述矩阵得到模块，用于对逆傅里叶变换后的参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵；
所述向量提取模块，用于基于所述空间域回波向量提取二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量；
所述矩阵构造模块，用于基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵；
所述二维成像模块，用于根据所述有脉冲响应的空间域回波向量和所述与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，对所述二维成像平面各分区进行成像；
所述三维成像模块，用于根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像。
可选地，所述矩阵构造模块，具体用于：
根据提取的所述二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量在所述空间域回波向量中的行坐标位置，提取所述空间域参考信号矩阵的行向量，得到与所述有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵。
可选地，所述二维成像模块，具体用于：
命名三维目标的其中一个二维平面分区为xa，利用模型：
Sr″xa＝S″xaβxa+w″xa
Figure GDA0002652546470000041
对所述二维成像平面各分区并行独立成像；其中，所述二维成像平面分区为xa，xa∈{x1,x2,x3,x4}，Sr″xa、S″xa、βxa和w″xa分别为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量、空间域参考信号矩阵、目标散射系数向量和噪声向量；Nxa为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量长度，Kxa为所述二维成像平面分区xa的剖分网格单元数目。
第三方面，本发明实施例还提出一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述方法。
第四方面，本发明实施例还提出一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序使所述计算机执行上述方法。
由上述技术方案可知，本发明实施例通过后向投影方法得到空间域回波向量。进一步提取空间域回波向量中的有脉冲响应的空间域回波向量，剔除无脉冲响应的空间域回波向量，即剔除噪声，提高了信噪比。此外，二维成像平面区域的划分，使得二维成像平面各区域并行独立成像，解决了太赫兹孔径编码三维成像过程中单次成像参考信号矩阵规模过大的问题，提高了计算能力和计算精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维目标成像示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法的流程示意图；
图3为本发明一实施例提供的基于后向投影的空间域回波向量提取和参考信号矩阵构造示意图；
图4(a)-(i)分别为本发明一实施例提供的不同信噪比下成像结果的对比示意图；
图5(a)-(b)分别为本发明一实施例提供的不同信噪比下RIE和PSI的对比示意图；
图6为本发明一实施例提供的一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像装置的结构示意图；
图7为本发明一实施例提供的电子设备的逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
目前，孔径编码成像借鉴微波关联成像思想，通过阵列编码孔径对太赫兹波束进行实时编码调制，从而形成时-空二维随机分布的辐射场，最后利用探测回波和辐射场参考信号矩阵通过矩阵方程求解的方式实现高分辨、前视和凝视成像，弥补了合成孔径高分辨成像依赖目标运动的不足。但是孔径编码三维成像存在计算复杂度高和信噪比较低两个问题：(1)三维成像网格分辨单元规模庞大，联合重构计算负担重，常规算力难以求解；(2)实际成像信号微弱，噪声突出，低信噪比下三维目标重构精度较低。因此，本发明提出了一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法，如图1所示为基于后向投影的太赫兹孔径编码三维目标成像示意图，图中大写字母A-G分别为计算控制系统、单发多收阵列孔径编码收发天线、发射阵元、接收阵元、发射信号、回波信号和三维成像区域，x轴为经过编码孔径水平方向中心平分线的轴线，y轴为经过编码孔径竖直方向中心平分线的轴线，坐标中心o在编码孔径中心位置，z轴为经过太赫兹发射天线和阵列孔径编码天线中心的轴线。为表述形象，这里将三维成像区域表示成1和2两个成像平面，每个成像平面划分成四个平面分区，实际应用中三维成像并不限于两个成像平面和四个平面分区。在太赫兹孔径编码成像体制下，本发明首先对太赫兹时域回波信号进行处理得到一维距离像，提取存在目标散射的距离域回波，本发明核心在于采用后向投影方法将距离域回波投影到对应距离单元的二维成像平面切片上，然后根据平面目标散射情况提取各分区对应的空间域回波，最后采用压缩感知等算法进行目标重构，最后合并各平面分区得到三维高分辨成像结果。本发明可对低信噪比条件下的三维目标实现高帧频、高分辨成像，可应用于安检与反恐、目标探测与识别等近距成像领域。
在本发明实施例中，不同于传统的孔径编码成像体制，BP-TCAI(基于后向投影的太赫兹孔径编码成像)的阵列孔径编码天线由单个发射阵元和多个接收阵元构成，其成像体制基于接收端编码，因此不会影响成像距离。天线中心的方形框表示唯一的发射阵元，其他灰度的圆形表示编码天线上的接收阵列，不同灰度的接收阵元表示随机的幅度或相位调制。计算控制系统同时控制单发射阵元发射太赫兹波，和接收阵元接收多组回波向量，并分别进行幅度或相位调制。
在此需要说明的是，本发明实施例将基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像统一缩写为BP-TCAI；将基于距离域切片的太赫兹孔径编码三维成像统一缩写为RD-TCAI；将基于时间域回波的太赫兹孔径编码三维成像统一缩写为TD-TCAI。
图2示出了本实施例提供的一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法的流程示意图，包括：
S21，对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量。
其中，所述基带回波信号是回波信号和本振信号经过混频处理后得到的。所述本振信号存在于太赫兹孔径编码收发天线中。所述回波信号根据发射信号和三维目标的目标散射系数确定。所述发射信号为发射阵元发出的信号。
所述空间域回波向量为逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理得到的空间域的回波信号。具体地，在对三维目标进行成像时，获得逆傅里叶变换后的基带回波信号后，为了得到空间域回波向量，对该逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影。由后向投影结果确定出空间域回波向量。
S22，对逆傅里叶变换后的参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵。
其中，根据参考信号可以确定出参考信号矩阵，参考信号矩阵的每个维度代表一个参考信号。然后对参考信号矩阵进行逆傅里叶变换。再对逆傅里叶变换后的参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵。
S23，基于所述空间域回波向量提取二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量。
其中，二维成像平面及二维成像平面各分区如图1中的G所示。在本发明实施例中，在已知空间域回波向量的情况下，提取二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量，剔除无脉冲响应的空间域回波向量，即剔除了噪声，提高了信噪比。
S24，基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵。
在本发明实施例中，具体地，在已知有脉冲响应的空间域回波向量和空间域参考信号矩阵的情况下，构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵。
S25，根据所述有脉冲响应的空间域回波向量和所述与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，对所述二维成像平面各分区进行成像。
在本发明实施例中，二维成像平面各分区可以并行独立成像。如图1所示每个二维成像平面划分出四个分区。在此需要说明的是，二维成像平面划分出的分区包括但不限于四个分区。
S26，根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像。
在二维成像平面各分区已经成像的基础上，可以利用诸如正交匹配追踪方法、稀疏贝叶斯学习方法等压缩感知算法进行三维目标成像。
本发明实施例通过后向投影方法得到空间域回波向量。进一步提取空间域回波向量中的有脉冲响应的空间域回波向量，剔除无脉冲响应的空间域回波向量，即剔除噪声，提高了信噪比。此外，二维成像平面区域的划分，使得二维成像平面各区域并行独立成像，解决了太赫兹孔径编码三维成像过程中单次成像参考信号矩阵规模过大的问题，提高了计算能力和计算精度。
进一步地，在上述方法实施例的基础上，上述S21之前，所述基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法还包括：根据发射信号和三维目标的目标散射系数，确定回波信号；对所述回波信号和太赫兹孔径编码收发天线内部的本振信号进行混频处理，得到基带回波信号；对所述基带回波信号进行逆傅里叶变换，得到逆傅里叶变换后的基带回波信号。具体而言，在本发明实施例中，接收阵元仅调制回波相位，首先太赫兹孔径编码发射阵元发射信号直接照射三维成像区域，发射信号为线性调频信号：
st(t)＝exp[j2πf·t] (1)
f＝f0+0.5γt是信号频率，f0和γ分别是信号中心频率和调频率。
然后发射信号和三维目标的目标散射系数卷积作用后的反射信号表达式为：
Figure GDA0002652546470000091
to,k是发射阵元和第k个网格单元之间的时延。
随后到达第i个接收阵元的回波信号是：
Figure GDA0002652546470000092
Figure GDA0002652546470000093
是t时刻第i个接收阵元处的相位调制项，to,k,i是经过单发射阵元，第k个网格单元，最后到第i个接收阵元的总时延。
最后回波信号和本振信号混频处理后搬移到基带，得到基带回波信号表示为：
Figure GDA0002652546470000101
本发明实施例将回波信号与本振信号混频处理得到基带回波信号，用于后续的逆傅里叶变换。具体而言，
对基带回波信号进行逆傅里叶变换：
Figure GDA0002652546470000102
IFSrBP(ft,i)是srbase(t,i)的逆傅里叶变换，
Figure GDA0002652546470000103
表示逆傅里叶变换运算，IFSrBP(ft,i)是第i个接收阵元对应的一维距离像。
本发明实施例通过将回波信号与本振信号进行混频处理，得到基带回波信号，降低了回波信号的频率，使得太赫兹孔径编码收发天线接收端可以接收回波信号。
在此需要说明的是，对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理后，可得到空间域回波向量。具体而言，
根据后向投影原理，第k个网格单元处的后向投影结果为：
Figure GDA0002652546470000104
Figure GDA0002652546470000105
是第k个网格单元和第i个接收阵元的相位补偿项。fc是中心相位补偿项。BSr(k)是第k个网格单元处的目标散射系数，BSr(k)通过将所有接收阵元的I个一维距离像相干叠加获取。
根据一维距离像结果，可知三维成像区域有两个二维成像平面，如图1所示。
下面回到基于距离域切片和平面分区联合重构的太赫兹孔径编码三维成像体制，由后向投影方法对应成像平面x的空间域回波向量Sr″x形式为：
Sr″x＝[BSr(1),…,BSr(kx),…,BSr(Kx)]T (7)
进一步地，在上述方法实施例的基础上，对参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵。具体而言，首先定义对应第i个接收阵元和第kx个网格单元的参考信号为：
Figure GDA0002652546470000111
参考信号矩阵S″x的第kx列，S″kx通过以下处理获得：
Figure GDA0002652546470000112
Figure GDA0002652546470000113
S″kx＝[BS(1,kx),…,BS(km,kx),…,BS(Kx,kx)]T (11)
BS(km,kx)是列向量S″kx第km行的参考信号，S″kx是参考信号矩阵S″x第kx列的列向量，其中km＝1,2,…,Kx；kx＝1,2,…,Kx。
Figure GDA0002652546470000114
是第km个网格单元和第i个接收阵元的相位补偿项。
Figure GDA0002652546470000115
是经过单发射阵元，第km个网格单元，最后到第i个接收阵元的总时延。
最终回波向量Sr″x对应的空间域参考信号矩阵S″x表达式为：
S″x＝[S′1,…,S″kx,…,S″Kx]T (12)
本发明实施例通过对参考信号进行逆傅里叶变换，再对逆傅里叶变换后的参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵。
进一步地，在上述方法实施例的基础上，所述基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，具体包括：根据提取的所述二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量在所述空间域回波向量中的行坐标位置，提取所述空间域参考信号矩阵的行向量，得到与所述有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵。具体而言，如图3所示，已知Sr″x和S″x分别表示经过后向投影处理后的空间域回波向量和空间域参考信号矩阵。图1中每个二维成像平面包含四个分区，各分区编号为x1，x2，x3和x4。从Sr″x中抽取对应各分区的四组有脉冲响应的空间域回波向量：Sr″x1，Sr″x2，Sr″x3和Sr″x4，如图2所示。由于目标散射作用，四组空间域回波向量会以脉冲响应形式聚集在一起。实际成像过程中不止四个平面分区，需根据实际散射情况和计算简便划分。此外，标记四组空间域回波向量Sr″x1，Sr″x2，Sr″x3和Sr″x4在总回波向量，即经过后向投影处理后的空间域回波向量Sr″x中的行坐标位置为rx1，rx2，rx3和rx4。Kx1，Kx2，Kx3和Kx4是平面分区1-4的剖分网格单元数目。假设均匀剖分二维成像平面x，则参考信号矩阵S″x即可按列均匀分割成四组参考信号矩阵：
Figure GDA0002652546470000128
和
Figure GDA0002652546470000129
四组参考信号矩阵
Figure GDA0002652546470000122
和
Figure GDA0002652546470000127
和总回波向量Sr″x的行数相同，分别利用rx1，rx2，rx3和rx4提取
Figure GDA0002652546470000124
Figure GDA0002652546470000125
和
Figure GDA0002652546470000126
中的对应行向量，得到对应空间域回波向量Sr″x1，Sr″x2，Sr″x3和Sr″x4的空间域参考信号矩阵S″x1，S″x2，S″x3和S″x4。
本发明实施例通过构造二维成像平面各分区中与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，减小了参考信号矩阵规模，提高了计算能力和计算精度。
进一步地，在上述方法实施例的基础上，所述对所述二维成像平面各分区进行成像，具体包括：
命名三维目标的其中一个二维成像平面分区为xa，利用模型：
Sr″xa＝S″xaβxa+w″xa
Figure GDA0002652546470000121
对所述二维成像平面各分区并行独立成像；其中，所述二维成像平面分区为xa，xa∈{x1,x2,x3,x4}，Sr″xa、S″xa、βxa和w″xa分别为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量，空间域参考信号矩阵，目标散射系数向量和噪声向量。Nxa为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量长度，Kxa为所述二维成像平面分区xa的剖分网格单元数目。
本发明实施例通过对二维成像平面各分区并行独立成像，提高了成像速度。
进一步地，在上述方法实施例的基础上，所述根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像，具体包括：
根据所述二维成像平面各分区的成像，利用诸如正交匹配追踪方法、稀疏贝叶斯学习方法等压缩感知算法，求解出βxa，即为三维目标成像结果。
本发明实施例在二维成像平面各分区已成像的基础上进行三维目标成像，提高了合成三维目标成像的速度。
进一步地，在上述方法实施例的基础上，举例说明本发明实施例中的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像的具体过程。具体过程如下：
采用如图1所示的单发多收太赫兹孔径编码成像体制编码孔径天线阵列规模为50×50，尺寸为0.5m×0.5m；二维成像平面划分为60×60个网格，每个二维成像平面包含四个平均划分的平面分区，平面分区网格单元数目是30×30，单个网格单元的尺寸为2.5mm×2.5mm；太赫兹信号带宽为20GHz，载频为340GHz，脉冲宽度为100ns；在距离1.5m和3m处的二维平面上分别放置成像目标。分别采用本技术发明的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法(BP-TCAI)、基于时间域回波的太赫兹孔径编码三维成像方法(TD-TCAI)和基于距离域切片的太赫兹孔径编码三维成像方法(RD-TCAI)，在不同信噪比下进行仿真成像对比，成像结果如图4所示。图4(a-c)分别是TD-TCAI在30dB，0dB和-30dB的成像结果；图4(d-f)分别是RD-TCAI在30dB，0dB和-30dB的成像结果；图4(g-i)分别是BP-TCAI在30dB，0dB和-30dB的成像结果。如图4(a)、(d)和(g)，
Figure GDA0002652546470000131
三种成像算法都能够重构三维目标。SNR＝0dB，如图4(b)、(e)和(h)，虽然RD-TCAI和BP-TCAI能精确重构目标，但是TD-TCAI的重构目标存在背景噪声。如图4(c)所示-30dB条件下，TD-TCAI在三维成像区域解析出杂乱无序的散射点。而RD-TCAI和BP-TCAI在-30dB下的成像效果很难由图4(f)和(i)判别优劣，两者都能解析出三维目标散射信息。下面继续采用相对成像误差(RIE)和成像成功概率(PSI)比较BP-TCAI，TD-TCAI和RD-TCAI的成像精度。
图5对比了BP-TCAI，RD-TCAI和TD-TCAI的RIE和PSI。○、▽和◇分别表示BP-TCAI，RD-TCAI和TD-TCAI的RIE或PSI值。如图5(a)和(b)中的◇，TD-TCAI在不同信噪比(SNR)下RIE始终最高，PSI一直最小，表明TD-TCAI在三种成像方法中成像效果最差。对比图5(a)和(b)中的○和▽，两条线代表的数值比较接近，BP-TCAI的RIE值稍低于RD-TCAI，PSI值略高于RD-TCAI。综合比较，BP-TCAI在三个成像方法中成像性能最好，成像效果稍优于RD-TCAI，但是由于参考信号矩阵规模差异，BP-TCAI的成像效率要高于RD-TCAI。
和TD-TCAI和RD-TCAI相比，BP-TCAI在所有信噪比条件下都能实现高分辨成像。另外采样时间和网格单元数目相同时，TD-TCAI、RD-TCAI和BP-TCAI的参考信号矩阵尺寸分别是7200×7200，3600×3600和900×900,所以从TD-TCAI到RD-TCAI，再到BP-TCAI的计算复杂度逐步降低。
图6示出了本实施例提供的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像装置的结构示意图，所述装置包括：向量得到模块61、矩阵得到模块62、向量提取模块63、矩阵构造模块64、二维成像模块65及三维成像模块66；
所述向量得到模块61，用于对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量；
所述矩阵得到模块62，用于对逆傅里叶变换后的参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵；
所述向量提取模块63，用于基于所述空间域回波向量提取二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量；
所述矩阵构造模块64，用于基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵；
所述二维成像模块65，用于根据所述有脉冲响应的空间域回波向量和所述与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，对所述二维成像平面各分区进行成像；
所述三维成像模块66，用于根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像。
可选地，所述矩阵构造模块64，具体用于：
根据提取的所述二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量在所述空间域回波向量中的行坐标位置，提取所述空间域参考信号矩阵的行向量，得到与所述有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵。
可选地，所述二维成像模块65，具体用于：
命名三维目标的其中一个二维平面分区为xa，利用模型：
Sr″xa＝S″xaβxa+w″xa
Figure GDA0002652546470000151
对所述二维成像平面各分区并行独立成像；其中，所述二维成像平面分区为xa，xa∈{x1,x2,x3,x4}，Sr″xa、S″xa、βxa和w″xa分别为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量、空间域参考信号矩阵、目标散射系数向量和噪声向量；Nxa为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量长度，Kxa为所述二维成像平面分区xa的剖分网格单元数目。
本发明实施例所述的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图7为本发明一实施例提供的电子设备的逻辑框图；所述电子设备，包括：处理器(processor)71、存储器(memory)72和总线73；
其中，所述处理器71和存储器72通过所述总线73完成相互间的通信；所述处理器71用于调用所述存储器72中的程序指令，以执行上述方法实施例所提供的方法。
本发明实施例还提出一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，所述计算机程序使所述计算机执行上述方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法，其特征在于，基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像体制包括计算控制系统、单发多收阵列孔径编码收发天线、发射阵元、接收阵元、发射信号、回波信号和三维成像区域；所述基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法包括：
对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量；
对逆傅里叶变换后的参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵；
基于所述空间域回波向量提取二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量，剔除无脉冲响应的空间域回波向量；
基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵；
根据所述有脉冲响应的空间域回波向量和所述与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，对所述二维成像平面各分区进行成像；
根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像；
所述对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量之前，所述基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像还包括：
根据发射信号和三维目标的目标散射系数，确定回波信号；
对所述回波信号和太赫兹孔径编码收发天线内部的本振信号进行混频处理，得到基带回波信号；
对所述基带回波信号进行逆傅里叶变换，得到逆傅里叶变换后的基带回波信号。
2.根据权利要求1所述的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法，其特征在于，所述基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，具体包括：
根据提取的所述二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量在所述空间域回波向量中的行坐标位置，提取所述空间域参考信号矩阵的行向量，得到与所述有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵。
3.根据权利要求1所述的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法，其特征在于，所述对所述二维成像平面各分区进行成像，具体包括：
命名三维目标的其中一个二维成像平面分区为xa，利用模型：
Sr″xa＝S″xaβxa+w″xa
Figure FDA0002652546460000021
对所述二维成像平面各分区并行独立成像；其中，所述二维成像平面分区为xa，xa∈{x1,x2,x3,x4}，Sr″xa、S″xa、βxa和w″xa分别为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量、空间域参考信号矩阵、目标散射系数向量和噪声向量；Nxa为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量长度，Kxa为所述二维成像平面分区xa的剖分网格单元数目。
4.根据权利要求1所述的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法，其特征在于，所述根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像，具体包括：
根据所述二维成像平面各分区的成像，采用压缩感知算法进行三维目标成像。
5.一种基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像装置，其特征在于，基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像体制包括计算控制系统、单发多收阵列孔径编码收发天线、发射阵元、接收阵元、发射信号、回波信号和三维成像区域；所述基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像装置包括：向量得到模块、矩阵得到模块、向量提取模块、矩阵构造模块、二维成像模块及三维成像模块；
所述向量得到模块，用于对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量；
所述矩阵得到模块，用于对逆傅里叶变换后的参考信号矩阵进行后向投影处理，得到空间域参考信号矩阵；
所述向量提取模块，用于基于所述空间域回波向量提取二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量，剔除无脉冲响应的空间域回波向量；
所述矩阵构造模块，用于基于所述空间域参考信号矩阵构造与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵；
所述二维成像模块，用于根据所述有脉冲响应的空间域回波向量和所述与有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵，对所述二维成像平面各分区进行成像；
所述三维成像模块，用于根据所述二维成像平面各分区的成像进行三维目标成像；
所述向量得到模块还用于在对逆傅里叶变换后的基带回波信号进行后向投影处理，得到空间域回波向量之前，根据发射信号和三维目标的目标散射系数，确定回波信号；对所述回波信号和太赫兹孔径编码收发天线内部的本振信号进行混频处理，得到基带回波信号；对所述基带回波信号进行逆傅里叶变换，得到逆傅里叶变换后的基带回波信号。
6.根据权利要求5所述的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像装置，其特征在于，所述矩阵构造模块，具体用于：
根据提取的所述二维成像平面各分区的有脉冲响应的空间域回波向量在所述空间域回波向量中的行坐标位置，提取所述空间域参考信号矩阵的行向量，得到与所述有脉冲响应的空间域回波向量对应的空间域参考信号矩阵。
7.根据权利要求5所述的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像装置，其特征在于，所述二维成像模块，具体用于：
命名三维目标的其中一个二维成像平面分区为xa，利用模型：
Sr″xa＝S″xaβxa+w″xa
Figure FDA0002652546460000041
对所述二维成像平面各分区并行独立成像；其中，所述二维成像平面分区为xa，xa∈{x1,x2,x3,x4}，Sr″xa、S″xa、βxa和w″xa分别为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量、空间域参考信号矩阵、目标散射系数向量和噪声向量；Nxa为所述二维成像平面分区xa对应的空间域回波向量长度，Kxa为所述二维成像平面分区xa的剖分网格单元数目。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一所述的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一所述的基于后向投影的太赫兹孔径编码三维成像方法。
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