CN110632670A - 一种多频点可重构电磁表面快速成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多频点可重构电磁表面快速成像方法，利用接收信号的宽带信息实现高分辨率的距离向聚焦；通过调控可重构阵列阵元对应二极管的通断状态，完成对电磁波的空间相位调制，实现在聚焦平面上的精确聚焦与快速扫描；本发明提出的宽带的可重构电磁表面阵的电扫描快速成像方法，其实波束扫描成像方式与基于合成孔径技术的成像方式具有显著差异，成像处理方法简洁，避免了以往基于合成孔径技术的安检成像中的复杂运算，兼具高距离分辨率和高方位向分辨率的优点，易于布置，应用环境适用性强，可以实现快速的人体安检，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下的人体安检。

Description

一种多频点可重构电磁表面快速成像方法
技术领域
本发明属于安检技术领域，具体涉及一种基于实波束的可重构电磁表面阵 列的多频点电扫描快速成像方法。
背景技术
近年来，公共安全问题引起国际社会的广泛关注。现阶段的袭击事件主要 发生在机场、地铁、车站、广场等人员密集的场所。因此，公共场所的安检问 题也逐渐成为社会关注的焦点，对安检系统的准确性、实时性、智能化和环境 适用性也提出了更高的要求。
人体安检一直都面临着一些技术难题，传统的安全检测设备如金属探测器、 X光成像设备等均存在一些问题。金属探测器能够检测出人体携带的金属违禁 物品，但不能检测如陶瓷刀、塑胶炸弹等非金属违禁物品，且对违禁物品无法 实现精确定位；X光成像设备可以对携带隐匿物品的人体进行高分辨率成像， 但由于X光具有电离性，并不适用于人体安检成像。
利用毫米波进行安检成像是近几年出现的新型安检技术，其具有如安全性 高、穿透性好、不同材料的电磁散射特性具有差异性等优点，已成为目前人体 安检技术的主流发展方向。
目前，世界上主流的毫米波安检成像系统仍存在不同程度的问题：如美国 L3公司的Provision系列，需要机械扫描，成像速度较慢；德国Rohde&Schwarz 公司的QPS系统，成本较高，信号处理负荷大、时间长；Smith公司的Eqo，需 要被检人员在成像系统前旋转一周，成像速度较慢。目前这些问题使得已有安 检成像系统无法满足国内的高通量安检需求。
可重构天线是一种新型天线，其它经典成熟天线形式都可设计为可重构天 线的一部分，又因其移相原理也可以丰富多样，所以可重构天线种类很多。随 着研究的不断深入，大家对可重构天线的理解也不断加深，虽然国内外关于这 种新型天线的研究起步较晚，但是已经存在的一些性能较为的优秀的低成本天 线的出现表明关于此天线的研究是非常有意义的，同时具有研究价值和应用价 值。
波束可重构天线主要包括两种类型—反射式和透射式阵列天线，这两类天 线的基本工作原理都为：天线阵列表面接收到从空间馈源照射的电磁波，完成 相位的调制，之后再将能量辐射出去。反射式与透射式的主要区别为：经过相 位调制后的电磁波从哪个方向辐射出去，以可重构天线阵面为分界面，若辐射 方向与来波方向在阵面的同一侧则称为反射式天线，若辐射方向与来波方向在 阵面的不同侧则称为透射式天线。
与传统的抛物面天线和微带阵列天线相比，可重构阵列天线吸收了两者的 优点，同时又克服了各自的不足。如采用空间馈电避免了馈线损耗、简化了馈 电设计复杂度；利用平面结构实现了波束聚焦、便于集成和加工；独立的单元 确保了充足的设计自由度及灵活的性能等。这些优点使得此类天线受到人们的 普遍关注。尤其是2000年以来，随着微带印刷技术的成熟和卫星天线需求的 增长，这类高定向性天线开始得到深入研究，并有望成为新一代高定向性天线 的理想选择。在可重构阵列设计中，因为低成本的需求，目前采用的移相器件 大多为已有的集总开关形式，主要包括半导体PIN二极管和变容二极管。目前设计高性能的加载PIN二极管的1比特波束可重构阵列天线仍是一大研究热 点，本发明主要围绕此种天线类型展开。
但已有的基于实波束的方案大多是基于单频点的扫描方法，无法实现距离 向上的高分辨。以传统相控阵天线为例，大部分阵列采用窄带收发的方式，由 于阵列电尺寸对频率变化较为敏感，若工作在宽带多频情况下会在扫描时产生 栅瓣。且传统的相控阵应用场景为远场，只需要测角，并不需要采用宽带多频 相控阵的形式以实现距离向的高分辨。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可重构电磁表面阵列的多频点电扫描 成像方法，可以对人体进行快速扫描成像。
一种多频点可重构电磁表面成像方法，包括如下步骤：
步骤1、确定需要成像的三维成像区域；采用发射天线(2)指向三维成像 区域；所述发射天线(2)可向三维成像区域发射至少两个频点的射频信号；采 用可重构电磁表面阵列(3)接收从三维成像区域的被测物体反射的射频信号； 采用接收馈源(5)接收从可重构电磁表面阵列(3)反射或者透射的射频信号；
步骤2、针对步骤1确定的三维成像区域，从靠近可重构电磁表面阵列(3) 的一侧开始，将该区域切割成多个平行的成像平面；再将每个成像表面划分成 网格，每个网格点作为一个聚焦位置；
步骤3、针对任意一个成像平面上的任意一个网格点(x0,y0,z0)，确定可重构 电磁表面阵列(3)上任意一个可重构单元(1)聚焦到该网格点时，所需的相 位调整状态，具体为：
计算射频信号从发射天线(2)反射开始，依次经过目标平面聚焦点(x0,y0,z0)， 到该可重构单元(1)，最后到接收馈源(5)的路径长度Rtotal(x0,y0,z0)；如果此 时射频信号的频率为fi，则该可重构单元(1)需要补偿的相位为：
Figure BDA0002193949600000031
对该频率fi下需要补偿的相位
Figure BDA0002193949600000032
进行1bit量化，确定可重构单元(1)的实 际所需相移大小，具体为：
先将相位
Figure BDA0002193949600000041
归一化到(-180°,180°]：如果相位
Figure BDA0002193949600000042
在(-180°,0°]内，则该可重构单元(1)实际相移为-180度；如果相位
Figure BDA0002193949600000043
为(0°,180°]内，则该可重构单元(1)实 际相移为0度；
遍历所有射频信号的频点，确定在每个频点下，可重构电磁表面阵列(3) 聚焦到每个网格点时各可重构单元(1)所需的实际相移，并存储；
步骤4、当三维成像区域中出现被测物体时，发射天线(2)发射射频信号； 在每一个射频信号频点下，针对一个网格点，根据步骤3存储的结果，确定可 重构电磁表面阵列(3)上各个可重构单元(1)的实际相移，并依此调整各个 可重构单元(1)的相位，然后接收馈源(5)接收一次射频信号；遍历所有的 频点后，将接收馈源(5)接收的所有射频信号进行求和，则得到一个网格点的 宽带成像结果；
遍历该成像平面上的所有网格点，得到该成像平面的二维成像结果；
遍历所有成像平面后，得到被测物体的三维成像结果。
较佳的，馈源(5)的波束方向指向可重构电磁表面阵列(3)的中心位置。
较佳的，所述发射天线(2)发射的射频信号为等间距步进频信号。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的宽带的可重构电磁表面阵的电扫描快速成像方法，利用接收 信号的宽带信息实现高分辨率的距离向聚焦；通过调控可重构阵列阵元对应二 极管的通断状态，完成对电磁波的空间相位调制，实现在聚焦平面上的精确聚 焦与快速扫描。
本发明提出的宽带的可重构电磁表面阵的电扫描快速成像方法，其实波束 扫描成像方式与基于合成孔径技术的成像方式具有显著差异，成像处理方法简 洁，避免了以往基于合成孔径技术的安检成像中的复杂运算，兼具高距离分辨 率和高方位向分辨率的优点，易于布置，应用环境适用性强，可以实现快速的 人体安检，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下的人体安检。
附图说明
图1是根据本发明的宽带可重构电表面快速成像方法流程图；
图2为本发明的实施例中宽带可重构电表面快速成像系统的整体结构示意 图；
图3为本发明的实施例中单频点可重构电表面快速成像方法的流程图，用 来对比说明宽带可重构电表面快速成像方法中宽带的作用。
图4(a1)、(a2)、(b1)、(b2)为宽带累积算法对宽带可重构电磁表面快速成像 方法结果的影响。其中，图4(a1)和(a2)为单频点可重构电表面快速成像方法成 像结果；图4((b1)、(b2)为本发明所述宽带可重构电表面快速成像方法成像结 果；(a1)、(b1)为目标在成像聚焦平面中心处仿真结果；(a2)、(b2)为目标在成 像聚焦平面处非中心位置仿真结果。
图5(a)、(b)说明可重构电磁表面快速成像方法分别对应于图4(a2)、(b2)在 聚焦平面上的聚焦结果切面图。
其中，1-可重构单元1，2-宽波束发射天线，3-可重构电磁表面阵列，4-几 何中心，5-宽波束接收馈源，6-成像平面。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一种基于宽带可重构电磁表面阵列实波束电扫描成像方法，如图2 所示，采用宽波束发射天线2指向三维成像区域；所述宽波束发射天线2可向 三维成像区域发射至少两个频点的射频信号；采用可重构电磁表面阵列3接收 从三维成像区域的被测物体反射的射频信号；采用宽波束接收馈源5接收从可 重构电磁表面阵列3反射或者透射的射频信号；其中，宽波束接收馈源5的波 束方向指向可重构电磁表面阵列3的几何中心4；可重构电磁表面阵列3上沿着 x轴与z轴(分别对应方位向与高度向)布满了可重构单元1，每一个单元产生 的相位调制由相应的二极管的通断状态控制。成像系统通过调整二极管的通断 来调控可重构单元1的相位，使阵列3的波束聚焦于成像平面6上的某聚焦点。
其中，宽波束发射天线2发射某特定频率射频信号，由于成像距离属于近 场范围，宽波束接收天线5接收由可重构数字电磁表面阵面3反射或透射的射 频信号，经过信号处理系统处理后获得基带复信号。
其中，可重构数字电磁表面阵面3上可重构单元1的通断状态由以下方案 确定：通过计算发射天线到目标平面聚焦点，到可重构阵面上某阵元位置1，最 后到接收天线产生的波程差来获得可重构电表面需要补偿的相位，并用1bit量 化离散的方式获取可重构单元1的通断状态。
本发明通过以下步骤实现对人体的快速高分辨率成像，方案流程如图1所 示：
首先确定聚焦平面的位置z＝z0，然后将该平面上所需成像的区域按照一定 规则划分成像网格，即确定具体聚焦位置，然后计算成像网格内所有网格点从 发射天线到目标平面聚焦点，再到可重构阵面上某阵元位置1，最后到接收天线 这一路径中产生的长度。
不妨令重构阵面所在平面为z＝0，以该聚焦平面上某点(x0,y0,z0)为例，并假 设发射天线位置为(x1,y1,z1)，接收天线位置为(x2,y2,z2)，可重构阵面上某阵元位 置设为(x3,y3,0)，那么可计算得到以下几段路径的长度：发射天线到目标平面聚 焦点距离：
Figure BDA0002193949600000061
目标平面聚焦点到可重构阵面上某 阵元位置1长度：
Figure BDA0002193949600000062
可重构阵面上某阵元位置1到 接收天线长度：
Figure BDA0002193949600000063
那么几段路径的总长度为：
Rtotal＝R1+R2+R3，由于收发发射天线位置与可重构电磁表面位置固定，则仅Rtotal(x0,y0,z0)与聚焦点位置有关。
计算可重构电磁表面二极管的通断状态的基本原则是，二极管产生的相位 调制能恰好补偿上述收发路径Rtotal产生的相位差，使可重构阵列能聚焦于 (x0,y0,z0)。为了使成像结果有一定的距离分辨率，本发明所述的系统采用宽带射 频信号。若该系统的收发射频信号对应的N个频率构成序列：Γ＝{f1,f2,…,fN}(注： 此频率序列可以是非等差数列)，则系统带宽为B＝fN-f1，真空中的光速为c， 则距离分辨率为
Figure BDA0002193949600000071
而若采用单频点信号作为收发射频信号，则由上述分 辨率公式可知道距离向分辨率为无穷大，即缺少距离向分辨能力。实施例中图4 的可重构阵列单频点成像结果与本发明中可重构阵列多频点成像结果充分说明 了本发明所提出的方法可以实现距离向上的高分辨成像。若采用本发明提出的 方法，频率序列中至少需要2个频点的数据。以等间距步进频信号为例，若频 率步进间隔为Δf，由经典距离像成像算法的不模糊距离为即经典距离 像成像算法的结果仅适用于不模糊距离的范围内。可知在条件允许的情况下， 若在分辨率一定的情况下(系统带宽一定)，应保证频点数越多越好，实现更大 的不模糊距离，以保证本算法的聚焦结果。
对于序列Γ中的某一频率fi，在此频率下产生的相位差或通过二极管调制需 要补偿的相位为：
Figure BDA0002193949600000073
对该频率fi下需要补偿的相位
Figure BDA0002193949600000074
进行1bit量化，确定二极管的通断状态。1 比特量化规则为：将单元所需移相量归一化到(-180°,180°]，所需相移为(-180°,0°] 的单元设置为1状态，其实际相移为-180度，所需相移为(0°,180°]的单元设置 为0状态，其实际相移为0度。
需要说明的是，成像网格区域可以提前划分，二极管在不同聚焦点与不同 频率下的相位分布可以提前计算并存储与相应设备中。在应用时应直接从相应 设备中读取，而非实时计算。
之后收发天线收发射频信号序列Γ中某一频率信号fi，针对该频率fi与聚焦 点(x0,y0,z0)，根据上述1bit量化原则改变可重构电表面二极管通断状态，实现同 一像素点处的目标对应的多个传输路径电磁波的同相叠加，完成一次信号采集。
遍历序列Γ中所有频率，利用数字波束合成信号处理技术，对N次采集到的 复信号进行求和，使接收波束在距离向上精确聚焦，得到针对聚焦点(x0,y0,z0)的 成像结果σ(x0,y0,z0)。对于一般的频率序列信号，获得距离像的方法是对此信号 进行逆傅里叶变换且要求此频率序列的频率步进间隔相同。若频率序列不满足 频率步进间隔相同的要求，则缺少快速实现算法。而本发明的应用场景属于近 场范围，接收天线只需聚焦在距离像上某一位置处，故只需计算聚焦位置处聚 焦结果，不需要整个距离像上所有聚焦结果。本发明采用多频叠加的方式实现 聚焦，由于聚焦位置恰好处于多频叠加结果的中心位置处，故多频叠加所需的 权值为单位向量，表现出来实现距离像上聚焦的方法即是对N次采集到的复信 号进行直接求和。看似简单的处理方法背后有多频叠加理论的支撑。
用上述方法遍历聚焦平面z＝z0上所有点，得到二维成像结果。
用上述方案遍历所有成像平面，得到三维成像结果，从而实现对人体各部 分内各区域的高分辨率三维成像。
在本发明所述的近场安检成像场景下，该信号处理方式可使得三维成像的 水平维和垂直维达到较高的分辨率，并实现较高的距离维分辨率，从而实现对 人体一个区域的三维高分辨率成像。
综上所述，通过所述可重构接收阵列天线的宽带，可重构特性实现了对目 标场景的三维高分辨快速成像，从而将快速扫描与高分辨率成像相结合，实现 了低成本，简单易行的成像方法。
本发明提出的实波束电扫描快速成像系统，无机械扫描装置，其实波束扫 描成像方式与基于合成孔径技术的成像方式具有显著差异，其成像处理方案简 洁，避免了以往基于合成孔径技术的安检成像中的复杂运算，并解决了高分辨 率实波束成像与波束扫描时间之间的矛盾，使安检系统实现了快速高分辨率成 像，安检系统兼具高通过率和高分辨率的优点，易于布置，应用环境适用性强， 可以实现不停留的人体安检，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下 的人体安检。
下面详细描述本发明的部分实施例，通过参考附图描述的实施例只是示例 性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例附图中相同的标识应理解为具有相同功能的部件或模块。
在本发明的描述中，描述的方位或位置关系为基于附图所示实施例的方位 或位置关系，而不能理解为所述系统部件或模块必须以上述位置安装或工作， 不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，部件或模块序号的标注是以方便描述为目的，而不能 理解为部件或模块的相对重要性。
在本发明的图例中，接收天线在成像平面同侧，属于可重构反射阵列。本 发明同样可以扩展到接收天线在成像平面异侧的可重构透射阵列。在本发明的 描述中，选择可重构反射阵列是以方便描述为目的，而不能理解为本发明仅适 用于可重构反射阵列。
首先对所述接收阵列天线实现方式为可重构反射阵列情况下的部分实施例 进行说明。
如图2所示，该图为接收阵列天线实现方式为可重构反射阵列情况下，一 个具体实施例中安检系统的整体结构示意图。当检测到被检人员在可检测范围 内时，成像系统划分成像网格，确定聚焦平面及具体聚焦位置，根据相应位置 与射频信号频率从相关存储器中读取可重构阵面各个单元二极管的通断状态， 并写入相应开关。对每个聚焦点遍历所有频率并求和，得到该聚焦点聚焦结果； 用上述方案遍历成像网格中所有点，得到人体的三维像结果。
图4说明宽带累积算法对宽带可重构电磁表面快速成像方法结果的影响。 图4(b1)和图4(b2)中的结果均是由本发明所用方案仿真所得结果。图4(a1)和 4(a2)中的结果是由单频可重构电磁表面快速成像方法结果，即图3方案流程 图所示结果，是本发明的简化版，可理解为用单频点的聚焦结果代替宽带频率 序列信号的遍历过程。
若在成像区域中心位置仅有单点目标，目标位置为(0m,0m)，单频点的仿真 聚焦结果如图4(a1)所示，距离向z无法聚焦，即缺乏距离像分辨能力，无法确 定目标在距离向上的具体位置；而应用本发明中方案仿真聚焦结果如图4(b1)所 示，可以准确判别目标在成像区域的真实位置。
若在成像区域非中心位置仅存在单点目标，目标位置为(0.5m,0.5m)，单频点 的仿真聚焦结果如图4(a2)所示，这次沿着成像点到可重构表面阵列中心的连线 上，即缺乏距离像分辨能力，无法确定目标在此视线方向的具体位置；而应用 本发明中方案仿真聚焦结果如图4(b2)所示，可以准确判别目标在成像区域的真 实位置。
综合图4，本发明中的宽带积累算法保证了高距离分辨率，或视线方向高距 离分辨率的成像效果。
图5(a)、5(b)说明可重构电磁表面快速成像方法垂直于距离向平面上有较高 的波束指向精度。如图5(a)、5(b)所示，给出分别对应了图4(a2)、4(b2)在聚焦 平面上的聚焦结果切面图。为了更清晰地看出算法结果，我们取了-50dB的动态 范围。该图例说明本发明在成像方位向与高度向上有较高的指向精度与分辨能 力。
综上，根据本发明实施例的宽带可重构电表面快速成像方法，具有接收波 束电扫描能力，无机械扫描装置，成像算法简洁，避免了以往基于合成孔径技 术的安检成像中的复杂运算，使安检系统实现了快速高分辨率成像，安检系统 兼具高通过率和高分辨率的优点，且易于布置，应用环境适用性强，可以实现 不停留的人体安检，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下的人体安 检。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多频点可重构电磁表面成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、确定需要成像的三维成像区域；采用发射天线(2)指向三维成像区域；所述发射天线(2)可向三维成像区域发射至少两个频点的射频信号；采用可重构电磁表面阵列(3)接收从三维成像区域的被测物体反射的射频信号；采用接收馈源(5)接收从可重构电磁表面阵列(3)反射或者透射的射频信号；
步骤2、针对步骤1确定的三维成像区域，从靠近可重构电磁表面阵列(3)的一侧开始，将该区域切割成多个平行的成像平面；再将每个成像表面划分成网格，每个网格点作为一个聚焦位置；
步骤3、针对任意一个成像平面上的任意一个网格点(x0,y0,z0)，确定可重构电磁表面阵列(3)上任意一个可重构单元(1)聚焦到该网格点时，所需的相位调整状态，具体为：
计算射频信号从发射天线(2)反射开始，依次经过目标平面聚焦点(x0,y0,z0)，到该可重构单元(1)，最后到接收馈源(5)的路径长度Rtotal(x0,y0,z0)；如果此时射频信号的频率为fi，则该可重构单元(1)需要补偿的相位为：
Figure FDA0002193949590000011
对该频率fi下需要补偿的相位进行1bit量化，确定可重构单元(1)的实际所需相移大小，具体为：
先将相位
Figure FDA0002193949590000013
归一化到(-180°,180°]：如果相位
Figure FDA0002193949590000014
在(-180°,0°]内，则该可重构单元(1)实际相移为-180度；如果相位
Figure FDA0002193949590000015
为(0°,180°]内，则该可重构单元(1)实际相移为0度；
遍历所有射频信号的频点，确定在每个频点下，可重构电磁表面阵列(3)聚焦到每个网格点时各可重构单元(1)所需的实际相移，并存储；
步骤4、当三维成像区域中出现被测物体时，发射天线(2)发射射频信号；在每一个射频信号频点下，针对一个网格点，根据步骤3存储的结果，确定可重构电磁表面阵列(3)上各个可重构单元(1)的实际相移，并依此调整各个可重构单元(1)的相位，然后接收馈源(5)接收一次射频信号；遍历所有的频点后，将接收馈源(5)接收的所有射频信号进行求和，则得到一个网格点的宽带成像结果；
遍历该成像平面上的所有网格点，得到该成像平面的二维成像结果；
遍历所有成像平面后，得到被测物体的三维成像结果。
2.如权利要求1所述的一种多频点可重构电磁表面成像方法，其特征在于，馈源(5)的波束方向指向可重构电磁表面阵列(3)的中心位置。
3.如权利要求1所述的一种多频点可重构电磁表面成像方法，其特征在于，所述发射天线(2)发射的射频信号为等间距步进频信号。
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