CN111896951B

CN111896951B - 一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法

Info

Publication number: CN111896951B
Application number: CN202010800545.6A
Authority: CN
Inventors: 杨琪; 张野; 江新瑞; 邓彬; 王宏强
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2040-08-11
Also published as: CN111896951A

Abstract

本申请涉及一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法。所述方法包括：在柱坐标系下获取回波信号，从回波信号的距离像序列中得到被检目标的回波信号及对应的空间波数谱，将空间波数谱沿高度轴和距离轴分解，获得柱坐标系下发射信号各频点的单频三维成像数据，通过相参累加得到柱坐标目标三维成像数据，将其重构为直角坐标目标三维成像数据，获取柱坐标或直角坐标下的目标三维成像数据的三维点云数据并将其重构为对应的目标三维表面。上述方法在柱坐标系下直接得到三维成像结果，避免了从柱坐标到直角坐标的空间波数谱域转换操作引入的精度损失，能一次得到目标全方位的高质量成像结果；还可设置成像范围，提高成像效率。

Description

一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法

技术领域

本申请涉及雷达信号处理技术和雷达成像技术领域，特别是涉及一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法。

背景技术

毫米波通常指频率在30GHz到300GHz(对应波长1mm-10mm)之间的电磁波。相比于微波以及更低频段的电磁波，毫米波雷达具有载频更高、波长更短、更容易提供大带宽的特点，因此其成像结果具有更高的距离分辨率和方位分辨率，在安全检查、无损探测等领域具有重大的应用前景。目前使用的毫米波成像系统，按照其几何结构主要可以分为两大类，即平面全息成像系统和柱面全息成像系统。其中，柱面全息成像系统采用毫米波雷达阵列，绕目标旋转一周并获取回波数据，因此可以获得被检目标360度的全方位散射信息，从而实现目标的整体三维重构。

目前，毫米波柱面全息成像系统采用的主要成像算法都是在直角坐标系下进行的。最早的毫米波柱面全息成像算法首先对回波进行角度维度

和高度维度(z方向)的二维FFT(快速傅里叶变换)得到S(k,ξ,k_z)，随后补偿相位因子

再执行关于ξ的一维IFFT(快速逆傅里叶变换)得到空间三维波数谱域F_σ(k,θ,k_z)，也可以表示为F_σ(k_rcosθ,k_rsinθ,k_z)。由于k_x＝k_rcosθ，k_y＝k_rsinθ是非均匀分布的，采用stolt插值实现柱坐标系到直角坐标系的波数域转换得到F_σ(k_x,k_y,k_z)，最后对三维均匀分布的波数谱进行三维IFFT即可得到人体目标的三维成像结果σ(x,y,z)。为了避免空间波数谱域插值运算带来的计算误差，专利“近距离主动式毫米波圆柱扫描成像系统的免插值重构方法”，CN103630907B，提供了一种毫米波柱面全息成像系统的免插值重构方法。该方法通过构建三维的NUFFT矩阵，将其应用到借助空间频率内插的数字重建算法中，可以直接由非均匀的F_σ(k_rcosθ,k_rsinθ,k_z)计算得到σ(x,y,z)，实现了重构过程中计算误差的减小以及计算时间的减少，能够有效的提高成像系统的成像质量以及减少系统的计算时间。但是本质上，NUFFT是将插值和FFT同时实现的过程。

在直角坐标系下将空间三维波数域转换到目标空间三维坐标分布的成像方式存在一定的缺陷。在小角度情况下，对于固定的k_z，空间波数谱域近似矩形形状，此时stolt等插值方式或者NUFFT能够保证柱坐标系到直角坐标系的空间波数谱域转换的精度，几乎不会对成像质量产生影响。然而随着角度的增大，直角坐标系的空间谱域逐渐变成圆环状，此时插值和NUFFT的转换精度会受到一定的影响，容易引入非理想的直流分量和其他频率分量，进而恶化系统的成像质量；因此，为了保证插值和NUFFT的精度，空间波数谱域插值的密度较高，此时会导致水平方向成像范围较大，降低算法的运行效率，并且引入不感兴趣的非目标成像区域。此外，直角坐标算法的三维成像结果不易提取目标表面的点云分布数据，难以实现目标的三维重构。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够保证柱坐标系到直角坐标系的空间波数谱域转换的精度，提高运算效率的一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法。

一种毫米波柱面全息安检成像系统的三维成像与重构方法，所述方法包括：

在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号。柱坐标系的高度轴与毫米波柱面全息成像系统的柱面的中轴线重合。

计算回波信号对应的距离像序列，根据预设的距离轴坐标值范围从距离像序列中得到被检目标在该柱坐标系下的目标回波信号。

根据目标回波信号获得对应的空间波数谱，将空间波数谱沿该柱坐标系的高度轴和距离轴分解，在该柱坐标系下获得发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据。

根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据。

根据柱坐标目标三维成像数据或直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云数据，对三维点云数据进行去噪处理后重构为对应的目标三维表面。

其中一个实施例中，计算回波信号对应的距离像序列，根据预设的距离轴坐标值范围从距离像序列中得到被检目标在该柱坐标系下的目标回波信号的步骤包括：

对回波信号进行频率维度的IFFT计算，得到对应的距离像序列。

根据预设的距离轴坐标值范围生成矩形窗滤波函数，使用矩形窗滤波函数对距离像序列进行滤波，得到对应的目标区域数据。

对目标区域数据进行距离维度的FFT计算，得到被检目标在柱坐标系下的目标回波信号。

其中一个实施例中，根据目标回波信号获得对应的空间波数谱，将空间波数谱沿该柱坐标系的高度轴和距离轴分解，在该柱坐标系下获得发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据的步骤包括：

在柱坐标系下对目标回波信号进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，得到空间波数谱。

获取该发射信号的每个频点对应的空间波数谱，进行角度维度的匹配滤波计算、角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，在柱坐标系下获得该发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据。

将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据。

其中一个实施例中，将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据的步骤包括：

获取预设的成像区域内的单频三维成像数据，成像区域的距离轴坐标在预设的距离轴坐标值范围内。

将获取到的单频三维成像数据进行相参累加，得到预设的成像区域内的柱坐标目标三维成像数据。

其中一个实施例中，根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据的步骤包括：

根据柱坐标系和直角坐标系的转换关系，得到直角坐标值范围对应的柱坐标值范围。

对柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据在水平平面方向进行二位线性插值，得到直角坐标系下的直角坐标目标三维成像数据。

获取柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据强散射点获得直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据；或者获取直角坐标值范围内的直角坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据强散射点获得直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据。

其中一个实施例中，在柱坐标系下对目标回波信号进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，得到空间波数谱的步骤包括：

在柱坐标系下对空间波数谱补偿角度匹配滤波因子的复共轭，进行角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，得到经过角度维度FFT计算和高度维度IFFT计算后的三维成像数据。

一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构装置，其特征在于，所述装置包括：

回波信号接收模块，用于在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号。柱坐标系的高度轴与毫米波柱面全息成像系统的柱面的中轴线重合。

目标回波获取模块，用于计算回波信号对应的距离像序列，根据预设的距离轴坐标值范围从距离像序列中得到被检目标在该柱坐标系下的目标回波信号。

柱坐标目标三维成像模块，用于根据目标回波信号获得对应的空间波数谱，将空间波数谱沿该柱坐标系的高度轴和距离轴分解，在该柱坐标系下获得发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据。

直角坐标目标三维成像模块，用于根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据。

目标三维重构模块，用于根据所述柱坐标目标三维成像数据或直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云数据，对所述三维点云数据进行去噪处理后重构为对应的目标三维表面。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

根据柱坐标目标三维成像数据或者直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云分布数据并进行点云去噪处理，将三维点云数据重构为对应的目标三维表面。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

根据柱坐标目标三维成像数据或者直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云分布数据并进行点云去噪处理，将所述三维点云数据重构为对应的目标三维表面。

上述一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法、装置、计算机设备和存储介质，在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号，从回波信号对应的距离像序列中得到被检目标的目标回波信号并获得对应的空间波数谱，将空间波数谱沿高度轴和距离轴分解，在柱坐标系下获得发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，通过相参累加得到对应的柱坐标目标三维成像数据。根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据。根据柱坐标目标三维成像数据或直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云数据，对三维点云数据进行去噪处理后重构为对应的目标三维表面。上述方法、装置、计算机设备和存储介质避免了从柱坐标到直角坐标的空间波数谱域转换操作，在柱坐标系的回波模型下直接得到三维成像结果，不存在任何的空间波数域的精度损失，不会影响成像的精度，可以通过一次处理得到目标360度的高质量成像结果。此外，还可以通过设置距离轴坐标值范围，对任意感兴趣区域进行成像，提高算法运行效率。

附图说明

图1为一个实施例中一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法的应用场景图；

图2为一个实施例中一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法的流程示意图；

图3为一个实施例中一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法步骤的流程示意图；

图4为直角坐标算法基于108度目标回波数据的二维和三维成像结果图；

图5为一个实施例中一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法基于108度目标回波数据的柱坐标二维和三维成像结果图；

图6为一个实施例中一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法基于108度目标回波数据的直角坐标二维和三维成像结果图；

图7为直角坐标算法基于360度目标回波数据的二维和三维成像结果图；

图8为一个实施例中一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法基于360度目标回波数据的柱坐标二维和三维成像结果图；

图9为一个实施例中一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法基于360度目标回波数据的直角坐标二维和三维成像结果图；

图10为根据一个实施例中一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法的成像结果获取的目标三维点云及对应的三维重构表面示意图；

图11为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供的一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。系统沿竖直方向设置毫米波雷达及其接收天线阵列，阵列可以围绕设备的中轴线进行360度扫描，在扫描过程中实时接收位于柱体内部的被检目标的散射回波。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法，以该方法应用于图1中的毫米波柱柱面全息成像系统为例进行说明，包括以下步骤：

步骤202：在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号。柱坐标系的高度轴与毫米波柱面全息成像系统的柱面的中轴线重合。

具体地，以毫米波柱面全息成像系统的柱面的中轴线为高度轴(z轴)，从中轴线到阵列旋转柱面的垂线方向为距离轴(r轴)建立柱坐标系，如图1所示。毫米波天线阵列沿着半径为R₀的柱面进行360度扫描时，实时获取的目标散射回波可以表示为S(k,θ,Z)，其中k＝2πf/c，f为系统工作频率，c为光速。当雷达在宽带条件下工作时，其发射信号包括多个频点，回波S(k,θ,Z)为三维矩阵。

步骤204：计算回波信号对应的距离像序列，根据预设的距离轴坐标值范围从距离像序列中得到被检目标在该柱坐标系下的目标回波信号。

根据回波信号可以得到对应的距离像序列，可以根据目标的空间位置范围或需要成像的范围，设置对应的距离轴坐标值范围，仅获取该范围内的回波信号，将其作为目标信号进行后续处理。

步骤206：根据目标回波信号获得对应的空间波数谱，将空间波数谱沿该柱坐标系的高度轴和距离轴分解，在该柱坐标系下获得发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据。

将目标信号在柱坐标系下沿着高度轴和距离轴进行球面波向平面波的分解，获得对应的空间波数谱，沿着方位向补偿匹配滤波因子，在成像空间内积分，获得由空间波数谱域变换为空间域的柱坐标系下发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据。由于空间波数谱是在柱坐标系下建立的，其分解也在同一个柱坐标系下进行，因此得到的单频三维成像数据没有精度误差，可以实现对目标的360度精准成像。将系统发射信号的各个频点对应的单频三维成像数据进行相参累加，就可以得到系统整个频段的柱坐标目标三维成像数据。

步骤208：根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据。

可以根据关注的区域对柱坐标目标三维成像数据进行重构处理。可以建立如图1所示的直角坐标系，根据关注区域的直角坐标值范围，获取柱坐标目标三维成像数据中对应区域的成像数据，并通过二维线性插值获取直角坐标系下的三维成像结果。

步骤210：根据所述柱坐标目标三维成像数据或者直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云分布数据并进行点云去噪处理，将所述三维点云数据重构为对应的目标三维表面。

根据以上步骤获取的柱坐标目标三维成像数据或者直角坐标目标三维成像数据，提取其中的强散射中心，得到目标的空间三维点云分布数据，对点云数据进行去噪处理消除非目标点，再通过点云重构算法重构目标的三维表面。

上述一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法，在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号，从回波信号对应的距离像序列中得到被检目标的目标回波信号并获得对应的空间波数谱，将空间波数谱沿高度轴和距离轴分解，在柱坐标系下获得发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，通过相参累加得到对应的柱坐标目标三维成像数据。根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据。根据所述柱坐标目标三维成像数据或者直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云分布数据并进行点云去噪处理，将所述三维点云数据重构为对应的目标三维表面。上述方法、装置、计算机设备和存储介质避免了从柱坐标到直角坐标的空间波数谱域转换操作，在柱坐标系的回波模型下直接得到三维成像结果，不存在任何的空间波数域的精度损失，不会影响成像的精度，可以通过一次处理得到目标360度的高质量成像结果。此外，还可以通过设置距离轴坐标值范围，对任意感兴趣区域进行成像，提高算法运行效率。

其中一个实施例中，如图3所示，提供了一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法，包括以下步骤：

步骤302：在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号。柱坐标系的高度轴与毫米波柱面全息成像系统的柱面的中轴线重合。

本申请中的方法针对的毫米波柱面全息成像系统是一种宽带雷达系统，其阵列中的雷达顺序发射宽带调频连续波。以图1中给出的系统和被检目标的几何关系为例进行说明，在阵列旋转形成的柱面上任意点的发射信号可以表示为：

其中，t为距离快时间，θ为该点的角度坐标值，Z为其高度坐标值，T_p为脉冲雷达或者调频连续波雷达的脉冲宽度，f_c为雷达载频，γ为调频率，rect()表示方脉冲。图1中直角坐标系下坐标为(x,y,z)的点目标与柱面上阵元天线的距离为R，目标散射系数为σ(x,y,z)，则该点目标的回波可以写为：

其中c为光速，exp表示e为底的指数函数，j表示虚数单位，坐标为(θ,Z)的阵元天线到目标的距离为：

以发射信号作为本振信号，通过解线频调的方式接收得到的目标回波信号，在消除视频相位项并且忽略信号的包络后，此时柱面上任意点的回波信号表达式为：

也可以表示为：

s(k,θ,Z)＝σ(x,y,z)exp(-j2kR) (4)

其中，k＝2π(f_c+γt)/c。

步骤304：对回波信号进行频率维度的IFFT计算，得到对应的距离像序列。根据预设的距离轴坐标值范围生成矩形窗滤波函数，使用矩形窗滤波函数对距离像序列进行滤波，得到对应的目标区域数据。

对s(k,θ,Z)进行关于频率k的IFFT得到目标的距离像序列s(r,θ,Z)，将距离像序列乘以矩形窗函数，矩形窗函数对应目标区域的部分数值为1，对应阵列前端直达波耦合信号和远端其他目标干扰信号的部分数值为0。在处理过程中可根据距离像序列s(r,θ,Z)可以预估得到成像目标的距离范围区域，通过选择矩形窗对距离像序列s(r,θ,Z)进行滤波，通过距离窗滤波来去除耦合的直达波以及不感兴趣区域的回波，矩形窗的形状选择与成像目标的距离范围区域对应。

步骤306：对目标区域数据进行频率维度的FFT计算，得到被检目标在柱坐标系下的目标距离像序列。

加窗滤波处理后对信号距离维进行FFT再得到原始回波，这一步处理后不改变回波信号的表达形式，可以从原始回波信号中分离出被检目标的回波信号。这一步处理后不改变回波信号的表达形式。

步骤308：在柱坐标系下对目标回波信号进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，得到空间波数谱。

步骤310：获取发射信号的每个频点对应的空间波数谱，进行角度维度的匹配滤波计算、角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，在柱坐标系下获得发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据。

具体地，在柱坐标系下对目标的空间回波进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，获得目标回波信号对应的空间波数谱，沿着角度方向对空间波数谱补偿匹配滤波因子。对于每个频点角度方向补偿匹配滤波因子后的空间波数谱，进行角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，获得柱坐标系下发射信号每个频点对应的单频三维成像数据。

步骤312：获取预设的成像区域内的单频三维成像数据，成像区域的距离轴坐标在预设的距离轴坐标值范围内。将获取到的单频三维成像数据进行相参累加，得到预设的成像区域内的柱坐标目标三维成像数据。

步骤308至312根据目标回波信号得到柱坐标目标三维成像数据。具体地，由于目标是由大量散射点组成的，因此回波信号可表达为：

s(k,θ,Z)＝∫∫∫σ(x,y,z)exp(-j2kR)dxdydz (5)

不同于传统的直角坐标成像方法，假设目标散射点在柱面极坐标系下的坐标位置为

其与直角坐标的关系为

此时距离可表示为

积分项：

此时可得到极坐标系下的回波信号表达式为：

式(7)中，指数项为球面波信号形式，可将其分解为极坐标系下的平面波信号形式为

将式(8)代入到式(7)可得：

其中，

为

关于z的IFFT变换。对式(9)两端同时执行关于Z的IFFT，可得：

当距离r为一个固定值时，可以忽略对r的积分操作，此时s(k,θ,k_z)退化为：

将式(12)中的积分表达为卷积形式：

其中*代表卷积运算。对系统中第i个频点k_i的发射信号，有：

其中FT和IFT分别代表一维FFT和一维IFFT，调整式(14)的顺序，可得频点k_i的极坐标成像结果为：

其中，r的数值和间隔可以根据成像区域的需求自由灵活的设置。考虑到实际成像数据分母可能出现趋近于0的数值，会导致运算出现不合理的数值进而影响成像结果，实际成像时将公式(15)转化为：

其中，conj[]表示复数取共轭运算。

设系统的发射信号共有N个频点，对所有频点的柱坐标成像结果进行相参累加，即可得到最终的高分辨极坐标成像结果为：

步骤314：根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据。

可以根据需要对得到的柱坐标目标三维成像数据进行重构处理。具体地，设置直角坐标的范围，根据x＝r cos(θ)，y＝r sin(θ)的坐标转换关系计算对应坐标点的r和θ，在每个高度位置通过二维线性插值即可得到直角坐标的三维成像结果。

步骤316，根据柱坐标目标三维成像数据或直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云数据，对三维点云数据进行去噪处理后重构为对应的目标三维表面。

提取直角坐标目标三维成像结果中的强散射点，得到目标的空间三维点云分布数据，对点云数据进行去噪处理后，通过点云重构手段获取目标的三维重构表面。也可以通过提取柱坐标目标三维成像结果中的强散射点，将其直接转换为直角坐标的三维点云数据，进而重构目标的三维表面。

本实施例给出了一种毫米波柱面全息成像系统的具体实现方式，通过对宽带回波数据关于频率进行IFFT处理得到距离像系列，通过距离窗滤波来去除耦合的直达波以及不感兴趣区域的回波，并且可以同时观测到目标的距离区域，再通过距离向的FFT操作得到预处理后的回波数据。对回波数据在柱坐标系下进行球面波向平面波的分解，通过空间三维波数域的变换及与补偿因子的共轭相乘，可以实现每个频点数据在柱坐标系下感兴趣的目标成像区域的三维成像，对所有频点的成像结果进行相参累加可以得到最终的高分辨极坐标三维成像结果，再通过坐标变换和插值操作即可得到直角坐标下的三维成像结果，通过提取强散射点可以得到目标的三维点云分布，并进而实现目标三维表面的重构。本实施例提供的方法在柱坐标系下进行球面波向平面波的分解时，将雷达回波的空间波数谱只沿着高度轴和圆周径向分解，进而实现高度向和圆周径向的柱极坐标系下的目标三维成像。本实施例提供的方法可以实现任意柱坐标距离处的目标成像，并且成像间距也可以自由灵活的设置，可以在保证成像质量的同时有效的降低算法运行时间；并且，通过共轭相乘处理，可以有效避免因除分母可能出现的趋近于0的数值导致数据出现不合理奇异数值的问题，进而保证三维成像的精度和分辨率。

应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

为说明本申请中提供的一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法的技术效果，采用电磁仿真实验的方式对所述方法进行了对比验证。仿真中采用的圆柱体CAD模型80cm，直径40cm，毫米波柱面全息成像系统的高度方向(z轴方向)扫描范围为-45.2cm到45.2cm，高度方向采样间隔4mm，扫描半径0.6m。仿真中的信号频率范围为从32.5GHz到37.5GHz，频点数为501个。采用FEKO进行目标建模与散射计算，电偶极子被用作激励源，以电偶极子处的目标近场散射场为求解对象。在计算中，电偶极子位置和近场求解位置按照程序指定方式在柱面上进行扫描，从而获得目标的360°柱面回波。由于仿真环境无噪声及其他干扰，该数据可以作为验证算法成像性能的最佳数据。为了更好的对比算法的运行效率，仿真均在i7-7820X CPU和64GB内存环境下的台式计算机上完成，并且算法均为顺序执行，无任何CPU并行运算和GPU加速运算处理。

为了比较不同算法的成像性能，分别在小角度范围下(108度)和360度全角度范围分别采取传统的直角坐标成像算法和本申请提供的柱坐标的成像算法对目标进行成像。图4为基于108度的回波数据、采用传统直角坐标算法的二维及三维成像结果。图5为基于108度的回波数据、采用本申请提供的柱坐标算法的柱坐标二维及三维成像结果，图6为图5对应的直角坐标系下的二维及三维成像结果。通过对比可以发现，对108度的目标回波数据，两种算法均可以实现对目标的高质量三维成像，但是本申请提供的柱坐标算法的成像结果旁瓣更低，边缘细节部分更加干净，如图4和图6中的YX平面投影成像结果所示，这是因为本申请提供的柱坐标算法只针对感兴趣的目标区域进行成像，可以极大的抑制旁瓣的产生。

图7为基于360度的回波数据、采用传统直角坐标算法的二维及三维成像结果。图8为基于360度的回波数据、采用本申请的柱坐标算法的柱坐标二维及三维成像结果，图9为图8对应的直角坐标系下的二维及三维成像结果。对比图7和图9可以发现，对于360度的回波数据，图7中直角坐标算法的二维方位成像范围必须大于目标最外侧散射点在直角坐标系下的坐标数值，因此图7中的空间三维成像结果引入了中心轴线处的强散射直流分量，导致其成像结果引入非目标成分，这是由柱面旁瓣相参累加造成的。而本申请提供的方法可以只对目标所在的轴向距离区域进行成像，进而实现对目标的高质量高分辨三维成像，能够完整的还原目标的全部信息。根据图8或者图9的成像结果获取的目标三维点云及对应的三维重构表面如图10所示。

在一个实施例中，提供了一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构装置，所述装置包括：

直角坐标目标三维成像模块，用于根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据；

其中一个实施例中，目标回波获取模块用于：对回波信号进行频率维度的IFFT计算，得到对应的距离像序列。根据预设的距离轴坐标值范围生成矩形窗滤波函数，使用矩形窗滤波函数对距离像序列进行滤波，得到对应的目标区域数据。对目标区域数据进行距离维度的FFT计算，得到被检目标在柱坐标系下的目标回波信号。

其中一个实施例中，柱坐标目标三维成像模块用于在柱坐标系下对目标回波信号进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，得到空间波数谱。获取该发射信号的每个频点对应的空间波数谱，进行角度维度的匹配滤波计算、角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，在柱坐标系下获得该发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据。将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据。

其中一个实施例中，柱坐标目标三维成像模块用于获取预设的成像区域内的单频三维成像数据，成像区域的距离轴坐标在预设的距离轴坐标值范围内。将获取到的单频三维成像数据进行相参累加，得到预设的成像区域内的柱坐标目标三维成像数据。

其中一个实施例中，直角坐标目标三维成像模块用于根据柱坐标系和直角坐标系的转换关系，得到直角坐标值范围对应的柱坐标值范围。对柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据在水平平面方向方向进行二位线性插值，得到直角坐标系下的直角坐标目标三维成像数据。

其中一个实施例中，直角坐标目标三维成像模块用于根据柱坐标系和直角坐标系的转换关系，得到直角坐标值范围对应的柱坐标值范围。获取柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据强散射点获得直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据；或者获取直角坐标值范围内的直角坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据强散射点获得直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据。

其中一个实施例中，柱坐标目标三维成像模块用于根据在柱坐标系下对空间波数谱补偿角度匹配滤波因子的复共轭，进行角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，得到经过角度维度FFT计算和高度维度IFFT计算后的三维成像数据。

关于一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构装置的具体限定可以参见上文中对于一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法的限定，在此不再赘述。上述一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

根据柱坐标目标三维成像数据或直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云数据，对三维点云数据进行去噪处理后重构为对应的目标三维表面。其中一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：对回波信号进行频率维度的IFFT计算，得到对应的距离像序列。根据预设的距离轴坐标值范围生成矩形窗滤波函数，使用矩形窗滤波函数对距离像序列进行滤波，得到对应的目标区域数据。对目标区域数据进行距离维度的FFT计算，得到被检目标在柱坐标系下的目标回波信号。

其中一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：在柱坐标系下对目标回波信号进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，得到空间波数谱。获取该发射信号的每个频点对应的空间波数谱，进行角度维度的匹配滤波计算、角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，在柱坐标系下获得该发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据。将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：获取预设的成像区域内的单频三维成像数据，成像区域的距离轴坐标在预设的距离轴坐标值范围内。将获取到的单频三维成像数据进行相参累加，得到预设的成像区域内的柱坐标目标三维成像数据。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：根据柱坐标系和直角坐标系的转换关系，得到直角坐标值范围对应的柱坐标值范围。对柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据在水平平面方向进行二位线性插值，得到直角坐标系下的直角坐标目标三维成像数据。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：根据柱坐标系和直角坐标系的转换关系，得到直角坐标值范围对应的柱坐标值范围。获取柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据强散射点获得直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据；或者获取直角坐标值范围内的直角坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据强散射点获得直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据。

在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：在柱坐标系下对空间波数谱补偿角度匹配滤波因子的复共轭，进行角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，得到经过角度维度FFT计算和高度维度IFFT计算后的三维成像数据。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号。柱坐标系的高度轴与毫米波柱面全息成像系统的柱面的中轴线重合。

其中一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：对回波信号进行频率维度的IFFT计算，得到对应的距离像序列。根据预设的距离轴坐标值范围生成矩形窗滤波函数，使用矩形窗滤波函数对距离像序列进行滤波，得到对应的目标区域数据。对目标区域数据进行距离维度的FFT计算，得到被检目标在柱坐标系下的目标回波信号。

其中一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：在柱坐标系下对目标回波信号进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，得到空间波数谱。获取该发射信号的每个频点对应的空间波数谱，进行角度维度的匹配滤波计算、角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，在柱坐标系下获得该发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据。将单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：获取预设的成像区域内的单频三维成像数据，成像区域的距离轴坐标在预设的距离轴坐标值范围内。将获取到的单频三维成像数据进行相参累加，得到预设的成像区域内的柱坐标目标三维成像数据。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：根据柱坐标系和直角坐标系的转换关系，得到直角坐标值范围对应的柱坐标值范围。对柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据在水平平面方向进行二位线性插值，得到直角坐标系下的直角坐标目标三维成像数据。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：根据柱坐标系和直角坐标系的转换关系，得到直角坐标值范围对应的柱坐标值范围。获取柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据强散射点获得直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据；或者获取直角坐标值范围内的直角坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据强散射点获得直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：在柱坐标系下对空间波数谱补偿角度匹配滤波因子的复共轭，进行角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，得到经过角度维度FFT计算和高度维度IFFT计算后的三维成像数据。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法，所述方法包括：

在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号；所述柱坐标系的高度轴与所述毫米波柱面全息成像系统的柱面的中轴线重合；

计算所述回波信号对应的距离像序列，根据预设的距离轴坐标值范围从所述距离像序列中得到被检目标在所述柱坐标系下的目标回波信号；

根据所述目标回波信号获得对应的空间波数谱，将所述空间波数谱沿所述柱坐标系的高度轴和距离轴分解，在所述柱坐标系下获得所述发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，将所述单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据；

根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将所述柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据；

根据所述柱坐标目标三维成像数据或所述直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云数据，对所述三维点云数据进行去噪处理后重构对应的目标三维表面；

所述计算所述回波信号对应的距离像序列，根据预设的距离轴坐标值范围从所述距离像序列中得到被检目标在所述柱坐标系下的目标回波信号的步骤包括：

对所述回波信号进行频率维度的IFFT计算，得到对应的距离像序列；

根据预设的距离轴坐标值范围生成矩形窗滤波函数，使用所述矩形窗滤波函数对所述距离像序列进行滤波，得到对应的目标区域数据；

对所述目标区域数据进行距离维度的FFT计算，得到被检目标在所述柱坐标系下的目标回波信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述目标回波信号获得对应的空间波数谱，将所述空间波数谱沿所述柱坐标系的高度轴和距离轴分解，在所述柱坐标系下获得所述发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，将所述单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据的步骤包括：

在所述柱坐标系下对所述目标回波信号进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，得到空间波数谱；

获取所述发射信号的每个频点对应的所述空间波数谱，进行角度维度的匹配滤波计算、角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，在所述柱坐标系下获得所述发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据；

将所述单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据的步骤包括：

获取预设的成像区域内的所述单频三维成像数据；所述成像区域的距离轴坐标在所述预设的距离轴坐标值范围内；

将获取到的单频三维成像数据进行相参累加，得到所述预设的成像区域内的柱坐标目标三维成像数据。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将所述柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据的步骤包括：

根据所述柱坐标系和所述直角坐标系的转换关系，得到所述直角坐标值范围对应的柱坐标值范围；

对所述柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据在水平平面方向进行二位线性插值，得到所述直角坐标系下的直角坐标目标三维成像数据。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将所述柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据的步骤包括：

获取所述柱坐标值范围内的柱坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据所述强散射点获得所述直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据，或者获取所述直角坐标值范围内的直角坐标目标三维成像数据中的强散射点，根据所述强散射点获得所述直角坐标系下的三维点云数据，得到对应的直角坐标目标三维点云数据。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述柱坐标系下对所述目标回波信号进行角度维度的FFT计算和高度维度的IFFT计算，得到空间波数谱的步骤包括：

在所述柱坐标系下对所述空间波数谱补偿角度匹配滤波因子的复共轭，进行角度维度的IFFT计算和高度维度的FFT计算，得到经过角度维度FFT计算和高度维度IFFT计算后的三维成像数据。

7.一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构装置，其特征在于，所述装置包括：

回波信号接收模块，用于在预设的柱坐标系下，获取毫米波柱面全息成像系统的发射信号经反射后的回波信号；所述柱坐标系的高度轴与所述毫米波柱面全息成像系统的柱面的中轴线重合；

目标回波获取模块，用于计算所述回波信号对应的距离像序列，根据预设的距离轴坐标值范围从所述距离像序列中得到被检目标在所述柱坐标系下的目标回波信号；

柱坐标目标三维成像模块，用于根据所述目标回波信号获得对应的空间波数谱，将所述空间波数谱沿所述柱坐标的高度轴和距离轴分解，在所述柱坐标系下获得所述发射信号的每个频点对应的单频三维成像数据，将所述单频三维成像数据进行相参累加，得到对应的柱坐标目标三维成像数据；

直角坐标目标三维成像模块，用于根据预设的直角坐标系和直角坐标值范围，将所述柱坐标目标三维成像数据重构为对应的直角坐标目标三维成像数据；

目标三维重构模块，用于根据所述柱坐标目标三维成像数据或所述直角坐标目标三维成像数据，获取目标空间三维点云数据，对所述三维点云数据进行去噪处理后重构为对应的目标三维表面；

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。