CN112782692A - 一种基于弧形mimo线阵扫描的成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本公开的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统及成像方法，通过包括扫描架：包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述弧形MIMO线阵，所述伺服电机控制所述弧形MIMO线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；弧形MIMO线阵，所述弧形MIMO线阵包括发射天线和接收天线，所述发射天线沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向满采样/欠采样等角度间隔分布；所述接收天线在相邻两个发射天线间沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向欠采样/满采样等角度间隔分布。能够在不伤害被检人员的同时，相比于直线阵列可以实现对被检人体目标区域更加均匀的覆盖，提高成像分辨率，降低制造成本，易于布置，应用环境适用性强，实现快速的人体安检。

Description

一种基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统及成像方法

技术领域

本发明属于安检技术领域，具体涉及一种基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统及成像方法。

背景技术

由于暴力犯罪事件与恐怖主义事件的时有发生，近年来公共安全问题引起国际社会的广泛关注。现阶段地铁、广场、机场等人员密集的场所是袭击事件主要发生地点。因此，公共场所的安检与安全问题也引发了社会各界的广泛重视，对安检系统的准确性、实时性、智能化等特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。金属探测器能够检测出人体携带的金属违禁品，但不能检测如陶瓷刀、粉末炸弹等非金属违禁物品，且对违禁物品不仅无法分辨其种类，也无法实现精确定位；虽然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，具有如安全性高、可靠性好、对于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。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统及成像方法，能够在不伤害被检人体的同时，对被检人体目标区域更加均匀的覆盖，提高安检分辨率，降低制造成本，易于布置，应用环境适用性强，实现快速的人体安检。

根据本发明的一方面，提出了一种基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统，所述系统包括：

扫描架，包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述弧形MIMO线阵，所述伺服电机控制所述弧形MIMO线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；

弧形MIMO线阵，所述弧形MIMO线阵的阵元包括发射天线和接收天线，所述发射天线沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向满采样/欠采样等角度间隔分布；所述接收天线在相邻两个发射天线间沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向欠采样/满采样等角度间隔分布。

在一种可能的实现方式中，所述弧形MIMO线阵的两端分别设置在所述扫描架的直线导轨上，且所述弧形MIMO线阵在所述伺服电机的控制下沿着所述扫描架的直线导轨上、下移动。

在一种可能的实现方式中，所述发射天线依次分时发射射频信号；

针对每个发射天线发射射频信号时，所有的接收天线同时接收由被目标反射的回波信号。

在一种可能的实现方式中，所述回波信号是一个四维向量s(k,θ_T,θ_R,z)，其中，k为收发波数维度，θ_T为发射天线位置，θ_R为接收天线位置，z为扫描时弧形MIMO线阵的高度。

根据本公开的另一方面，提出了一种基于弧形MIMO线阵扫描的成像方法，所述方法采用权利要求1-4所述的成像系统，所述方法包括：

将所述回波信号s(k,θ_T,θ_R,z)在θ_T方向、θ_R方向和z方向分别进行傅里叶变换得到

并对

进行匹配滤波，其中，ξ_T、ξ_R和k_z分别是θ_T方向、θ_R方向和z方向的傅里叶变换结果；

对经匹配滤波的信号在角度频率方向进行傅里叶逆变换，并对收发波数维度k进行升维与解耦合得到

其中，

和

分别是收发波数维度k在柱面坐标下某一扫描平面上的发射方向和接收方向的波数维度；

对

进行两次二维插值得到

根据所述对

与

进行降维得到G(k_x,k_y,k_z)，其中，k_x、k_y和k_z分别是收发波数维度k在直角坐标系下的x、y、z方向的分量；

将G(k_x,k_y,k_z)进行三维傅里叶逆变换得到基于弧形MIMO线阵扫描的成像结果g(x,y,z)。

在一种可能的实现方式中，所述对

进行两次二维插值得到

包括：

循环k_R、θ_R、k_z变量，在每次循环中对所述k_T和θ_T进行二维插值得到

循环所述

和k_z变量，在每次循环中对所述k_R和θ_R进行二维插值得到

其中，

和

为发射方向波数在直角坐标系下分别在x方向和y方向的投影；

和

为接收方向波数在直角坐标系下分别在x方向和y方向的投影。

本公开的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统及成像方法，通过采用弧形MIMO线阵在每一个(纵向)机械扫描位置处，发射通道分时工作，接收通道同时工作，形成对目标区域的二维柱面孔径，完成对目标成像区域的数据采集，能够在不伤害被检人体的同时，对被检人体目标区域更加均匀的覆盖，可以快速获得很好的三维成像效果，适合于毫米波人体安检成像，提高安检分辨率，降低制造成本，易于布置，应用环境适用性强，实现快速的人体安检。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1a和图1b分别示出了根据本公开一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统的正面和背面结构的示意图；

图2示出根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像方法流程图；

图3示出根据本公开另一实施例的收发波数维度k进行升维和降维的示意图；

图4a示出根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统的方位-高度向的二维成像结果；

图4b示出根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统的方位-距离向的二维成像结果；

图4c示出根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统的高度-距离向的二维成像结果；

图4d示出根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统成像结果的方位向的截面图示意图；

图4e示出根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统成像结果的距离向的截面图示意图；

图4f示出根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统成像结果的高度向的截面图示意图；

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

本发明针对毫米波安检中低成本，高质量成像的需求，提出了基于弧形MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出系统)线阵的成像系统及成像方法。弧形MIMO线阵在扫描过程中形成对目标区域的二维柱面孔径相比于平面孔径可以使收发天线单元波束正对着目标成像位置，实现天线波束对目标区域更加均匀的覆盖。为了实现快速成像，本发明采用弧形MIMO线阵扫描的快速三维近场成像算法，兼具高距离向、方位向和高度向的高分辨率，时间复杂度低，成本低，能够快速的安检成像。

图1a和图1b分别示出了根据本公开一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统的正面和背面结构的示意图。如图1a和图1b所示，该系统可以包括：

扫描架，包括直线导轨和伺服电机，直线导轨用于支撑所述弧形MIMO线阵，伺服电机控制所述弧形MIMO线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；

弧形MIMO线阵，所述弧形MIMO线阵的阵元包括发射天线和接收天线，所述发射天线沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向满采样/欠采样等角度间隔分布；所述接收天线在相邻两个发射天线间沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向欠采样/满采样等角度间隔分布。

其中，扫描架还包括提供扫描的机械系统，例如，直线导轨(如图1a和1b中所述，在高度方向由两根空心圆柱表示)和伺服电机(图中未示出)。

其中，弧形MIMO线阵的两端分别设置在所述扫描架的直线导轨上，且所述弧形MIMO线阵在所述伺服电机的控制下沿着所述扫描架的直线导轨方向上下移动。

如图1a所示，弧形MIMO线阵上的白色方块表示发射天线，位于弧形MIMO线阵的弧线方向并等角度间隔分布；弧形MIMO线阵上的黑色方块表示接收天线，位于弧形阵列的弧线方向并等角度间隔分布，且独立于发射天线，并且在相邻的两个发射天线之间等角度间隔分布。当然，接收天线也可以和发射天线重合，可以根据具体需求进行设定，在此不作一一限定。

如图1a和图1b所示，弧形MIMO线阵可以沿着扫描架直线导轨方向上下移动，实现在高度方向(竖直方向)上以等间隔的机械扫描的方式形成二维柱面孔径，这只是一种实施方式，但实际系统可不限于如此设计，也可直接采用二维柱面阵列的形式，弧线方向采用MIMO阵列，母线方向采用满阵列。

在一示例中，发射天线分时发射射频信号；针对每个发射天线发射射频信号时，所有的接收天线同时接收由被测目标反射的回波信号。即在每一个扫描位置处，发射天线分时工作，而接收天线同时工作。

如图1a所示，该成像系统工作时，弧形MIMO线阵在竖直方向进行等间隔的机械扫描并收发有一定带宽的射频信号(例如线性调频信号)。弧形MIMO线阵在竖直方向的扫描类似于SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)成像体制中的走-停-走模式。在竖直方向的每个扫描位置处停留，此时，弧线MIMO线阵的发射天线和接收天线的z坐标相同，即在同一纵坐标下工作。每个发射天线的发射通道分时工作，针对每个发射天线的发射通道来说，在每个发射天线的发射通道工作时，所有接收天线的接收通道同时工作，直到遍历所有发射通道。其中，发射天线发射某特定频段射频线性调频信号或其它形式的宽带信号，由于该成像系统属于近场成像范畴，弧线MIMO线阵的接收天线同时能够接收由被检目标反射的回波信号，经信号处理系统处理后获得回波信号的基带复信号，利用近场成像算法进行成像。其中，回波信号是一个四维向量s(k,θ_T,θ_R,z)，其中，k为收发波数维度，θ_T为发射天线位置，θ_R为接收天线位置，z为扫描时弧形MIMO线阵的高度。这样能够通过采用弧线MIMO线阵的形式使收发天线波束方向正对着目标成像区域，解决收发天线非视线方向增益下降导致成像图像质量恶化的问题。

本公开的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统，通过包括

扫描架，包括直线导轨和伺服电机，直线导轨支撑所述弧形MIMO线阵，伺服电机控制所述弧形MIMO线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；弧形MIMO线阵，所述弧形MIMO线阵包括发射天线和接收天线，所述发射天线沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向满采样/欠采样等角度间隔分布；所述接收天线在相邻两个发射天线间沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向欠采样/满采样等角度间隔分布。能够在不伤害被检人体的同时，对被检人体目标区域更加均匀的覆盖，提高安检分辨率，降低制造成本，易于布置，应用环境适用性强，实现快速的人体安检。

基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统设定好后，该系统的成像三维分辨率便可确定。其中，三维分辨率包括方位向分辨率、高度向分辨率和距离向分辨率。

方位向分辨率由空间频率的范围决定，即

收发波数维度k在每个方向都可以拆分成发射天线的维度和接收天线的维度，即

那么

假设Θ_H为弧形MIMO线阵孔径对应的最大张角，k_c表示空间中心频率对应的波数，则

该成像系统的三维分辨率和单站满阵场景向分辨率结果相同，即

假如Θ_z表示弧形MIMO线阵的高度向阵列孔径对应的最大张角，高度向阵列为满阵单站场景，则高度向分辨率为：

假如B表示成像系统带宽，c为光速，而距离向分辨率由成像系统带宽决定，则距离向分辨率为：

通过上面的计算，可以在近场安检成像场景下，保证弧形MIMO线阵较大的阵面孔径(即保证较大的弧形MIMO线阵长度向与高度向扫描线长度)，可使得基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统的三维成像的水平维(方位向)和垂直维(高度向)达到较高的分辨率，并实现较高的距离维(距离向)分辨率，从而实现对被检人体的某个目标区域的三维高分辨率成像。可以通过基于收发天线的收发波数维度的快速成像算法实现高分辨率快速的安检成像。

图2示出根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像方法流程图。如图2所示，该方法可以包括：

步骤S1：将所述回波信号s(k,θ_T,θ_R,z)在θ_T方向、θ_R方向和z方向分别进行傅里叶变换得到

对

进行匹配滤波，其中，ξ_T、ξ_R和k_z分别是θ_T方向、θ_R方向和z方向的傅里叶变换结果。

如图1a和图1b所示，在标准柱面坐标系下，设在z方向某一扫描位置处，设成像目标区域某一点反射系数为g(x,y,z)，弧形MIMO线阵的发射天线位置可表示为(R,θ_T,z')，某一位置的接收天线位置可表示为(R,θ_R,z')，则在某一对收发射天线发射的某一频率信号的回波信号s(k,θ_T,θ_R,z')可以表示为：s(k,θ_T,θ_R,z')＝∫∫∫g(x,y,z)exp(-jkR_T)exp(-jkR_R)dxdydz，其中，k为收发波数维度，R_T和R_R分别表示被测目标点到发射天线和接收天线的距离。

如果弧形MIMO线阵所形成的圆柱形的半径为R₀，则在直角坐标系下R_T和R_R分别为：

令

则得到：

然后，将回波信号在z方向上进行傅里叶变换，得到：

式中的φ_T与φ_R的积分表示为关于θ_T与θ_R的卷积，可以另写成：

式中，*_T与*_R分别表示对θ_T与θ_R的卷积。

通过该过程可以得到某一位置的发射天线发射的某一频率信号的回波信号s(k,θ_T,θ_R,z')在z方向上傅里叶变换的结果，然后分别将信号

在θ_T方向与θ_R方向进行傅里叶变换，并利用卷积性质(时域卷积，频域相乘)能够得到

其中，ξ_T,ξ_R表示θ_T与θ_R的傅里叶变换，

表示ξ_T/ξ_R阶的第一类汉克尔函数，当ξ＜＜k_ρR₀时，第一类汉克尔函数

可以表示为：

至此，可以获得回波信号s(k,θ_T,θ_R,z)在θ_T方向、θ_R方向和z方向分别进行傅里叶变换的结果

根据上述公式对

进行匹配滤波(去掉

与

)，即可得到

步骤S2：对经匹配滤波的信号在角度频率方向进行傅里叶逆变换，并对收发波数维度k进行升维与解耦合得到

其中，

和

分别是收发波数维度k在柱面坐标下某一扫描平面上的发射方向和接收方向的波数维度。

其中，角度方向可以包括θ_T与θ_R两个方向。

图3示出根据本公开另一实施例的收发波数维度k进行升维和降维的示意图。

如图3所示，采样数据进行升维，即对一维的数据G(k₁),G(k₂),…,G(k_n)进行重构，将数据依次排列在升维后数据的反斜对角线上。在升维操作完成后，进行k_T/k_R与k_z的解耦。将收发维度耦合的数据分解成(k_T,θ_T)与(k_R,θ_R)对应的数据，即将收发维度k(波数k)拆分成直角坐标系下的发射方向的波数维度k_T和接收方向的波数维度k_R，然后利用色散关系

与

将发射天线方向的维度k_T和接收天线方向的维度k_R转换为柱面坐标系下的发射方向的波数维度k_ρT和接收方向的波数维度k_ρR，由此，对

进行匹配滤波后对收发维度k升维并解耦合得到

步骤S3：对

进行两次二维插值得到

根据对

与

进行降维得到G(k_x,k_y,k_z)，其中，k_x、k_y和k_z分别是收发波数维度k在直角坐标系下的x、y、z方向的分量。

在一示例中，对

进行两次二维插值得到

可以包括：循环k_R、θ_R、k_z变量，对所述k_T和θ_T进行二维插值得到

循环所述

和k_z变量，对所述k_R和θ_R进行二维插值得到G(k_xT,k_xR,k_yT,k_yR,k_z)；其中，

和

为发射方向的波数维度在直角坐标系下分别在x方向和y方向的投影；

和

为接收方向的波数维度在直角坐标系下分别在x方向和y方向的投影。

然后，将

进行收发波数维度k进行降维得到G(k_x,k_y,k_z)。其中，降维过程与升维过程相反，将

与

网格数据进行反对角线相加或求平均即可获得降维之后的数据，如图3所示，在直角坐标系下将反斜对角线的值相加或求平均，可以得到发射水平向维度

和接收水平向维度

在该反斜对角线上的x方向上合成的值，即得到k_x。同理，可以计算对

进行降维的结果G(k_x,k_y,k_z)。

步骤S4：将G(k_x,k_y,k_z)进行三维傅里叶逆变换得到基于弧形MIMO线阵扫描的成像结果g(x,y,z)。

图4a、图4b和图4c分别示出了根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统的方位-高度向、方位-距离向和高度-距离向的二维成像结果；图4d、图4e和图4f分别示出了根据本公开另一实施例的基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统的成像结果的方位向、距离向和高度向的截面图示意图。

举例来说，采用81*5的弧形MIMO线阵(5个发射天线阵元，81个接收天线阵元)在竖直方向上扫描81次，其中，弧形MIMO线阵半径为0.5m，仿真射频频率为30～35GHz。弧形MIMO线阵机械扫描所形成的柱面孔径为0.4m(高度向步进0.005m)，弧形MIMO线阵方位向对应的张角与高度向母线对应成像中心的张角相同。

如图1a和图1b所示，将该成像系统的所有的收发天线波束都正对着被检人员，当检测到被检人员在可检测范围内时，伺服系统开始工作，基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统在竖直方向沿着导轨开始运动，对被检人体进行扫描。在每个扫描停留位置处发射通道分时工作，所有接收通道同时工作，当被检人体的扫描数据采集完毕后，利用基于弧形MIMO线阵扫描的成像方法对被检人体进行快速成像，得到被检人体的目标区域的三维成像结果，如图4a、4b、4c、4d、4e、4f所示。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (6)

1.一种基于弧形MIMO线阵扫描的成像系统，其特征在于，所述系统包括：

扫描架，包括直线导轨和伺服电机，所述直线导轨用于支撑所述弧形MIMO线阵，所述伺服电机控制所述弧形MIMO线阵沿着所述扫描架的直线导轨在高度方向进行位移扫描；

弧形MIMO线阵，所述弧形MIMO线阵的阵元包括发射天线和接收天线，所述发射天线沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向满采样/欠采样等角度间隔分布；所述接收天线在相邻两个发射天线间沿着所述弧形MIMO线阵的弧线方向欠采样/满采样等角度间隔分布。

2.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述弧形MIMO线阵的两端分别设置在所述扫描架的直线导轨上，且所述弧形MIMO线阵在所述伺服电机的控制下沿着所述扫描架的直线导轨上下移动。

3.根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述发射天线分时发射射频信号；

针对每个发射天线发射射频信号时，所有的接收天线同时接收由目标反射的回波信号。

4.根据权利要求3所述的成像系统，其特征在于，所述回波信号是一个四维向量s(k,θ_T,θ_R,z)，其中，k为收发波数维度，θ_T为发射天线位置，θ_R为接收天线位置，z为扫描时弧形MIMO线阵的高度。

5.一种基于弧形MIMO线阵扫描的成像方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-4所述的成像系统，所述方法包括：

将所述回波信号s(k,θ_T,θ_R,z)在θ_T方向、θ_R方向和z方向分别进行傅里叶变换得到

并对

进行匹配滤波，其中，ξ_T、ξ_R和k_z分别是θ_T方向、θ_R方向和z方向的傅里叶变换结果；

对经匹配滤波的信号在角度频率方向进行傅里叶逆变换，并对收发波数维度k进行升维与解耦合得到

其中，

和

分别是收发波数维度k在柱面坐标下某一扫描平面上发射方向和接收方向的波数维度；

对

进行两次二维插值得到

根据对

与

进行降维得到G(k_x,k_y,k_z)，其中，k_x、k_y和k_z分别是收发波数维度k在直角坐标系下的x、y、z方向的分量；

将G(k_x,k_y,k_z)进行三维傅里叶逆变换得到基于弧形MIMO线阵扫描的成像结果g(x,y,z)。

6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述对

进行两次二维插值得到

包括：

循环k_R、θ_R、k_z变量，在每次循环中对所述k_T和θ_T进行二维插值得到

循环所述

和k_z变量，在每次循环中对所述k_R和θ_R进行二维插值得到

其中，

和

为发射天线方向波数的维度在直角坐标系下分别在x方向和y方向的投影；

和

为接收天线方向波数的维度在直角坐标系下分别在x方向和y方向的投影。

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