CN115184927B - 一种微波无损成像目标检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波无损成像目标检测方法，基于电磁波成像技术及电磁波逆散射原理，以超宽带微波作为信息探测载体，实现无损重构被测物体3D全息图像。使用电磁波照射被测物体，基于电磁波定性及定量成像技术分析被照射物体的散射电磁波，重构被测物体几何结构及物质特征信息，在保证可长时间安全使用的前提下，能够识别被测目标的特性和种类，且生成被测目标的2D和3D图像。

Description

一种微波无损成像目标检测方法
技术领域
本发明涉及电磁波成像技术领域，更具体的说是涉及一种微波无损成像目标检测方法。
背景技术
目前，工业常用的成像技术为：1.红外热成像技术；2.超声波成像技术；3.X射线(CT)成像技术；4.核磁共振成像技术等。
(1)红外热成像技术对红外热特征明显的物体具备成像能力，但当目标不含明显红外热特征时，红外成像技术将失去对其的成像能力。
(2)因为超声波在空气中衰减很大，所以对空气环境中目标，该成像技术不适用。
(3)X射线(CT)成像技术，理论上可以实现高精度成像，但X射线对人体有电离辐射危害，不能长时间使用。
(4)核磁共振成像技术，同样可以提供高精度图像，但核磁共振成像对人体有一定的辐射危害。
因此，如何提供一种环境局限小、测量精度高、安全性高的成像方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种微波无损成像目标检测方法，基于电磁波成像技术及电磁波逆散射原理，以超宽带微波作为信息探测载体，实现无损重构被测物体3D全息图像。微波在空气中的衰减很小，所以不受空气坏境的影响，比如探测墙体后的人员、探测遮挡物后的金属体，且理论上，微波成像技术的成像精度比超声波成像技术的成像精度高。而且本发明采用的宽频带低功率微波信号，其满足IEEE(美国工程师协会)802.15.4标准，辐射功率远低于危害人体的辐射限额值，其安全性高，可以被人员长时间使用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微波无损成像目标检测方法，包括以下步骤：
步骤1：发射探测微波信号，并采集反射微波信号，在反射微波信号中选取感兴趣的探测区域；
步骤2：离散网格化探测区域；根据探测微波信号波长网格离散探测区域；
步骤3：根据离散网格化探测区域，基于探测区域的每个离散网格点与发射点、接收点相对位置构建格林函数，基于格林函数和探测微波信号、反射微波信号构建电磁波信号波动方程组；
步骤4：对电磁波信号波动方程组采用波恩近似法及匹配滤波器法进行定性分析，获得定性成像结果，完成对目标物体的定性成像；定性成像结果即为目标物体的形状成像结果；
步骤5：根据对目标物体的定性成像结果，细化目标物体区域的网格，重新构建格林函数和电磁波信号波动方程组，并采用牛顿坡度优化算法进行定量分析，获得定量成像结果，并对目标物体进行特性判别获得目标物体的物质特性；定量分析即为获得目标物体尺寸数据等；
步骤6：根据定性成像结果、定量成像结果和物质特性，采用蚁群算法，智能识别目标物体对应的目标物体库中的模型，输出识别模型，完成对目标物体检测识别。
优选的，所述步骤1的具体实现过程为：
步骤11：确定信号频率，发射预设频率的探测微波信号；
步骤12：预设测试背景，并根据测试背景进行定标测试；
步骤13：设定观测区域，获取定标测试下观测区域的反射微波信号，作为原始信号，原始信号为定标后的纯原始信号；
步骤14：根据探测微波信号的发射点和反射微波信号的接收点位置选取探测区域。
优选的，所述步骤4的具体实现过程为：
步骤41：基于波恩近似法线性化电磁波信号波动方程组；
步骤42：采用匹配滤波器法获取线性化后方程组的波动方程近似解，实现快速定性成像，获得定性成像结果。
优选的，所述步骤5的具体实现过程为：
步骤51：根据定性成像结果中能量分布重新定义目标区域；
步骤52：细分网格目标区域，重新构建新格林函数；
步骤53：基于新格林函数重构新电磁波信号波动方程组；
步骤54：矩阵化新电磁波信号波动方程组；
步骤55：基于牛顿坡度优化算法求解矩阵化后的新电磁波信号波动方程组，获得新波动方程组解；
步骤56：根据新波动方程组解，实现定量成像，获得定量成像结果，并判定目标物体的物质特性，定量成像即获得定性成像的尺寸参数。
优选的，所述步骤6的具体实现过程为：
步骤61：调用存储的目标模型电磁波特性库；
步骤62：基于定性成像结果和定量成像结果采用蚁群算法查询对比目标模型电磁波特性库，计算获得对比度；
步骤63：根据对比度输出识别模型，作为目标物体模型。对比度排序，选取最高对比度对应的目标模型作为目标物体模型。
优选的，所述探测微波信号为宽频带低功率微波信号，频段范围为3.1GHz-10.6GHz。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种微波无损成像目标检测方法，使用电磁波照射被测物体，基于电磁波定性及定量成像技术分析被照射物体的散射电磁波，识别被测目标的物质特性及种类，重构被测物体几何结构及物质特征信息。本发明所采用电磁波处于微波频段，其频率范围为3.1GHz-10.6GHz，该频段具备较高的穿透能力及适合的成像精度，电磁波辐射低，可长时间安全使用，本发明方法能够识别被测目标的特性和种类，并且生成2D和3D图像，令显示效果更加直观。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的微波成像目标识别方法流程示意图；
图2附图为本发明提供的微波成像目标识别具体流程示意图；
图3附图为本发明提供的手持式微波成像仪下侧面结构示意图；
图4附图为本发明提供的手持式微波成像仪上侧面结构示意图；
图5附图为本发明提供的射频收发机系统模块结构示意图；
图6附图为本发明提供的超宽带环状天线结构示意图；
图7附图为本发明提供的超宽带环状天线仿真效果示意图；
图8附图为本发明提供的超宽带环状天线端口测试S11及增益图示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种采用手持式微波成像仪进行微波无损成像目标检测的方法，其中，手持式微波成像仪是一种体积小、重量轻、安全性高、实时探测、具备2D及3D成像功能、性价比高、具备物质判别功能的高精度成像设备，主要用于探测遮挡物后的物体，重构目标物的位置、图像、几何机构及物质特征。
为了实现对目标物体的实时重构及识别，采用定性微波成像算法及定量微波成像算法，不仅可以快速重构被测物体的3D几何图像，同时还具备识别被测物体物质特性的能力。
为了实现对目标物体的探测(捕捉)及识别，首先使用定性微波成像算法完成对目标物体的快速捕捉测试，之后再使用定量微波成像算法实现对目标物体的物质识别；基于上述捕捉测试和物质识别重构被测物体的3D几何图像，实现被测目标物体成像。
对目标物体进行定性及定量分析识别的处理过程包括：
S1：发射探测微波信号，并采集反射微波信号，在反射微波信号中选取感兴趣的探测区域；
S11：设定手持式微波成像仪工作参数，确定信号频率，发射预设频率的探测微波信号；
S12：设定测试背景完成定标测试；
S13：设定观测区域，获取定标测试下观测区域的反射微波信号，作为原始信号，原始信号为定标后的纯原始信号；
S14：根据手持式微波成像仪中收发天线位置选取探测区域；
S2：离散网格化探测区域；根据探测微波信号波长网格离散探测区域；
S3：根据离散网格化探测区域构建格林函数，基于格林函数构建电磁波信号波动方程组；
S31：基于探测区域的每个离散网格点与发射点和接收点相对位置构建格林函数；
S32：基于格林函数和探测微波信号、反射微波信号构建电磁波信号波动方程组；
S4：对电磁波信号波动方程组采用波恩近似法及匹配滤波器法进行定性分析，获得定性成像结果，完成对目标物体的定性成像；定性成像结果即为目标物体的形状成像结果；
S41：基于波恩近似法线性化电磁波信号波动方程组；
S42：采用匹配滤波器法获取线性化后方程组的波动方程近似解，实现快速定性成像，获得定性成像结果；
S5：根据对目标物体的定性成像结果，细化目标物体区域的网格，重新构建格林函数和电磁波信号波动方程组，并采用牛顿坡度优化算法进行定量分析，获得定量成像结果，并对目标物体进行特性判别获得目标物体的物质特性；定量分析即为获得目标物体尺寸数据等；
S51：根据定性成像结果中能量分布重新定义目标区域；
S52：细分网格目标区域，重新构建新格林函数；
S53：基于新格林函数重构新电磁波信号波动方程组；
S54：矩阵化新电磁波信号波动方程组；
S55：基于牛顿坡度优化算法求矩阵化新电磁波信号波动方程组，获得新波动方程组解；
S56：根据新波动方程组解，实现定量成像，获得定量成像结果，并判定目标物体的物质特性；定量成像即获得定性成像的尺寸参数；
S6：根据定性成像结果、定量参数和物质特性，采用蚁群算法，智能识别目标物体对应的目标物体库中的模型，输出识别模型，最终完成对目标物的识别；
S61：调用存储的目标模型电磁波特性库；
S62：基于定性成像结果和定量成像结果采用蚁群算法查询对比目标模型电磁波特性库，计算获得对比度；
S63：根据对比度输出识别模型，作为目标物体模型。对比度排序，选取最高对比度对应的目标模型作为目标物体模型。
识别结果为显示目标物体图像和目标物体种类，例如判断其是手机、U盘或线缆等物质。
被测目标物体成像的具体过程包括：
S421：对反射微波信号进行傅里叶变换；
S422：对进行傅里叶变换后的信号进行阵列天线幅度加权；
S423：对加权后信号进行扫描相位加权；
S424：对扫描相位加权后的信号进行聚焦相位加权；
S425：对聚焦相位加权后的信号进行二维快速傅里叶逆变换，获得二维图像信号；
S426：对二维图像信号进行三维图像处理与反演，获得被测物体三维图像。
通过定性及定量微波成像算法能够实现，非迭代式实时定性微波成像，目标物体边界自动识别，以及目标物体材质智能识别。
实施例1
本发明微波无损成像目标检测方法搭载在一种手持式微波成像仪中，完成目标检测，和被测目标物体3D成像。
手持式微波成像仪，包括：机壳1，设置在机壳1内部的射频收发系统和信号处理系统，以及设置在机壳1上表面的触控系统2；机壳1两对称侧边设置有一体成型的曲线手持把柄3；射频收发系统设置有微波信号发射端、微波信号接收端、微波信号处理模块和超宽带环状天线；通过触控系统2控制微波信号处理模块经过超宽带环状天线和微波信号发射端发射电磁波，并通过微波信号接收端接收被测物体反射微波信号，传输至信号处理系统；信号处理系统设置微波信号接口和处理器，微波信号接口接收射频收发系统传输的反射微波信号，并采用微波定向及定量成像方法根据反射微波信号重构被测物体信息，并传输至触控系统2；射频收发系统和信号处理系统之间设置有信号隔离罩，将射频收发系统隔离密封在信号隔离罩和机壳1之间；触控系统2接收被测物体信息并进行展示。
微波成像仪属于便携式手持设备。其设备于左右两端含有曲线手持把柄(耳)。除把柄外，设备主体部分长约30厘米、宽约21厘米、高约6厘米，重量约2.7公斤。设备的电源充电接口在设备的左上角处，电源输入的电压为19伏，最大充电功率为90瓦。设备主机内部由，显示屏幕、信号处理机及雷达波收发系统构成。设备机壳材质为聚氯乙烯。
采用了射频收发机系统、信号处理系统和触控系统一体化设计，克服了系统模块之间的相互干扰，使得设备更加轻型化，小型化；外壳侧边设置的带有曲度的手持把柄符合人体工学设计，使得手持抓握更加舒服方便；采用的处理器具有高集成度、高频率、宽频带、多入多出处理方案，同时采用无线数据通讯芯片，因此本发明在保证信息可靠性的同时降低系统体积；信号隔离罩在起到屏蔽外部干扰信号的同时，还对射频收发系统起到硬件保护作用。
实施例2
实施例1中超宽带环状天线的具体设置为，超宽带环状天线为多单元天线阵列，为端射阵列设计，采用相隔半个波长的两个半波偶极子构成，并具有双向辐射方向图，发射UWB波段信号；超宽带环状天线包括多组天线阵列单元，每组天线阵列单元由电小天线采用智能天线阵技术进行不同阵列排布构成，具体采用低冗余度及局部高异性排布方案；每组天线阵列单元采用多通道并行馈电网络连接；每组天线阵列单元对应完成不同模式下的电磁波信号发射及接收，选择不同的天线阵列单元工作实现不同测量距离、方向和反射信号强弱的测量需求；超宽带环状天线的长度为1.9厘米左右，宽度为1.3厘米左右，并且其增益在整频段平稳，约为6dB上下；超宽带环状天线的UWB频段范围为3.1GHz-10.6GHz，UWB频段对应的电磁波波长范围为10厘米-3厘米。
超宽带环状天线结构如图6所示，采用电小天线技术，以高介电常数介质板为基底，设计了智能电小天线阵单元，其具备小尺寸、宽频带、高增益的特征。天线工作频带为3.1GHz-10.6GHz，单个天线单元尺寸处于0.1cm(厚)*1cm(宽)*2cm(长)尺寸级别，其远远小于常规半波设计方案尺寸级别(长度大于5cm)，本发明天线单元各频点实际增益平稳且大于5dBi，属于高增益天线范围。
上述技术方案的有益效果，与垂射阵列相比，端射阵列的波束宽度更窄，增益更低，方向性更高，端射阵列的辐射方向平行于阵列平面且垂直于振子，而振子的辐射方向朝向阵列末端，也就是说，阵列辐射方向与振子辐射方向一致，设备体积小、频带宽；电小天线是指比工作电磁波信号的波长小得多得天线，其尺寸紧凑，成本较低，便于本发明有限空间内的天线单元排布；采用了多通道并行馈电网络，馈电网络中各通道均是独立通道，且各通道的弯曲微带线长度一致，其保证了信号在各通道中的相位滞后一致。超宽带环状天线的仿真、端口测试S11及增益图分别如图7和图8所示，图8中，虚线表示端口测试S11的测量值，实线表示端口测试S11的模拟值。
超宽带环状天线设计过程包括：
S21：确定设备工作频段；
S22：根据工作频段确定电小天线初始几何结构；
S23：将电小天线根据低冗余度及局部高异性排布方案进行阵列排布构成若干组天线阵列单元；
S24：采用域分解方法对每组天线阵列单元进行仿真，计算波束角；
S25：根据波束角确定所有天线阵列单元连接的多通道并行馈电网络；
S26：对多通道并行馈电网络进行线性网络分析，绘制系统增益图；
S27：根据系统增益图判断天线阵列单元在使用环境中的性能，并根据性能反馈调整多通道并行馈电网络和电小天线几何结构，形成超宽带环状天线。
实施例3
基于上述实施例1-2，进一步优化技术方案。
为了进一步优化上述技术方案，射频收发系统包括信号源、功率放大器、射频开关、低噪声放大器、带宽滤波器、射频放大器、本机振荡器、混频器、中频放大器、中频滤波器、模/数转换器和无线数据通信芯片；信号源发射信号经功率放大器放大后，通过射频开关控制通过，依次经低噪声放大器、带宽滤波器、射频放大器、本机振荡器、混频器、中频放大器、中频滤波器和模/数转换器，最后经无线数据通信芯片输出电磁波至微波信号发射端；其中本机振荡器产生震荡传输至混频器进行混频。
为了进一步优化上述技术方案，触控系统包括触控显示屏，进行触控控制及图形显示。
为了进一步优化上述技术方案，机壳一侧面设置有电源充电接口；
为了进一步优化上述技术方案，机壳侧边设置有控制按键和音响，控制按键和音响电连接信号处理系统的处理器。
为了进一步优化上述技术方案，机壳采用聚氯乙烯材料制成。
为了进一步优化上述技术方案，被测物体信息包括被测物体位置、图像、几何机构及物质特征。
实施例4
本发明的方法搭载的手持式微波成像仪工作流程为：
首先系统通过触摸显示屏设定系统的工作参数并启动成像检测；
成像检测启动后，微波射频收发机向被测物发射宽频带微波信号(UWB)；
当微波信号接触被测物体后，被测物体产生微波散射波，携带有被测物体物质特征及结构信息并向被测物体外传播，其散射微波信号反向传播并被微波射频收发机接收；
信号处理机根据接收的散射微波信号，基于电磁波逆散射原理，采用微波定性成像及定量成像技术，分析散射微波信号的散射波幅度及相位数据，重构被测物体的位置、几何结构信息及物质特征信息；
最后重构的物体结构信息由触摸显示屏展示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种微波无损成像目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：发射探测微波信号，并采集反射微波信号，在反射微波信号中选取感兴趣的探测区域；
步骤2：离散网格化探测区域；根据探测微波信号波长网格离散探测区域；
步骤3：根据离散网格化探测区域，基于探测区域的每个离散网格点与发射点、接收点相对位置构建格林函数，基于格林函数和探测微波信号、反射微波信号构建电磁波信号波动方程组；
步骤4：对电磁波信号波动方程组采用波恩近似法及匹配滤波器法进行定性分析，获得定性成像结果；
步骤5：根据对目标物体的定性成像结果，细化目标物体区域的网格，重新构建格林函数和电磁波信号波动方程组，并采用牛顿坡度优化算法进行定量分析，获得定量成像结果，并对目标物体进行特性判别获得目标物体的物质特性；
步骤6：根据定性成像结果、定量成像结果和物质特性，采用蚁群算法，智能识别目标物体对应的目标物体库中的模型，输出识别模型，完成目标物体检测。
2.根据权利要求1所述的一种微波无损成像目标检测方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现过程为：
步骤11：确定信号频率，发射预设频率的探测微波信号；
步骤12：预设测试背景，并根据测试背景进行定标测试；
步骤13：设定观测区域，获取定标测试下观测区域的反射微波信号；
步骤14：根据探测微波信号的发射点和反射微波信号的接收点位置选取探测区域。
3.根据权利要求1所述的一种微波无损成像目标检测方法，其特征在于，所述步骤4的具体实现过程为：
步骤41：基于波恩近似法线性化电磁波信号波动方程组；
步骤42：采用匹配滤波器法获取线性化后方程组的波动方程近似解，获得定性成像结果。
4.根据权利要求1所述的一种微波无损成像目标检测方法，其特征在于，所述步骤5的具体实现过程为：
步骤51：根据定性成像结果中能量分布重新定义目标区域；
步骤52：细分网格目标区域，重新构建新格林函数；
步骤53：基于新格林函数重构新电磁波信号波动方程组；
步骤54：矩阵化新电磁波信号波动方程组；
步骤55：基于牛顿坡度优化算法求解矩阵化后的新电磁波信号波动方程组，获得新波动方程组解；
步骤56：根据新波动方程组解，实现定量成像，获得定量成像结果，并判定目标物体的物质特性。
5.根据权利要求1所述的一种微波无损成像目标检测方法，其特征在于，所述步骤6的具体实现过程为：
步骤61：调用存储的目标模型电磁波特性库；
步骤62：基于定性成像结果和定量成像结果采用蚁群算法查询对比目标模型电磁波特性库，计算获得对比度；
步骤63：根据对比度输出识别模型，作为目标物体模型。
6.根据权利要求1所述的一种微波无损成像目标检测方法，其特征在于，所述探测微波信号为宽频带低功率微波信号，频段范围为3.1GHz-10.6GHz。
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