CN117607971A - 一种成像方法、成像设备、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像、微波成像、声成像以及磁成像等技术领域，具体涉及一种成像方法、成像设备、装置及存储介质。本发明方法基于近场成像技术，通过设置位置固定的多个发射单元，采用合成孔径接收阵列或实孔径接收阵列接收目标回波信号，对每个发射单元对应的回波信号进行近场成像和叠加处理，最终形成聚合成像结果。本发明方法具有发射单元、接收单元数量少、硬件成本低、成像速度快等优点，可广泛应用于光学成像、微波成像、声成像、磁成像等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像、微波成像、声成像、磁成像等技术领域，具体涉及一种成像方法、成像设备、装置及存储介质。
背景技术
现有的微波人体安检成像设备，大部分都采用主动式微波全息成像技术，该技术虽然具有较好的成像效果，但设备复杂，需要设置大量间距很小的密集的发射和接收单元，甚至需要采用极为复杂的开关矩阵对发射、接收单元进行控制，从而造成设备复杂、硬件成本较高。
在主动式微波成像领域，目前应用较为广泛的是微波全息成像技术，如“一种近场微波全息成像方法、装置、电子设备及存储介质(中国专利申请号：202210388580.0)”、“一种用于人体安全检查的毫米波全息成像设备(中国专利申请号：2013103568638)”，相关技术都是基于微波全息成像技术，该技术理论上要求发射/接收天线单元的间距不大于1/4波长，并且发射/接收单元按1：1配置，且单元数量庞大，成本极其高昂。
因此，针对微波人体安检成像设备及类似设备，开发一种效果相近、成本更低的成像方法具有重大的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的问题是：在保证成像效果基本相同的情况下，大幅降低成像系统的硬件成本。
传统微波主动全息成像技术中，发射单元数量和接收单元数量是1:1设置的，并且为了防止成像混叠，需要设置发射/接收单元的间距不大于1/4波长，此外，由于不同的发射——接收对在时间上错开依次工作，因而还需要设置复杂的开关矩阵。若能够将原来按接收单元数量1:1设置的发射单元数量降低为数量有限的几个单元，则可以将发射单元的数量降低90％以上，若再将接收单元的间距增加到1/2波长，则接收单元数量可降低50％，则显然可以极大的压缩硬件成本，提高产品的市场竞争力。基于上述设想，经过技术可行性验证后，本发明提供了一种成像方法、成像设备、装置及存储介质：
第一方面，本发明提供了一种成像方法，包括：
步骤一，设置至少2个工作时空间位置相对固定的发射单元；
步骤二，设置具有多个接收单元的接收阵列；
步骤三，设置其中一个发射单元发射成像探测信号；
步骤四，接收阵列接收目标回波信号；
步骤五，采用近场反演方法，对接收阵列接收的目标回波信号进行近场成像；
步骤六，对成像结果进行叠加求和处理；
步骤七，变更发射单元，重复步骤3过程，直至完成全部发射单元的发射和接收成像处理。
第二方面，本发明提供了一种成像设备，包括：
所述成像设备包括壳体、发射单元、接收阵列、信号处理模块、显示装置，其中，发射单元和接收阵列沿待探测区域设置，发射单元用来对待探测区域发射探测信号，接收阵列用来接收来自待探测区域的目标反射信号，信号处理模块用来对接收阵列收到的目标反射信号采用发明1中方法进行近场成像，显示装置用来显示反演成像结果；所述成像设备设置有多个发射单元，发射单元的工作位置固定不变，不随着接收阵列的位置改变而改变。
第三方面，本发明提供了一种装置，包括：
所述装置包含处理器、可编程器件、存储器和通信接口；其中，存储器、可编程器件存储一个或多个程序，该一个或多个程序包含可执行指令；该装置运行时，处理器、可编程器件执行存储的可执行指令，以使该装置执行发明1中的方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，包括：
所述计算机可读存储介质存储有可执行指令，当所述可执行指令在计算上运行时，使得计算机执行发明1中的方法。
本发明方案中，将原来和接收单元1:1设置的发射单元减少为有限的几个，同时去掉了复杂的开关矩阵，并且将接收单元的数量减少了50％，显然能够极大的降低硬件成本。在成像处理时采用近场成像技术，保证了基本相同的成像效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，以下附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明方法的坐标系示意图。
图3为本发明方法的成像效果验证结果，其中：左图为目标模型，右图为本发明方法成像结果。
图4为本发明成像设备主要组成框图。
图5为本发明平面或曲面形式实孔径阵列收发单元分布示意图，其中：左图为平面阵列，右图为曲面阵列。
图6为本发明一维直线阵直线扫描的平面合成孔径示意图，其中：左图为竖直一维直线阵水平扫描，右图为水平一维直线阵垂直扫描。
图7为本发明一维线阵的曲面合成孔径示意图其中：左图为一维曲线阵直线扫描，右图为一维直线阵曲线扫描。
图8为本发明装置的主要组成框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1：一种成像方法及成像验证结果
附图1给出成像方法的一般流程，其具体步骤如下：
步骤(1)，设置至少2个工作时空间位置相对固定的发射单元：
根据所要探测目标的位置、尺寸等因素，合理设置若干数量的发射单元，通过不同位置的发射单元的照射，从而获得无明显盲区的目标全景像；
设置不同位置的多个发射单元，其目的是“照亮”目标，因而对发射单元的间距没有确定要求，只要能够“照亮”目标的全部即可，可以通过合理布局，尽量用最少的发射单元；
也可以采用1个发射单元，通过运动机构在几个相对固定的位置“照亮”目标即可。
步骤(2)，设置具有多个接收单元的接收阵列：
接收阵列由大量接收单元组成，对于常规阵列，接收单元的间距不大于1/2波长，对于稀疏阵，则接收单元的间距可大于1/2波长；
根据成像要求，可以选择合成孔径阵列，也可以选择实孔径阵列。
步骤(3)，设置其中一个发射单元发射成像探测信号：
发射单元根据需要，选择合适的发射探测信号，通常可选择线性调频信号、频率步进信号等。
步骤(4)，接收阵列接收目标回波信号：
对应着每个不同的发射单元，接收阵接收所对应的目标回波信号，对回波信号进行放大、变频、滤波，进行A/D变换后将数字回波信号送信号处理系统；
步骤(5)，采用近场反演方法，对接收阵列接收的目标回波信号进行近场成像：
近场成像方法，包括且不限于基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)的口径场快速反演方法、基于等效磁流法的快速反演方法、时间反演法(TimeReversal，TR)、后向投影法(Back Projection，BP)、虚拟透镜成像方法(Virtual LensImaging，VLI)、近场波束合成法；
附图2给出了本发明成像方法的坐标系示意图，其中σ为待成像的目标，位于xy平面上；接收阵列位于XY平面上，目标所在平面到接收阵列所在平面的距离为R，某个发射单元对目标进行照射，接收阵列接收目标的回波信号；
成像时可采用基于FFT的口径场快速反演方法进行成像，方法如下：
其中，σ(x,y,z)为待求解的目标的像，(x,y,z)为目标的坐标，IFT3表示三维快速傅里叶逆变换，FT2表示二维快速傅里叶变换，E(X,Y,ω)表示接收阵列接收的目标反射信号，(X,Y)为接收单元的坐标，ω为角频率，R为目标到接收阵列的距离，为波矢量/>沿坐标z方向的分量，kx为波矢量/>沿坐标x方向的分量，ky为波矢量/>沿坐标z方向的分量，/>为波数，e为欧拉常数，j为虚数单位。
步骤(6)，对成像结果进行叠加求和处理：
针对每个不同发射单元的成像结果，其直接累加处理时会出现相互干涉现象，可能导致成像效果变差，为了防止该现象并改善成像效果，采用取绝对值后进行叠加求和：
σn(x,y,z)＝σn-1(x,y,z)+|σ(x,y,z)|；
其中，σn(x,y,z)为当前成像结果，σn-1(x,y,z)为前期成像结果，符号“||”表示取绝对值运算。
步骤(7)，变更发射单元，重复步骤3过程，直至完成全部发射单元的发射和接收成像处理。
成像验证：对本实施例方法进行验证：目标为“F”形理想点目标集合，点目标之间的间距为15mm，点目标集合位于阵列法线方向，探测信号频率为30GHz，接收阵列规模为256×256，单元间距为1/2波长，发射单元有5个，分别位于接收阵列的中心以及4个角处。点目标集合距离阵列中心0.4m。附图3左图为“F”形理想点目标集合的模型，右图为本发明方法的成像结果，由图中能够明显分辨出其中的点目标。
需要说明的是，上述步骤仅给出了本发明方法的一般实现流程，在实际应用中可能会调整顺序或增加/减少一些步骤。
实施例2：一种成像设备
附图4给出一种成像设备的主要组成框图，所述成像设备包括壳体、发射单元、接收阵列、信号处理模块、显示装置，其中，发射单元和接收阵列沿待探测区域设置，发射单元用来对待探测区域发射探测信号，接收阵列用来接收来自待探测区域的目标反射信号，信号处理模块用来对接收阵列收到的目标反射信号采用实施例1中方法进行近场成像，显示装置用来显示成像结果。
所述成像设备设置有多个发射单元，发射单元的工作位置固定不变，不随着接收阵列的位置改变而改变。
本实施例成像设备的接收阵列可以采用实孔径阵列，附图5给出了平面形式和曲面形式的实孔径收发单元分布示例，其中发射单元也可设置在接收阵列之外。
本实施例成像设备也可以采用一维线阵扫描形成合成孔径阵列。附图6给出了一维直线阵直线扫描的平面合成孔径示意图，图7给出了一维直线阵曲线扫描或一维曲线阵直线扫描的曲面合成孔径示意图。
需要注意的是，本实施例成像设备的接收阵列的单元间距不大于1/2波长。
实施例4：一种装置
所述装置组成结构见附图8，包含处理器、可编程器件、存储器和通信接口；其中，存储器、可编程器件存储一个或多个程序，该一个或多个程序包含可执行指令；该装置运行时，处理器、可编程器件执行存储的可执行指令，以使该装置执行实施例1中任一项方法或其混合方法。
实施例5：一种存储介质
所述存储介质存储有可执行指令，当所述可执行指令在计算上运行时，使得计算机执行实施例1中任一项方法或其混合方法。
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本发明可以借助软件加必要的硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(包含光盘，U盘，EPROM，硬盘等)中，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，或者嵌入式设备等)执行本发明实施方案所述的方法。
最后应当说明的是：以上叙述仅用以说明本发明的基本技术方案，而非对其限制；尽管参照上述内容对本发明进行了详细的说明，任何熟悉本领域的技术人员可以对前述的技术方案进行修改完善或适当删减，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，设置至少2个工作时坐标位置相对固定的发射单元；
步骤二，设置具有多个接收单元的接收阵列；
步骤三，设置其中一个发射单元发射成像探测信号；
步骤四，接收阵列接收目标回波信号；
步骤五，采用近场成像方法，对接收阵列接收的目标回波信号进行近场成像；
步骤六，对成像结果进行叠加求和处理；
步骤七，变更发射单元，重复步骤三过程，直至完成全部发射单元的发射和接收成像处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中所述采用近场成像方法，对接收阵列接收的目标回波信号进行近场成像，包括：
所述近场成像方法，包括且不限于基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)的口径场快速反演方法、基于等效磁流法的快速反演方法、时间反演法(TimeReversal，TR)、后向投影法(Back Projection，BP)、虚拟透镜成像方法(Virtual LensImaging，VLI)、近场波束合成法。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括：
所述基于FFT的口径场快速反演方法，包括：
其中，σ(x,y,z)为待求解的目标的像，(x,y,z)为目标的坐标，IFT3表示三维快速傅里叶逆变换，FT2表示二维快速傅里叶变换，E(X,Y,ω)表示接收阵列接收的目标反射信号，(X,Y)为接收单元的坐标，ω为角频率，R为目标到接收阵列的距离，为波矢量沿坐标z方向的分量，kx为波矢量/>沿坐标x方向的分量，ky为波矢量/>沿坐标z方向的分量，/>为波数，e为欧拉常数，j为虚数单位。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤六中所述对成像结果进行叠加求和处理，包括：
将本次成像结果与前期成像结果进行叠加求和处理：
σn(x,y,z)＝σn-1(x,y,z)+|σ(x,y,z)|；
其中，σn(x,y,z)为当前成像结果，σn-1(x,y,z)为前期成像结果，符号“||”表示取绝对值运算。
5.一种成像设备，包括：
所述成像设备包括壳体、发射单元、接收阵列、信号处理模块、显示装置，发射单元和接收阵列沿待探测区域设置，发射单元用来对待探测区域发射探测信号，接收阵列用来接收来自待探测区域的目标反射信号，显示装置用来显示成像结果，其特征在于：设置有多个发射单元，发射单元的工作位置固定不变，不随着接收阵列的位置改变而改变；信号处理模块采用权利要求1～4任一项所述方法对接收阵列收到的目标反射信号进行近场成像。
6.根据权利要求5所述的成像设备，其特征在于，所述接收阵列的单元间距不大于1/2波长。
7.根据权利要求5所述的成像设备，其特征在于，所述接收阵列为一维线阵，通过一维线阵的直线或曲线扫描，形成合成孔径平面或曲面二维接收阵列。
8.根据权利要求5所述的成像设备，其特征在于，所述接收阵列为平面或曲面实孔径二维阵列。
9.一种装置，其特征在于，包括：
所述装置包含处理器、可编程器件、存储器和通信接口；其中，存储器、可编程器件存储一个或多个程序，该一个或多个程序包含可执行指令；该装置运行时，处理器、可编程器件执行存储的可执行指令，以使该装置执行权利要求1～4中任一项方法或其混合方法。
10.一种存储介质，其特征在于，包括：
所述存储介质存储有可执行指令，当所述可执行指令在计算上运行时，使得计算机执行权利要求1～4中任一项方法或其混合方法。
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