阅读说明：本技术 一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统 (Millimeter wave sparse array remote monitoring imaging method and system ) 是由 孟祥新 郭柳柳 余开 张军 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统,属于毫米波三维全息成像技术领域,包括以下步骤：S1：获得回波信号；S2：插值操作；S3：快速傅里叶变换；S4：选择距离平面；S5：频域匹配滤波；S6：快速傅里叶逆变换；S7：时域匹配滤波；S8：相干累加；S9：得到三维复数图像。本发明采用毫米波稀疏阵列全电子扫描成像体制,相比于传统的光机扫描远场成像系统,存在电磁波闪烁效应小、图像信噪比高和成像视场范围大的特点；同时所采用的信号处理成像方法较传统的时域类成像方法消耗的硬件资源少、存储空间少的优点,算法流程简单易懂,算法主体仅包含快速傅里叶变换、匹配滤波、相干累加的主体流程,计算效率高于传统的时域类算法。(The invention discloses a millimeter wave sparse array remote monitoring imaging method and a millimeter wave sparse array remote monitoring imaging system, which belong to the technical field of millimeter wave three-dimensional holographic imaging and comprise the following steps: s1: obtaining an echo signal; s2: performing interpolation operation; s3: fast Fourier transform; s4: selecting a distance plane; s5: performing frequency domain matched filtering; s6: performing fast Fourier inverse transformation; s7: time domain matched filtering; s8: coherent accumulation; s9: obtaining a three-dimensional complex image. The invention adopts a millimeter wave sparse array full-electronic scanning imaging system, and has the characteristics of small electromagnetic wave flicker effect, high image signal-to-noise ratio and large imaging field range compared with the traditional optical machine scanning far-field imaging system; meanwhile, compared with the traditional time domain type imaging method, the adopted signal processing imaging method has the advantages of less hardware resources and less storage space, the algorithm flow is simple and easy to understand, the algorithm main body only comprises the main body flows of fast Fourier transform, matched filtering and coherent accumulation, and the calculation efficiency is higher than that of the traditional time domain type algorithm.)

一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统

技术领域

本发明涉及毫米波三维全息成像技术领域，具体涉及一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统。

背景技术

近年来，毫米波三维全息成像技术越来越广泛的应用于人身安全检查领域，极大的降低了安检人员的工作负担，可以被应用于海关、机场、法院和大型安保活动现场，是一种安全、文明、高效的安检新模式。但是目前基于毫米波技术的人体安检仪，均需要被安检人员以固定姿势站立于安检仪的内部，需要停留短暂时间，以进行扫描成像，同时毫米波人体安检仪工作于近场条件下，其成像距离一般很近，因此目前的毫米波人体安检仪还无法真正达到高效、快速、无感知的人体安检新要求。

目前国内外研究机构已经推出和报道的被动式太赫兹人体安检仪的成像速度已经可以达到实时，做到高效、快速、无感知的体验感，但是被动式人体安检仪所成图像为二维的强度图像，所包含的信息量无法与主动式毫米波人体安检仪的三维图像可比，并且大部分被动式太赫兹人体安检仪采用功率式检波器被动的接收人体辐射的太赫兹波，工作环境场景范围内的背景杂散信号也被无差别的接收，最终导致被动式太赫兹人体安检仪对于工作环境的温度、湿度、光照等自然条件要求比较苛刻，无法做到开放式的安检环境，即使做到开放式的安检环境，成像效果也不十分理想。

针对于上述分析，在人体安检成像领域中，要做到真正的高效、快速、无感知的安检要求，主动式实时成像体制亟待需要提出和实现。传统的稀疏阵列成像方法一般是基于时域相关算法和后向投影算法来实现，上述算法在时域条件下进行推导，计算流程较为复杂，计算效率较低，对于实时信号处理的硬件资源和存储资源要求较高，因此，提出一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何有效地提高稀疏阵列成像方法的计算效率，使计算过程更加简单，进而降低对实时信号处理的硬件资源和存储资源要求，提供了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法。该成像方法采用毫米波稀疏阵列的成像方式能够满足实时成像的要求，基于快速傅里叶变换技术，相比于传统的时域算法，计算流程较为简单，计算效率较高，且由于毫米波稀疏阵列采用全电子开关阵列，无任何机械扫描结构，因此特别适合于人体安检实时成像领域。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：获得回波信号

建立毫米波二维稀疏阵列，其发射阵元间距为Δx_T，接收阵元间距为Δy_R，发射阵元与接收阵元通过天线开关来激活对应的天线单元，在整个扫描过程中，获得的回波信号为S(x_T,y_T,x_R,y_R,k)，其中x_T为发射阵列x维度，y_T为发射阵列y维度，x_R为接收阵列x维度，y_R为接收阵列y维度，k为频率扫描维度；

S2：插值操作

对获得的回波信号S(x_T,y_T,x_R,y_R,k)的x_T维度和y_R维度进行插值操作，得到插值后的信号为S_Interp(x_T,y_T,x_R,y_R,k)；

S3：快速傅里叶变换

对信号S_Interp(x_T,y_T,x_R,y_R,k)的x_T维度和y_R维度进行快速傅里叶变换，将信号的x_T维度和y_R维度变换到频域空间，所得信号为

S4：选择距离平面

在距离维度划分位置坐标，设置距离维度成像位置为z_q，其中z_q∈[z_min,z_max]，q＝0,1,2...Q-1，选择单个距离位置索引z_q；同时索引发射阵列y_T维度、接收阵列x_R维度和频率扫描维度k，索引值分别为y_{T_m}、x_{R_n}和k_p，其中m＝0,1,2...M-1，n＝0,1,2...N-1，p＝0,1,2...N_f-1，所得信号为

S5：频域匹配滤波

计算x_T维度和y_R维度的频域匹配滤波器

与信号

的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为

S6：快速傅里叶逆变换

对信号

的维度和

维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，所得信号为

S7：时域匹配滤波

计算y_T维度与x_R维度的时域匹配滤波器H₂(y_{T_m},x_{R_n},x_T,y_R)，并且与信号

的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号

S8：相干累加

改变m、n、p的索引值，直到遍历完所有的y_T维度、x_R维度和k维度,得到信号

对信号

的y_T维度、x_R维度和k维度进行相干累加计算，得到距离位置z_q处的二维复数图像

S9：得到三维复数图像

改变z_q的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，重复步骤S4～S8，直到遍历完所有距离位置z_q，得到最终的三维复数图像σ(x,y,z)，将三维复数图像σ(x,y,z)传输到高性能服务器进行目标检测与目标识别和图像处理，再送至显示端进行图像显示。

更进一步的，在所述步骤S1中，毫米波稀疏阵列发射的信号为调频连续波信号或者步进连续波信号，信号的频段范围为12～18GHz，发射阵元间距Δx_T＝0.015m，接收阵元间距Δy_R＝0.015m。

更进一步的，在所述步骤S2中，对回波信号S(x_T,y_T,x_R,y_R,k)的x_T维度和y_R维度进行插值操作后，回波信号x_T维度和y_R维度的空间采样间隔分别变为Δx_T/2和Δy_R/2。

更进一步的，在所述步骤S4中，距离维度划分聚焦平面可以设置为z_q∈[5m,8m]，Δz＝z_q-z_q-1为聚焦平面的位置间隔。

更进一步的，设置Δz的公式为

其中c为自由空间的光速，B＝f_max-f_min为毫米波射频信号的带宽，其中f_min表示射频信号频率最小值，为12GHz，f_max表示射频信号频率最大值，为18GHz。

更进一步的，在所述步骤S5中，频域匹配滤波器

其中k＝2πf/c为空间频率波数，kx_Tx为发射阵列x维度的空间波数，取值范围为kx_Tx∈[-π/(0.5×Δx_T),π/(0.5×Δx_T)]，ky_Rx为接收阵列y维度的空间波数，取值范围为ky_Rx∈[-π/(0.5×Δy_R),π/(0.5×Δy_R)]。

更进一步的，在所述步骤S7中，时域匹配滤波器其中

z₀为毫米波稀疏阵列所在的距离位置，通常设置为0。

更进一步的，在所述步骤S2中，进行插值操作的方法选自线性插值、样条插值、立方插值和SINC插值中任一种。该成像方法较传统的时域类成像方法消耗的硬件资源少、存储空间少的优点，算法流程简单易懂，算法主体仅包含快速傅里叶变换、匹配滤波、相干累加的主体流程，计算效率高于传统的时域类算法，值得被推广使用。

本发明还提供了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像系统，包括：

回波信号获取模块，用于通过毫米波二维稀疏阵列获取回波信号；

插值操作模块，用于对的回波信号的x_T维度和y_R维度进行插值操作，得到插值后的信号；

快速傅里叶变换模块，用于的插值后信号的x_T维度和y_R维度进行快速傅里叶变换，将信号的x_T维度和y_R维度变换到频域空间；

距离平面选择模块，用于在距离维度划分位置坐标，设置距离维度成像位置为z_q，同时索引发射阵列y_T维度、接收阵列x_R维度和频率扫描维度k，得到信号

频域匹配滤波模块，用于计算x_T维度和y_R维度的频域匹配滤波器与信号

的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,得到信号

快速傅里叶逆变换模块，用于对信号

的维度和

维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，得到信号

时域匹配滤波模块，用于计算y_T维度与x_R维度的时域匹配滤波器H₂(y_{T_m},x_{R_n},x_T,y_R)，并且与信号

的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号

相干累加模块，用于通过改变m、n、p的索引值，直到遍历完所有的y_T维度、x_R维度和k维度,得到信号

对信号

的y_T维度、x_R维度和k维度进行相干累加计算，得到距离位置z_q处的二维复数图像

三维复数图像模块，用于通过改变z_q的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，直到遍历完所有距离位置z_q，得到最终的三维复数图像σ(x,y,z)；

中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关步骤；

所述回波信号获取模块、插值操作模块、快速傅里叶变换模块、距离平面选择模块、频域匹配滤波模块、快速傅里叶逆变换模块、时域匹配滤波模块、相干累加模块、三维复数图像模块均与中央处理模块电连接。该系统成像特点为远场成像，采用毫米波稀疏阵列全电子扫描成像体制，相比于传统的光机扫描远场成像系统，存在电磁波闪烁效应小、图像信噪比高和成像视场范围大的特点。

本发明相比现有技术具有以下优点：该毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统，适用于远程人体安检成像工作中，成像范围设置为大于等于五米，成像特点为远场成像，采用毫米波稀疏阵列全电子扫描成像体制，相比于传统的光机扫描远场成像系统，存在电磁波闪烁效应小、图像信噪比高和成像视场范围大的特点；同时所采用的信号处理成像方法较传统的时域类成像方法消耗的硬件资源少、存储空间少的优点，算法流程简单易懂，算法主体仅包含快速傅里叶变换、匹配滤波、相干累加的主体流程，计算效率高于传统的时域类算法，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例二中毫米波稀疏阵列远程监视成像系统的稀疏阵列阵元分布示意图；

图2是本发明实施例二中成像方法的具体实施流程图；

图3是本发明实施例二中毫米波稀疏阵列远程监视成像方法的成像结果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：一种毫米波稀疏阵列远程监视成像方法，包括以下步骤：

S1：获得回波信号

建立毫米波二维稀疏阵列，其发射阵元间距为Δx_T，接收阵元间距为Δy_R，发射阵元与接收阵元通过天线开关来激活对应的天线单元，在整个扫描过程中，获得的回波信号为S(x_T,y_T,x_R,y_R,k)，其中，x_T为发射阵列x维度，y_T为发射阵列y维度，x_R为接收阵列x维度，y_R为接收阵列y维度，k为频率扫描维度；

S2：插值操作

对获得的回波信号S(x_T,y_T,x_R,y_R,k)的x_T维度和y_R维度进行插值操作，得到插值后的信号为S_Interp(x_T,y_T,x_R,y_R,k)；

S3：快速傅里叶变换

对信号S_Interp(x_T,y_T,x_R,y_R,k)的x_T维度和y_R维度进行快速傅里叶变换，将信号的x_T维度和y_R维度变换到频域空间，所得信号为

S4：选择距离平面

在距离维度划分位置坐标，设置距离维度成像位置为z_q，其中z_q∈[z_min,z_max]，q＝0,1,2...Q-1，选择单个距离位置索引z_q；同时索引发射阵列y_T维度、接收阵列x_R维度和频率扫描维度k，索引值分别为y_{T_m}、x_{R_n}和k_p，其中m＝0,1,2...M-1，n＝0,1,2...N-1，p＝0,1,2...N_f-1，所得信号为

S5：频域匹配滤波

计算x_T维度和y_R维度的频域匹配滤波器

与信号的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为

S6：快速傅里叶逆变换

对信号

的

维度和

维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，所得信号为

S7：时域匹配滤波

计算y_T维度与x_R维度的时域匹配滤波器H₂(y_{T_m},x_{R_n},x_T,y_R)，并且与信号

的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号

S8：相干累加

改变m、n、p的索引值，直到遍历完所有的y_T维度、x_R维度和k维度,得到信号

对信号

的y_T维度、x_R维度和k维度进行相干累加计算，得到距离位置z_q处的二维复数图像

S9：得到三维复数图像

改变z_q的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，重复步骤S4～S8，直到遍历完所有距离位置z_q，得到最终的三维复数图像σ(x,y,z)，将三维复数图像σ(x,y,z)传输到高性能服务器进行目标检测与目标识别和图像处理，再送至显示端进行图像显示。

在所述步骤S1中，毫米波稀疏阵列发射的信号为调频连续波信号或者步进连续波信号，信号的频段范围为12～18GHz，发射阵元间距Δx_T＝0.015m，接收阵元间距Δy_R＝0.015m。

在所述步骤S2中，对回波信号S(x_T,y_T,x_R,y_R,k)的x_T维度和y_R维度进行插值操作后，回波信号x_T维度和y_R维度的空间采样间隔分别变为Δx_T/2和Δy_R/2。

在所述步骤S4中，距离维度划分聚焦平面为z_q∈[5m,8m]，Δz＝z_q-z_q-1为聚焦平面的位置间隔。

设置Δz的公式为

其中c为自由空间的光速，B＝f_max-f_min为毫米波射频信号的带宽，其中f_min表示射频信号频率最小值，为12GHz，f_max表示射频信号频率最大值，为18GHz。

在所述步骤S5中，频域匹配滤波器

其中k＝2πf/c为空间频率波数，

kx_Tx为发射阵列x维度的空间波数，取值范围为kx_Tx∈[-π/(0.5×Δx_T),π/(0.5×Δx_T)]，ky_Rx为接收阵列y维度的空间波数，取值范围为ky_Rx∈[-π/(0.5×Δy_R),π/(0.5×Δy_R)]。

在所述步骤S7中，时域匹配滤波器其中

z₀为毫米波稀疏阵列所在的距离位置，通常设置为0。

在所述步骤S2中，进行插值操作的方法选自线性插值、样条插值、立方插值和SINC插值中任一种。该成像方法较传统的时域类成像方法消耗的硬件资源少、存储空间少的优点，算法流程简单易懂，算法主体仅包含快速傅里叶变换、匹配滤波、相干累加的主体流程，计算效率高于传统的时域类算法。

本实施例还提供了一种毫米波稀疏阵列远程监视成像系统，包括：

回波信号获取模块，用于通过毫米波二维稀疏阵列获取回波信号；

插值操作模块，用于对的回波信号的x_T维度和y_R维度进行插值操作，得到插值后的信号；

快速傅里叶变换模块，用于的插值后信号的x_T维度和y_R维度进行快速傅里叶变换，将信号的x_T维度和y_R维度变换到频域空间；

距离平面选择模块，用于在距离维度划分位置坐标，设置距离维度成像位置为z_q，同时索引发射阵列y_T维度、接收阵列x_R维度和频率扫描维度k，得到信号

频域匹配滤波模块，用于计算x_T维度和y_R维度的频域匹配滤波器

与信号

的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,得到信号

快速傅里叶逆变换模块，用于对信号

的

维度和

维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，得到信号

时域匹配滤波模块，用于计算y_T维度与x_R维度的时域匹配滤波器H₂(y_{T_m},x_{R_n},x_T,y_R)，并且与信号的对应维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号

相干累加模块，用于通过改变m、n、p的索引值，直到遍历完所有的y_T维度、x_R维度和k维度,得到信号

对信号

的y_T维度、x_R维度和k维度进行相干累加计算，得到距离位置z_q处的二维复数图像

三维复数图像模块，用于通过改变z_q的索引值q，从而获得不同位置处的二维复数图像，直到遍历完所有距离位置z_q，得到最终的三维复数图像σ(x,y,z)；

中央处理模块，用于向其他模块发出指令，完成相关步骤；

所述回波信号获取模块、插值操作模块、快速傅里叶变换模块、距离平面选择模块、频域匹配滤波模块、快速傅里叶逆变换模块、时域匹配滤波模块、相干累加模块、三维复数图像模块均与中央处理模块电连接。该系统成像特点为远场成像，采用毫米波稀疏阵列全电子扫描成像体制，相比于传统的光机扫描远场成像系统，存在电磁波闪烁效应小、图像信噪比高和成像视场范围大的特点。

实施例二

如图1所示，为该毫米波稀疏阵列远程监视成像系统的稀疏阵列阵元分布示意图，其空间覆盖范围为1.08m×2.45m(方位维度×竖直维度)，能够覆盖整个人体，水平布置的阵元为发射阵元，竖直布置的阵元为接收阵元，发射阵元与接收阵元通过天线开关的切换实现天线波束在空间中的综合，当所有天线开关切换完毕后，经过毫米波中频接收机解调后的后向散射回波信号为S(x_T,y_T,x_R,y_R,k)，x_T为发射阵列x维度，y_T为发射阵列y维度，x_R为接收阵列x维度，y_R为接收阵列y维度，k为频率扫描维度。

如图2所示，本实施例的具体实现过程如下：

该毫米波稀疏阵列的信号频率范围为12～18GHz，发射阵元间距Δx_T和接收阵元间距Δy_R均设为0.015m，整个稀疏阵列包含8个子阵列，每个子阵列包含48个发射阵元和48个接收阵元，子阵列之间x维度的间距为47×Δx_T，y维度的间距为47×Δy_R

将图1所示毫米波稀疏阵列的回波信号S(x_T,y_T,x_R,y_R,k)的x_T维度和y_R维度进行插值操作，使得回波信号x_T维度和y_R维度的空间采样间隔分别变为Δx_T/2和Δy_R/2，插值后的信号变为S_Interp(x_T,y_T,x_R,y_R,k)，采用的插值方法可以为线性插值、样条插值、立方插值和SINC插值等。

对信号S_Interp(x_T,y_T,x_R,y_R,k)的x_T维度和y_R维度进行快速傅里叶变换，将信号的x_T维度和y_R维度变换到频域空间，所得信号为

并在距离维度划分位置坐标，设置距离维度成像位置为z_q，其中q＝0,1,2...Q-1，距离维度划分的聚焦位置范围为z_q∈[5m,8m]，Δz＝z_q-z_q-1为聚焦平面的位置间隔，设置Δz为

则距离维度划分的点数为N_z＝(z_max-z_min)/Δz，c为自由空间的光速，B＝f_max-f_min为毫米波射频信号的带宽，其中f_min表示射频信号频率最小值，为12GHz，f_max表示射频信号频率最大值，为18GHz。

同时索引发射阵列y_T维度、接收阵列x_R维度和频率扫描维度k，索引值分别为y_{T_m}、x_{R_n}和k_p，其中n＝0,1,2...N-1，p＝0,1,2...N_f-1，得到的信号为

计算x_T维度和y_R维度的频域匹配滤波器

其中k＝2πf/c为空间频率波数，kx_Tx为发射阵列x维度的空间波数，取值范围为

ky_Rx为接收阵列y维度的空间波数，取值范围为ky_Rx∈[-π/(0.5×Δy_R),π/(0.5×Δy_R)]，与信号

的对应维度相乘做频域匹配滤波处理,所得信号为

对所述信号

的维度和

维度进行快速傅里叶逆变换处理，将其变换到时域空间，所得信号为

计算y_T维度与x_R维度的时域匹配滤波器

其中与所得信号

的x_T和y_R维度相乘，实现时域匹配滤波处理，得到信号为

改变m、n、p的索引值，直到遍历完所有的y_T维度、x_R维度和k维度,得到信号

对所述信号

的y_T维度、x_R维度和k维度进行相干累加计算，得到距离位置z_q处的二维复数图像

改变z_q的索引值q，直到遍历完所有距离位置z_q，获得不同位置处的二维复数图像，最终得到三维复数图像σ(x,y,z)。并将三维复数图像σ(x,y,z)传输到高性能服务器进行目标检测与目标识别和图像处理，再送至显示端进行图像显示。

图3所示为本发明成像方法所成图像，图3(a)和图3(b)分别为5m处和8m处的点目标成像结果，点目标聚焦效果良好，可以验证本发明的具体实施的有效性和正确性。

综上所述，上述两组实施例的毫米波稀疏阵列远程监视成像方法及系统，适用于远程人体安检成像工作中，成像范围设置为大于等于五米，成像特点为远场成像，采用毫米波稀疏阵列全电子扫描成像体制，相比于传统的光机扫描远场成像系统，存在电磁波闪烁效应小、图像信噪比高和成像视场范围大的特点；同时所采用的信号处理成像方法较传统的时域类成像方法消耗的硬件资源少、存储空间少的优点，算法流程简单易懂，算法主体仅包含快速傅里叶变换、匹配滤波、相干累加的主体流程，计算效率高于传统的时域类算法，值得被推广使用。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。