一种新型被动毫米波成像方法
阅读说明：本技术 一种新型被动毫米波成像方法 (Novel passive millimeter wave imaging method ) 是由 尹川 徐冯晨 张鹏泉 耿友林 韦杜鹃 张忠海 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型被动毫米波成像方法。传统的被动毫米波辐射模拟的射线发射方法一般用的都是等值角度发射法,这种方法在成像效果方面更符合人体的视觉效果,这样处理的弊端是图像尺寸和相对位置存在较大的畸变,无法分辨出物体实际尺寸和位置信息,从而极大影响了被动毫米波辐射模拟成像的准确度。本发明如下：一、对被探测区域进行正方形网格划分。二、以网格内部或交点为目标发射射线并进行亮温反演。三、建立被探测区域内的亮温分布图。亮温分布图的每个像素点对应一条射线的亮温。本发明能够更为精准地探测出物体的位置和尺寸信息,从而大幅增加了被动毫米波成像模拟的准确性。此外,本发明能够减少溢出射线的产生。(The invention discloses a novel passive millimeter wave imaging method. The traditional ray emission method for passive millimeter wave radiation simulation generally adopts an equivalent angle emission method, which is more in accordance with the visual effect of a human body in the aspect of imaging effect, so that the defect of processing is that the size and the relative position of an image have large distortion, and the actual size and the position information of an object cannot be distinguished, thereby greatly influencing the accuracy of passive millimeter wave radiation simulation imaging. The invention is as follows: firstly, carrying out square grid division on a detected area. And secondly, emitting rays by taking the interior of the grid or the intersection point as a target and carrying out brightness temperature inversion. And thirdly, establishing a brightness-temperature distribution map in the detected area. Each pixel point of the brightness temperature distribution graph corresponds to the brightness temperature of one ray. The invention can more accurately detect the position and size information of the object, thereby greatly increasing the accuracy of passive millimeter wave imaging simulation. In addition, the invention can reduce the generation of overflow rays.)
技术领域
本发明属于计算机辅助分析与设计以及软件设计技术领域，具体涉及一种新型被动毫米波成像方法。
背景技术
被动毫米波成像模拟是被动毫米波成像领域里一项重要的环节，它可以帮助认识目标的辐射特性，解释辐射现象，寻找辐射规律以及判断实际测量结果的优劣。以上所述优点使得毫米波成像模拟近年来愈加受到重视。目前为止，大部分的工作都集中在符合人体视角的成像，而对于准确表示待测目标位置信息的成像则鲜有提及，传统的射线发射方法是利用俯仰角发射射线，但该方法只能呈现符合人体视角的像。因此，需要一种新的射线发射方法对物体的位置信息进行更为准确地分辨，从而扩大被动毫米波辐射模拟的适用范围，以及提高其分辨能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型被动毫米波成像方法。
本发明的具体步骤如下：
步骤一、对被探测区域进行正方形网格划分。
步骤二、使用辐射计对被探测区域的每个网格内部或网格交点发射射线。
步骤三、辐射计发射的每根射线均进行亮温反演，得到对应的亮温。
步骤四、根据所有射线对应的亮温，得到被探测区域内的亮温分布图。亮温分布图的每个像素点对应一条射线的亮温。
作为优选，辐射计每次发射的方向矢量根据辐射计与被探测点的连线确定。
作为优选，辐射计发出的每条射线均射向网格交点。
作为优选，辐射计发出的每条射线均射向网格中心点。
作为优选，在辐射计发射射线前，对被探测区域进行剖分处理，剖分的单元格为四面体。
作为优选，单个正方形网格的尺寸为300mm×300mm～500mm×500mm。
本发明具有的有益效果是：
本发明对被测区域进行正方形网格划分，并以每个网格交点为射线发射目标；由于每个网格交点的间距一致，而每个网格交点均在图像上形成一个像素点，故本发明在水平面上的成像结果不会发生畸变；相比于现有技术中以等值调节俯仰角、方位角的成像方法，本发明能够更为精准地探测出物体的位置和尺寸信息，从而大幅增加了被动毫米波成像模拟的准确性。此外，本发明能够减少溢出射线的产生。
附图说明
图1为本发明中被测场景的物理模型图；
图2为本发明的被测场景利用剖分技术剖分后的示意图；
图3为空对地场景模型的单根射线追踪示意图；
图4为空对地场景模型的单根射线反演示意图；
图5为传统射线发射方法得到的亮温成像模拟图；
图6为本发明得到的亮温成像模拟图；
图7(a)-7(e)分别为五个实验组通过传统射线发射方法成像的建模图；
图8(a)-8(e)分别为五个实验组通过本发明成像的建模图；
图9(a)-9(e)分别为五个实验组通过传统射线发射方法得到的成像图；
图10(a)-10(e)分别为五个实验组通过本发明得到的成像图；
图11为传统射线发射方法、本发明所得图像以及实际建模中的四面体特征边与立方体底面对角线的比值对比图；
图12为传统射线发射方法的射线发射范围示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
一种新型被动毫米波成像方法，具体步骤如下：
步骤一、对被探测区域的水平面进行正方形网格划分，使得被探测区域的水平面上的每个网格交点对应辐射计的一个探测点。单个正方形网格的尺寸为400mm×400mm。
步骤二、射线追踪部分。
使用辐射计对被探测区域的每个网格交点分别发射射线；辐射计每次发射的方向矢量根据辐射计与被探测的网格交点的连线确定。辐射计每次发射的射线均进行追踪，具体最终过程属于现有技术，在此不作赘述。射线追踪的过程如图3所示。
步骤三、亮温反演部分。
射线追踪部分结束后，从每一根射线的终端将亮温反演至发射源点，得到对应的亮温。
步骤四、将所有的射线表征的亮温都计算完成后，得到被探测区域内的亮温分布图。亮温反演的过程如图4所示。由于不同的物体和底面，其亮温分布情况也不同，即可分辨物体的实际位置信息。
由于所得亮温分布图上的每个像素点均对应被探测区域中的一个网格交点，故所得亮温分布图上目标与水平面的交线轮廓尺寸与真实场景中完全相同，不存在畸变；因此，对目标在亮温分布图上的尺寸参数乘以比例尺即可获得真实的目标尺寸参数。同理，利用本发明能够获得被探测区域中多个目标相互之间的准确距离。
以下结合一个具体场景进一步说明本发明的技术效果；该具体场景如图1所示，场景中间隔设置有两个被观测物体。两个被观测物体分别为立方体和四面体。以四面体的其中一条底边为特征边；根据建模的数据可以看出，特征边的两端点的坐标分别为(11,5,0)和(7,9,0)，立方体底面其中一条对角线的两端点坐标分别为(-3,3,0)和(-5,5,0)。通过计算可知四面体的特征边长是立方体底面对角线长度的两倍。
对具体场景建模后，利用已有的剖分软件对模型进行剖分，剖分单元选择四面体。剖分后的模型图如图2所示。之后，对所述的具体场景进行射线追踪与亮温反演。将坐标为(17.68,17.68,25)的发射点存放在start_point(3)数组中；其中start_point(1)、start_point(2)、start_point(3)分别存放发射点的x、y、z坐标。
对第n条射线进行追踪，其对应具体场景水平面第n个网格交点；该网格交点node(n)的坐标为(nodex(n),nodey(n),nodez(n))，计算第n条射线的方向矢量，将其对应的网格交点node(n)的x坐标与发射点的x坐标作差，得到X轴投影距离vx＝nodex(n)-start_point(1)，将其对应的网格交点node(n)的y坐标与发射点的y坐标作差，得到Y轴投影距离vy＝nodey(n)-start_point(2)，将其对应的网格交点node(n)的z坐标与发射点的z坐标作差，得到Z轴投影距离vz＝nodez(n)-start_point(3)。计算第n个网格交点与发射点的距离
第n条射线的方向矢量为(vx/v，vy/v，vz/v)；图3为几种粗糙面的散射模型。图4为追踪模型；当射线遇到粗糙面后，一部分能量沿反射方向上射线继续追踪，另一部分能量由周围的射线向外继续追踪，直到达到追踪层数或穿出视场范围为止。经过射线追踪后，对模拟场景进行亮温成像，得到亮温成像模拟图。
对前述的具体场景分别使用传统射线发射方法和发明提供的方法进行亮温成像模拟；图5为传统射线发射方法得到的模拟场景的亮温成像模拟图，图6为利用新型射线发射方法得到的模拟场景的亮温成像模拟图。对比两幅图可以看出，本发明得到的亮温模拟图可以获取物体的实际位置信息和底面尺寸信息，而现有技术所得的图像在水平面上有明显畸变，无法获取立方体和四面体的边长及间距等尺寸信息。
为说明本发明在底面尺寸还原上的优益性，改变模拟场景中的被观测物体的尺寸，通过传统射线发射方法和本发明进行亮温成像模拟，记录对比两种射线发射方法成像中物体实际信息的变化。具体如下：
对四面体的大小进行五次调整，五次调整后，四面体特征边与立方体底面对角线的比值分别为1:2、2:2、3:2、4:2、5:2，分别记录为实验组1-5；每个实验组分别使用传统射线发射方法和本发明进行亮温模拟成像；依据传统射线发射方法测量实验组1-5的模型如图7(a)-图7(e)，所成图像如图9(a)-9(e)。依据本发明提供的方法测量实验组1-5的模型如图8(a)-图8(e)，所成图像如图10(a)-10(e)。
分别对图9(a)-9(e)、图10(a)-10(e)的成像中四面体的特征边与立方体底面对角线进行测量；算出各图像中四面体的特征边与立方体底面对角线的比值，并与实际建模中的比值进行对比。图11为四面体底边与立方体底面对角线的比例分别在两种发射方法生成的成像模拟图中与实际建模中的比例的对比图。从图11中可以看出，本发明的比值与实际值基本一致；而现有技术测得的比值误差较大。
传统的射线发射方法会产生溢出射线，使用本发明提供的射线发射方法能够有效地解决这个问题。对比两种射线发射方法的建模。传统射线发射方法对应的射线发射范围如图12所示。由图12可知，其顶点坐标为(17.68,17.68,25)，底面四个端点的坐标分别为(-30.9119,-4.98,0)、(-4.98,-30.9119,0)、(7.1122,12.751,0)、(12.751,7.1122,0)。传统的射线发射的方法是根据俯仰角θ和方位角φ来确定射线的发射方向。取俯仰角θ为26°，方位角φ为0°时，射线发射方向与底面所在平面的交点坐标为(-18.564,-18.564,0)位于底面的外侧。为使发射的射线能覆盖底面，实际的射线发射范围如图12所示边界为圆弧。
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