一种被动毫米波三维成像系统及其成像方法
阅读说明：本技术 一种被动毫米波三维成像系统及其成像方法 (Passive millimeter wave three-dimensional imaging system and imaging method thereof ) 是由 王鹏程 王楠楠 邱景辉 马翰驰 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明是一种被动毫米波三维成像系统及其成像方法。所述系统包括：主介质透镜,子介质透镜阵列,辐射计接收机阵列,数字采集电路和计算机；场内物体辐射的电磁波经过主介质透镜汇聚至子透镜阵列平面,再经过不同的子透镜聚焦至辐射计接收机阵列平面,辐射计接收机阵列上的接收天线接收到电磁波,将信号顺次输出至毫米波段低噪放,高灵敏度平方律检波器,低通滤波器,低频放大器,低频放大器输出端与数字采集电路的输入端连接,数字采集电路将采样信号传输至计算机进行数据处理。(The invention discloses a passive millimeter wave three-dimensional imaging system and an imaging method thereof. The system comprises: the radiometer comprises a main dielectric lens, a sub-dielectric lens array, a radiometer receiver array, a digital acquisition circuit and a computer; electromagnetic waves radiated by objects in a field are converged to a sub-lens array plane through a main dielectric lens and focused to a radiometer receiver array plane through different sub-lenses, a receiving antenna on the radiometer receiver array receives the electromagnetic waves, signals are sequentially output to a millimeter wave band low-noise amplifier, a high-sensitivity square law detector, a low-pass filter and a low-frequency amplifier, the output end of the low-frequency amplifier is connected with the input end of a digital acquisition circuit, and the digital acquisition circuit transmits sampling signals to a computer for data processing.)
技术领域
本发明涉及三维成像技术领域，是一种被动毫米波三维成像系统及其成像方法。
背景技术
毫米波是频率范围从30GHz到300GHz的电磁波，毫米波段覆盖多个大气窗口(35GHz、94GHz、140GHz、220GHz等)，可穿透云、雾、烟尘，辐射测量不受天气和环境影响；因此，毫米波辐射场测量技术在军事国防，遥感探测等领域有着重要应用。另外，由于毫米波对衣物具有良好的穿透特性，毫米波辐射场探测在用于检测隐蔽危险品的人体安检成像领域也有重要应用。在毫米波段尤其是W波段，隐蔽物体与人体辐射差异较大，有利于进行辐射场探测和被动成像。
常规的毫米波辐射场测量和被动毫米波成像往往仅限于探测二维信息，只能记录电磁波辐射路径所经过的位置信息，而丢失了与场景深度、目标几何形态、场景遮挡关系等高度耦合的角度信息，这意味着常规的毫米波辐射场探测不能够调节探测和成像的焦深使得成像平面聚焦到我们感兴趣的物体所在平面上，无法获得辐射场的三维信息，极大地限制了其功能和应用场景。
毫米波焦平面系统是当前被动毫米波探测成像的主流技术，这种系统的结构是视场平面位于透镜阴暗面的焦平面，而将接收机阵列置于透镜明亮的焦平面上，它存在着成像空间分辨率与成像景深相互矛盾的问题。空间分辨率指在成像平面上馈源波束形成的焦斑大小，焦斑越小，空间分辨率越高，成像精度越高。景深指焦斑畸变到一定程度内所容许的焦平面沿轴向移动的距离，焦深越大系统成像的工作范围越大，对表面起伏的目标扫描越有效[1]。我们希望成像系统的空间分辨率高而景深大。空间分辨率δ与景深Δu关系为：
如图1所示，在若提升成像空间分辨率，成像景深就会降低；若提升景深，成像空间分辨率就会降低。因此，传统的固定焦深的焦平面阵列被动毫米波成像系统存在成像景深较小的问题，导致成像系统在扫描旋转或移动目标时尤其是轴向移动时会出现分辨能力降低，并且检测表面欺负物体能力较差。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种被动毫米波三维成像系统及其成像方法，本发明提供了以下技术方案：
一种被动毫米波三维成像系统，所述系统包括：主介质透镜，子介质透镜阵列，辐射计接收机阵列，数字采集电路和计算机；
场内物体辐射的电磁波经过主介质透镜汇聚至子透镜阵列平面，再经过不同的子透镜聚焦至辐射计接收机阵列平面，辐射计接收机阵列上的接收天线接收到电磁波，将信号顺次输出至毫米波段低噪放，高灵敏度平方律检波器，低通滤波器，低频放大器，低频放大器输出端与数字采集电路的输入端连接，数字采集电路将采样信号传输至计算机进行数据处理；
每个子介质透镜的焦平面上放置一组二维等间隔排布的辐射计接收机，且每组辐射计接收机的接收天线相位中心与对应的子介质透镜明亮面中心点的距离相同，所有辐射计接收机共同构成辐射计接收机阵列；
步骤3：进行成像期间的飞轮转速优化。
优选地，子介质透镜阵列由二维等间隔排布的多个子介质透镜构成，子介质透镜阵列与主介质透镜的中心在同一轴线上。
一种被动毫米波三维成像方法，包括以下步骤：
步骤1：进行辐射场信息提取，记录辐射场的四维函数；
步骤2：根据辐射计阵列平面与子透镜平面的距离，确定辐射计平面上的辐射场强度；
步骤3：获得不同景深的一系列平面采样点所对应的毫米波辐射功率，即获得与三维空间采样点一一对应的三维毫米波辐射场数据，实现毫米波三维辐射场探测。
优选地，所述步骤1具体为：
来自成像系统视场内的某一点的辐射场将经过主透镜聚焦后，被多个子透镜后的多个辐射计接收机所接收；每个辐射计接收机接收了来自多个距离、多个方位目标的毫米波辐射；辐射路径所对应的坐标通过子透镜平面和辐射计阵列平面的交点坐标来表示；
辐射计平面的坐标(x，y)表示目标的方位信息，坐标(x，y)与子透镜平面上的坐标(x’，y’)的连线表示辐射方向，记录的辐射场，通过PF(x’，y’，x，y)表示辐射场的四维函数。
优选地，所述步骤2具体为：辐射计阵列平面与子透镜平面的距离为f，辐射计平面上点(x，y)处的辐射场强度为：
优选地，所述步骤3具体为：
通过被动毫米波三维成像系统测量到传统被动毫米波焦平面阵列成像模式所丢失的场景深度、目标几何形态、场景遮挡关系信息，通过表征目标点辐射强度与目标点方位和距离信息的映射关系，获得不同景深的一系列平面采样点所对应的毫米波辐射功率，即获得与三维空间采样点一一对应的三维毫米波辐射场数据，实现毫米波三维辐射场探测。
优选地，通过如下步骤实现毫米波三维辐射场探测：
新的成像平面与子透镜平面的距离为f’，令f’＝βf，β为虚拟成像深度比例因子；当子透镜平面与传感器平面为无限大，当子透镜阵列对焦在不同深度时，子透镜平面和成像平面之间距离将发生变化，空间中计算对焦图像的积分轨迹将会偏移，由此应用空间域积分投影实现焦距捷变；
由相似三角形定理可知，焦距捷变后，电磁波与辐射计平面所成的交点坐标为所以辐射平面处得到的辐射场强度表示为：
得到焦距捷变后，辐射计平面的辐射强度为：
在采集到的四维(x’，y’，x，y)矩阵辐射场数据基础上，通过变换不同虚拟的聚焦像平面来确定相应的β值，由β值确定辐射计上像元的位置对应的子透镜，就得到不同深度距离处的辐射场的映射关系，从而实现三维辐射场的信息提取；
经过敏感目标景深提取算法和焦距捷变图像反演算法，通过改变虚拟景深变换因子进行坐标变换实现成像系统焦平面聚焦捷变至系统视场内感兴趣的目标所在平面上，从而根据被动毫米波成像算法反演出其进二维或三维的灰度图像。
优选地，主透镜与子透镜的口径和焦距须有系统对成像距离、视场范围及自身体积的需求进行综合；系统成像的像素点个数由子透镜排列的数量和排布以及辐射计接收机的数量和排布决定，当子透镜排列为m1×m2，辐射计接收机排列为n1×n2，则系统成像像素点为(m1×n1)×(m2×n2)个。
有益效果：
本发明的被动毫米波三维成像方法及系统通过在主聚焦天线和辐射计接收机阵列之间插入子透镜阵列实现引入毫米波辐射场测量，能够测量到传统被动毫米波焦平面阵列成像模式所丢失的场景深度、目标几何形态、场景遮挡关系等信息，通过表征目标点辐射强度与目标点方位和距离信息的映射关系，获得不同景深的一系列平面采样点所对应的毫米波辐射功率，即获得与三维空间采样点一一对应的三维毫米波波辐射场数据。本发明的方法及系统可以实现探测全天时、全天候的复杂遮蔽条件下(叶簇、云雾、烟尘)环境的三维毫米波辐射场，实现环境的三维透视。本发明的系统能够实现大景深成像，从而适应非配合式，快速便捷安检成像的需求。本发明的系统在系统视场范围通过焦距捷变实现任意景深的平面聚焦成像，通过敏感目标景深提取算法和焦距捷变图像反演算法实现人体安检等场景中敏感物体的二维或三维成像。
附图说明
图1为景深与空间分辨率关系示意图；
图2为被动毫米波三维成像系统结构框图；
图3为被动毫米波三维成像系统示意图；
图4为被动毫米波三维成像系统结构立体示意图；
图5为点源辐射路径示意图；
图6为空间域焦距捷变示意图；
图7为基于焦距捷变的成像算法示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图2至图7所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：系统三维结构图如图4。毫米波三维辐射场测量系统，它包括主介质透镜1，子介质透镜阵列2，辐射计接收机阵列3，数字采集电路4和计算机5。系统视场内物体辐射的电磁波经过主介质透镜1汇聚至子透镜阵列2平面，再经过不同的子透镜聚焦至辐射计接收机阵列3平面，辐射计接收机上的接收天线3-1接收到电磁波，将信号顺次输出至毫米波段低噪放3-2，高灵敏度平方律检波器3-3，低通滤波器3-4，低频放大器3-5，低频放大器3-5输出端与数字采集电路4输入端连接，数字采集电路4将采样信号传输至计算机5进行数据处理。其特征是：子介质透镜阵列2由二维等间隔排布的个子介质透镜构成，子介质透镜阵列2与主介质透镜1的中心在同一轴线上。每个子介质透镜的焦平面上放置一组二维等间隔排布的辐射计接收机且每组辐射计接收机的接收天线相位中心与对应的子介质透镜明亮面中心点的距离相同，所有辐射计接收机共同构成辐射计接收机阵列。
所述的主介质透镜为聚四氟乙烯(PTFE)；所述的子介质透镜为聚四氟乙烯(PTFE)，结合系统成像距离(1000mm)和视场范围的需求，使用射线追踪法仿真电磁波在主介质透镜和子介质透镜内部的传播路径，使用高斯波束法仿真电磁波在馈源与透镜之间的传播路径；确定主透镜口径为300mm、明亮面和阴暗面的聚焦焦距均为1000mm，子透镜口径为10mm、明亮面和阴暗面的焦距分别为1000mm和12mm数量及排列为10*10；所述的辐射计接收机由接收天线、毫米波段低噪放、高灵敏度平方律检波器、低通滤波器、低频放大器、低频放大器构成，数量及排列为(10×10)×(3×3)；所属的主介质透镜、子介质透镜阵列，辐射计接收机阵列固定在金属支撑架上。系统视场内物体辐射的电磁波经过主介质透镜汇聚至子透镜阵列平面，再经过不同的子透镜聚焦至辐射计接收机阵列平面，辐射计接收机输出端与数字采集电路输入端连接，数字采集电路输出端与计算机输入端连接。
本实施方式中，数字采集电路对辐射计接收机输出的模拟信号进行采用、编码后传输至计算机进行数据处理，可得到系统视场范围内辐射场的三维信息，通过原理中论述的基于焦距捷边的成像算法，可实现敏感目标的二维或三维成像。
本实施方式采用机械扫描结合一维辐射计阵列的方式，减少构建系统的辐射计接收机数量，节约系统成本。
一种被动毫米波三维成像方法，包括以下步骤：
步骤1：进行辐射场信息提取，记录辐射场的四维函数；
所述步骤1具体为：
来自成像系统视场内的某一点的辐射场将经过主透镜聚焦后，被多个子透镜后的多个辐射计接收机所接收；每个辐射计接收机接收了来自多个距离、多个方位目标的毫米波辐射；辐射路径所对应的坐标通过子透镜平面和辐射计阵列平面的交点坐标来表示；
辐射计平面的坐标(x，y)表示目标的方位信息，坐标(x，y)与子透镜平面上的坐标(x’，y’)的连线表示辐射方向，记录的辐射场，通过PF(x’，y’，x，y)表示辐射场的四维函数。
步骤2：根据辐射计阵列平面与子透镜平面的距离，确定辐射计平面上的辐射场强度；
所述步骤2具体为：辐射计阵列平面与子透镜平面的距离为f，辐射计平面上点(x，y)处的辐射场强度为：
步骤3：获得不同景深的一系列平面采样点所对应的毫米波辐射功率，即获得与三维空间采样点一一对应的三维毫米波辐射场数据，实现毫米波三维辐射场探测。
所述步骤3具体为：
通过被动毫米波三维成像系统测量到传统被动毫米波焦平面阵列成像模式所丢失的场景深度、目标几何形态、场景遮挡关系信息，通过表征目标点辐射强度与目标点方位和距离信息的映射关系，获得不同景深的一系列平面采样点所对应的毫米波辐射功率，即获得与三维空间采样点一一对应的三维毫米波辐射场数据，实现毫米波三维辐射场探测。
通过如下步骤实现毫米波三维辐射场探测：
新的成像平面与子透镜平面的距离为f′，令f′＝βf，β为虚拟成像深度比例因子；当子透镜平面与传感器平面为无限大，当子透镜阵列对焦在不同深度时，子透镜平面和成像平面之间距离将发生变化，空间中计算对焦图像的积分轨迹将会偏移，由此应用空间域积分投影实现焦距捷变；
由相似三角形定理可知，焦距捷变后，电磁波与辐射计平面所成的交点坐标为所以辐射平面处得到的辐射场强度表示为：
得到焦距捷变后，辐射计平面的辐射强度为：
在采集到的四维(x’，y’，x，y)矩阵辐射场数据基础上，通过变换不同虚拟的聚焦像平面来确定相应的β值，由β值确定辐射计上像元的位置对应的子透镜，就得到不同深度距离处的辐射场的映射关系，从而实现三维辐射场的信息提取；
经过敏感目标景深提取算法和焦距捷变图像反演算法，通过改变虚拟景深变换因子进行坐标变换实现成像系统焦平面聚焦捷变至系统视场内感兴趣的目标所在平面上，从而根据被动毫米波成像算法反演出其进二维或三维的灰度图像。
主透镜与子透镜的口径和焦距须有系统对成像距离、视场范围及自身体积的需求进行综合；系统成像的像素点个数由子透镜排列的数量和排布以及辐射计接收机的数量和排布决定，当子透镜排列为m1×m2，辐射计接收机排列为n1×n2，则系统成像像素点为(m1×n1)×(m2×n2)个。
以上所述仅是一种被动毫米波三维成像系统及其成像方法的优选实施方式，一种被动毫米波三维成像系统及其成像方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。