基于旋轉天線陣列的微波三維成像方法技術

本發明專利技術公開了一種基于旋轉天線陣列的微波三維成像方法，涉及微波成像技術，信號發射模塊產生電磁波信號；機械掃描模塊攜帶直線或曲線排布的天線陣列模塊旋轉，同時，開關陣列模塊控制天線陣列模塊發射電磁波信號，由回波接收模塊接收從觀測目標反射回的信號；模數轉換模塊將反射信號轉為數字信號，作為相應天線陣列陣元位置采集的回波數據；由數據處理模塊對回波數據進行成像處理，得到觀測目標三維復圖像；經顯示模塊顯示觀測目標的三維復圖像。本發明專利技術的成像方法用于人體表面微波圖像獲取與安全檢測、人體體型三維數據獲取與量體裁衣、無損檢測及雷達目標成像診斷等應用領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及微波成像
，特別是一種基于旋轉天線陣列的微波三維成像方 法，通過旋轉天線陣列獲取觀測目標的三維微波圖像。
技術介紹
能夠實現對近距離觀測目標的三維分辨 成像，獲取觀測目標的微波三維圖像，進而獲取觀測目標的三維微波散射特性、表面信息和 形體數據。該方法不僅可以用于人體表面信息及三維形體數據獲取，而且能夠用于雷達目 標診斷，獲取目標的三維空間散射特性分布信息。與可見光、紅外和X射線等技術相比，在 人體表面信息及三維形體數據獲取方面，微波具有穿透衣物等重要優勢，同時采用非電離 輻射，且功率低，不對人體造成傷害。在雷達目標診斷方面，微波三維成像是進行高精度目 標診斷的重要發展趨勢，由于常規的微波暗室數據獲取時間長，很難在短時間(< I分鐘) 內進行數據的獲取，因此，需要一種快速的微波三維成像系統進行數據獲取。美國專利(專利號5557283, “Real-time Wideband Holographic Surveillance System”，1996)描述了一種用于人體安全檢測的成像系統，但該系統采用一個線性天線陣 列沿直線運動進行數據獲取；信號發射模塊中的信號產生采用壓控振蕩器，但在快速信號 產生中，信號頻率的精度受到限制，此外，該系統也只采用步進掃頻連續波信號；天線陣列 采用線性天線陣列；成像處理主要采用針對線性天線陣列沿直線運動形成平面合成孔徑的 二維成像算法。美國專利(專利號5859609, “Real-time Wideband Cylindrical Holographic Surveillance System”, 1999)描述了一種用于人體安全檢測的成像系統,該系統采用一 個線性天線陣列沿圓周運動進行數據獲取；信號發射模塊中的信號產生采用壓控振蕩器， 但在快速信號產生中，信號頻率的精度受到限制，此外，該系統也只采用步進掃頻連續波信 號；信號接收采用差頻；天線陣列采用線性天線陣列；成像處理主要采用針對線性天線陣 列沿圓周運動形成柱面合成孔徑的三維成像算法。歐洲專利(專利號EP 0925517B1, “Real-time Wideband Cylindrical Holographic Surveillance System”, 2001)針對線性天線陣列沿圓周運動形成柱面合 成孔徑的三維成像算法以及圖像連續顯示進行了描述。美國專利(專利號6507309B2， “Interrogation of an Object for Dimensional and Topographical Information，，， 2003)針對人體體型測量描述了一種成像系統，其基本組成和實現方法同美國專利 5859609類似。系統通過發射和接收200MHz至ITHz的電磁波信號獲取目標表面信息，而且 采用一組或多組線性天線陣列圍繞目標進行旋轉的方式獲取數據，獲取目標不同視角的信 肩、O美國專利(專利號67O3964B2,“Interrogation of an Object for Dimensional and Topographical Information”, 2004)在美國專利6507309B2的基礎上描述了如何進行 人體形體數據獲取和對比。首先對待檢測人體進行微波照射，獲取其形體數據，然后將該形體數據與已有的信息進行對比，并針對一種或多種特征進行分析，判斷這些特征是否相符入口 ο美國專利(專利號2006/0066469Al, “Three-Dimensional Surface/Contour Processing Based on Electromagnetic Radiation Interrogation，，，2006)針對數據獲取和如何進行表示觀測目標表面的形體進行了描述。該專利技術通過發射和接收電磁波信號，獲得觀測目標的三維圖像數據；建立目標表面的點云信息描述；并對部分或全部目標點的點云描述進行曲線擬合處理，從而獲得觀測目標局部或整體的三維圖像。文獻“譚維賢，林贊，洪文，王彥平，吳一戎.基于圓柱幾何的人體微波三維成像處理算法研究，2008年第十屆全國雷達學術年會.”針對線性天線陣列沿圓周運動形成柱面合成孔徑的成像算法開展了計算機仿真實驗，給出了相應的成像處理步驟，但尚未涉及系統組成及數據獲取方式。上述專利和文章主要針對陣元線性排列的天線陣列沿直線/圓周運動形成平面/ 柱面合成孔徑的數據獲取獲取系統進行了成像處理方法及其后續處理描述，而對于陣元曲線排列的天線陣列沿圓周運動形成曲面合成孔徑尚未涉及；信號發射模塊中的信號產生主要采用壓控振蕩器的方式，而尚未采用直接數字頻率合成的方式，因此其頻點精度低，建立時間慢；成像處理尚未涉及與曲面合成孔徑下的成像算法，且尚未針對發射信號為調頻連續波和調頻脈沖的情況。不僅可以采用陣元線性排列的天線陣列沿圓周運動，而且可以采用陣元非直線排列的天線陣列沿圓周運動；信號發射模塊中采用直接數字頻率合成的方式，發射信號可以為掃頻連續波、調頻連續波或調頻脈沖信號；信號接收采用零中頻進行接收；成像處理中既能處理針對線性天線陣列沿圓周運動形成柱面合成孔徑或球面合成孔徑時的數據，也能處理非線性天線陣列沿圓周運動形成曲面合成孔徑時的數據。現有的微波三維成像系統數據獲取和成像處理方法存在下列問題 以采用線性天線陣列運動為主，數據獲取方式有限； 發射信號頻率的精度受限，信號形式單一，且數據獲取效率不高； 成像處理單一，不能處理非直線或非圓周運動的三維成像數據； 不能夠處理非線性天線陣列沿圓周運動所獲取的三維成像數據。
技術實現思路
本專利技術的目的是給出一種，以解決現有技術存在的問題，其天線陣列可以曲線排列，也可以直線排列，信號形式不限于掃頻連續波信號，且成像處理方法能夠適用于不同工作模式。為了實現上述目的，本專利技術的技術解決方案是一種，其包括步驟步驟S1:系統初始化，操作員通過計算機初始化系統工作狀態，并確認系統組成部分能夠工作正常，包括初始化信號發射模塊、回波接收模塊、機械掃描模塊、天線陣列模塊、開關陣列模塊、模數轉換模塊、數據處理模塊和顯示模塊，若初始化系統正常，則執行下一步，否則，退出系統；步驟S2 :系統參數設置，操作員通過計算機設置數據采集參數，包括設置信號發射模塊的頻點數和信號持續時間、設置機械掃描模塊的掃描時間和觸發信號發射模塊的次數、設置開關陣列模塊的開關切換時序、數據處理模塊的成像處理參數和顯示模塊的顯示方法；步驟S3 :啟動機械掃描模塊攜帶直線或曲線排布的天線陣列模塊進行旋轉，同時，通過開關陣列模塊控制天線陣列模塊發射電磁波信號，并由信號接收模塊接收從觀測目標反射回來的信號；步驟S4:成像數據采集，啟動微波三維成像系統，通過局域網、串口或無線發送數據采集指令，完成數據采集，并通過局域網或串口將采集到的回波數據傳輸到數據處理模塊；步驟S5 :三維成像處理，將傳輸到數據處理模塊的數據進行三維成像處理，得到觀測目標的三維復圖像數據，并存儲在計算機硬盤上；步驟S6 :圖像處理與顯示，根據設定的顯示方法，顯示模塊對觀測目標的三維復圖像數據進行顯示。所述的，其所述步驟S3，是指直線或曲線排布的天線陣列在機械掃描模塊的控制下進行中心軸對稱旋轉，旋本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于旋轉天線陣列的微波三維成像方法，其特征在于，包括步驟：步驟S1：系統初始化，操作員通過計算機初始化系統工作狀態，并確認系統組成部分能夠工作正常，包括初始化信號發射模塊、回波接收模塊、機械掃描模塊、天線陣列模塊、開關陣列模塊、模數轉換模塊、數據處理模塊和顯示模塊，若初始化系統正常，則執行下一步，否則，退出系統；步驟S2：系統參數設置，操作員通過計算機設置數據采集參數，包括設置信號發射模塊的頻點數和信號持續時間、設置機械掃描模塊的掃描時間和觸發信號發射模塊的次數、設置開關陣列模塊的開關切換時序、數據處理模塊的成像處理參數和顯示模塊的顯示方法；步驟S3：啟動機械掃描模塊攜帶直線或曲線排布的天線陣列模塊進行旋轉，同時，通過開關陣列模塊控制天線陣列模塊發射電磁波信號，并由信號接收模塊接收從觀測目標反射回來的信號；步驟S4：成像數據采集，啟動微波三維成像系統，通過局域網、串口或無線發送數據采集指令，完成數據采集，并通過局域網或串口將采集到的回波數據傳輸到數據處理模塊；步驟S5：三維成像處理，將傳輸到數據處理模塊的數據進行三維成像處理，得到觀測目標的三維復圖像數據，并存儲在計算機硬盤上；步驟S6：圖像處理與顯示，根據設定的顯示方法，顯示模塊對觀測目標的三維復圖像數據進行顯示。...

【技術特征摘要】
1.一種基于旋轉天線陣列的微波三維成像方法，其特征在于，包括步驟 步驟S1:系統初始化，操作員通過計算機初始化系統工作狀態，并確認系統組成部分能夠工作正常，包括初始化信號發射模塊、回波接收模塊、機械掃描模塊、天線陣列模塊、開關陣列模塊、模數轉換模塊、數據處理模塊和顯示模塊，若初始化系統正常，則執行下一步，否則，退出系統； 步驟S2 :系統參數設置，操作員通過計算機設置數據采集參數，包括設置信號發射模塊的頻點數和信號持續時間、設置機械掃描模塊的掃描時間和觸發信號發射模塊的次數、設置開關陣列模塊的開關切換時序、數據處理模塊的成像處理參數和顯示模塊的顯示方法; 步驟S3:啟動機械掃描模塊攜帶直線或曲線排布的天線陣列模塊進行旋轉，同時，通過開關陣列模塊控制天線陣列模塊發射電磁波信號，并由信號接收模塊接收從觀測目標反射回來的信號； 步驟S4 :成像數據采集，啟動微波三維成像系統，通過局域網、串口或無線發送數據采集指令，完成數據采集，并通過局域網或串口將采集到的回波數據傳輸到數據處理模塊； 步驟S5 :三維成像處理，將傳輸到數據處理模塊的數據進行三維成像處理，得到觀測目標的三維復圖像數據，并存儲在計算機硬盤上； 步驟S6 :圖像處理與顯示，根據設定的顯示方法，顯示模塊對觀測目標的三維復圖像數據進行顯示。2.根據權利要求1所述的基于旋轉天線陣列的微波三維成像方法，其特征在于，所述步驟S3，是指直線或曲線排布的天線陣列在機械掃描模塊的控制下進行中心軸對稱旋轉，旋轉的角度大于0°，且小于等于360° ;中心軸對稱旋轉過程中，天線陣列旋轉經過指定待掃描位置時，機械掃描模塊觸發信號發射模塊，此時開關陣列模塊邏輯控制器控制電磁波信號經由開關陣列模塊和天線陣列中的發射天線陣元發射出去，同時開關陣列模塊邏輯控制器控制電磁波信號經由開關陣列模塊和天線陣列中的接收天線陣元接收觀測目標反射回來的信號，并傳輸至信號接收模塊。3.根據權利要求1所述的基于旋轉天線陣列的微波三維成像方法，其特征在于，所述步驟S5中，數據處理模塊對回波信號進行成像處理，得到觀測目標的三維復圖像，步驟為 步驟S5-1 :確定待成像區域觀測目標三維復圖像的坐標系及其圖像點數N ； 步驟S5-2 a)如果信號發射模塊產生電磁波信號為調頻脈沖信號，則對回波信號進行斜距向傅里葉變換，再進行斜距向0參考點匹配濾波,獲得信號，其中，Ku = 2 31€/(；為波數,€為信號的發射頻率，c為光速忑為天線采集數據的位置坐標； b)如果信號發射模塊產生電磁波信號為掃頻連續波信號，回波信號表示為￡(夂》忑)，直接進入步驟S5-3 ； c)如果信號發射模塊產生電磁波信號為調頻連續波信號，進行距離向逆傅里葉變換，并進行去斜和剩余視頻相位項補償，補償后的信號仍表示為，進入步驟S5-3 ； 步驟S5-3 :產生對應于成像區域的第n(n < N)個坐標點&的濾波函數Hu ； 將步驟S5-4的輸出信號與濾波函數Htl相乘，沿Kw積分后，再沿&方向疊加，輸出信號MO;步驟S5-5 :重復步驟S5-4，對成像區域的所有坐標點進行成像處理，得到對觀測...

【專利技術屬性】
技術研發人員：洪文，譚維賢，乞耀龍，王彥平，吳一戎，
申請(專利權)人：中國科學院電子學研究所，
類型：發明
國別省市：