[发明专利]一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法

说明书

本申请涉及一种毫米波柱柱面全息成像系统的三维成像与重构方法。所述方法包括：在柱坐标系下获取回波信号，从回波信号的距离像序列中得到被检目标的回波信号及对应的空间波数谱，将空间波数谱沿高度轴和距离轴分解，获得柱坐标系下发射信号各频点的单频三维成像数据，通过相参累加得到柱坐标目标三维成像数据，将其重构为直角坐标目标三维成像数据，获取柱坐标或直角坐标下的目标三维成像数据的三维点云数据并将其重构为对应的目标三维表面。上述方法在柱坐标系下直接得到三维成像结果，避免了从柱坐标到直角坐标的空间波数谱域转换操作引入的精度损失，能一次得到目标全方位的高质量成像结果；还可设置成像范围，提高成像效率。

技术领域

本申请涉及雷达信号处理技术和雷达成像技术领域，特别是涉及一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法。

背景技术

毫米波通常指频率在30GHz到300GHz(对应波长1mm-10mm)之间的电磁波。相比于微波以及更低频段的电磁波，毫米波雷达具有载频更高、波长更短、更容易提供大带宽的特点，因此其成像结果具有更高的距离分辨率和方位分辨率，在安全检查、无损探测等领域具有重大的应用前景。目前使用的毫米波成像系统，按照其几何结构主要可以分为两大类，即平面全息成像系统和柱面全息成像系统。其中，柱面全息成像系统采用毫米波雷达阵列，绕目标旋转一周并获取回波数据，因此可以获得被检目标360度的全方位散射信息，从而实现目标的整体三维重构。

目前，毫米波柱面全息成像系统采用的主要成像算法都是在直角坐标系下进行的。最早的毫米波柱面全息成像算法首先对回波进行角度维度和高度维度(z方向)的二维FFT(快速傅里叶变换)得到S(k,ξ,k_z)，随后补偿相位因子再执行关于ξ的一维IFFT(快速逆傅里叶变换)得到空间三维波数谱域F_σ(k,θ,k_z)，也可以表示为F_σ(k_rcosθ,k_rsinθ,k_z)。由于k_x＝k_rcosθ，k_y＝k_rsinθ是非均匀分布的，采用stolt插值实现柱坐标系到直角坐标系的波数域转换得到F_σ(k_x,k_y,k_z)，最后对三维均匀分布的波数谱进行三维IFFT即可得到人体目标的三维成像结果σ(x,y,z)。为了避免空间波数谱域插值运算带来的计算误差，专利“近距离主动式毫米波圆柱扫描成像系统的免插值重构方法”，CN103630907B，提供了一种毫米波柱面全息成像系统的免插值重构方法。该方法通过构建三维的NUFFT矩阵，将其应用到借助空间频率内插的数字重建算法中，可以直接由非均匀的F_σ(k_rcosθ,k_rsinθ,k_z)计算得到σ(x,y,z)，实现了重构过程中计算误差的减小以及计算时间的减少，能够有效的提高成像系统的成像质量以及减少系统的计算时间。但是本质上，NUFFT是将插值和FFT同时实现的过程。

在直角坐标系下将空间三维波数域转换到目标空间三维坐标分布的成像方式存在一定的缺陷。在小角度情况下，对于固定的k_z，空间波数谱域近似矩形形状，此时stolt等插值方式或者NUFFT能够保证柱坐标系到直角坐标系的空间波数谱域转换的精度，几乎不会对成像质量产生影响。然而随着角度的增大，直角坐标系的空间谱域逐渐变成圆环状，此时插值和NUFFT的转换精度会受到一定的影响，容易引入非理想的直流分量和其他频率分量，进而恶化系统的成像质量；因此，为了保证插值和NUFFT的精度，空间波数谱域插值的密度较高，此时会导致水平方向成像范围较大，降低算法的运行效率，并且引入不感兴趣的非目标成像区域。此外，直角坐标算法的三维成像结果不易提取目标表面的点云分布数据，难以实现目标的三维重构。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够保证柱坐标系到直角坐标系的空间波数谱域转换的精度，提高运算效率的一种毫米波柱面全息成像系统的三维成像与重构方法。