本發(fā)明涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于多視角成像的三維成像方法。

背景技術(shù)：

隨著雷達(dá)成像技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)探測模式從之前的一維測距逐漸發(fā)展到二維的測距測角、合成孔徑雷達(dá)成像(SAR)、干涉SAR，以及三維都具備高分辨能力的平面孔徑三維成像和圓柱孔徑三維成像等模式。為了滿足日益迫切的民用和軍用需求，雷達(dá)的探測精度越來越高，成像水平已接近于光學(xué)水平。

目前的圓柱掃描成像，逐漸成為人體安全檢查的主流技術(shù)，多采取在空間域或頻域分區(qū)域進(jìn)行成像。該成像方法存在如下缺點(diǎn)：圖像中間部分像素的分辨率較高，而邊緣部分分辨率會(huì)下降，不能實(shí)現(xiàn)360度全分辨的三維成像，真實(shí)的反映出目標(biāo)的信息，不利于后續(xù)圖像處理和目標(biāo)特征提取。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提供了一種微波圓柱掃描成像系統(tǒng)的人體三維成像方法。該方法通過對多角度三維回波數(shù)據(jù)的處理，可獲得同時(shí)包含多角度信息的三維圖像，從而為后續(xù)的圖像處理提供更豐富更全面的三維信息。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于多視角成像的三維成像方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1：在同一笛卡爾坐標(biāo)系下生成N個(gè)不同角度范圍的三維圖像；

步驟2：生成與N個(gè)不同角度范圍的三維圖像對應(yīng)的N個(gè)窗函數(shù)，并將該N個(gè)窗函數(shù)由圓柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系；

步驟3：將所述N個(gè)不同角度范圍的三維圖像與所述N個(gè)窗函數(shù)分別對應(yīng)相乘并求和，從而獲得人體三維成像結(jié)果。

進(jìn)一步的，所述步驟1：在同一笛卡爾坐標(biāo)系下生成N個(gè)不同角度范圍的三維圖像；具體包括：

1.1首先獲取去調(diào)頻后的三維回波數(shù)據(jù)，在圓柱坐標(biāo)系下對三維回波數(shù)據(jù)做去除殘余視頻相位項(xiàng)(RVP)的處理；

1.2將經(jīng)過去除殘余視頻相位項(xiàng)處理后的數(shù)據(jù)分別在方位維和高度維做傅立葉變換，得到三維波數(shù)域數(shù)據(jù)；

1.3將所述三維波數(shù)域數(shù)據(jù)與匹配濾波函數(shù)相乘，獲得匹配濾波后的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)；

1.4對所述匹配濾波后的波數(shù)域數(shù)據(jù)在方位維做一維逆傅立葉變換后獲得圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)；

1.5將所述圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)插值到笛卡爾坐標(biāo)系下；

1.6將在360度掃描范圍的所述插值到笛卡爾坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)等分成N個(gè)成像區(qū)域；設(shè)n表示所述N個(gè)成像區(qū)域中的第n個(gè)成像區(qū)域，將選定的第n個(gè)成像區(qū)域以外置零；其中n的值為N個(gè)成像區(qū)域的順序編號；

1.7最后通過對N個(gè)所述第n個(gè)成像區(qū)域內(nèi)的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)做三維逆傅立葉變換，從而獲得對應(yīng)的N個(gè)所述第n個(gè)區(qū)域內(nèi)的三維圖像。

進(jìn)一步的，所述步驟1.1中，去除殘余視頻相位項(xiàng)的方法為：將所述去調(diào)頻后的三維回波數(shù)據(jù)在距離維做傅立葉變換后，乘以補(bǔ)償項(xiàng)，然后做逆傅立葉變換。

進(jìn)一步的，所述步驟1.1中，所述補(bǔ)償項(xiàng)如式(1)所示：

其中，f_i為頻率，且f_i∈[-f_s/2,f_s/2-f_s/N_f]，f_s為采樣率，N_f為采樣點(diǎn)數(shù)，γ為調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率。

進(jìn)一步的，所述步驟1.3中，所述匹配濾波函數(shù)的具體表達(dá)式如下：

其中，為ε階漢克爾函數(shù)，k_r為r方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，且k為波數(shù)，且k＝2*π*f/c，k_z為z方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，f為系統(tǒng)的工作頻率，c為光速，R₀為天線中心到目標(biāo)中心的參考距離，ε為掃描角度θ所對應(yīng)的頻率域。

進(jìn)一步的，所述步驟1.4中，對所述匹配濾波后的波數(shù)域數(shù)據(jù)在方位維做一維逆傅立葉變換后獲得圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)，具體包括：所述圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)可表示為(k_r,θ,k_z)，其中k_r為r方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，且k為波數(shù)，且k＝2*π*f/c，k_z為z方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，f為系統(tǒng)的工作頻率，c為光速，θ為波數(shù)域數(shù)據(jù)的掃描角度。

進(jìn)一步的，所述步驟1.5中，將所述圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)插值到笛卡爾坐標(biāo)系下，具體包括：選擇正對目標(biāo)中心的笛卡爾坐標(biāo)系。

進(jìn)一步的，所述步驟1.5中，將所述圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)插值到笛卡爾坐標(biāo)系下，具體包括：在笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(k_x,k_y,k_z)，其中

k_x＝k_r*cos(θ)

k_y＝k_r*sin(θ)

k_z＝k_z (3)

其中k_x為在笛卡爾坐標(biāo)系下方位維x對應(yīng)的波數(shù)域坐標(biāo)，k_y為在笛卡爾坐標(biāo)系下距離維y對應(yīng)的波數(shù)域坐標(biāo)，k_z為高度維z對應(yīng)的波數(shù)域坐標(biāo)，k_r為r方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，且k為波數(shù)，且k＝2*π*f/c，k_z為z方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，f為系統(tǒng)的工作頻率，c為光速，θ為波數(shù)域數(shù)據(jù)的掃描角度。

有益效果：

本發(fā)明提出了一種實(shí)現(xiàn)360度全分辨三維成像的方法，在一幅三維圖像中包含了360度角度的目標(biāo)信息，有效的解決了邊緣圖像分辨率下降的問題，為后續(xù)的圖像處理提供更豐富、準(zhǔn)確和全面的信息。

附圖說明

圖1微波人體三維成像方法流程圖

圖2去除RVP項(xiàng)方法流程圖

圖3波數(shù)域坐標(biāo)變換關(guān)系圖

圖4大波束寬度成像區(qū)域示意圖

圖5小波束寬度成像區(qū)域示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)描述。

本發(fā)明通過將去調(diào)頻后的三維回波數(shù)據(jù)變換到頻域，在頻域?qū)?shù)據(jù)插值到同一笛卡爾坐標(biāo)系下，并分區(qū)域完成補(bǔ)零、插值和加窗運(yùn)算后，求和，完成多角度三維數(shù)據(jù)的融合處理，該三維融合數(shù)據(jù)中包含了多個(gè)視角的三維信息。

圖1為本發(fā)明的方法流程圖。

一種基于多視角成像的三維成像方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1：在同一笛卡爾坐標(biāo)系下生成N個(gè)不同角度范圍的三維圖像；

1.1首先獲取去調(diào)頻后的三維回波數(shù)據(jù)，在圓柱坐標(biāo)系下對三維回波數(shù)據(jù)做去

除殘余視頻相位項(xiàng)(RVP)的處理。

去除殘余視頻相位項(xiàng)處理的方法流程圖如圖2所示。去除殘余視頻相位項(xiàng)的方

法為：將所述去調(diào)頻后的三維回波數(shù)據(jù)在距離維做傅立葉變換后，乘以補(bǔ)償項(xiàng)，

然后做逆傅立葉變換。補(bǔ)償項(xiàng)如式(1)所示：

其中，f_i為頻率，且f_i∈[-f_s/2,f_s/2-f_s/N_f]，f_s為采樣率，N_f為采樣點(diǎn)

數(shù)，γ為調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率。

1.2將經(jīng)過去除殘余視頻相位項(xiàng)處理后的數(shù)據(jù)在方位維和高度維分別做傅立葉

變換，得到三維波數(shù)域數(shù)據(jù)；

1.3將所述三維波數(shù)域數(shù)據(jù)與匹配濾波函數(shù)相乘，獲得匹配濾波后的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)。所述匹配濾波函數(shù)可通過駐定相位原理推導(dǎo)獲得，具體表達(dá)式如下：

其中，為ε階漢克爾函數(shù)，k_r為r方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，且k為波數(shù)，且k＝2*π*f/c，k_z為z方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，f為系統(tǒng)的工作頻率，c為光速，R₀為天線中心到目標(biāo)中心的參考距離，ε為掃描角度θ所對應(yīng)的頻率域。

1.4對所述匹配濾波后的波數(shù)域數(shù)據(jù)在方位維做一維逆傅立葉變換后獲得圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)，所述圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)中任意一點(diǎn)的坐標(biāo)可表示為(k_r,θ,k_z)，其中k_r為r方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，且k為波數(shù)，且k＝2*π*f/c，k_z為z方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，f為系統(tǒng)的工作頻率，c為光速，θ為波數(shù)域數(shù)據(jù)的掃描角度。

1.5將所述圓柱坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)插值到笛卡爾坐標(biāo)系下(通常選擇正對目標(biāo)中心的笛卡爾坐標(biāo)系)，三維波數(shù)域數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系圖如圖3所示。坐標(biāo)變換關(guān)系如式(3)所示。在笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(k_x,k_y,k_z)，其中

其中k_x為在笛卡爾坐標(biāo)系下方位維x對應(yīng)的波數(shù)域坐標(biāo)，k_y為在笛卡爾坐標(biāo)系下距離維y對應(yīng)的波數(shù)域坐標(biāo)，k_z為高度維z對應(yīng)的波數(shù)域坐標(biāo)，k_r為r方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，且k為波數(shù)，且k＝2*π*f/c，k_z為z方向所對應(yīng)的波數(shù)域表示，f為系統(tǒng)的工作頻率，c為光速，θ為波數(shù)域數(shù)據(jù)的掃描角度。

1.6將在360度掃描范圍的所述插值到笛卡爾坐標(biāo)系下的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)等分成N個(gè)成像區(qū)域；設(shè)n表示所述N個(gè)成像區(qū)域中的第n個(gè)成像區(qū)域，將選定的第n個(gè)成像區(qū)域以外置零。其中n的值為N個(gè)成像區(qū)域的順序編號，即，當(dāng)對N個(gè)成像區(qū)域中的第1個(gè)成像區(qū)域進(jìn)行處理時(shí)，n＝1；當(dāng)對N個(gè)成像區(qū)域中的第2個(gè)成像區(qū)域進(jìn)行處理時(shí)，n＝2；依此類推，當(dāng)對N個(gè)成像區(qū)域中的第N個(gè)成像區(qū)域進(jìn)行處理時(shí)，n＝N。

所述N個(gè)成像區(qū)域的劃分可根據(jù)天線單元的波束寬度、目標(biāo)成像區(qū)域的范圍、天線到目標(biāo)中心的距離R₀、圓柱成像系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及微波不能穿透人體的特性來設(shè)定。具體如下：

1.6.1首先確定成像區(qū)域中心半徑r上的點(diǎn)獲得最優(yōu)分辨率的時(shí)候所對應(yīng)的圓心角φ。

下面分兩種情況來分析。

第一種情況：如果天線的波束寬度θ_antenna如圖4所示滿足式(4)：

其中半徑r為目標(biāo)上任意一點(diǎn)到目標(biāo)中心的距離，距離R₀為天線到目標(biāo)中心的距離，且孔徑的長度大于B點(diǎn)到C點(diǎn)的長度BC，即成像區(qū)域的圓周角φ滿足式(5)：

則A點(diǎn)獲得最優(yōu)的分辨率。由式(4)和式(5)可知，r越小，獲得最優(yōu)分辨率所需要的天線波束寬度越小，所需成像區(qū)域的圓周角越大。因此需要根據(jù)r的最小值r_min確定成像區(qū)域的范圍，即成像區(qū)域的圓周角由于微波不能穿透人體，r_min一般選為0.1～0.2m。

第二種情況：如果天線的波束寬度θ_antenna如圖5所示，滿足式(6)：

如圖5所示，根據(jù)余弦定理得到式(7)所示的關(guān)系：

，其中A′C′為A′點(diǎn)到C′點(diǎn)的距離。

由式(7)推導(dǎo)得式(8)

如圖5所示，根據(jù)正弦定理得到式(7)所示的關(guān)系：

由式(8)和式(9)可知，半徑r越小，A′點(diǎn)得到最優(yōu)分辨率，所需的成像區(qū)域越大，所以選擇成像區(qū)域時(shí)，以r較小的值計(jì)算最優(yōu)分辨率所需的成像區(qū)域，由于微波不能穿透人體，r_min一般選為0.1～0.2m。

綜合第一種情況和第二種情況，選擇成像區(qū)域時(shí)，以r最小處的點(diǎn)目標(biāo)獲得最優(yōu)分辨率所需的成像區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)。其中r_min一般選為0.1～0.2m。

1.6.2設(shè)需要獲得最優(yōu)分辨率的區(qū)域?yàn)棣?sub>0，則保留的數(shù)據(jù)區(qū)域范圍為φ₀+φ，即區(qū)域的起始點(diǎn)前移φ/2，區(qū)域的結(jié)束點(diǎn)后移φ/2。這樣才能確保φ₀內(nèi)所有的點(diǎn)滿足最優(yōu)分辨率。

1.6.3確定需要分解的成像區(qū)域個(gè)數(shù)N如式(9)所示

則N個(gè)成像區(qū)域的范圍分別為：(nφ₀-φ/2):(nφ₀+φ/2)。

1.6.4將選定的第n個(gè)成像區(qū)域之外置零。

1.6.5對n從1到N進(jìn)行遍歷，從而對應(yīng)得到N個(gè)所述第n個(gè)成像區(qū)域內(nèi)的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)。

1.7最后通過對所述N個(gè)第n個(gè)成像區(qū)域內(nèi)的三維波數(shù)域數(shù)據(jù)做三維逆傅立葉變換，從而獲得對應(yīng)的N個(gè)第n個(gè)區(qū)域內(nèi)的三維圖像。

步驟2:生成N個(gè)窗函數(shù)，并將該N個(gè)窗函數(shù)由圓柱坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系；

根據(jù)天線的波束寬度以及人體成像區(qū)域的范圍，確定第n個(gè)成像區(qū)域能夠全分辨成像的區(qū)域。將能夠全分辨成像的區(qū)域，窗函數(shù)的幅值設(shè)為1，兩邊區(qū)域的窗函數(shù)幅值則逐漸衰減。將窗函數(shù)從圓柱坐標(biāo)系(r,θ,z)變換到笛卡爾坐標(biāo)系(x,y,z)下。坐標(biāo)變換關(guān)系如式(10)所示：

步驟3：將N個(gè)角度的三維圖像與N個(gè)窗函數(shù)分別對應(yīng)相乘并求和，從而獲得人體三維成像數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述具體實(shí)施方式介紹可見，本發(fā)明提出了一種融合多視角信息的三維成像方法，通過N個(gè)角度三維成像、加窗、求和等方法，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的融合處理，為后續(xù)圖像處理提供更豐富更全面的三維信息。

上述具體實(shí)施方式僅用于解釋和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并不能構(gòu)成對權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行任何簡單的修改和替換而得到的新的技術(shù)方案，均將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。