用于太赫茲高斯波束全息成像的三維大景深圖像重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于太赫茲高斯波束全息成像的三 維大景深圖像重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著太赫茲輻射源、檢測器及其他相關(guān)元器件的逐漸成熟，太赫茲全息成 像技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。太赫茲全息成像技術(shù)利用太赫茲波可以穿透很多非極性材 料（如皮革、塑料、泡沫等）的特性對人體或其他物體進行高分辨率穿透成像。太赫茲波與 X射線相比不會因為光致電離而破壞被檢測的物質(zhì)，對人體來說太赫茲全息成像是基本無 害，具有較好的安全性，因此比較適用于公共區(qū)域的安全檢測領(lǐng)域。
[0003] 隨著人們對公共安全檢測的要求越來越高，對大景深目標(biāo)區(qū)域進行高分辨率快速 成像的應(yīng)用越來越廣泛。為了實現(xiàn)同時對一定距離范圍內(nèi)的所有目標(biāo)的高分辨率成像，需 要能夠處理太赫茲雷達系統(tǒng)接收到的包含有目標(biāo)信息的大帶寬，高頻點數(shù)的回波數(shù)據(jù)的太 赫茲三維全息成像方法。
[0004] 目前有兩種方式，一種是太赫茲三維相位偏移算法（Phase-Shift Migration, EPSM)，能夠?qū)Υ髱挕⒋缶吧顢?shù)據(jù)進行太赫茲三維全息圖像重建，但是耗 時長，不能滿足實時性要求。另一種是太赫茲三維快速增強相位偏移算法（Enhanced Phase-Shift Migration, EPSM)，該方法通過對相位偏移因子進行合理的近似來實現(xiàn)利用 快速傅里葉變換和近似的相位偏移因子替代非常耗時的相位偏移累加操作，提高了運算效 率，能夠?qū)崟r顯示精確聚焦的太赫茲全息圖像。但是由于在三維全息重建過程中解決了非 常耗時的操作，而且其方法流程中只利用了快速傅里葉變換和復(fù)數(shù)乘法操作，太赫茲三維 快速增強相位偏移算法處理大帶寬，高頻點數(shù)的回波數(shù)據(jù)時，由于相位偏移因子近似的合 理性不再滿足，造成重建的太赫茲三維全息圖像出現(xiàn)散焦，并且隨著帶寬和頻點數(shù)的增加 和景深的擴大，散焦現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，會對三維全息圖像的圖像重建造成很大的影響，經(jīng)常 無法重建得到清晰的目標(biāo)圖像，不再適用于大景深目標(biāo)區(qū)域?qū)崟r應(yīng)用成像中。因此太赫茲 二維快速增強相位偏移算法能夠在一定帶寬和景株范圍內(nèi)快速而精確地進行太赫茲二維 全息圖像重建。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種用于太赫茲高斯波束全息成像的三維大景深圖 像重建方法，不僅能夠?qū)Υ髱?、大景深?shù)據(jù)進行太赫茲三維全息圖像重建，而且滿足實時 性要求。
[0006] 本發(fā)明的用于太赫茲高斯波束全息成像的三維大景深圖像重建方法，其括：
[0007] Sl :如果雷達發(fā)射信號屬于線性調(diào)頻連續(xù)波信號則先補償?shù)粼摪l(fā)射方式導(dǎo)致的 剩余視頻相位，消除剩余視頻相位后得到和步進頻連續(xù)波信號相同的的回波信號后，再進 行以下處理；如果雷達發(fā)射信號屬于步進頻連續(xù)波信號，則直接雷達發(fā)射信號進行以下處 理：
[0008] 對接收到的回波信號作方位向二維傅里葉變換得到三維頻譜S1 (kx，ky，k)，并建立 坐標(biāo)系XYZ，定義X、Y為掃描方向，Z為雷達照射方向；k x、kys方位向波數(shù)，k為自由空間的 波數(shù)，三維頻譜S1 (kx，ky，k)表示為：
[0009]
【主權(quán)項】
1. 一種用于太赫茲高斯波束全息成像的三維大景深圖像重建方法，其特征在于，包 括： 51 :如果雷達發(fā)射信號屬于線性調(diào)頻連續(xù)波信號則先補償?shù)粼摪l(fā)射方式導(dǎo)致的剩余視 頻相位，消除剩余視頻相位后得到和步進頻連續(xù)波信號相同的的回波信號后，再進行以下 處理；如果雷達發(fā)射信號屬于步進頻連續(xù)波信號，則直接雷達發(fā)射信號進行以下處理： 對接收到的回波信號作方位向二維傅里葉變換得到三維頻譜S1 (kx，ky，k)，并建立坐標(biāo) 系XYZ，定義X、Y為掃描方向，Z為雷達照射方向；kx、卜為方位向波數(shù)，k為自由空間的波 數(shù)，三維頻譜S 1 (kx，ky，k)表示為：
式中σ(ν，太，廣）為坐標(biāo)系XYZ中位于V，太，)處目標(biāo)的散射系數(shù)，wO 為雷達天線發(fā)射波束的束腰大小，\\·(ζ/<) = \\0φ + (2ζ'/?<\\·^ ； 52 :對SI所得的三維頻譜51(1 ky，k)乘以參考距離匹配濾波函數(shù)H(kx，ky，z。，k)，獲得 三維頻譜S2 (kx，ky，k)，其中參考距離匹配濾波函數(shù)H(kx，ky，z。，k)表示為：
Ztl為目標(biāo)所處位置的參考距離； 53 :對S2所得三維頻譜S2 (kx，ky，k)進行距離方位向解耦合，得到解耦合頻譜結(jié)果即三 維頻譜S 7 (kx，ky，z)，其中，z為目標(biāo)在坐標(biāo)系XYZ中Z方向的取值； 具體的： 531 :根據(jù)太赫茲雷達系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)最大分布距離比率γ選取參數(shù)α，且參數(shù)α選 擇需滿足：
式中B為發(fā)射信號帶寬，Af為回波數(shù)據(jù)的頻率采樣間隔，目標(biāo)最大分布距離比率γ的 取值范圍為γ e (〇, I)，k。為發(fā)射信號中心頻率波數(shù)；c為電磁波在自由空間的傳播速度； 532 :對步驟S2所得的三維頻譜S2 (kx，ky，k)乘以線性調(diào)頻信號H1 (kx，ky，kb，α )并對乘 積中的kb進行逆傅里葉變換，獲得三維頻譜S 3(kx，ky，ζ)，線性調(diào)頻信號H1 (kx，ky，kb，α )表 達式為：
其中kb為基頻波數(shù)； S33 :對三維頻譜S3(kx, ky, z)乘以線性調(diào)頻信號H2(kx, ky, Z, α )并對乘積中的z進行 傅里葉變換，獲得三維頻譜S4 (kx，ky，kb)，線性調(diào)頻信號H2 (kx，ky，Ζ，α )表達式為：
S34:根據(jù)太赫茲雷達系統(tǒng)參數(shù)和選取的參數(shù)γ、α得到補零個數(shù)Ν，并對三維頻譜 S4 (kx，ky，kb)的基頻波數(shù)域進行N點補零得到S5 (kx，ky，kb)，且N滿足：
式中c為電磁波在自由空間的傳播速度，ceil (a)表示為大于a的最小整數(shù)； S35 :對三維頻譜S5(kx, ky, kb)乘以線性調(diào)頻信號H3(kx, ky, kb, α )并對乘積中的kb進行 逆傅里葉變換，獲得三維頻譜S6 (kx，ky，z)，線性調(diào)頻信號H3 (kx，ky，kb，α )表達式為： //, (A, ,A1., ΑΛ,α) = οχρ? /α/?) (7) S37 :對三維頻譜S6 (kx，ky，ζ)乘以線性調(diào)頻信號H4 (kx，ky，ζ，α )，獲得三維頻譜 S7 (kx，ky，z)，線性調(diào)頻信號H4 (kx，ky，ζ，α )表達式為： /Z4(At5Al5Zi^) = CxpI-/ -l/a + (l + (/^ jj/a z!| (B) S4 :對S3所得三維頻譜S7(kx，ky，z)進行方位向匹配濾波，乘以方位向匹配濾波函數(shù) H5(kx，ky，z' -ζ。)，得到三維頻譜S8(kx, ky, ζ)，方位向匹配濾波函數(shù)H5(kx, ky, ζ' -ζ。）表達 式為：
步驟S5 :對步驟S4所得的三維頻譜58(1 ky，ζ)作方位向二維逆傅里葉變換，得到三維 頻譜S9 (X，y，ζ)，根據(jù)三維頻譜S9 (X，y，ζ)進行圖像處理得到三維聚焦圖像；S9 (X，y，ζ)表達 式為：
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于太赫茲高斯波束全息成像的三維大景深圖像重建方法，屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。該方法通過對太赫茲雷達原始回波信號的三維頻譜進行參考距離匹配濾波，距離方位向的解耦合，方位向的匹配濾波得到的太赫茲三維全息成像結(jié)果。本發(fā)明方法能精確恢復(fù)大景深分布的目標(biāo)圖像，處理過程簡單快速，適用于大帶寬實時應(yīng)用成像中。
【IPC分類】G01S13-89, G06T17-00
【公開號】CN104732584
【申請?zhí)枴緾N201510119167
【發(fā)明人】李超, 劉瑋, 張群英, 方廣有
【申請人】中國科學(xué)院電子學(xué)研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月18日