用于太赫兹高斯波束全息成像的三维大景深图像重建方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像处理技术领域，尤其涉及一种用于太赫兹高斯波束全息成像的三 维大景深图像重建方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着太赫兹辐射源、检测器及其他相关元器件的逐渐成熟，太赫兹全息成 像技术越来越受到人们的关注。太赫兹全息成像技术利用太赫兹波可以穿透很多非极性材 料（如皮革、塑料、泡沫等）的特性对人体或其他物体进行高分辨率穿透成像。太赫兹波与 X射线相比不会因为光致电离而破坏被检测的物质，对人体来说太赫兹全息成像是基本无 害，具有较好的安全性，因此比较适用于公共区域的安全检测领域。
[0003] 随着人们对公共安全检测的要求越来越高，对大景深目标区域进行高分辨率快速 成像的应用越来越广泛。为了实现同时对一定距离范围内的所有目标的高分辨率成像，需 要能够处理太赫兹雷达系统接收到的包含有目标信息的大带宽，高频点数的回波数据的太 赫兹三维全息成像方法。
[0004] 目前有两种方式，一种是太赫兹三维相位偏移算法（Phase-Shift Migration, EPSM)，能够对大带宽、大景深数据进行太赫兹三维全息图像重建，但是耗 时长，不能满足实时性要求。另一种是太赫兹三维快速增强相位偏移算法（Enhanced Phase-Shift Migration, EPSM)，该方法通过对相位偏移因子进行合理的近似来实现利用 快速傅里叶变换和近似的相位偏移因子替代非常耗时的相位偏移累加操作，提高了运算效 率，能够实时显示精确聚焦的太赫兹全息图像。但是由于在三维全息重建过程中解决了非 常耗时的操作，而且其方法流程中只利用了快速傅里叶变换和复数乘法操作，太赫兹三维 快速增强相位偏移算法处理大带宽，高频点数的回波数据时，由于相位偏移因子近似的合 理性不再满足，造成重建的太赫兹三维全息图像出现散焦，并且随着带宽和频点数的增加 和景深的扩大，散焦现象越来越严重，会对三维全息图像的图像重建造成很大的影响，经常 无法重建得到清晰的目标图像，不再适用于大景深目标区域实时应用成像中。因此太赫兹 二维快速增强相位偏移算法能够在一定带宽和景株范围内快速而精确地进行太赫兹二维 全息图像重建。
【发明内容】
[0005] 为解决上述问题，本发明提供一种用于太赫兹高斯波束全息成像的三维大景深图 像重建方法，不仅能够对大带宽、大景深数据进行太赫兹三维全息图像重建，而且满足实时 性要求。
[0006] 本发明的用于太赫兹高斯波束全息成像的三维大景深图像重建方法，其括：
[0007] Sl :如果雷达发射信号属于线性调频连续波信号则先补偿掉该发射方式导致的 剩余视频相位，消除剩余视频相位后得到和步进频连续波信号相同的的回波信号后，再进 行以下处理；如果雷达发射信号属于步进频连续波信号，则直接雷达发射信号进行以下处 理：
[0008] 对接收到的回波信号作方位向二维傅里叶变换得到三维频谱S1 (kx，ky，k)，并建立 坐标系XYZ，定义X、Y为扫描方向，Z为雷达照射方向；k x、kys方位向波数，k为自由空间的 波数，三维频谱S1 (kx，ky，k)表示为：
[0009]
【主权项】
1. 一种用于太赫兹高斯波束全息成像的三维大景深图像重建方法，其特征在于，包 括： 51 :如果雷达发射信号属于线性调频连续波信号则先补偿掉该发射方式导致的剩余视 频相位，消除剩余视频相位后得到和步进频连续波信号相同的的回波信号后，再进行以下 处理；如果雷达发射信号属于步进频连续波信号，则直接雷达发射信号进行以下处理： 对接收到的回波信号作方位向二维傅里叶变换得到三维频谱S1 (kx，ky，k)，并建立坐标 系XYZ，定义X、Y为扫描方向，Z为雷达照射方向；kx、卜为方位向波数，k为自由空间的波 数，三维频谱S 1 (kx，ky，k)表示为：
式中σ(ν，太，广）为坐标系XYZ中位于V，太，)处目标的散射系数，wO 为雷达天线发射波束的束腰大小，\\·(ζ/<) = \\0φ + (2ζ'/?<\\·^ ； 52 :对SI所得的三维频谱51(1 ky，k)乘以参考距离匹配滤波函数H(kx，ky，z。，k)，获得 三维频谱S2 (kx，ky，k)，其中参考距离匹配滤波函数H(kx，ky，z。，k)表示为：
Ztl为目标所处位置的参考距离； 53 :对S2所得三维频谱S2 (kx，ky，k)进行距离方位向解耦合，得到解耦合频谱结果即三 维频谱S 7 (kx，ky，z)，其中，z为目标在坐标系XYZ中Z方向的取值； 具体的： 531 :根据太赫兹雷达系统参数和目标最大分布距离比率γ选取参数α，且参数α选 择需满足：
式中B为发射信号带宽，Af为回波数据的频率采样间隔，目标最大分布距离比率γ的 取值范围为γ e (〇, I)，k。为发射信号中心频率波数；c为电磁波在自由空间的传播速度； 532 :对步骤S2所得的三维频谱S2 (kx，ky，k)乘以线性调频信号H1 (kx，ky，kb，α )并对乘 积中的kb进行逆傅里叶变换，获得三维频谱S 3(kx，ky，ζ)，线性调频信号H1 (kx，ky，kb，α )表 达式为：
其中kb为基频波数； S33 :对三维频谱S3(kx, ky, z)乘以线性调频信号H2(kx, ky, Z, α )并对乘积中的z进行 傅里叶变换，获得三维频谱S4 (kx，ky，kb)，线性调频信号H2 (kx，ky，Ζ，α )表达式为：
S34:根据太赫兹雷达系统参数和选取的参数γ、α得到补零个数Ν，并对三维频谱 S4 (kx，ky，kb)的基频波数域进行N点补零得到S5 (kx，ky，kb)，且N满足：
式中c为电磁波在自由空间的传播速度，ceil (a)表示为大于a的最小整数； S35 :对三维频谱S5(kx, ky, kb)乘以线性调频信号H3(kx, ky, kb, α )并对乘积中的kb进行 逆傅里叶变换，获得三维频谱S6 (kx，ky，z)，线性调频信号H3 (kx，ky，kb，α )表达式为： //, (A, ,A1., ΑΛ,α) = οχρ? /α/?) (7) S37 :对三维频谱S6 (kx，ky，ζ)乘以线性调频信号H4 (kx，ky，ζ，α )，获得三维频谱 S7 (kx，ky，z)，线性调频信号H4 (kx，ky，ζ，α )表达式为： /Z4(At5Al5Zi^) = CxpI-/ -l/a + (l + (/^ jj/a z!| (B) S4 :对S3所得三维频谱S7(kx，ky，z)进行方位向匹配滤波，乘以方位向匹配滤波函数 H5(kx，ky，z' -ζ。)，得到三维频谱S8(kx, ky, ζ)，方位向匹配滤波函数H5(kx, ky, ζ' -ζ。）表达 式为：
步骤S5 :对步骤S4所得的三维频谱58(1 ky，ζ)作方位向二维逆傅里叶变换，得到三维 频谱S9 (X，y，ζ)，根据三维频谱S9 (X，y，ζ)进行图像处理得到三维聚焦图像；S9 (X，y，ζ)表达 式为：
【专利摘要】本发明提供一种用于太赫兹高斯波束全息成像的三维大景深图像重建方法，属于图像处理技术领域。该方法通过对太赫兹雷达原始回波信号的三维频谱进行参考距离匹配滤波，距离方位向的解耦合，方位向的匹配滤波得到的太赫兹三维全息成像结果。本发明方法能精确恢复大景深分布的目标图像，处理过程简单快速，适用于大带宽实时应用成像中。
【IPC分类】G01S13-89, G06T17-00
【公开号】CN104732584
【申请号】CN201510119167
【发明人】李超, 刘玮, 张群英, 方广有
【申请人】中国科学院电子学研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月18日