频域稀疏毫米波人体安检成像处理和快速成像稀疏阵列设计20170907
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sampling and the sparse array design for human security fast imaging. Firstly, based on the cylindrical scanning imaging model, the barker code-based randomly sparse sampling method is utilized to reduce scanning time; A 3D imaging algorithm based on interferometry and Compressed Sensing in frequency domain is proposed, with sparse representation of image in frequency domain after interferometry and Compressed Sensing measurement model, to recover the image frequency spectrum, thereby implementing human security image reconstruction under sparse sampling. Real data processing results show that the proposed method has the ability to obtained similar image resolution and performance to that of complete samples, and the image correlation coefficients before and after sparse sampling is better than 0.9, with 50% time/data reduction.
(a)
(b)
图 2 巴克码[1110010]的自相关函数图和方向图
2.2 回波信号处理 假设天线发射信号为 p(t) ，则 t 时刻在采样点 Pa 处的成像区域回波信号为
s(t, a , za )
n p(t 2 (xn Ra cos a )2 ( yn Ra sin a )2 (zn c
D
(1)
其中， D 为人体成像区域范围。对式(1)在快时域进行傅里叶变换
2003 年，美国 L3 通信公司研制了 ProVision 毫米波人体扫描仪[4]。该设备工作频率为 24GHz~30GHz，所采用的图像处理技术可获得 5mm 横向分辨率，目前已被 7 个国家用作机 场安检设备。但该设备采用柱面机械扫描方式进行采样，实时性较差。2011 年，德国埃尔 兰根-纽伦堡大学微波光子研究所搭建了多基地毫米波快速成像系统[5,6]。该原型系统工作频 率为 70GHz~80GHz，所获得的成像结果横向分辨率为 2mm；采用一个 2m×1m 大小的 2 维平面稀疏阵列，成像时间可达到 50ms 以下，可实现人体目标实时成像。
意点 Pn 的坐标为 (xn , yn , xn ) ，散射强度为 n 。与平面扫描 3 维成像相比，柱面扫描 3 维成
像技术有多角度观察的能力。
Z
X
任意采样位置Pn
Ra Φ
阵列天线L
采样点Pa Y
图 1 毫米波人体安检柱面扫描 3 维成像模型
为减少数据获取时间、提高扫描速度，在方位向采用稀疏采样方式，但稀疏采样会使图 像产生栅瓣和高副瓣。选择合适的采样准则可改善图像质量，本文采用巴克码伪随机序列[8] 作为稀疏采样准则。巴克码具有尖锐的自相关函数和良好的随机性，稀疏率约 50%，其中 长度为 7 的巴克码[1110010]对应的自相关函数图和方向图如图 2 所示。从图中可知巴克码 远区副瓣较低，适于对地成像。
Key words Millimeter wave imaging; 3D imaging; Sparse sampling; Sparse array;
Interferometry; Human security
1 引言
人体安检成像技术是近年来安检领域的一个研究热点，机场、海关和政府等重要场所都 需通过人体安检成像技术排查潜在危险[1]。按照工作方式可将安检成像系统分为被动式和主 动式两类，其中主动式成像系统因其受环境因素影响小、图像信噪比高等优点而被广泛应用 [2]。由于违禁物品往往具有隐蔽性，而毫米波（频率范围为 30 GHz~300GHz）能够穿透衣 物和部分绝缘体遮挡、回波衰减率较小、对人体无害[3]，因此利用毫米波作为载体的人体安 检成像技术已成为目前最具潜力的安检成像技术之一。
(3)
假设 P( ) 近似为狄拉克 函数，则式(2)可写成关于距离向波 数
方位向 a 的函数
、高度向波数 k z 、
S( , a , kz )=
F (kr ,
, k )e j 2kr Ra cos( a z
)d
(4)
F (kr , , kz )=
e dx dy dz j(2kr cos ) xn j(2kr sin ) yn jkz zn
其次基于频域稀疏成像方法、巴克码稀疏采样方式和收发分置工作模式，设计了用于快 速安检成像的稀疏阵列布局，在保证人体成像质量前提下，稀疏率高达 94.6%。该方法用于 实际安检成像系统中可大幅增加安检通过速率、减少辐射单元数量和系统复杂度，在大人流 量场所安全检测中具有重要应用价值和市场前景。
关键词 毫米波成像；3 维成像；稀疏采样；稀疏阵列；干涉处理；人体安检 中图分类号 TN957.51
○3 （China Communication Technology Co., Ltd.，Shenzhen 518000, China）
Abstract This paper includes the millimeter wave imaging data processing based on sparse
频域稀疏毫米波人体安检成像处理和快速成像稀疏阵列设计
田鹤①② 李道京①* 祁春超○3 *
①（中国科学院电子学研究所微波成像技术重点实验室 北京 100190）
②（中国科学院大学 北京 100190）
○3 （华讯方舟科技有限公司 深圳 518000）
摘要 该文研究工作包括频域稀疏毫米波人体安检成像数据处理和用于快速安检成像的稀
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱky 和kz
分别为
X
、Y
和Z
方向的波数分量，
k
2 x
k
2 y
k
2 z
k 2 ； kr 为 X -Y 平面的波数
分量， kr2
k
2 x
k
2 y
，则式(2)中的指数项可写成平面波信号累加形式[9]
e = j 2k ( xn Ra cos a )2 ( yn Ra sin a )2 ( zn za )2
e d dk j 2kr cos ( Ra cos a xn ) 2kr sin ( Ra sin a yn ) kz ( za zn ) z
②（University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）
收稿日期：2016-11-09；改回日期：2017-06-20；网络出版：2017-07-21 *通信作者：李道京 lidj@mail.ie.ac.cn 祁春超 qichunchao@huaxunchina.cn 基金项目：国家自然科学基金(61271422) 等 Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (61271422)
za )2 )dxndyndzn
S( , a , za ) P( )
e dx dy dz jk ( xn Ra cos a )2 ( yn Ra sin a )2 ( zn za )2
n
n nn
(2)
D
其中，P( ) 为发射信号的傅里叶变换对，k =2 / c 为距离向波数，c 为光速。定义 k x 、
2 成像模型及信号处理 2.1 柱面扫描 3 维成像模型
毫米波人体安检柱面扫描 3 维成像模型如图 1 所示，图中以人体中心为坐标原点建立直
角坐标系，其中 X 轴表示方位向（横向），Y 轴表示距离向， Z 轴表示高度向（纵向）；一 维天线阵列长度为 L ，且以坐标原点为圆心、测试距离 Ra 为半径进行扫描，形成圆心角为
Secondly, based on barker code and multistatic work mode, a sparse array architecture for fast imaging is designed with sparse rate of 94.6% and the guarantee of imaging quality. The method can greatly increase passage rate, reduce the amount of radiation unit and system complexity, having important application value and market prospect in security clearance.
Millimeter Wave Human Security Imaging Based on
Frequency-domain Sparsity and Fast Imaging Sparse Array
Architecture1
①②
He Tian
①
Daojing Li
Chunchao Qi ○3
①（Science and Technology on Microwave Imaging Laboratory, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）
的柱面孔径。柱面扫描 3 维成像模型利用阵列天线结构获得人体高度向高分辨率图像，利用
阵列天线沿圆弧上的机械扫描获得方位向高分辨率图像，利用各子阵发射并接收毫米波宽带
信 号 实 现 距 离 向 高 分 辨 率 成 像 ， 其 成 像 。 柱 面 孔 径 中 任 意 采 样 点 Pa 的 坐 标 为 (xa , ya , za )=(Ra cos a , Ra sin a , za ) （ a - / 2, / 2 ， za 0, L ）；人体成像区域任
(6)
对 g( a , kr ) 与 F (kr , a , kz ) 关于 a 做一维傅里叶变换，则式(6)可写成
S( , a, kz ) G( a, kr )F (kr , a, kz )
疏阵列设计两部分。首先基于柱面扫描成像模型，采用巴克码随机稀疏采样方式减少成像扫 描时间；提出一种基于干涉处理和频域压缩感知的 3 维成像算法，利用干涉处理使人体复图 像在频域具备稀疏性，建立频域压缩感知测量模型并重建图像频谱，进而实现稀疏采样下人 体安检图像重建。实际数据处理结果表明，该方法在扫描时间/数据采集量减少约 50%的条 件下，可获得接近满采样对应的图像分辨率和成像效果，稀疏采样前后的图像相关系数优于 0.9。
本文在上述研究背景下，首先基于柱面扫描成像模型，提出一种基于巴克码的稀疏采样 方式和基于干涉处理[7]频域压缩感知（Compressed Sensing，CS）的频域稀疏毫米波人体安 检 3 维成像方法，以降低安检系统扫描时间，实际数据处理结果验证了方法的有效性。其次 基于文献[5]的快速成像系统，设计一种基于巴克码和收发分置模式的稀疏平面阵列，进一 步降低硬件成本。本文所提方法在大人流量场所安全检测中具有重大应用价值和市场前景。
n
n nn
D
式中 F (kr , , kz ) F (2kr cos , 2kr sin ,kz ) F (kx ,ky ,kz )为空间域散射强度 n
的波数域谱。定义
g ( a , kr ) e j 2kr Ra cos a
(5)
则有
S( , a , kz ) g( a , kr )F (kr , , kz )d
(a)
(b)
图 2 巴克码[1110010]的自相关函数图和方向图
2.2 回波信号处理 假设天线发射信号为 p(t) ，则 t 时刻在采样点 Pa 处的成像区域回波信号为
s(t, a , za )
n p(t 2 (xn Ra cos a )2 ( yn Ra sin a )2 (zn c
D
(1)
其中， D 为人体成像区域范围。对式(1)在快时域进行傅里叶变换
2003 年，美国 L3 通信公司研制了 ProVision 毫米波人体扫描仪[4]。该设备工作频率为 24GHz~30GHz，所采用的图像处理技术可获得 5mm 横向分辨率，目前已被 7 个国家用作机 场安检设备。但该设备采用柱面机械扫描方式进行采样，实时性较差。2011 年，德国埃尔 兰根-纽伦堡大学微波光子研究所搭建了多基地毫米波快速成像系统[5,6]。该原型系统工作频 率为 70GHz~80GHz，所获得的成像结果横向分辨率为 2mm；采用一个 2m×1m 大小的 2 维平面稀疏阵列，成像时间可达到 50ms 以下，可实现人体目标实时成像。
意点 Pn 的坐标为 (xn , yn , xn ) ，散射强度为 n 。与平面扫描 3 维成像相比，柱面扫描 3 维成
像技术有多角度观察的能力。
Z
X
任意采样位置Pn
Ra Φ
阵列天线L
采样点Pa Y
图 1 毫米波人体安检柱面扫描 3 维成像模型
为减少数据获取时间、提高扫描速度，在方位向采用稀疏采样方式，但稀疏采样会使图 像产生栅瓣和高副瓣。选择合适的采样准则可改善图像质量，本文采用巴克码伪随机序列[8] 作为稀疏采样准则。巴克码具有尖锐的自相关函数和良好的随机性，稀疏率约 50%，其中 长度为 7 的巴克码[1110010]对应的自相关函数图和方向图如图 2 所示。从图中可知巴克码 远区副瓣较低，适于对地成像。
Key words Millimeter wave imaging; 3D imaging; Sparse sampling; Sparse array;
Interferometry; Human security
1 引言
人体安检成像技术是近年来安检领域的一个研究热点，机场、海关和政府等重要场所都 需通过人体安检成像技术排查潜在危险[1]。按照工作方式可将安检成像系统分为被动式和主 动式两类，其中主动式成像系统因其受环境因素影响小、图像信噪比高等优点而被广泛应用 [2]。由于违禁物品往往具有隐蔽性，而毫米波（频率范围为 30 GHz~300GHz）能够穿透衣 物和部分绝缘体遮挡、回波衰减率较小、对人体无害[3]，因此利用毫米波作为载体的人体安 检成像技术已成为目前最具潜力的安检成像技术之一。
(3)
假设 P( ) 近似为狄拉克 函数，则式(2)可写成关于距离向波 数
方位向 a 的函数
、高度向波数 k z 、
S( , a , kz )=
F (kr ,
, k )e j 2kr Ra cos( a z
)d
(4)
F (kr , , kz )=
e dx dy dz j(2kr cos ) xn j(2kr sin ) yn jkz zn
其次基于频域稀疏成像方法、巴克码稀疏采样方式和收发分置工作模式，设计了用于快 速安检成像的稀疏阵列布局，在保证人体成像质量前提下，稀疏率高达 94.6%。该方法用于 实际安检成像系统中可大幅增加安检通过速率、减少辐射单元数量和系统复杂度，在大人流 量场所安全检测中具有重要应用价值和市场前景。
关键词 毫米波成像；3 维成像；稀疏采样；稀疏阵列；干涉处理；人体安检 中图分类号 TN957.51
○3 （China Communication Technology Co., Ltd.，Shenzhen 518000, China）
Abstract This paper includes the millimeter wave imaging data processing based on sparse
频域稀疏毫米波人体安检成像处理和快速成像稀疏阵列设计
田鹤①② 李道京①* 祁春超○3 *
①（中国科学院电子学研究所微波成像技术重点实验室 北京 100190）
②（中国科学院大学 北京 100190）
○3 （华讯方舟科技有限公司 深圳 518000）
摘要 该文研究工作包括频域稀疏毫米波人体安检成像数据处理和用于快速安检成像的稀
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱky 和kz
分别为
X
、Y
和Z
方向的波数分量，
k
2 x
k
2 y
k
2 z
k 2 ； kr 为 X -Y 平面的波数
分量， kr2
k
2 x
k
2 y
，则式(2)中的指数项可写成平面波信号累加形式[9]
e = j 2k ( xn Ra cos a )2 ( yn Ra sin a )2 ( zn za )2
e d dk j 2kr cos ( Ra cos a xn ) 2kr sin ( Ra sin a yn ) kz ( za zn ) z
②（University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）
收稿日期：2016-11-09；改回日期：2017-06-20；网络出版：2017-07-21 *通信作者：李道京 lidj@mail.ie.ac.cn 祁春超 qichunchao@huaxunchina.cn 基金项目：国家自然科学基金(61271422) 等 Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (61271422)
za )2 )dxndyndzn
S( , a , za ) P( )
e dx dy dz jk ( xn Ra cos a )2 ( yn Ra sin a )2 ( zn za )2
n
n nn
(2)
D
其中，P( ) 为发射信号的傅里叶变换对，k =2 / c 为距离向波数，c 为光速。定义 k x 、
2 成像模型及信号处理 2.1 柱面扫描 3 维成像模型
毫米波人体安检柱面扫描 3 维成像模型如图 1 所示，图中以人体中心为坐标原点建立直
角坐标系，其中 X 轴表示方位向（横向），Y 轴表示距离向， Z 轴表示高度向（纵向）；一 维天线阵列长度为 L ，且以坐标原点为圆心、测试距离 Ra 为半径进行扫描，形成圆心角为
Secondly, based on barker code and multistatic work mode, a sparse array architecture for fast imaging is designed with sparse rate of 94.6% and the guarantee of imaging quality. The method can greatly increase passage rate, reduce the amount of radiation unit and system complexity, having important application value and market prospect in security clearance.
Millimeter Wave Human Security Imaging Based on
Frequency-domain Sparsity and Fast Imaging Sparse Array
Architecture1
①②
He Tian
①
Daojing Li
Chunchao Qi ○3
①（Science and Technology on Microwave Imaging Laboratory, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）
的柱面孔径。柱面扫描 3 维成像模型利用阵列天线结构获得人体高度向高分辨率图像，利用
阵列天线沿圆弧上的机械扫描获得方位向高分辨率图像，利用各子阵发射并接收毫米波宽带
信 号 实 现 距 离 向 高 分 辨 率 成 像 ， 其 成 像 。 柱 面 孔 径 中 任 意 采 样 点 Pa 的 坐 标 为 (xa , ya , za )=(Ra cos a , Ra sin a , za ) （ a - / 2, / 2 ， za 0, L ）；人体成像区域任
(6)
对 g( a , kr ) 与 F (kr , a , kz ) 关于 a 做一维傅里叶变换，则式(6)可写成
S( , a, kz ) G( a, kr )F (kr , a, kz )
疏阵列设计两部分。首先基于柱面扫描成像模型，采用巴克码随机稀疏采样方式减少成像扫 描时间；提出一种基于干涉处理和频域压缩感知的 3 维成像算法，利用干涉处理使人体复图 像在频域具备稀疏性，建立频域压缩感知测量模型并重建图像频谱，进而实现稀疏采样下人 体安检图像重建。实际数据处理结果表明，该方法在扫描时间/数据采集量减少约 50%的条 件下，可获得接近满采样对应的图像分辨率和成像效果，稀疏采样前后的图像相关系数优于 0.9。
本文在上述研究背景下，首先基于柱面扫描成像模型，提出一种基于巴克码的稀疏采样 方式和基于干涉处理[7]频域压缩感知（Compressed Sensing，CS）的频域稀疏毫米波人体安 检 3 维成像方法，以降低安检系统扫描时间，实际数据处理结果验证了方法的有效性。其次 基于文献[5]的快速成像系统，设计一种基于巴克码和收发分置模式的稀疏平面阵列，进一 步降低硬件成本。本文所提方法在大人流量场所安全检测中具有重大应用价值和市场前景。
n
n nn
D
式中 F (kr , , kz ) F (2kr cos , 2kr sin ,kz ) F (kx ,ky ,kz )为空间域散射强度 n
的波数域谱。定义
g ( a , kr ) e j 2kr Ra cos a
(5)
则有
S( , a , kz ) g( a , kr )F (kr , , kz )d