专利名称：辐射成像设备和相应方法
技术领域：
本发明涉及用于扫描场景的辐射成像(radiometric imaging)设备和相应方法。 此外，本发明还涉及用于实现所述方法的计算机程序以及包含所述计算机程序的计算机可读非暂时性介质。
背景技术：
在本发明上下文中的辐射成像主要(但非仅仅)涉及毫米波成像领域。毫米波是在从大约Imm到IOmm的波长范围内的无线电波，该波长范围对应于从大约30GHz到300GHz 的频率范围。这些波已被应用到用于测量移动车辆之间的距离以便防止碰撞的车载雷达设备，以及用于实现在每秒数吉比特量级上的传输数据率的高速无线通信。此外，改进的生成和检测技术以及在毫米波频率范围内工作的设备的集成和小型化方面的最新改进已经对采用此电磁辐射的特性产生很大兴趣。电磁辐射在穿透绝缘材料(包括塑料、墙壁、衣服、 烟雾)方面的能力对研究毫米波成像应用提供了额外的动力。此外，可实现的数毫米的空间分辨率是诸如机场安检扫描器之类的用于检测隐藏的武器或爆炸物的安检应用所非常感兴趣的。可以有源或无源方式来使用毫米波。无源的辐射成像系统通过利用辐射计捕捉由物体射出的电磁辐射能来创建图像。例如，辐射体扫描器检测由人体自然射出的毫米波以重构身体轮廓的图像。但是，辐射体扫描器不限于重构身体轮廓自身的图像，而是还可以对身体的整个表面成像，就像普通图片那样。这样的无源辐射成像系统例如是从US 2007/0221847A1已知的。另一方面，有源的辐射成像系统利用毫米波来照射物体，并且通过检测透射波或者反射波来创建图像。毫米波不会产生电离效应，这使得此技术成为了在如同隐藏武器或爆炸物检测那样的安检应用中要采用的具有吸引力的候�。钟械幕诤焱庀呋蛘呖杉涞募际跷薹觳庖氐奈锾澹⑶一赬射线的系统由于其电离效应而无法使用。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种以改进的图像质量对场景成像的辐射成像设备，其相比于现有技术设备包含较少的�：傧瘢匀皇狗浼频募际跎杓票３志】赡芗虻�。本发明的另一个目的是提供一种相应方法以及用于在计算机上实现所述方法的相应计算机程序。根据本发明一个方面，提供了一种用于扫描场景的辐射成像设备，所述设备包括辐射计，被配置为检测从所述场景射出的在预定频谱范围内的辐射能，并从所检测到的辐射能生成辐射信号，和处理器，被配置为通过利用依赖于距离的去�：诤硕运傻姆湫藕沤腥ゾ砘创硭傻姆湫藕牛渲校鲆览涤诰嗬氲娜ツ：诤耸且谰菟龀【�
4与辐射计之间的距离来确定的。根据本发明其它方面，提供了一种相应的辐射成像方法以及包括程序手段的计算机程序，当在计算机上执行所述计算机程序时，所述程序手段致使计算机执行根据本发明的所述辐射成像方法的处理和去卷积步骤。根据本发明的其它方面，提供了一种其上存储有指令的计算机可读非暂时性介质，当在计算机上执行所述指令时，所述指令致使计算机执行根据本发明的所述辐射成像方法的步骤。在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，要求保护的方法和要求保护的计算机程序及要求保护的计算机可读介质与要求保护的设备具有相似和/或相同的、如从属权利要求所限定的优选实施例。已经发现，辐射计的模式，特别是辐射计的天线的模式(其表现出对由辐射计检测到的接收功率的方向(角度)依赖性)极大地依赖于所谓的避开距离，该避开距离是要成像的场景与辐射计之间的距离。当被成像的场景位于非感应近场区中或者感应近场区中时，已经证实这种依赖性特别强。另一方面，为了获得高分辨率图像，需要具有极其尖锐的笔形束的高增益天线。因此，要求表现出很大的电尺寸的天线。但是，由于天线的这种很大的电尺寸，使得出现如下情况在大多数实践应用(例如，机场安检扫描器)中，感应远场区比要扫描的物体(场景) 远得多。换而言之，要扫描的物体在许多应用中位于非感应近场区中，而在该非感应近场区中，天线模式随着避开距离而极大地变化。此外，根据特定天线尺寸的半功率束宽通常仅能够在远场中实现。但是，使用聚焦，也能够在非感应近场中获得该半功率束宽。然而，本领域中已知的传统辐射成像系统使用恒定的天线模式来对生成的辐射信号进行图像去卷积。已经证实，这最终将产生�：耐枷瘢乇鹗堑北怀上裎锾逦挥诮≈惺被蛘咴诒芸嗬胍虮怀上裎锾宓牟煌浠那榭鲋杏绕淙绱�。去卷积并不高效，并且图像质量受到重创。其它的已知成像系统采用机械聚焦以避免依赖于距离的天线模式对图像质量的影响。利用这种聚焦技术，天线设计被调整为适应相应的避开距离，在该避开距离处，被聚焦的天线模式对于不同的测量距离几乎恒定。这种技术或者要求包括许多单一天线元件 (这些天线元件在幅度和相位方面受控制)的很大天线阵列，或者要求结合单个馈送天线采用的机械聚焦(类似于光学相机)或由多个单一馈送元件组成的焦面阵列。但是，这种聚焦需要天线结构的机械变差，而这对产品成本结构和故障前平均时间(MTBF)具有不利影响。本发明的发明人已经发现一种用于显著提高获得的图像质量而仍然保持较低的实现成本并避免天线结构的复杂机械变差的方式。特别地，根据本发明一个方面，辐射成像设备包括处理器，该处理器通过利用依赖于距离的去模糊化内核对生成的辐射信号进行去卷积来处理所述生成的辐射信号，依赖于距离的去�：诤耸且谰菟龀【昂头浼浦涞木嗬肜慈范ǖ�。换言之，去卷积利用了这样的去�：诤烁萌ツ：诤耸峭ü荼簧璩【昂头浼浦涞氖导示嗬虢蟹抡婊虿饬坷囱细袢范ǖ�。因此，使用依赖于距离的去�：诤硕鞘褂萌缫阎上裆璞钢惺迪值暮愣ǖ挠刖嗬胛薰氐娜ツ：诤死唇腥ゾ砘�。
因此能够克服由上述的避开距离依赖性导致的�：Ч�。由于如上所述天线模式随着避开距离而变化，所以通过使用严格从与各个避开距离相对应的天线模式导出的去卷积现在能够获得更佳的图像质量。通过根据实际的避开距离来调整去卷积，天线的复杂聚焦也不再需要。与使用恒定的天线模式进行去卷积的、本领域已知的上述毫米波成像技术形成对比，能够实现得到的图像的更佳去�：�。所提出的去卷积技术对于要扫描的物体位于近场区中的辐射成像应用具有特别积极的影响，因为天线模式的极强的依赖于距离的变化能够通过根据实际的避开距离对去卷积进行准确调整来补偿。在实际应用中，例如在机场安检扫描器中，例如能够设想到旅客被引导通过被设置在离辐射计的任意距离(避开距离)处的不同的门，从而根据这些门-天线距离来调整图像去卷积。应当注意，所提出的去卷积技术与在有源的还是无源的辐射成像设备中使用是无关的。本发明因此涉及有源辐射成像设备和无源辐射成像设备。因此，词“射出”不应仅仅从字面上理解(这会是无源辐射测量的情况)，而是也可从“反射”、“衍射”、“折射”或“透射”的意义上理解(这会是有源辐射测量的情况)。尽管如上所述对于所呈现的辐射成像设备的可行性而言，不一定要求仅仅及时测量避开距离，但是根据本发明一个实施例，优选的是成像设备还包括用于测量所述场景与辐射计之间的距离的距离测量装置。这样的对避开距离的同时距离测量增大了设备的灵活性。参见上述机场安检扫描器的示例，引导门因此将不再需要。旅客可以通过在离辐射计任意距离处的检测区域，因为能够通过所提议的距离测量装置来同时测量每一个避开距离。然后，通过结合与测得距离相对应的天线模式而将用于去卷积的去�：诤说髡礁镁嗬耄佣芄皇迪盅细袷视κ导是樾蔚淖罴讶ツ：Ч８萘硪挥叛∈凳├嗬氩饬孔爸冒ü庋У�、基于雷达的或者声学的距离测量装置。应当注意，在不脱离本发明的范围的情况下也可使用其它的传统测量技术。例如， 激光距离测量是多种可能的距离测量技术之一。根据又一实施例，利用与所述场景和辐射计之间的实际距离(避开距离)相对应地测量和仿真的、辐射计的天线模式来确定去�：诤�。换言之，在第一步骤中，针对给定的避开距离来实际测量或者在适当的(软件)仿真(例如，电磁或者射线跟踪仿真)中预先计算出天线模式。使用关于此依赖于距离的天线模式的信息，可以选择分别计算出�：阕樱媚：阕右部沙莆憷┥⒑�(PSF)。然后，能够在已知的数学运算中计算出各个依赖于避开距离的去�：诤�。�：诤撕腿ツ：诤艘虼吮淮犹煜吣Ｊ降汲觯⑶揖范杂τ谑导实谋芸嗬�。通过利用这种经专门调整的去�：诤硕曰竦玫耐枷袷萁腥ゾ砘芄皇迪指慕某上裰柿�。根据本发明的另一实施例，辐射成像设备还包括存储单元，该存储单元存储供在处理器中使用的多个不同去模糊化内核，其中，这些去�：诤耸且丫攵杂胨龀【昂头浼浦涞牟煌脑ざň嗬�(避开距离)相对应地测得或仿真得到的辐射信号来确定的。通过将这样的存储单元包括到辐射成像设备中，能够节省获取和处理时间，因为去卷积所需的去模糊化内核不再需要被同时确定。取代之，可针对每一个检测到的或者已知的避开距离从存储单元载入相应的去�：诤�。在此情况中，处理器被调整为通过从所述存储单元载入的与避开距离相对应的去�：诤死炊陨傻姆湫藕沤腥ゾ砘４娲⒌ピ梢园ㄍü运捎玫奶煜呓峁沟牡绱懦》抡娑竦玫脑は燃扑愠龅奶煜吣Ｊ剑蛘呖梢园獾玫奶煜吣Ｊ降氖�。在距离测量装置也被设置的情况下，首先精确地测量避开距离，然后从存储单元载入与所述避开距离相对应的去�：诤耍⑹褂酶萌ツ：诤私兴袢〉姆湫藕诺娜ゾ砘�。根据又一实施例，处理器被配置为利用通过在所述存储单元中的至少两个去�：诤酥浣胁逯刀范ǖ囊览涤诰嗬氲娜ツ：诤死炊运錾傻姆湫藕沤腥ゾ砘�。这在存储单元中不存在与已知的、仿真得到的、分别测得的避开距离严格相对应的去�：诤说那榭鱿掠绕溆欣�。在此情况中，可通过在存储单元中可得的空间上最接近的去�：诤酥浣胁逯道醇扑愠鍪实钡娜ツ：诤�。当然，也可以仅从存储单元取出空间上最接近的一个去�：诤耍皇窃诹礁霾煌ツ：诤酥浣胁逯�。 但是，这不会产生最佳图像质量。此外，根据本发明另一实施例，辐射计设备被调整为检测在毫米波长范围内射出的辐射能，该毫米波长范围特别是在从0. 1到IOOmm的波长范围内，优选地在从1到IOmm 的波长范围内。如上所述，此频率范围能够穿透包括塑料、墙壁、衣服、烟雾在内的非金属材料，这是应用所呈现的设备和方法的重要特性。特别地，可实现的数毫米的空间分辨率是如同检测隐藏的武器和爆炸物一样的安检应用所非常感兴趣的。一般地，本发明还适用于其它频率范围。但是，某些频率由于大气吸收特性(传播衰减太高以至于不能接收某些有用信号)而较少使用或者不可用。再者，根据一个实施例，辐射成像设备包括照射装置，该照射装置被配置为以与照射信号相对应的辐射能来照射所述场景。这些照射装置对于有源的辐射成像设备而言尤其有必要，在有源的辐射成像设备中，利用毫米波来照亮(照射)要扫描的场景，并且通过检测从场景透射或者反射的波来创建图像。这样的有源辐射计相比于无源辐射计具有更低的噪声敏感度，并且具有更高的信噪比。不过，如上所述，所呈现的去卷积技术也能够以相同方式应用于这样的有源辐射计。根据另一个实施例，照射装置和辐射计被组合在单基地辐射单元或者单基地雷达中。换言之，照射装置和辐射计被组合到单基地的有源雷达系统，其中，发射和接收天线处于相同位置，或者由相同的公共天线来实现。根据本发明另一实施例，设备还包括聚焦装置，该聚焦装置被配置为将辐射计聚焦到预定距离。使用这样的聚焦装置，可将天线模式调整到相应的避开距离，即，可将辐射计聚焦到相应的避开距离。在聚焦装置仅能够步进式聚焦的这种情况(这意味着它们不能连续可变到每一希望的避开距离上)中，所呈现的去卷积技术特别有利。例如，如果聚焦装置仅能够聚焦到3m或4m的避开距离上，而要扫描的物体位于3. 5m的避开距离处，则处理器能够使用根据实际的3. 5m的避开距离来严格确定的去�：诤死炊陨傻姆湫藕沤腥ゾ砘�。
本发明的这些及其它方面将从下文中描述的实施例中清楚可见，并且在下面参考这些实施例被更详细说明。在附图中
图1示出了图示出根据本发明的辐射成像设备的第一实施例的示意框图，图2示出了图示出根据本发明的辐射成像设备的第二实施例的示意框图，图3示出了图示出根据本发明的辐射成像设备的第三实施例的示意框图，图4示意性地示出了根据本发明的毫米波天线的检测�。�5示出了图示出根据本发明的辐射成像方法的第一实施例的示意框图，图6示出了图示出根据本发明的辐射成像方法的第二实施例的示意框图，图7示出了图示出对在不同避开距离处的四个示例性天线模式的仿真的示图，图8示出了的表格包括针对不同的�：腿ツ：诤俗楹系奈锾寮觳飧怕史抡娴慕峁⑶彝�9示出了图示出根据本发明的辐射成像设备的第四实施例的示意框图。
具体实施例方式图1示出了图示出根据本发明的辐射成像设备10的第一实施例的示意框图。辐射成像设备10被用来例如使用毫米波成像对场景成像。例如，所述设备10可用于扫描在 (例如，中性的)背景前方的人12'、12"，以检测人是否携带有隐藏武器。设备10包括辐射计14，该辐射计14用于检测从所述场景(人12'、12")射出的在预定频谱范围内的辐射能，并用于从所述检测到的辐射能生成辐射信号。辐射计14 一般包括天线16和辐射计传感器18，辐射计传感器18用于检测射出的辐射能并用于生成辐射信号。设备10还包括处理器20，处理器20被配置为特别是利用去卷积来对所述生成的辐射信号进行处理以获得去�：耐枷�。设备10可额外包括距离测量装置24和存储单元26，距离测量装置 24用于测量所述场景12'、12"与辐射计14之间的距离22'、22"(通常称为避开距离 (stand-offdistance))，而存储单元26包括多个不同的用于去卷积的去�：诤�。所呈现的辐射成像设备10采用了新的去卷积技术，其相比于已知的毫米波成像技术实现了改进的图像质量。根据此去卷积技术，处理器20被配置为利用根据实际的避开距离22'、22"确定的去�：诤死炊运傻姆湫藕沤腥ゾ砘�。此依赖于距离的去卷积表现了在辐射成像领域的主要优点，因为已经发现辐射计天线16的检测模式极大地依赖于避开距离22'、22"。与使用恒定去卷积(恒定去卷积不依赖于避开距离22'、 22")的传统辐射成像系统形成对比，由所呈现的设备10生成的扫描图像展现出少得多的�：傧�。当被扫描的物体12"‘位于天线检测区域30(参见图4)的近场区时，依赖于距离的去卷积的效果展现出了更大的优势，这是因为在非感应近场区中，天线模式随着避开距离22"‘而更强地变化。天线的场区通常在感应近场中被分开，而感应近场达到如下这么远的距离
权利要求
1.一种用于扫描场景(12'、12〃、12〃 ‘)的辐射成像设备，所述设备包括 辐射计(14)，被配置为检测从所述场景(12'、12"、12"‘)射出的在预定频谱范围内的辐射能，并从所检测到的辐射能生成辐射信号，和处理器(20)，被配置为通过利用依赖于距离的去模糊化内核对所生成的辐射信号进行去卷积来处理所生成的辐射信号，其中，所述依赖于距离的去�：诤耸且谰菟龀【� (12'、12〃、12〃 ‘)与所述辐射计(14)之间的距离(22'、22"、22"‘)来确定的。
2.根据权利要求1所述的辐射成像设备，还包括距离测量装置(24)，被配置为测量所述场景(12'、12〃、12〃 ‘)与所述辐射计(14)之间的距离(22'、22〃、22〃 ‘)。
3.根据权利要求2所述的辐射成像设备，其中，所述距离测量装置(24)包括光学距离测量装置、基于雷达的距离测量装置或声学距离测量装置。
4.根据权利要求1所述的辐射成像设备，其中，所述去�：诤耸抢糜胨龀【� (12'、12〃、12〃 ‘)和所述辐射计(14)之间的实际距离(22'、22"、22"‘)相对应地测得或仿真得到的、所述辐射计(14)的天线模式来确定的。
5.根据任一项在前权利要求所述的辐射成像设备，还包括存储单元(26)，该存储单元 (26)存储供所处理器(20)中使用的多个不同的去�：诤耍渲校庑┤ツ：诤耸且丫攵杂胨龀【�(12'、12"、12"‘)和所述辐射计(14)之间的不同的预定距离 (22'、22"、22"‘)相对应地测得或仿真得到的辐射信号而确定了的。
6.根据权利要求5所述的辐射成像设备，其中，所述处理器(20)被配置为利用通过在所述存储单元(26)中的至少两个去�：诤酥浣胁逯刀范ǖ囊览涤诰嗬氲娜ツ：诤耍炊运傻姆湫藕沤腥ゾ砘�。
7.根据任一项在前权利要求所述的辐射成像设备，其中，所述辐射计(14)被配置为检测在毫米波长范围内射出的辐射能，该毫米波长范围特别是在从0. 1到IOOmm的波长范围内，优选地在从1到IOmm的波长范围内。
8.根据任一项在前权利要求所述的辐射成像设备，还包括照射装置(32)，该照射装置 (32)被配置为以与照射信号相对应的辐射能来照射所述场景(12'、12"、12"‘)。
9.根据权利要求8所述的辐射成像设备，其中，所述照射装置(32)和所述辐射计(14) 被组合在单基地辐射单元或者单基地雷达中。
10.根据任一项在前权利要求所述的辐射成像设备，还包括聚焦装置(34)，该聚焦装置(34)被配置为将所述辐射计(14)聚焦到预定距离。
11.一种用于扫描场景(12'、12〃、12〃 ‘)的辐射成像方法，所述方法包括以下步骤检测从所述场景(12'、12"、12" ’ )射出的在预定频谱范围内的辐射能， 从所检测到的辐射能生成辐射信号，和通过利用依赖于距离的去模糊化内核对所生成的辐射信号进行去卷积，来处理所生成的辐射信号，其中，所述依赖于距离的去�：诤耸且谰菟龀【�(12'、12"、12"‘) 与所述辐射计(14)之间的距离(22'、22"、22"‘)来确定的。
12.一种用于扫描场景(12'、12〃、12〃 ‘)的辐射成像设备，所述设备包括 用于检测从所述场景(12'、12"、12"‘)射出的在预定频谱范围内的辐射能、并用于从所检测到的辐射能生成辐射信号的装置(14)，和用于通过利用依赖于距离的去�：诤硕运傻姆湫藕沤腥ゾ砘创硭傻姆湫藕诺淖爸�(20)，其中，所述依赖于距离的去�：诤耸且谰菟龀【� (12'、12〃、12〃 ‘)与所述辐射计(14)之间的距离(22'、22"、22"‘)来确定的。
13.—种包括程序代码装置的计算机程序，用于在计算机上执行所述计算机程序时使计算机执行如权利要求11所述的方法的各个步骤。
14.一种存储有指令的计算机可读非暂时性介质，当在计算机上执行所述指令时，所述指令使所述计算机执行如权利要求11所述的方法的各个步骤。
全文摘要
本发明涉及用于扫描场景的辐射成像设备(10)和相应方法。所提议的设备包括辐射计(14)，被配置为检测从所述场景(12′、12″、12″′)射出的在预定频谱范围内的辐射能，并从所述检测到的辐射能生成辐射信号；和处理器(20)，被配置为通过利用依赖于距离的去�：诤硕运錾傻姆湫藕沤腥ゾ砘创硭錾傻姆湫藕牛渲校鲆览涤诰嗬氲娜ツ：诤耸且谰菟龀【�(12′、12″、12″′)与辐射计(14)之间的距离(22′、22″、22″′)来确定的。这个效果在天线的非感应近场中最为显著。由于依赖于距离的去卷积，使得能够实现得到显著改进的图像质量。
文档编号G01N22/00GK102298163SQ20111012784
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月12日 优先权日2010年5月12日
发明者马塞尔·丹尼尔·布勒希, 麦特瑟斯·里德尔 申请人:索尼公司
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