专利名称：辐射测量成像设备及相应的方法
技术领域：
本发明涉及对场景进行扫描并且生成表示所述场景的高密度信号图案的辐射测量成像设备(radiometric imaging device)及相应的方法。此外，本发明还涉及用于实现所述方法的程序和计算机可读非暂时性介质。
背景技术：
毫米波是与频率范围从30GHz到300GHz相对应的波长范围从Imm到IOmm的无线电波。这些波已经被应用到车载雷达设备以测量正移动的车辆间的距离来防止碰撞，并且被应用到高速无线通信以实现每秒若干吉比特量级的传输数据速率。此外，在毫米波频率范围内进行操作的设备的集成和小型化方面的最近改进以及经改进的生成和检测技术引起了对于利用此电磁辐射的特性的极大兴趣。其穿透非金属材料(包括塑料、墙壁、衣服、 烟和雾)的能力已经提供了对研究毫米波成像应用的另外的动力。此外，在类似隐藏式武器或易爆物检测等的安全性应用中也对可实现的几毫米的空间分辨率很感兴趣。毫米波可被以主动(active)或被动(passive)方式使用。被动式辐射测量成像系统通过利用辐射计(radiometer)捕获对象发出的电磁辐射来创建图像。这样的被动式辐射测量成像系统例如从US2007/0221847A1中得知。所观察到的场景的辐射测量温度基于如下因素来自场景组成部分的发射、场景对下行天空辐射的反射、场景和观察者之间的上行大气发射以及电磁能量从场景到观察者的传播。另一方面，主动式辐射测量成像系统向对象发射毫米波并且通过检测所发射的或反射的波来创建图像。毫米波不产生电离效应，这使得该技术成为在类似隐藏式武器或易爆物检测等安全性应用方面要采用的很有吸引力的候选(基于红外或可见辐射的现有技术不能检测隐藏式对象，并且基于X射线的系统由于其电离效应而不能被用于人类)。对于自动导引的车辆或驾驶员辅助，看透不利大气状况的可能性也是很受关注的。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种与已知的辐射测量成像设备相比针对相同的温度分辨率以减少的成像时间来对场景成像的辐射测量成像设备。本发明的另一目的是提供相应的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和存储这样的计算机程序的计算机可读介质。根据本发明的一方面，提供了一种用于对场景成像的辐射测量成像设备，所述设备包括辐射计，用于检测从所述场景的束斑(spot)发出的在预定频谱范围内的辐射，并且从检测到的辐射生成辐射信号，束斑移动装置，用于实现从其检测到辐射的束斑向各个位置的移动；控制装置，用于控制所述束斑移动装置实现束斑从一个位置到另一位置的移动， 以使得在场景上分布的一定数目的束斑处检测辐射，其中所述数目小于高密度信号图案的图案信号的数目，并且从在所述数目的束斑处检测到的辐射而生成的辐射信号形成低密度信号图案，和处理装置，用于处理所述低密度信号图案的辐射信号，并且通过对所述低密度信号图案应用压缩感测(compressive sensing)来生成所述高密度信号图案。根据本发明的另一方面，提供了一种相应的辐射测量成像方法。根据本发明的其他方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序包括程序装置，程序装置用于当所述计算机程序在计算机上被执行时使得计算机执行根据本发明的所述辐射测量成像方法的处理和重构步骤，并且提供了一种计算机可读非暂时性介质，该计算机可读非暂时性介质上存储有指令，这些指令当在计算机上被执行时使得计算机执行根据本发明的辐射测量成像方法的所述步骤。本发明的优选实施例在从属权利要求中定义。应当明白，所要求保护的方法、计算机程序和计算机可读介质与所要求保护的装置具有类似和/或相同的优选实施例，如在从属权利要求中中所定义的。被动式辐射测量成像设备通过对给定场景(常常也被称为〃视场〃(FOV，field of view))进行扫描来将亮度温度分布映射到该场景上。图像的温度分辨率(ΔΤ)因此是通过辐射计的天线的带宽(B)、成像设备的噪声温度(Tsre)以及积分时间(τ)而根据如下公式确定的
AT(0K)= -r^Κ) ^Β(Ηζ)φ)从此公式可以得出，为了增大成像设备的温度分辨率，需要减小成像设备的噪声温度或者增大带宽和/或积分时间。辐射计测量由被成像的场景在束斑(即辐射束)所在的各个位置(或像素)处辐射的能量。辐射计在一实际位置处的测量时间越长，此位置处的温度分辨率将越好。另一方面，这增大了扫描时间，这是不希望的特性。因此，根据本发明的要素，提议通过应用已知的压缩感测方法在减小获取事件的同时获得高温度分辨率。传统的用于采样信号或成像的方法遵从香农(aiarmon)定理，香农定理规定采样率必须是信号中存在的最大频率(也被称为奈奎斯特(Nyquist)率)的至少两倍。此原则已经被应用于在消费音频或图像电子产品、医学成像设备、数字通信等中使用的几乎所有信号获取协议中。当信号是有限带宽的时，与在数字通信领域中一样，将模拟信号转换到数字域需要使用模数转换器(ADC)，以Nyquist率或者高于Nyquist率进行采样，这隐含地在这样的系统上强加了对ADC能力的依赖性。对于类似于图像的其他信号，所需要的采样率不由aiarmon定理指定，而是由所希望的时间或空间分辨率来指定。然而，对于这样的系统，通常要在采样之前使用抗混淆低通滤波器来对信号进行带宽限制，于是Nyquist率在此同样起重要作用。例如在 IEEE Transactions on Information Theory, vol. 52, pp.489-509， 2006 中 Ε.Candes, J. Romberg 禾口 Τ·Tao 的 〃 Robust uncertaintyprinciples :Exact signal reconstruction from highly incomplete frequencyinformation “ 以及 IEEE Transactions on Information Theory, vol.52, pp. 1289-1306,2006 中 D. Donoho 的〃 Compressed sensing"中所述的压缩感测范例通过宣称可以从比传统方法所需的釆样或测量结果少很多的采样或测量结果来恢复某些信号或图像而与在数据获取方面的共同智慧形成对照。与假定信号中的信息量与其频率内容成比例的传统采样理论相对照，压缩感测提出一种新的采样范例，在此新的采样范例中，信号的信息内容由其稀疏水平或其自由程度来确定。从此观点来看，感兴趣的信号不必要以Nyquist率来被采样，而是以其信息率来被采样，这在大多数情况中大大小于其带宽。简短总结一下，所述压缩感测范例规定如果信号或图像在某已知域中足够稀疏， 则在获取处理在某种意义上可被随机化的程度下，可以从(大大小于Nyquist所规定的) 非常少量的采样来对其进行重构。因此，本发明提出通过应用压缩感测来减少辐射测量成像系统的扫描/成像时间。为了应用这种技术，首先需要找到图像在其中具有稀疏表示的测量域。遗憾的是，通过辐射测量成像设备得到的图像在辐射计的获取域(其是总的功率辐射能量)中不是稀疏的。因此，所获取的辐射信号被映射到稀疏域。在此考虑的图像的一个特性是它们是分段恒定的，并且因此一种可能性是使用如根据实施例提出的总变差(total variation)技术来从少数测量结果恢复图像，但是其它的变换也是可能的。成功地应用压缩感测的第二个条件是完成测量的方式(即，测量矩阵)必须与使用的表示基(!^presentation basis)(即，表示矩阵)不相干。相干性测量这两个矩阵中的任意两个元素间的最大相关性。确保此条件的一种方式是选择(伪)随机矩阵作为测量矩阵，即，使获取处理随机化。其他测量矩阵也是可以的，并且依赖于要被扫描的场景，定制的测量矩阵可能比随机选择的矩阵具有更好的不相干性(incoherence)。然而，随机矩阵是一般性的并且是独立于场景的。根据本发明提出的方案通过对感兴趣的场景进行下采样，即通过采用比在标准获取处理中少的样本而非在所有束斑处的样本来减少成像扫描时间，然后通过应用压缩感测使用图像的某种稀疏表示(例如，类似于总变差)来处理样本(例如，重构图像)。换句话说，根据本发明的要素，在其处从场景检测到辐射的束斑被从一个位置移动到另一个位置， 以使得在场景中分布的一定数目的束斑处检测辐射，但是此数目小于传统检测时的所有束斑。因此，与传统方法不同(根据传统方法，从在大数目的束斑(即，一般而言为所有束斑)处检测到的辐射信号获得高密度信号图案)，根据本发明，从检测到的辐射信号获得低密度信号图案。在本上下文中，“高"和"低"应当被理解为表达低密度信号图案与高密度信号图像相比包括较少图案信号的相对关系。例如，如果分辨率为nXn的图像要被重构，即，如果高密度信号图案包括N = ηΧη个信号，则在少于N个的束斑处检测辐射信号， 即，低密度信号图案(仅仅)包括Μ(<Ν)个辐射信号。因此，压缩感测技术可被应用在图像的重构处理中，从而产生与已知的辐射测量成像设备和方法相比而言所希望的优点，特别是引起扫描时间的所希望的减少。在本上下文中，在场景中移动束斑应当被理解为也包括在场景的预定区域(例如，设置了要被扫描的对象(例如，人)的感兴趣区域)中移动。在此情形中，束斑被从一个位置移动到另一个位置，从而使得在场景的预定区域上分布的多个束斑处检测辐射，但是这些束斑少于预定区域中的所有束斑。在优选实施例中，束斑被移动到的位置随机地分布在场景(或者预定区域)中。这里，“随机地"不应当被以限制意义理解为"真正地随机"，而是还应当包括"模仿"真正随机行为并且可以通过例如伪随机数生成器或功能生成的伪随机行为。一般来说，分布越〃随机〃，图像重构的结果就可以越好。在优选实施例中，所述控制装置适于控制所述束斑移动装置以使得所述低密度信号图案的辐射信号的数目按照从10%到90%范围内的因子而比所述高密度信号图案的图案信号的数目低，特别是从25%到75%范围内的因子。因此，与传统的辐射检测相比，根据本实施例，在多于所有束斑的10% (特别是25% )但是少于所有束斑的90% (特别是 75 % )的束斑处检测辐射。例如，可以在大约50 %的束斑处获取辐射信号，从而得到很好图像质量的重构图像。一般来说，在从其处获取辐射的束斑的数目(即获取时间的减少)和所希望的数据获取和数据处理的结果的质量之间存在折衷。优选地，所述控制装置适于控制所述束斑移动装置以使得从其处检测辐射的束斑基本均等地分布在场景上。按照这种方式，确保了在任何情况下(即，即使没有可用于要被扫描的一个(或多个)有关对象在场景中被安置的位置的信息)，关于任何对象的实质信息也不会丢失。在另一实施例中，所述控制装置适于控制所述束斑移动装置实现移动，以使得在不规律地分布在场景中的多个束斑处检测辐射，即，所述束斑不是规律地分布在场景中。在本上下文中，“不规律"应当被理解为从其检测辐射的束斑在笛卡尔网格的至少一个方向上(优选为在两个方向上)不是被等距地定位。通过这样的不规律的检测，实现了一定程度的随机性，这正如应用压缩感测技术所要求的。优选地，根据另一实施例，所述控制装置适于控制所述束斑移动装置实现束斑在场景上的连续移动。因此，不要求束斑向场景上的明显不同的(特别是不相邻的)位置的跳跃，这种跳跃会增加辐射信号的整个获取的时间。连续轨迹可以被不同地实现，例如通过蜿蜒形(meandering)轨迹或者通过Z字形轨迹或螺旋形轨迹，根据蜿蜒形轨迹，在场景中逐行或逐列地扫描束斑。然而，也可以使用许多其他轨迹。在一个实施例中，所述控制装置适于将场景划分成多个像素的块，从每个块选择至少一个像素，并且将所选择的像素连接起来以形成轨迹，束斑被沿此轨迹在场景上移动。 按照这种方式，实现了像素在场景中的更随机性的分布(从而实现了束斑在场景中的更随机性的分布)。块中的像素的数目一般可以是任意选择的。优选地，此数目不太大，例如，在 10X10以下，特别是在5X5以下，并且对于所有的块，块大小是相等的。此外，所述控制装置优选地适于根据场景的所希望的图像分辨率、要被扫描的对象在场景内的分布和/或场景的图像的稀疏度来控制所述束斑移动装置。根据又一实施例，所述控制装置适于随机地确定束斑从一个位置到下一位置的移动方向。根据一个优选实施例，所述处理装置适于通过向辐射信号应用Il范数最小化算法(Il-norm minimization algorithm)来重构图像。Il范数一般是已知的，并且Il范数问题(也被称为最小绝对偏差(LAD)、最小绝对误差(LAE)、最小绝对值(LAV))是一种数学优化技术，与流行的试图找出最接近数据集的函数的最小平方技术(12范数)类似。在一组(X，y)数据的简单情况中，近似函数为2D笛卡尔坐标中的简单"趋向线"。所提出的方法因此使绝对误差的和(SAE)或者由此函数生成的点和数据中的相应点之间的"残差〃(residual)中的一些最小化。根据本发明的实施例应用Il范数最小化使得能够从检测到的在已知域中是稀疏的辐射信号来恢复所扫描的场景的图像。为了实现从其处检测辐射的束斑的移动，存在束斑移动装置的各种实施例。根据一个实施例，提供了机械束斑移动装置，特别是用于机械地移动所述辐射计来实现束斑的移动。例如，可以提供马达，通过马达，辐射计的天线被移动或者天线的方向被变化，优选地在两个维度上被变化。根据另一实施例，可以提供旋转镜来改变辐射计的灵敏度轮廓 (sensitivityprofile)的方向。根据另一实施例，提供电子束斑移动装置来电子地移动辐射计的灵敏度轮廓。这样的实施例例如可以通过电子束定位装置或电子束形成装置来实现，电子束定位装置或电子束形成装置具有不提供机械装置的有点并且一般能够比机械束斑移动装置更快速地移动辐射计的灵敏度轮廓。如上所述，从扫描场景获得的辐射信号在已知域中具有稀疏表示对于压缩感测技术的应用而言是重要的。对于由本发明所涉及的应用，所述已知域优选地为总变差域、傅立叶域、小波域或曲波域(curveletdomain)。优选地，在一个实施例中，提供存储器来存储将要从其处检测辐射的束斑的位置的一个或多个列表，其中所述控制装置适于从所述列表之一中选择多个所分布的束斑的位置。根据另一实施例，所述控制装置适于通过使用预定函数或分布(特别是均勻的伯努利或高斯分布)来确定多个所分布的束斑的位置。因此，不是提供用于存储预定位置或完整轨迹的存储器，而是提供生成器来生成所述预定函数或分布。例如，伪随机数生成器可以用于实现该实施例。为了实现本发明，辐射测量成像设备包括用于检测从表示单个像素的束斑发出的辐射的单个辐射计单元就足以。然而，根据可以减少场景的总的扫描时间的其他实施例，辐射计包括用于检测表示从像素行或阵列的束斑发出的辐射的辐射计单元的行或阵列。换句话说，每个辐射计单元检测来自子束斑的辐射，各子束斑一起表示束斑。按照这种方式，来自多个像素(例如，像素行或像素阵列)的辐射被同时检测。优选地，这些辐射计单元被同时地并且相等地移动，或者它们的灵敏度轮廓被同时地并且相等地改变。然而，一般而言， 每个辐射计单元被单独地控制并且它们的子束斑被单独地(并且不同地)移动也是可以的。优选地，辐射计适于检测在毫米波长范围内发出的辐射，所述波长范围特别是从 0. Imm到IOOmm并且优选为从Imm到IOmm的波长范围。如上所述，此频率范围能够穿透非金属材料，包括塑料、墙壁、衣服、烟和雾，这对于所提出的设备和方法的应用是一个重要特性。具体地，在像隐藏式武器或易爆物检测等安全性应用中对可实现的几毫米的空间分辨率很感兴趣。一般而言，本发明还适用于其他频率范围。然而，一些频率由于大气吸收特性而或多或少变得不可用(传播衰减过高以致于不能接收某一有用信号)。根据本发明而提出的辐射测量成像设备可以是主动式或被动式辐射测量成像设备，即，本发明一般可应用于这两种类型的辐射测量成像设备。在主动式辐射测量成像设备的情况中，另外提供无线电发射装置(有时也称为照射装置)来向场景发射辐射，其中，辐射计(或无线电接收器)适于检测从该场景反射的辐射。要扫描的场景被辐射辐照，并且发射通过场景或者(在另一实施例中)被场景反射的辐射由辐射计检测，辐射计因此适于作为无线电接收器。与被动式辐射测量成像相比，这样的主动式辐射测量成像设备对噪声不那么敏感并且具有较高的信噪比。主动式辐射测量成像设备一般与被动式辐射测量成像装置相类似地工作，S卩，要从其处检测辐射的束斑在场景中被移动，同时无线电发射装置(例如无线电发射天线)通过使用宽辐射束来向整个场景发射辐射。作为替代，无线电发射装置可以使用窄辐射束并且可以随后从该无线电发射装置向场景中所希望的束斑发射辐射，同时辐射计(无线电接收器)使用宽灵敏度轮廓从而使得同时从整个场景接收辐射。另外，在一个实施例中，无线电发射装置和辐射计都具有窄束，但是被共同控制以使得发射束和检测束(即，辐射计的灵敏度轮廓)一般总是指向场景上的同一束斑，从而仅从场景中正好被暴露于所发射的辐射下的区域检测辐射。根据另一实施例，无线电发射装置和辐射计被结合在单基(monostatic)辐射单元或者单基雷达中。换句话说，无线电发射装置和辐射计被结合成单基主动式雷达系统，其中发射天线和接收天线在同一位置或者通过同一公共天线来实现。—般而言，因为集中于目标周围的体素(voxel)，即从场景中没有任何感兴趣对象的束斑(没有有用信息)获取辐射，所以部分扫描时间被浪费。根据一种已知的方案，如在 US2007/0139248A中所公开的，提出通过使用在可视频谱中操作的另外的相机来减少扫描时间。由此相机提供的关于对目标(=感兴趣的对象)的限制的信息被控制单元用来将天线束引向目标，而不是扫描整个视场(FOV)。然而，可视范围相机不能检测正被扫描的人是否在衣服下隐藏了对象，因此已知的毫米波系统必须扫描整个目标。为了克服此问题，在优选实施例中，所述控制装置适于在表示场景的高密度信号图案已被生成之后实现从其处检测到了辐射的束斑向减小的视场中各个位置的移动，从而使得在所述减小的视场上分布的减小的数目的束斑处检测辐射，所述减小的视场小于整个场景并且包含感兴趣的对象，其中，所述减小的数目小于表示所述减小的视场的高密度信号图案的图案信号的数目，并且从在所述减小的数目的束斑处检测到的辐射生成的辐射信号形成所述减小的视场的低密度信号图案，并且其中，所述处理装置适于处理所述减小的视场的低密度信号图案的辐射信号，并且通过对所述减小的视场的低密度信号图案应用压缩感测来生成所述减小的视场的所述高密度信号图案。在进一步改进的实施例中，提出所述控制装置适于进一步逐步地减小视场并且执行从其处检测到了辐射的束斑向进一步减小的视场中的各个位置的移动，其中，所述处理装置适于处理所述进一步减小的视场的低密度信号图案的辐射信号并且生成所述进一步减小的视场的高密度信号图案。因此，根据这些实施例提出的方案使用缩小方法利用压缩感测来获取感兴趣的场景的具有不同分辨率的不同图像(特别是至少两个图像，或者，更一般地，获得两个高密度信号图案)。最初，整个FOV的低分辨率图像被用于检测对象的限制。然后，定义仅包含感兴趣的目标的新的F0V，然后获得具有稍微更好的分辨率的第二图像。此过程可以继续，直到任何可疑的隐藏对象被识别出或者得出根本不存在隐藏对象的结论为止(或者直到达到迭代的上限为止)。
在又一个实施例中，所述控制装置适于实现束斑(从该束斑检测到辐射)向减小的视场中的各个位置的移动，从而使得在所述减小的视场中的高数目的束斑处检测辐射， 所述减小的视场小于整个场景并且包含感兴趣的对象，其中，所述高数目对应于表示所述减小的视场的高密度信号图案的图案信号的数目，并且从在所述高数目的束斑处检测到的辐射生成的辐射信号形成所述减小的视场的高密度信号图案，并且其中，所述处理装置适于处理所述减小的视场的所述高密度信号图案的辐射信号。因此，在最后的迭代中，例如， 如果视场已经足够小，则不再应用压缩感测，而是从此小的视场，从覆盖整个视场的所有束斑检测辐射，并且从在所有束斑处检测到的所有辐射，重构图像或者获得高密度数据图案。优选地，在又一实施例中，提供检测装置在高密度信号图案中检测感兴趣的对象并且将关于检测到的感兴趣的对象的对象信息(特别是感兴趣的对象的位置和大小)提供给所述控制装置。此对象信息然后被控制装置用于减小视场以用于下次迭代，并且用于判断在下次迭代中是否要再次应用压缩感测或者用于判断是否例如因为视场足够小而可以进行完全扫描。这些检测装置可以使用图案识别算法，例如与自动目标识别算法相结合的图案识别算法。这些算法例如在2000年Springer中M. Bennamoun^PG. J. Mamic的〃 Object Recognition -Fundamentals and Case Studies"中被描述。作为替代或者另外，在另一实施例中，提供用户接口来将关于检测到的感兴趣对象的信息(特别是感兴趣的对象的位置和大小)和/或关于减小的视场的位置和大小的视场信息输入并提供给所述控制装置。这样的接口可以是计算机端子，例如用户可用来在示出先前获得的图像的显示画面上指示出减小的视场的指针。


本发明的这些和其他方面将从如下所述实施例而变得明显并且将在下面参考如下所述实施例来更详细说明。在附图中图1示出根据本发明的被动式辐射测量成像设备的示意性框图；图2示出根据本发明的成像设备的第一实施例的更详细示意性框图；图3示出根据本发明的成像设备的第二实施例的更详细示意性框图；图4示出说明传统采样的示图；图5A-5B示出原始图像和仅从原始图像的一部分小波系数重构的图像；图6示出在图5A中所示的图像的小波系数；图7示出一般的压缩感测方法的步骤的示图；图8示出K3中的稀疏向量(sparse vector)和范数IO ；图9A-9B示出范数12和Il的几何求法；图10A-10B示出总变差变换应用于样本画面的示例；图1IA-IID示出束斑的连续移动的各种轨迹；图12示出根据本发明的用在装置中的辐射计的另一示例；图13示出说明根据本发明的成像设备的第三实施例的示意性框图；图14A-14C示出轨迹和创建轨迹的另一实施例；图15示出说明根据本发明的主动式成像设备的实施例的示意性框图；图16到图18示出说明根据本发明的使用缩小法的成像设备的实施例的示意性框图；图19示出在图16到图18中所示的实施例中使用的方法的流程图。
具体实施例方式隐藏对象检测系统主要用于以下场所的入口 进入的人非常多，因而由于时间限制问题以及由于人为错误而容易出错使得手动扫描是不实际的(机场、海关、办公楼、学校等)。这样的系统可以a)检测隐藏在人们的衣服下的(金属的或者陶瓷的)武器、易爆物和其它禁止项目的存在、位置和标识(identification)；以及b)在不侵犯任何人的隐私的情况下快速、安全地监视人是否有(金属的或者陶瓷的)武器、易爆物和其它禁止项目。毫米波长成像和对象检测系统的目的将不仅仅是定位所关注的对象，而且还用于识别它是什么。此识别处理始于检测并且经历在各处描述为辨识和分类的处理。因此，“ 检测"常被定义为"用于将可能感兴趣的对象与其周围的事物区分开的处理"。然而，操作员可能不知道哪种类型的对象被检测出，而只知道某种东西被检测出。传统的排查金属检测器会令操作员知道金属对象已经通过入口，但是这些系统不提供金属对象的位置或者金属对象的类型(枪支或钥匙)的标识。此外，要在这样的情形中使用的对象检测系统必须同时可靠和迅速。可靠在这里指系统能够以可接受的少量的错误的肯定检测和大量的正确的肯定检测来检测出比某一特定大小更大的对象。可实现的空间分辨率依赖于系统的波长并且须被作为设计参数来考虑。系统的速度将依赖于获取单元的具体实现方式(扫描机制)以及图像处理算法。从系统架构的角度来看，这样的系统的最简单的实现方式将是使用单对发射器-接收器(其能够使用某种机械移动来扫描感兴趣的场景(人体、行李箱等等))。虽然简单，但是这样的实现方式中的获取时间对于(例如在机场中的)隐藏对象检测应用系统来说是不切实际的。优选的解决方案通常包括一些电子扫描装置，具体为用于向/从对象发射、接收和/或反射毫米波辐射的发射器、接收器和/或反射器天线阵列。这样的天线阵列可以使用传统的模拟相控阵列或二进制反射器阵列来构建。在任一种情况中，天线阵列通常把包含大量个体毫米波射线的毫米波辐射束引向3D空间中与包含对象的场景中的体素相对应的点或体积。这是通过将阵列中的每个天线元件编程有使得天线元件能够修改相应毫米波射线的相位的相应相移来实现的。每个天线元件的相移被选择为使得来自各个天线元件的所有的个体毫米波射线基本同相地到达目标。可编程的/可重新配置的天线/反射器阵列在US 7，224，314中描述。图1示出根据本发明的用于对场景成像的被动式辐射测量成像设备10的总体布局的示意性框图。所述设备10例如可用于对(例如中性的，neutral)背景前的人进行扫描以检测此人是否携带隐藏式武器。设备10包括辐射计12、束斑移动装置14和控制装置16， 辐射计12用于检测从场景的束斑发射的在预定频谱范围内的辐射并且从所检测到的辐射生成辐射信号，束斑移动装置14用于执行从其处检测到辐射的束斑到各种位置的移动，控制装置16用于控制所述束斑移动装置14执行束斑从一个位置到另一个位置的移动以便在场景M上分布的一定数目的束斑处检测辐射。所述数目小于所述高密度信号图案的图案信号的数目，并且从在所述数目的束斑处检测到的辐射生成的辐射信号形成低密度信号图案。此外，设备10还包括处理装置18，处理装置18用于处理所述低密度信号图案的辐射信号并且通过对所述低密度信号图案应用压缩感测来生成所述高密度信号图案。图2示出被动式辐射测量成像设备IOa的实施例的更详细框图，其中，单个辐射计 1 包括具有锐束(sharp beam) 20的天线，锐束20定义像素或束斑22的大小，在本实施例中，像素或束斑22为圆形，场景M通过像素或束斑22而被扫描并且辐射从像素或束斑22 被检测到。包括此天线的辐射计1 被附接到马达14a，马达1 表示束斑移动装置14。所述马达Ha可以在高度(elevation)和方位(azimuth)这两个方向上移动辐射计12a(具体为移动辐射计1 的天线)，以实现束斑22在场景M中的例如沿着预定轨迹23的移动。 按照这种方式，场景M的视场(即全部场景M或预定区域)在两个维度上被扫描。马达控制单元16a被提供用于对马达1 给出将束斑移到所希望位置的适当命令，以使得辐射计1 获取来自该束斑的辐射并且生成辐射信号。然而，根据本发明，与从所有束斑获得辐射的一般扫描相比，仅仅从减少的数目的束斑获得辐射信号。例如，仅仅从所有束斑的50% (—般而言，少于所有束斑的90%但是多于10%)获得辐射信号。因此， 根据本发明，通过对感兴趣的场景进行下采样，即，通过比标准获取处理采用更少的样本， 相对于传统扫描减少了扫描时间。所获得的辐射信号(其形成低密度信号图案)然后被处理，例如，通过使用图像的某种稀疏表示(例如，总变差)进行压缩感测来重构图像和具有一定数目的图案信号(该数目大于所述低密度信号图案的辐射信号的数目)的高密度信号图案。根据一个实施例，束斑被移动到的位置是随机确定的，例如从某一预先定义的列表或表格中选择，该列表或表格例如存储了束斑随后要被移动到的位置的预定轨迹。这样的列表或表格可被存储在存储单元沈中。在对场景M的扫描完成之后，从所检测到的来自各个像素的辐射获得的辐射信号(例如，在束斑22被定位在场景M的各个位置时由辐射计1 获得的)优选地在由模数(ADC)转换器观进行数字化之后被提供给重构单元18 (表示本实施例中的处理装置)。 所述重构单元18对所获取的样本应用压缩感测技术以最终重构出原始图像30。用于选择束斑移动位置和从其检测到辐射的束斑数目的确切过程将依赖于每个应用并且一般被调谐成在图像分辨率和扫描时间之间获得最佳结果。在任何情况中，总的扫描时间应当少于未应用压缩感测的情况。替代存储预先定义的位置或轨迹时间的存储单元沈，可以提供随机生成器32来随机地生成位置，例如，每当束斑22被移动到新位置时，下一位置就被确定。所述随机生成器32例如可被实现为伪随机数生成器，伪随机数生成器以随机选择的初始位置为基础基于预定算法生成随后的位置。图3示出根据本发明的被动式辐射测量成像设备IOb的另一实施例的框图。在本实施例中，不是通过马达(或者其他机械移动装置)机械地移动辐射计12b(包括天线) 来实现束斑22在场景M中的移动，而是提供电子束斑移动装置14b来电子地移动/定位所述辐射计的灵敏度轮廓，从而实现束斑的移动。所述电子束斑移动装置14b例如通过电子束定位装置或电子束形成装置来实现。这样的数字束形成装置的示例在Antennas andPropagation,2007, EuCAP 2007, Nov. 2007, pp. 1-11 ψ N. A. Salmon ^AW Digital Beam-Forming for Passive Millimitre Wave Security Imaging"中被描述。这些电子束斑移动装置14b由束控制单元16b控制，类似在图2中所示的马达控制单元16a，束控制单元16b选择用于束斑22的移动的各个位置。接下来，将一般地说明压缩感测的基本原理。获得关于信号χ的信息的感测机制可以被表达为信号本身与波形基{仍}的相关性yk =(x,^),k = 1, . . . , N例如，如果感测波形是迪拉克德耳塔(Dirac delta)函数，则y为χ在时间或空间域中的采样值的向量。如果感测波形为正弦曲线(例如，正如在磁共振成像(MRI)中所发生的那样)，则y为傅立叶系数的向量。这些感测波形形成正交基，正交基被称为感测正交基，或者当感测操作被以矩阵格式表达时被称为感测或测量矩阵。图4示出对于迪拉克德耳塔情况的感测或测量矩阵。从图4还可以看出，虽然感兴趣的信号χ只具有三个非零元素，但是向量中的所有 N个位置都被测量矩阵进行采样。非零元素在向量中的位置是未知的，并且因此不可能设计出精确地在那些位置处对信号χ进行采样的测量矩阵。然而，这提出了如下问题是否能够设计出将允许我们只采用与信号的维度相比而言较少数目M个测量结果(M<<N)但是仍能够恢复信号的感测矩阵。这正是压缩感测设法要实现的根据少量的测量结果，完全恢复信号或者获得对信号的非常良好的近似。成功将压缩感测范例应用于信号或图像依赖于以下两个原则与感兴趣的信号有关的稀疏性(sparsity)，以及涉及采样形式的不相干性。稀疏性表达这样的思想信号的信息率可大大小于其带宽所暗示的信息率。实际上，许多自然信号当被以传统基被表达时具有简洁的表示。例如考虑在图5A中所示的(完整)图像和在图5B中所示的其小波变换。虽然近乎所有的图像像素都具有非零值，如在图 6中所示，但是大多数小波系数是小的并且相对很少的大系数捕获了大多数信息原始图像(图5A)和通过仅使用25. 000最大系数获得的重构图像(图5B)之间的差异几乎察觉不到。假定χ为实数值的、有限长度的一维离散时间信号(其可被视作(RN中具有元素
χ [η] (η = 1,2,... ,N)的NXl列向量)。中的任何信号都可以按照NX 1向量的正交基
{￥ji = 1,2,. . .，N来表示。利用以向量{1^}为列的NXN基矩阵Ψ = [Ψ1; Ψ2· · · ΨΝ]，
信号χ可被表达为 NX = ^ Wi.或者 χ=Ψβ
/=1其中，s是加权系数\ = {χ,ψ) = ψ!Λ的NX 1列向量。清楚地，s和χ是同一信号在不同域中的等价表示。如果信号χ仅仅是K个基向量的线性组合，则信号χ为K阶稀疏(K-sparse)；即， Si系数中只有K个为非零并且(N-K)个为零。感兴趣的情况是当K << N时。如果前面的表示正好具有很少的大系数和很多的小系数，则信号χ是可压缩的。测量矩阵Φ必须使得能够从M < N个测量结果(向量y)重构长度为N的信号χ。 因为M < N，所以此问题看起来是糟糕的，但是如果χ是K阶稀疏的并且非零系数在s中的 K个位置是已知的，则在M > K的情况下该问题可以被解决。用于使此简化问题成为良态的必要充分条件是对于与s共享相同的K个非零项的任意向量ν并且对于一些> 0的情况满足下式
权利要求
1.一种辐射测量成像设备(10)，用于扫描场景04)并且生成表示所述场景04)的高密度信号图案，所述设备包括辐射计(12)，用于检测从所述场景04)的束斑0 发出的在预定频谱范围内的辐射， 并且从检测到的辐射生成辐射信号；束斑移动装置(14)，用于实现被检测到辐射的束斑0 向各个位置的移动；控制装置(16)，用于控制所述束斑移动装置(14)实现所述束斑0 从一个位置到另一位置的移动，从而使得在所述场景04)上分布的一定数目的束斑处检测辐射，其中所述数目小于所述高密度信号图案的图案信号的数目，并且从在所述数目的束斑处检测到的辐射生成的辐射信号形成低密度信号图案；和处理装置(18)，用于处理所述低密度信号图案的辐射信号并且通过对所述低密度信号图案应用压缩感测来生成所述高密度信号图案。
2.根据权利要求1所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于控制所述束斑移动装置(14)以使得所述低密度信号图案的辐射信号的数目比所述高密度信号图案的图案信号的数目低了从10%到90%范围内的因子，特别是从25%到75%范围内的因子。
3.根据权利要求1或2所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于控制所述束斑移动装置(14)以使得被检测到辐射的束斑0 基本均等地分布在所述场景04) 上。
4.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于控制所述束斑移动装置(14)以实现所述束斑0 在所述场景04)上的连续移动。
5.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于控制所述束斑移动装置(14)以实现在所述场景04)上沿着预定轨迹的移动，特别是沿着 Z字形轨迹03a)、蜿蜒形轨迹(23c，23d)或螺旋形轨迹(23b)移动。
6.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于根据所述场景的所希望的图像分辨率、要被扫描的对象在所述场景内的分布和/或所述场景04)的图像的稀疏性来控制所述束斑移动装置(14)。
7.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于随机地确定所述束斑从一个位置到下一位置的移动方向。
8.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述束斑移动装置(14) 包括机械束斑移动装置(Ha)，所述机械束斑移动装置(14a)用于实现所述辐射计(12a)相对于所述场景04)的相对移动来实现所述束斑0 的移动，特别是用于机械地移动所述辐射计(12a)来实现所述束斑0 的移动。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的辐射测量成像设备，其中，所述束斑移动装置 (14)包括电子束斑移动装置(14b)，所述电子束斑移动装置(14b)用于电子地移动所述辐 >射计(12a)的灵敏度轮廓来实现所述束斑0 的移动，所述电子束斑移动装置具体为电子束定位装置或电子束形成装置。
10.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述处理装置(18)适于通过向所述辐射信号应用Ii范数最小化算法来重构图像。
11.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述场景04)的辐射信号在已知域中具有稀疏表示，所述已知域具体为总变差域、傅立叶域、小波域、曲波域。
12.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，还包括存储器(沈)，所述存储器06)用于存储将要从其检测辐射的束斑的位置的一个或多个列表，其中，所述控制装置(16)适于从所述列表之一中选择多个所分布的束斑的位置。
13.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，还包括位置生成装置(32)， 所述位置生成装置(3 用于通过使用预定函数或分布来确定所述多个所分布的束斑的位置，所述预定函数或分布具体为均勻的伯努利或高斯分布。
14.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于控制所述束斑移动装置(14)实现移动，以使得在不规律地分布在所述场景04)中的多个束斑处检测辐射。
15.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述辐射计(12a，12b) 包括单个辐射计单元，所述单个辐射计单元用于检测从表示单个像素的束斑0 发出的辐射。
16.根据权利要求1到14中任一项所述的辐射测量成像设备，其中，所述辐射计(12c) 包括辐射计单元(1 的行或阵列，用于检测表示从像素行或阵列的束斑0 发出的辐射。
17.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述辐射计适于检测在毫米波长范围内发出的辐射，所述毫米波长范围具体为从0. Imm到100mm，优选为从Imm到 IOmm0
18.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于将所述场景04)划分成多个像素的块(38a，38b)，从每个块(38a，38b)选择至少一个像素0 ,44b)，并且将所选择的像素(44a，44b)连接以形成轨迹0 )，束斑沿此轨迹在所述场景04)上移动。
19.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，其中，所述辐射测量成像设备是主动式辐射测量成像设备，所述主动式辐射测量成像设备还包括用于向所述场景发出辐射的无线电发射装置(52)，其中，所述辐射计适于检测从所述场景04)反射的辐射。
20.根据权利要求1到18中任一项所述的辐射测量成像设备，其中，所述辐射测量成像设备是被动式辐射测量成像设备。
21.根据前述任一项所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于在表示所述场景04)的所述高密度信号图案已被生成之后实现从其处检测辐射的束斑0 向减小的视场(70)中各个位置的移动，以使得在所述减小的视场(70)上分布的减小数目的束斑处检测辐射，所述减小的视场(70)小于整个场景04)并且包含感兴趣的对象，其中，所述减小的数目小于表示所述减小的视场的高密度信号图案的图案信号的数目，并且从在所述减小的数目的束斑处检测到的辐射生成的辐射信号形成所述减小的视场的低密度信号图案，并且其中，所述处理装置(18)适于处理所述减小的视场的低密度信号图案的辐射信号并且通过对所述减小的视场的低密度信号图案应用压缩感测来生成所述减小的视场的所述高密度信号图案。
22.根据权利要求21所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于进一步逐步地减小所述视场并且实现从其处检测辐射的束斑0 向进一步减小的视场(70)中的各个位置的移动，并且其中，所述处理装置(18)适于处理所述进一步减小的视场的低密度信号图案的辐射信号并且生成所述进一步减小的视场的高密度信号图案。
23.根据权利要求21或22所述的辐射测量成像设备，其中，所述控制装置(16)适于实现从其处检测辐射的束斑0 向减小的视场(70)中的各个位置的移动，以使得在所述减小的视场(70)中的高数目的束斑处检测辐射，所述减小的视场(70)小于整个场景04) 并且包含感兴趣的对象，其中，所述高数目对应于表示所述减小的视场的高密度信号图案的图案信号的数目，并且从在所述高数目的束斑处检测到的辐射生成的辐射信号形成所述减小的视场的高密度信号图案，并且其中，所述处理装置(18)适于处理所述减小的视场的所述高密度信号图案的辐射信号。
24.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，还包括检测装置，所述检测装置用于在高密度信号图案中检测感兴趣的对象，并且将关于检测到的感兴趣对象的对象信息提供给所述控制装置(16)，所述对象信息具体为感兴趣的对象的位置和大小。
25.根据前述任一项权利要求所述的辐射测量成像设备，还包括用户接口(68)，所述用户接口(68)用于将关于检测到的感兴趣对象的信息和/或关于减小的视场的位置和大小的视场信息输入并提供给所述控制装置(16)，所述关于检测到的感兴趣对象的信息具体为感兴趣的对象的位置和大小。
26.一种辐射测量成像方法，用于扫描场景04)并且生成表示所述场景04)的高密度信号图案，所述方法包括以下步骤检测从所述场景04)的束斑0 发出的在预定频谱范围内的辐射，并且从检测到的辐射生成辐射信号；把从其处检测辐射的束斑0 移动到各个位置；控制束斑移动装置(14)实现束斑0 从一个位置到另一位置的移动，以使得在所述场景04)上分布的一定数目的束斑处检测辐射，其中所述数目小于所述高密度信号图案的图案信号的数目并且从在所述数目的束斑处检测到的辐射生成的辐射信号形成低密度信号图案；以及处理所述低密度信号图案的辐射信号并且通过对所述低密度信号图案应用压缩感测来生成所述高密度信号图案。
27.一种计算机程序，包括程序代码装置，所述程序代码装置用于当所述计算机程序在计算机上被执行时执行如权利要求1中所述的辐射测量成像设备中的如在权利要求26中所述的方法的处理和重构步骤。
28.一种计算机可读非暂时性介质，在其上存储有指令，所述指令当在计算机上被执行时，使得所述计算机执行如在权利要求26中所述的方法的处理和重构步骤。
全文摘要
本发明涉及辐射测量成像设备及相应的方法。所提出的设备包括辐射计(12)，用于检测从场景(24)的束斑(22)发出的在预定频谱范围内的辐射并且从检测到的辐射生成辐射信号；束斑移动装置(14)，用于实现被检测到辐射的束斑(22)向各个位置的移动；控制装置(16)，用于控制束斑移动装置(14)实现束斑(22)从一个位置到另一位置的移动，以使得在场景(24)上分布的一定数目的束斑处检测辐射，其中所述数目小于高密度信号图案的图案信号的数目并且从在所述数目的束斑处检测到的辐射生成的辐射信号形成低密度信号图案；和处理装置(18)，用于处理低密度信号图案的辐射信号并且通过对低密度信号图案应用压缩感测来生成高密度信号图案。
文档编号G01N22/00GK102236051SQ201110083780
公开日2011年11月9日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者卓那·诺格瑞亚-尼恩 申请人:索尼公司