一种全息微波成像系统及其成像方法

摘要

本发明涉及一种全息微波成像系统及其成像方法，成像系统包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号控制单元、信号与图像转换单元以及图像显示单元；信号发生单元将微波信号通过信号发射单元发射至待测物，待测物周围形成散射电场；信号接收单元测量散射电场，以及待测物内部和周围电场信息的变化，并将测量结果传输至信号控制单元；信号控制单元获取待测物的散射电场可见度分布，并传输至信号与图像转换单元；信号与图像转换单元构建得到待测物的四维图像，并传输至图像显示单元进行显示。成像方法包括向待测物发射单频域微波信号；接收散射场；获取振幅和相位延迟信息；实现四维图像重构。

说明书

技术领域

本发明属于微波成像技术领域，具体涉及一种全息微波成像系统及其成像方法。

背景技术

目前，利用X-CT、MRI等成像手段可以对脑出血、缺血造成的脑水肿进行成像，但是X-CT由于存在放射性不易多次使用，而且X-CT和MRI都属于大型设备，无法在病床旁连续使用，对生物体生理病理特征发展过程无法连续、实时监测。非接触微波生物体成像是针对脑部等生物体部位的介电常数分布变化的监测方法，其能够适用于脑部疾病的检测。现有的三维全息微波成像技术具有图像灵敏度低、分辨率低以及成本高等局限性，而且目前国内外都没有对多维全息微波成像的方法和装置的报道。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种能够提高空间和时间分辨率的全息微波成像系统及其成像方法。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：一种全息微波成像系统包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号控制单元、信号与图像转换单元以及图像显示单元；

所述信号发生单元将产生的单频域的微波信号通过所述信号发射单元发射至待测物，待测物周围形成散射电场；

所述信号接收单元测量散射电场，以及待测物内部和周围电场信息的变化，所述信号接收单元将测量结果传输至所述信号控制单元；

所述信号控制单元获取待测物的散射电场可见度分布，并传输至所述信号与图像转换单元；

所述信号与图像转换单元构建得到待测物的四维图像，并将四维图像传输至所述图像显示单元进行显示。

进一步地，所述信号发生单元包括射频信号发生器和多通道控制开关电路板，所述信号发射单元、信号接收单元、信号控制单元和多通道控制开关电路板分别与所述射频信号发生器连接，所述多通道控制开关电路板与信号接收单元连接。

进一步地，所述信号发射单元和信号接收单元由一个或两个天线阵列实现。

更进一步地，所述信号发射单元和信号接收单元由一个天线阵列实现时，所述信号发射单元包括一个或多个发射天线，所述信号接收单元包括三个以上接收天线，所述发射天线和接收天线均位于同等高度。

更进一步地，所述信号发射单元和信号接收单元由两个天线阵列实现时，所述信号发射单元采用发射天线阵列，所述信号接收单元采用接收天线阵列；所述发射天线阵列包括一个发射天线，所述接收天线阵列包括至少三个接收天线；所述发射天线阵列和接收天线阵列呈不均匀分布，且位于相同或不同的高度；所述发射天线阵列和接收天线阵列设置在待测物的同一侧或不同侧；所有所述接收天线位于同一高度。

更进一步地，所述发射天线之间、接收天线之间以及发射天线与接收天线之间均设置微波吸收材料或介质。

一种基于所述全息微波成像系统的成像方法，其包括以下步骤：

设置一包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号控制单元、信号与图像转换单元以及图像显示单元的全息微波成像系统；信号发生单元与信号发射单元和信号控制单元连接，信号发射单元与信号接收单元进行无线通信，信号控制单元通过信号与图像转换单元与图像显示单元连接；

将待测物设置在距离信号发射单元和信号接收单元远超过一个波长的位置；

信号发生单元通过信号发射单元向待测物发射单频域微波信号；

在单频域微波信号的作用下，待测物周围形成散射场，信号接收单元对散射场进行接收，并将接收到的散射场传输至信号控制单元；

信号控制单元获取振幅和相位延迟信息，并传输至信号与图像转换单元；

信号与图像转换单元根据连续检测到的散射电场分布信息，实现四维图像重构。

进一步地，所述信号与图像转换实现四维图像重构的过程为：

根据连续检测到的散射电场分布信息实现待测物的二维图像重构；

基于重构的二维图像，对信号接收单元中的接收天线进行上下移动扫描，获取待测物的介质在不同深度下的强度分布，实现三维图像重构；

基于重构的三维图像，在一定时域内的不同时间点采集不同的三维图像，比较各三维图像的差异，获取待测物的时间信息，实现四维图像重构。

进一步地，二维图像的重构方法为：

假设某一点P(x,y,z)位于待测物中，该点P(x,y,z)到信号接收单元中的两个位于r_i和r_g的接收天线的散射电场可见度为：

$G(r_i,r_g)=<E_{scat}\left(r_i\right)·E_{scat}^{*}\left(r_g\right)>---\left(1\right)$

式(1)中，E_scat(r_i)表示位于r_i的接收天线的散射电场，表示位于r_g的接收天线的散射电场的共轭，<>表示平均时间，r_i表示目标区域待测物中任意点到第i个接收天线的距离矢量，r_g表示目标区域待测物中任意点到第g个接收天线的距离矢量；

在远场条件下,散射电场表示为：

$E_{scat}\left(r\right)=\left(\frac{k_0^2}{4\pi }\right)\underset{V}{\int }\left(ϵ\right(s)-{ϵ}_b)E_T\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b|s-r|}}{|s-r|}dV---\left(2\right)$

式(2)中，k₀＝2π/λ₀表示自由空间的波数；k_b＝2π/λ_b表示背景媒介质的波数，λ₀表示自由空间的波长,λ_b背景媒介质的波长，ε(s)表示目标物的复杂相对介电常数分布，ε_b表示背景介质的复杂相对介电常数分布,r表示目标区域待测物中任意点到接收天线的距离矢量，E_T(s)表示待测物在方向矢量s上任意一点的入射电场与散射电场的总电场之和，V表示待测物的体积；

将式(2)代入式(1)中，得到：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\pi }\right)}^2\underset{V}{\int \int \int }\underset{V^{\prime }}{\int \int \int }\left(ϵ\right(s)-{ϵ}_b){\left(ϵ\right(s^{\prime })-{ϵ}_b)}^{*}{E}_T\left(s\right)·E_T^{*}\left(s^{\prime }\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\prime })}}{{\mathrm{RR}}^{\prime }}{\mathrm{dVdV}}^{\prime }---\left(3\right)$

式(3)中，R表示点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离，R＝|r_i-s|；R'表示待测物内不同与点P(x,y,z)的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_i的距离，R'＝|r_g-s'|，s'表示待测物内点P'(x',y',z')到坐标原点的距离；V'表示围绕点P'(x',y',z')的待测物的体积；

在远场区，点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离远远大于天线阵列的大小，即R＞＞|r_i|，得到：

$R=\left|R\right|=\sqrt{(r_i-s)·(r_g-s)}=\sqrt{r_i^2+s^2-2r_i·s}\cong s-\frac{r_i·s}{s}=s-r_i·\hat{s}---\left(4\right)$

式(4)中“.”表示标量，表示单位矢量；

同理得到，目标区域内的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_g的距离为：

$R^{\prime }=\left|R^{\prime }\right|=s^{\prime }-r_g·\widehat{s^{\prime }}---\left(5\right)$

由式(4)和式(5)得到：

$\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\prime })}}{{\mathrm{RR}}^{\prime }}\approx \frac{1}{{\mathrm{ss}}^{\prime }}{e}^{-{\mathrm{jk}}_b(s-s^{\prime })}{e}^{{\mathrm{jk}}_b(r_g·\widehat{s^{\prime }}-r_i·\hat{s})}---\left(6\right)$

将式(6)带入式(3)中，得到目标区域待测物的可见度函数为：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\pi }\right)}^2\int \int {\int }_V\left(\right|ϵ\left(s\right)-{ϵ}_b{|}^2)E_T\left(s\right)·E_T^{*}\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(r_g-r_i)·\underset{‾}{\hat{s}}}}{s^2}dV---\left(7\right)$

定义s位置的目标待测物的强度方程为：

$I\left(s\right)={\left(\frac{k_0^2}{4\pi }\right)}^2|ϵ\left(s\right)-{ϵ}_b{|}^2{E}_T\left(s\right)·E_T^{*}\left(s\right)---\left(8\right)$

将式(8)带入式(7)中，则可见度函数方程变换为：

$G(u_{ig},v_{ig},w_{ig})=\underset{l}{\int }\underset{m}{\int }\underset{s}{\int }\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}{e}^{-j2{\mathrm{\pi \Phi }}_{ig}}dldmds---\left(9\right)$

式(9)中，u_ig＝(x_g-x_i)/λ_b，v_ig＝(y_g-y_i)/λ_b，w_ig＝(z_g-z_i)/λ_b，l＝sinθcosφ，m＝sinθsinφ，D_ig表示接收天线r_i与接收天线r_g之间的基线，(l,m,n)表示球坐标系中的坐标；

如果所有的接收天线均在同一高度排列,沿径向坐标p的线积分为:

$\tilde{I}(l,m)=\underset{p}{\int }\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}dp---\left(10\right)$

利用式(10)对式(9)表示的可见度函数方程进行二维傅里叶变换，得到：

$G(u_{ig},v_{ig})=\int \int \tilde{I}(l,m)e^{-j2\pi (u_{ig}l+v_{ig}m)}dldm---\left(11\right)$

对式(11)进行傅里叶逆变换，得到待测物的二维图像，即：

$\tilde{I}(l,m)=\int \int G(u_{ig},v_{ig})e^{j2\pi (u_{ig}l+v_{ig}m)}dudv---\left(12\right).$

进一步地，三维图像的重构方法为：将天线阵列从高度H₁(mm)移动到高度H_n(mm)，目标待测物中任意一点在目标区域的深度位置为：

z_n＝p_ncos(θ_n)(13)

式(13)中，θ_n表示天线阵列中同一个天线在位置p_n到目标待测物的发射或接收角度；

根据式(13)，式(10)中dp变换为：

$dp=\frac{dz}{cos\left({\theta }_n\right)}=\frac{dz}{\sqrt{1-l^2-m^2}}---\left(14\right)$

对式(14)进行微积分，任意高度的待测物强度函数的三维描述为：

$I(H=z_n,l,m)=\frac{d\tilde{I}(l,m)·(1-l^2-m^2)}{dz}---\left(15\right)$

不同高度下待测物的可见强度差值分布为：

$\frac{d\tilde{I}}{dz}=\frac{{\tilde{I}}_{z_n}-{\tilde{I}}_{z_{n-1}}}{z_n-z_{n-1}}---\left(16\right)$

通过计算不同高度下待测物的可见强度差值分布，并两两比较不同高度下的可见强度差值，形成一组完整的数据，从而实现三维图像重构。

由于采用以上技术方案，本发明的有益效果为：本发明全息微波成像系统能够有效提高空间分辨率和时间分辨率，实现四维图像，提高图像质量；克服三维图像检测生物体灵敏度低的问题，可以根据检测物体的尺寸获取更稳定的图像。本发明全息微波成像方法具有非接触、无创、多维图像、高分辨率等优点。根据本发明成像方法开发出的医疗仪器，可以通过显示相关的曲线、图像、数值等形式，实现对生物体介电常数分布变化的连续、无创监测，从而及时监测生物体生理病理特征，实现检测疾病如乳腺癌、脑疾病、皮肤癌等癌症。

本发明可适用于多种生物体生理病理特征的非接触监测，本发明可以用于具有介电性的生物体生理病理检测如乳房癌、皮肤癌等，还可以用于开放性损伤引发的脑水肿的检测和监测，特别是头部战伤的检测和监测；采用本发明还能够进行地下水管破裂探测、轮胎磨损检测、无损地下土壤属性探测，远距离金属和/或武器检测等。

附图说明

图1是本发明全息微波成像系统的原理图；

图2是本发明全息微波成像系统中一对接收天线的几何排列示意图；

图3是球坐标系；

图4是接收天线阵列在不同高度时待测物体的散射特征示意图；

图5是基于时间方向的四维重构图像示意图。

图中：1、信号发生单元；2、信号发射单元；3、信号接收单元；4、信号控制单元；5、信号与图像转换单元；6、图像显示单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种全息微波成像系统，其包括信号发生单元1、信号发射单元2、信号接收单元3、信号控制单元4、信号与图像转换单元5以及图像显示单元6。

信号发生单元1包括射频信号发生器和多通道控制开关电路板，信号发射单元2、信号接收单元3、信号控制单元4和多通道控制开关电路板分别与射频信号发生器连接，多通道控制开关电路板与信号接收单元3连接。其中，射频信号发生器采用网络分析仪。信号发射单元2和信号接收单元3由一个或两个天线阵列实现。

当信号发射单元2和信号接收单元3由一个天线阵列实现时，信号发射单元2包括一个或多个发射天线，信号接收单元3包括三个以上接收天线；其中，发射天线和接收天线均位于同等高度，且设置在待测物附近。

当信号发射单元2和信号接收单元3由两个天线阵列实现时，两个天线阵列分别为发射天线阵列和接收天线阵列；其中，发射天线阵列包括一个发射天线，接收天线阵列包括至少三个接收天线。发射天线阵列和接收天线阵列呈不均匀分布，且可以位于相同或不同的高度。发射天线阵列和接收天线阵列可以设置在待测物的同一侧或不同侧。所有接收天线位于同一高度。

进一步地，为减少天线间的耦合，减小信号噪音，发射天线之间、接收天线之间以及发射天线与接收天线之间均设置微波吸收材料或介质。

信号发生单元1产生单频域的微波信号，并将产生的微波信号通过信号发射单元2发射至待测物。利用生物体的电磁特性和微波的穿透性，待测物周围形成散射电场。

全息微波成像系统的工作频率为单频域，其可以用于生物体成像特别是人体成像对生理病理特征进行检测，当用于检测乳房癌时，最佳工作频段为5GHz-10GHz；其可以用于头部成像对脑部疾病进行检测，当用于检测脑部疾病时，最佳工作频段为1GHz-3GHz；其可以用于工业无损检测，当用于工业无损检测时，工作频域为0.3GHz-300GHz。

信号接收单元3测量散射电场，并测量目标区的待测物内部和周围电场信息的变化，信号接收单元3将测量结果传输至信号控制单元4。

信号控制单元4根据接收到的测量结果获取待测物的散射电场可见度分布，并将散射电场可见度分布传输至信号与图像转换单元5。

信号与图像转换单元5对待测物的散射电场可见度分布进行二维傅里叶逆运算，获得二维图像重构；通过改变信号接收单元3与待测物之间的距离构建待测物的三维图像；通过对一个时间窗内的三维图像进行两两比较，计算出三维图像中的电磁属性的差异，并构建待测物的四维图像。

信号与图像转换单元5将构建的待测物的四维图像传输至图像显示单元6进行显示。

基于本发明提供的一种全息微波成像系统，本发明还提供了一种全息微波成像方法，其包括以下步骤：

S1、设置一包括信号发生单元1、信号发射单元2、信号接收单元3、信号控制单元4、信号与图像转换单元5以及图像显示单元6的全息微波成像系统；信号发生单元1与信号发射单元2和信号控制单元4连接，信号发射单元2与信号接收单元3进行无线通信，信号控制单元4通过信号与图像转换单元5与图像显示单元6连接。

S2、将待测物(例如乳房)设置在距离信号发射单元2和信号接收单元3远超过一个波长的位置。

S3、信号发生单元1通过信号发射单元2向待测物发射单频域微波信号。

S4、在单频域微波信号的作用下，待测物周围形成散射场，信号接收单元3对散射场进行接收，并将接收到的散射场传输至信号控制单元4。

由于微波信号的可穿透性和待测物的介电性，在电磁场的作用下，待测物周围形成散射场，该散射场被信号接收单元3中不同的接收天线所接收。

S5、信号控制单元4通过测量接收天线阵列中不同接收天线的散射电场，利用全息成像的原理，获取振幅和相位延迟信息，并将振幅和相位延迟信息传输至信号与图像转换单元5。

振幅和相位延迟信息能够反映待测物的介电常数分布。当发生疾病时，生物体的介电常数发生巨大变化，通过生物体重构的图像能够观察生物体生理病理的变化。

S6、信号与图像转换单元5根据连续检测到的散射电场分布信息，实现四维图像重构。

四维图像的重构过程具体为：

S601、根据连续检测到的散射电场分布信息实现待测物的二维图像重构。

二维图像的重构方法为：

如图2所示，假设某一点P(x,y,z)位于待测物中，该点P(x,y,z)到信号接收单元3中的两个位于r_i和r_g的接收天线的散射电场可见度为：

$G(r_i,r_g)=<E_{scat}\left(r_i\right)·E_{scat}^{*}\left(r_g\right)>---\left(1\right)$

式(1)中，E_scat(r_i)表示位于r_i的接收天线的散射电场，表示位于r_g的接收天线的散射电场的共轭，<>表示平均时间，r_i表示目标区域待测物中任意点到第i个接收天线的距离矢量，r_g表示目标区域待测物中任意点到第g个接收天线的距离矢量。

式(1)可以表示如下：

散射电场可以表示为一个散射体的体积分，散射体涉及感应极化电流，感应极化电流出现在与基底媒质相比的复介电常数中。在远场条件下,散射电场可以表示如下：

$E_{scat}\left(r\right)=\left(\frac{k_0^2}{4\pi }\right)\underset{V}{\int }\left(ϵ\right(s)-{ϵ}_b)E_T\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b|s-r|}}{|s-r|}dV---\left(2\right)$

式(2)中，k₀＝2π/λ₀表示自由空间的波数；k_b＝2π/λ_b表示背景媒介质的波数，λ₀表示自由空间的波长,λ_b背景媒介质的波长，ε(s)表示目标物的复杂相对介电常数分布，ε_b表示背景介质的复杂相对介电常数分布,r表示目标区域待测物中任意点到接收天线的距离矢量，E_T(s)表示待测物在方向矢量s上任意一点的入射电场与散射电场的总电场之和，V表示待测物的体积。

将式(2)代入式(1)中，得到：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\pi }\right)}^2\underset{V}{\int \int \int }\underset{V^{\prime }}{\int \int \int }\left(ϵ\right(s)-{ϵ}_b){\left(ϵ\right(s^{\prime })-{ϵ}_b)}^{*}{E}_T\left(s\right)·E_T^{*}\left(s^{\prime }\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\prime })}}{{\mathrm{RR}}^{\prime }}{\mathrm{dVdV}}^{\prime }---\left(3\right)$

式(3)中，R表示点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离，R＝|r_i-s|；R'表示待测物内不同与点P(x,y,z)的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_i的距离，R'＝|r_g-s'|，s'表示待测物内点P'(x',y',z')到坐标原点的距离；V'表示围绕点P'(x',y',z')的待测物的体积。

在远场区，点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离远远大于天线阵列的大小，即R＞＞|r_i|，可得

$R=\left|R\right|=\sqrt{(r_i-s)·(r_g-s)}=\sqrt{r_i^2+s^2-2r_i·s}\cong s-\frac{r_i·s}{s}=s-r_i·\hat{s}---\left(4\right)$

式(4)中“.”表示标量，表示单位矢量。

同理可得，目标区域内的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_g的距离为：

$R^{\prime }=\left|R^{\prime }\right|=s^{\prime }-r_g·\widehat{s^{\prime }}---\left(5\right)$

由式(4)和式(5)得到：

$\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(R-R^{\prime })}}{{\mathrm{RR}}^{\prime }}\approx \frac{1}{{\mathrm{ss}}^{\prime }}{e}^{-{\mathrm{jk}}_b(s-s^{\prime })}{e}^{{\mathrm{jk}}_b(r_g·\widehat{s^{\prime }}-r_i·\hat{s})}---\left(6\right)$

将式(6)带入式(3)中，得到目标区域待测物的可见度函数为：

$G(r_i,r_g)={\left(\frac{k_0^2}{4\pi }\right)}^2\int \int {\int }_V\left(\right|ϵ\left(s\right)-{ϵ}_b{|}^2)E_T\left(s\right)·E_T^{*}\left(s\right)\frac{e^{-{\mathrm{jk}}_b(r_g-r_i)·\underset{‾}{\hat{s}}}}{s^2}dV---\left(7\right)$

定义s位置的目标待测物的强度方程为：

$I\left(s\right)={\left(\frac{k_0^2}{4\pi }\right)}^2|ϵ\left(s\right)-{ϵ}_b{|}^2{E}_T\left(s\right)·E_T^{*}\left(s\right)---\left(8\right)$

将式(8)带入式(7)中，则可见度函数方程变换为：

$G(u_{ig},v_{ig},w_{ig})=\underset{l}{\int }\underset{m}{\int }\underset{s}{\int }\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}{e}^{-j2{\mathrm{\pi \Phi }}_{ig}}dldmds---\left(9\right)$

式(9)中，u_ig＝(x_g-x_i)/λ_b，v_ig＝(y_g-y_i)/λ_b，w_ig＝(z_g-z_i)/λ_b，l＝sinθcosφ，m＝sinθsinφ，D_ig表示接收天线r_i与接收天线r_g之间的基线，(l,m,n)表示如图3所示的球坐标系中的坐标。

如果所有的接收天线均在同一高度排列,沿径向坐标p的线积分为:

$\tilde{I}(l,m)=\underset{p}{\int }\frac{I(s,l,m)}{\sqrt{1-l^2-m^2}}dp---\left(10\right)$

利用式(10)对式(9)表示的可见度函数方程进行二维傅里叶变换，得到：

$G(u_{ig},v_{ig})=\int \int \tilde{I}(l,m)e^{-j2\pi (u_{ig}l+v_{ig}m)}dldm---\left(11\right)$

对式(11)进行傅里叶逆变换，得到待测物的二维图像，即：

$\tilde{I}(l,m)=\int \int G(u_{ig},v_{ig})e^{j2\pi (u_{ig}l+v_{ig}m)}dudv---\left(12\right)$

式(12)表明一个三维待测物的二维图像可以通过空间可见度函数的傅里叶逆变换重建获得。

S602、基于重构的二维图像，对信号接收单元3中的接收天线进行上下移动扫描，获取待测物的介质在不同深度下的强度分布，实现三维图像重构。

对于一个天线阵列的情况，对天线阵列进行均匀的上下移动扫描，可获取不同高度的空间信息，即获取三维物体的介质在不同深度下的强度分布，可进行三维图像重构。

对于两个天线阵列的情况，将发射天线阵列置于固定高度，发射微波信号到待测物，对接收天线阵列进行上下移动扫描，获得不同高度的二维图像，在扫描的高度范围，可获的待测物的空间信息，即获取三维物体的介质在不同深度下的强度分布，从而实现三维图像重构。

三维图像的重构方法为：

为对目标区域的待测物实现三维成像，信号发射单元2和信号接收单元3中的天线阵列将可以上下移动扫描。如图4所示，将该天线阵列从高度H₁(mm)移动到高度H_n(mm)，目标待测物中任意一点在目标区域的深度位置为：

z_n＝p_ncos(θ_n)(13)

式中，θ_n表示天线阵列中同一个天线在位置p_n到目标待测物的发射或接收角度。

根据式(13)，式(10)中dp变换为：

$dp=\frac{dz}{cos\left({\theta }_n\right)}=\frac{dz}{\sqrt{1-l^2-m^2}}---\left(14\right)$

对式(14)进行微积分，任意高度的待测物强度函数的三维描述为：

$I(H=z_n,l,m)=\frac{d\tilde{I}(l,m)·(1-l^2-m^2)}{dz}---\left(15\right)$

不同高度下待测物的可见强度差值分布为：

$\frac{d\tilde{I}}{dz}=\frac{{\tilde{I}}_{z_n}-{\tilde{I}}_{z_{n-1}}}{z_n-z_{n-1}}---\left(16\right)$

由式(16)可见，通过计算不同高度下待测物的可见强度差值分布，并两两比较不同高度下的可见强度差值，形成一组完整的数据，从而实现三维图像重构。三维图像的空间分辨率受天线分布形状、扫描速度、扫描高度的影响。为定量评估成像结果,缩放功能公式可以应用于增强图像对比度：

${\tilde{I}}_m(H,l,m)={\left[\tilde{I}(H,l,m)\right]}^Q---\left(17\right)$

式(17)表示待测物重构图像放大或缩小Q倍的情况。

S603、基于重构的三维图像，在一定时域内的不同时间点采集不同的三维图像，进而比较各三维图像的差异，获取待测物的时间信息，实现四维图像重构。

四维图像的重构方法为：

如图5所示，在时间方向的一定时域d内获取一组完整的三维图像数据，

$\tilde{I}=[{\tilde{I}}_{m0},{\tilde{I}}_{m1},{\tilde{I}}_{m2},...,{\tilde{I}}_{md-1},{\tilde{I}}_{md}]---\left(18\right)$

不同时间方向下待测物的三维图像差值分布为：

$d\tilde{I}/dt=({\tilde{I}}_{md}-{\tilde{I}}_{md-1})/(t_{md}-t_{md-1})---\left(19\right)$

由式(19)可见，通过计算不同时间方向的待测物的三维可见强度差值分布，形成一组完整的数据，从而实现四维图像重构。

本发明不局限于上述最佳实施方式，本领域技术人员在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。