毫米波亞毫米波全息成像技術(shù)

1、副研究員南京理工大學(xué) 電光學(xué)院探測與控制工程系毫米波、亞毫米波全息成像技術(shù)毫米波亞毫米波全息成像技術(shù)毫米波亞毫米波全息成像技術(shù) 為了防范恐怖襲擊，許多國家都加強了機場和車站等公共場所的安檢措施，其中近程毫米波成像技術(shù)就是最簡捷有效安檢方式之一。毫米波兼具有微波與紅外的優(yōu)點，有一定的穿透能力，能夠根據(jù)散射能量的大小區(qū)分不同物理屬性的物體。近年來毫米波器件的不斷發(fā)展和人們需求的不斷提高，使得近程毫米波成像技術(shù)能夠在醫(yī)療、導(dǎo)航和交管等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。 毫米波亞毫米波全息成像技術(shù)毫米波亞毫米波全息成像技術(shù) TRW公司 Trex公司 Millivision公司 Andrews公司國外公司的近程

2、毫米波成像系統(tǒng)以及所成的毫米波圖像毫米波亞毫米波全息成像技術(shù)毫米波亞毫米波全息成像技術(shù) 國內(nèi)樣機所成的近程毫米波圖像 1 1 近程毫米波成像技術(shù)綜述近程毫米波成像技術(shù)綜述 適用于近程成像的體制按被動和主動分：被動被動：單/多通道全功率輻射計+機械掃描焦平面凝視陣列相控陣波束形成被動合成孔徑輻射計主動主動：合成孔徑雷達(dá)全息成像1 1 近程毫米波成像技術(shù)綜述近程毫米波成像技術(shù)綜述 1.1 單單/多通道全功率輻射計多通道全功率輻射計+機械掃描機械掃描單/多通道陣列焦平面全功率輻射計配合機械掃描成像技術(shù)是當(dāng)今毫米波成像技術(shù)的主要類型，這類系統(tǒng)的優(yōu)點是通道少，成本低，難度小，易實現(xiàn)，不足是時間長。 1

3、1 近程毫米波成像技術(shù)綜述近程毫米波成像技術(shù)綜述 1.2 焦平面凝視陣列焦平面凝視陣列和相控陣波束形成相控陣波束形成焦平面凝視陣列和相控陣波束形成體制成像速度快，但是需要接收陣元較多，導(dǎo)致其技術(shù)復(fù)雜度和成本較高，因此這兩種體制并沒有得到廣泛應(yīng)用。1 1 近程毫米波成像技術(shù)綜述近程毫米波成像技術(shù)綜述 1.3 被動合成孔徑輻射計被動合成孔徑輻射計難度較低，容易工程實現(xiàn)。它由多個真實孔徑的小天線通過信號處理合成一個大孔徑天線，還可以采用稀疏陣列技術(shù)，降低系統(tǒng)的成本，現(xiàn)在國內(nèi)外有相關(guān)樣機和產(chǎn)品問世。 1 1 近程毫米波成像技術(shù)綜述近程毫米波成像技術(shù)綜述 1.4 主動合成孔徑雷達(dá)主動合成孔徑雷達(dá)主動合成

4、孔徑成像主要用于遙感成像，用機載雷達(dá)成像，國內(nèi)外研究較為成熟。機載主動合成孔徑雷達(dá)和所成的圖像如下圖所示 。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 1.5 全息成像全息成像全息成像則特別適合近程毫米波成像，其圖像分辨率高，質(zhì)量好，是近程成像的首選體制。 寬帶全息成像可以獲得目標(biāo)的三維毫米波圖像，能夠還原目標(biāo)真實形狀，提高分辨率和靈敏度，同時也提高了目標(biāo)識別概率。全息成像利用電磁波的相干原理，通過采集空間干涉條紋，記錄目標(biāo)上每個散射點的衍射圖樣，最后通過圖像重建就可得到目標(biāo)的毫米波圖像。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 系統(tǒng)依次接收帶寬中每個頻點的回波，得到空間

5、三維數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)通過Fourier變換到空間頻率域，也就是把回波表示成一定范圍內(nèi)的不同方位角和俯仰角以及不同波數(shù)的平面波的疊加。然后把每一個平面波分量通過相位補償，反演到目標(biāo)的實際三維距離分布，最后取模得到三維像。 2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理毫米波寬帶全息成像原理如下圖所示，在OXY平面有二維天線接收陣列，在距離OXY平面R處有目標(biāo)所在的oxy平面。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 設(shè)照射源的寬帶信號經(jīng)過(x,y,z)處的目標(biāo)散射后，回波信號被在(X,Y)處的接收天線接收，把收到的信號和本振信號進(jìn)行下變頻然后低通濾波，此時可得到每個頻率點的

6、信號為： (1)式中A(x,y,z)式中為目標(biāo)輻射的復(fù)振幅分布，K為圓波數(shù)，r為距離，在三維空間里，K和r都是矢量， 為它們的矢量點積。E(x,y,)為時域信號對時間維進(jìn)行Fourier變換后的信號，即：(2)1(, ,)( , , )exp( i)d d dE X YA x y zx y zrK r(, ,)FT (, , )E X YE X Y tK r2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 此時K和r的點積為：(3)式中Kx、Ky和Kz為K的各向分量。把球面波展開，表示成平面波的疊加，然后再把式(3)代入式(2)可得：(4)上式使用了三維Fourier變換，即有：(5)()

7、()()xyzxX KyY KzR KK r( , , )( , , )exp i()()()ddd d d (,)exp( i)expi()ddxyzxyFxyzzxyxyE X YA x y zx X Ky Y Kz R KK K x y zA K K KRKXKYKK K3(,)FT ( , , )( , , )exp i()d d dFxyzxyzA K K KA x y zA x y zxKyKzKx y z2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 此時式(4)又是一個二維逆Fourier變換，忽略常數(shù)項，有：(6)綜合式(5)和式(6)可得：(7)對上式作逆變換，可得到

8、毫米波全息成像的成像公式為：(8)式(8)就是寬帶的近程毫米波主動陣列全息成像公式。2(, , )IFT (,)exp( i)FxyzzE X YAKKKRK23(, , )IFT FT ( , , )exp( i)zE X YA x y zRK32( , , )IFT FT (, ,)exp(i)zA x y zE X YRK2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 其中的Kz有以下關(guān)系：(9)寬帶陣列全息成像公式還要對時間維進(jìn)行處理，以得到目標(biāo)的距離信息。 距離向的分辨率可由下式計算：(10)式中c為光速，B為帶寬。22222(/ )xyzKKKKc/2zcB 毫米波亞毫米波全

9、息成像技術(shù)毫米波亞毫米波全息成像技術(shù) 近程毫米波亞毫米波全息成像的三大關(guān)鍵技術(shù)為：掃描技術(shù)掃描技術(shù)硬件設(shè)計硬件設(shè)計信號處理信號處理3 3 機械機械掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 實際制作一個大的毫米波二維接收陣列，成本高不說，其技術(shù)上也是很難實現(xiàn)的，綜合考慮成本和成像速度，采用一維線陣列配合機械掃描是比較可行的方案。實際中比較實用的掃描方式有圓柱掃描圓柱掃描和平面掃描平面掃描兩種，如下圖所示。圓柱掃描 平面掃描3 3 機械機械掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 3.1 圓柱掃描圓柱掃描圓柱掃描一般采用目標(biāo)固定，天線陣列沿圓柱面掃描，適合于對體積較小的靜止目標(biāo)成像，這種成像方法可以對目標(biāo)進(jìn)行全方位成像，得到的目標(biāo)的信息較多。3

10、 3 機械機械掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 3.2 平面掃描平面掃描平面掃描則是天線固定，目標(biāo)作勻速直線運動，適合運動目標(biāo)成像，特別是面目標(biāo)，但獲得的信息量較少。平面掃描也可目標(biāo)固定天線掃描，例如飛機遙感等。 3 3 機械機械掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 3.3 單通道無慣性機械掃描單通道無慣性機械掃描當(dāng)系統(tǒng)采用單通道成像時就需要配合機械掃描系統(tǒng)，以實現(xiàn)速度和成本的均衡。擺動式的機械掃描，前端隨轉(zhuǎn)臺掃描時的震動和在換向時減速和加速過程中慣性產(chǎn)生的震動，都對成像質(zhì)量有很大影響。 相對于擺動掃描，無慣性的圓周掃描更具有優(yōu)勢。無慣性機械掃描裝置實現(xiàn)了機械掃描系統(tǒng)與前端和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分離，可以分開獨立控制，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性

11、 。 3 3 機械機械掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 這套裝置全部都采用反射面，光路設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)相對較簡單，其主要特征是由兩個反向同步旋轉(zhuǎn)的圓楔反射面來實現(xiàn)垂直方向的線掃，圓楔面每轉(zhuǎn)動一周，其在場景中的掃描軌跡近似為一個狹長的橢圓。這套掃描系統(tǒng)應(yīng)用在四通道成像系統(tǒng)，成像速度為1Hz。3 3 機械機械掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 上面掃描系統(tǒng)用狹長的橢圓近似直線，也可以直接進(jìn)行圓形掃描，然后通過圖像處理校正各個點的位置，合成圖像。3 3 機械機械掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 3.4 掃描系統(tǒng)設(shè)計實例掃描系統(tǒng)設(shè)計實例單通道成像樣機的機械掃描裝置的主體結(jié)構(gòu)是滑塊絲杠結(jié)構(gòu)，滑塊帶動接收前端由絲杠牽引進(jìn)行掃描，如圖所示，其定位誤差在十分之

12、一個波長以內(nèi)。 3 3 機械機械掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 3.5 掃描速度掃描速度 掃描速度要綜合考慮積分時間和成像時間，在允許的成像時間內(nèi)采用最大的積分時間以提高系統(tǒng)靈敏度。另外根據(jù)前面的討論，掃描速度和積分時間應(yīng)該有以下的約束關(guān)系： 如取=8mm和=2ms，則v2m/s。以成2m2m的毫米波圖像為例，設(shè)轉(zhuǎn)向時間占10%，積分時間降到2ms，回程采集數(shù)據(jù)，配合研制的4通道接收前端，成像時間半分鐘左右。 /2v4 4 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 4.1 總體設(shè)計總體設(shè)計成像系統(tǒng)硬件主要由天線、信號源、混頻器、放大器、采樣器以及信號處理器等構(gòu)成，如下圖所示。毫米波信號經(jīng)環(huán)流器由天線向外輻射，經(jīng)目標(biāo)散射后回波信號又

13、被天線接收，然后和本振信號混頻得到零中頻信號，經(jīng)過放大器和濾波器后的信號進(jìn)入AD采樣得到離散的數(shù)字信號。 4 4 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 4.2 前端設(shè)計前端設(shè)計成像系統(tǒng)的前端結(jié)構(gòu)如圖所示，系統(tǒng)發(fā)射的毫米波信號經(jīng)過目標(biāo)散射后被接收天線接收，信號經(jīng)過環(huán)流器后分為兩路，分別和兩路(其中一路延時)本振信號進(jìn)行混頻，得到正交的兩路I、Q信號，經(jīng)過放大器放大和AD采樣，進(jìn)行成像。 IQ90000RFLO4 4 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 4.3 基于平面掃描系統(tǒng)的硬件設(shè)計基于平面掃描系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用0.75m口徑的一維線陣天線，天線陣列為二進(jìn)制開關(guān)樹結(jié)構(gòu)，是由2個64元子線陣交錯重疊組成，子陣陣元距離為1.3個波長，

14、兩個子陣相距1.5個波長，上面的用于接收，下面的用于發(fā)射，掃描高度2.0m 。 收發(fā)器ADC接收機成 像顯示器2m掃描4 4 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 4.4 基于圓柱掃描系統(tǒng)的硬件設(shè)計基于圓柱掃描系統(tǒng)的硬件設(shè)計由2個7英尺(約2m)的192(共384)陣元的陣列沿圓周掃描，一個發(fā)射一個接收。系統(tǒng)采用FMCW外差收發(fā)機，分辨率可達(dá)到5mm，距離向分辨率為15mm，且沒有焦距和焦深限制。 4 4 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 每個192元子陣由一個單刀3擲開關(guān)模塊驅(qū)動3個64元子陣，而每一個64元子陣由一個單刀8擲開關(guān)模塊驅(qū)動另外8個單刀8擲開關(guān)模塊，并保證從輸入到每路輸出的路徑長度基本相等。工作時每個陣元通過電子

15、控制，依次快速掃描，也就是說同一時刻只有一個陣元在發(fā)射而另一個陣元在接收，此時其它陣元處于關(guān)閉狀態(tài)，用6ms的時間掃描從26GHz到30GHz的4GHz的帶寬。實際上這個系統(tǒng)是單通道掃描體制成像，一維是電掃描，另一維是機械掃描。 5 5 信號處理信號處理 近程毫米波全息成像的信號處理包含內(nèi)容較多，包括波形設(shè)計與信號分析、高分辨全息成像和成像特性分析、圖像處理、三維建模技術(shù)以及目標(biāo)識別等等，如圖所示。 信號發(fā)射高分辨成像圖像處理目標(biāo)識別各種補償三維建模顯示特性分析5 5 信號處理信號處理 5.1 波形設(shè)計與信號分析波形設(shè)計與信號分析對目標(biāo)進(jìn)行高質(zhì)量三維成像，發(fā)射信號是成像質(zhì)量的重要決定因素之一，

16、因此必須設(shè)計合理的寬帶毫米波照射源信號。寬帶全息需要設(shè)計高性能的發(fā)射信號波形，同時也要易于硬件實現(xiàn)，為成像提供先決條件。5 5 信號處理信號處理 5.2 高分辨全息成像和成像特性分析高分辨全息成像和成像特性分析成像算法直接影響系統(tǒng)質(zhì)量，是成像中的主體部分。數(shù)字信號傳入微機，可以通過多種方式靈活處理?；诠残蚊娴母道锶~變換成像算法具有方便和簡單的特點，對毫米波全息成像起了重要的作用。但是隨著成像系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的變化和對圖像質(zhì)量要求的提高，如近距離的球面和柱面等曲面目標(biāo)成像，單一的成像算法已不能滿足各種高性能的成像要求。尋求新的成像算法來彌補傅里葉變換成像算法的不足，以適應(yīng)各種環(huán)境下對目標(biāo)進(jìn)行高分辨

17、率成像。5 5 信號處理信號處理 新成像算法的主要方向有：1 邊界元法進(jìn)行任意形狀目標(biāo)成像；2 分布源邊界點法進(jìn)行傳遞矩陣的誘導(dǎo)計算；3 球面或者柱面坐標(biāo)系下的成像算法；4 引入各種時頻分析算法，如分?jǐn)?shù)階傅里葉變換、 拉冬-魏格納(Radon-Wigner)變換和小波變換等算法，來消除非線性相位的影響；5 尋找合適的算法克服成像的病態(tài)和相干斑抑制等等。 5 5 信號處理信號處理 在不改變成像系統(tǒng)硬件設(shè)備前提下，上述方法雖然都可以從一方面或者多方面提高成像的質(zhì)量，但往往以犧牲其它性能為代價，因此沒有絕對優(yōu)良成像算法，只有根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境提出不同性能指標(biāo)，綜合考慮后設(shè)計相應(yīng)的成像算法。 5 5 信

18、號處理信號處理 5.3 圖像處理高分辨率成像算法生成的圖像還有進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量的空間，那就是圖像處理技術(shù)，包括圖像恢復(fù)圖像恢復(fù)和圖像增強圖像增強等技術(shù)。 5 5 信號處理信號處理 圖像恢復(fù)圖像恢復(fù)通過已經(jīng)獲得的降晰圖像以及先驗知識來求解原始圖像，去除成像系統(tǒng)的影響，恢復(fù)圖像中被抑制的高頻成分。研究成像特性成像特性，為圖像恢復(fù)和系統(tǒng)改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)，其中主要是圖像的降晰特性，如病態(tài)、畸變和離焦模糊等，以便于有針對性的通過各種補償對降晰圖像進(jìn)行圖像的提高分辨率恢復(fù)。5 5 信號處理信號處理 根據(jù)毫米波全息成像在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，還會有其它不同的約束，有針對性的對圖像進(jìn)行處理，如分解降噪和極大似然恢

19、復(fù)等。另一方面，圖像恢復(fù)也可以通過在頻域解析延拓，使圖像的頻譜拓展，從而實現(xiàn)在空域上插值，突破瑞利限，這也稱作超分辨率超分辨率。 5 5 信號處理信號處理 圖像增強圖像增強可以加強圖像的可觀性，增加了視覺效果，例如增加對比度，去掉模糊和噪聲，修正幾何畸變等，有目的地強調(diào)圖像的整體或局部特性，將原來不清晰的圖像變得清晰或強調(diào)某些感興趣的特征，擴大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強圖像判讀和識別效果，滿足某些特殊分析的需要，也是圖像處理不可或缺的工具。 5 5 信號處理信號處理 5.4 三維建模技術(shù)三維建模技術(shù)把獲得的三維全息數(shù)據(jù)如何立體地顯現(xiàn)出來

20、，是影響系統(tǒng)成像質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。其中要判斷成像中的遮擋、模糊和重復(fù)等畸變環(huán)節(jié)，同時盡量保留圖像中的目標(biāo)細(xì)節(jié)。5 5 信號處理信號處理 5.5 目標(biāo)識別目標(biāo)識別目標(biāo)識別直接面向應(yīng)用，是指經(jīng)過圖像分析后，對感興趣的目標(biāo)，如手槍、炸藥和刀具等危險品進(jìn)行自動警報。5 5 信號處理信號處理 5.6 個人隱私保護個人隱私保護毫米波全息成像系統(tǒng)具有高分辨和穿透能力，因此個人隱私保護一直成為人們爭論的焦點。為此要在圖像中遮蔽個人體征，并且于掃描完成后將圖像立刻刪除，以保護個人隱私。 6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 在近程毫米波成像方面走在世界前列的是美國運輸安全部(原美國能源部)下的西北太平

21、洋國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory)，麥克馬金麥克馬金(McMakin)和希恩希恩(Sheen)等人經(jīng)過十幾年的探索，研制出了基于圓柱掃描的三維全息成像系統(tǒng)，并且實現(xiàn)了毫米波成像系統(tǒng)的商業(yè)化。這項技術(shù)已經(jīng)授權(quán)L-3 Communications, SaveView有限公司和Intellifit公司，其產(chǎn)品分別用于安檢和試選服裝。 6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 成像系統(tǒng)照片6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 在2003年9月8日美國時代周刊封面報道將美國L-3 公司推出的ProvisionTM毫米波人體毫米波人體掃描

22、儀掃描儀評為與飛機、電視和電腦等齊名的“Next Big Thing”，并且在2009年通過美國運輸安全管理局的航空安檢應(yīng)用審核。毫米波人體掃描儀毫米波人體掃描儀能“看穿”被掃描者的衣服，提供人體三維圖像，精確表現(xiàn)出人體曲線，從中可以清楚地辨別乘客隨身攜帶的物品，如任何槍支、刀具和爆炸物等，大大提高了工作效率和違禁物品的識別率。6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 2007年，荷蘭阿姆斯特丹的斯希普霍爾機場第一個啟用了這套儀器，此后美國亞利桑那州的菲尼克斯機場，紐約的肯尼迪機場、華盛頓的洛杉磯機場，加拿大卑詩省的基洛納機場，以及我國奧運場館等也都陸續(xù)啟用相同的裝置?，F(xiàn)在向全球各大機場、

23、車站、法院、海關(guān)、大使館等已經(jīng)售出近300臺，每臺售價約15萬美元左右。 6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 可有效檢測：可有效檢測：任何類型的材料（金屬和非金屬）：液體、膠狀物、塑料、粉末、金屬、陶瓷等；所有類型的物體：武器、標(biāo)準(zhǔn)和自制爆炸物、違禁品、毒品、鈔票、紙張等。保護隱私：保護隱私：自動威脅檢測功能可以通過取消圖像的生成和復(fù)核來解決隱私問題。掃描數(shù)據(jù)由軟件處理以確定是否存在威脅，無需任何人工干預(yù)。隨后，潛在威脅區(qū)域?qū)⒁灶愃朴谌梭w輪廓的一般模型呈現(xiàn)在操作員面前。 6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 成像原理動畫動畫（00:58）6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 所成圖像6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 媒體報道的毫米波人體掃描儀用于安檢。 安檢系統(tǒng) (00:25)6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 國際知名媒體報道的用于服裝試選（量體選衣）。News Today (01:12) ABC (03:15)6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 國際知名媒體報道的用于服裝試選（量體選衣）。 CBS (01:54) CNN (01:17)6 6 毫米波成像系統(tǒng)實例毫米波成像系統(tǒng)實例 實驗情況實驗情況在華盛頓的一個國際機場對兩個波段(Ku波段和Ka波段)的寬帶毫米波平面掃描成像系統(tǒng)進(jìn)行了全面測試和評估，測試目