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)毫米波亞毫米波全息成像技術(shù)xxx公司毫米波亞毫米波全息成像技術(shù)文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度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(qiáng)了機(jī)場(chǎng)和車站等公共場(chǎng)所的安檢措施，其中近程毫米波成像技術(shù)就是最簡(jiǎn)捷有效的安檢方式之一。毫米波兼具有微波與紅外的優(yōu)點(diǎn)，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。美國“”恐怖主義事件的發(fā)生，給人們敲響了加強(qiáng)安檢的警鐘。實(shí)際上對(duì)于人體隱匿物體的探測(cè)一直都是一個(gè)技術(shù)難題，對(duì)人體安檢的要求是在對(duì)人無害的前提下快速區(qū)分?jǐn)y帶的不同隱匿物體，一些常用的探測(cè)方法在人體上宣布失效。例如用高能射線可對(duì)行李物品進(jìn)行有效探測(cè)，但是對(duì)人體傷害很大，不能用于日常的人體檢查；紅外探測(cè)取決于物體的溫度，區(qū)分不同物體的能力不強(qiáng)，并且只能得到人體表面圖像，不能發(fā)現(xiàn)隱匿的違禁物品；金屬探測(cè)器則對(duì)塑料等非金屬物品束手無策。毫米波探測(cè)技術(shù)結(jié)合了微波和紅外的優(yōu)點(diǎn)，在具有一定的穿透能力條件下保留了較為理想的圖像分辨率，是人體安檢的最理想選擇。毫米波不僅可以判別不同物理屬性的物體，而且可以判別同一物體的不同狀態(tài)。當(dāng)人體正常組織發(fā)生病變或損傷時(shí)，其物理溫度和介電特性發(fā)生改變，一般病變部位溫度要比周圍正常組織高1K，從而引起毫米波的輻射和散射能力的變化，通過毫米波成像就可以判斷人體病灶的區(qū)域和病變程度等信息。毫米波可以穿透人體表層至大約2mm的深度，可以對(duì)早期皮膚癌、脂肪瘤和淋巴結(jié)炎等組織異常和病變進(jìn)行檢測(cè)，從而早發(fā)現(xiàn)早治療。另外現(xiàn)代軍用飛機(jī)和艦船等都在大力發(fā)展隱身技術(shù)，即減小目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積，一種有效方法是使用吸波涂層。而黑體輻射理論表明，物體的吸收率越高，其發(fā)射率也就越高，也就越容易為被動(dòng)探測(cè)技術(shù)所發(fā)現(xiàn)。因此被動(dòng)毫米波成像探測(cè)作為一種反隱身技術(shù)在近炸引信或末敏彈上具有不可替代的作用。1近程毫米波成像技術(shù)綜述毫米波成像體制按照被動(dòng)和主動(dòng)體制分為兩大類，被動(dòng)主要有焦平面全功率輻射計(jì)配合機(jī)械掃描、焦平面凝視陣列、相控陣波束形成和被動(dòng)合成孔徑，主動(dòng)主要有合成孔徑和全息成像。焦平面多通道陣列全功率輻射計(jì)配合機(jī)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(diǎn)是用較少的通道就能成像，成本較低，技術(shù)難度小，容易實(shí)現(xiàn)，其不足是成像時(shí)間長，很難滿足實(shí)時(shí)性要求。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。相對(duì)于相控陣波束形成，毫米波被動(dòng)合成孔徑成像技術(shù)難度較低，容易工程實(shí)現(xiàn)。它是利用了空域的相位相干性，由多個(gè)真實(shí)孔徑的小天線通過信號(hào)處理合成一個(gè)大孔徑天線，還可以采用稀疏陣列技術(shù)，采用有效的成像算法可進(jìn)一步減少陣元個(gè)數(shù)，降低系統(tǒng)的成本，現(xiàn)在國內(nèi)有相關(guān)樣機(jī)和產(chǎn)品問世。主動(dòng)合成孔徑成像和主動(dòng)全息成像屬于同一種成像理念，都是近程成像體制，只不過一個(gè)是時(shí)域，一個(gè)是空域。主動(dòng)合成孔徑成像主要用于遙感成像，用機(jī)載雷達(dá)成像，國內(nèi)外研究較為成熟。而主動(dòng)全息成像則特別適合近程毫米波成像，其圖像分辨率高，成像質(zhì)量好，是近程毫米波成像的首選體制，下面詳細(xì)介紹。2近程毫米波全息成像原理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(shí)形狀，提高分辨率和靈敏度，同時(shí)也提高了目標(biāo)識(shí)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(gè)散射點(diǎn)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。其成像過程為：系統(tǒng)依次接收帶寬中每個(gè)頻點(diǎn)的回波，得到空間三維數(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(gè)平面波分量通過相位補(bǔ)償，反演到目標(biāo)的實(shí)際三維距離分布，最后進(jìn)行三維逆Fourier變換后取模得到三維像。毫米波寬帶全息成像原理如圖1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。圖1毫米波寬帶全息成像原理設(shè)照射源的寬帶信號(hào)經(jīng)過處的目標(biāo)散射后，回波信號(hào)被在處的接收天線接收，把收到的信號(hào)和本振信號(hào)進(jìn)行下變頻然后低通濾波，此時(shí)可得到每個(gè)頻率點(diǎn)的信號(hào)為： (1)式中式中為目標(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(diǎn)積。為時(shí)域信號(hào)對(duì)時(shí)間維進(jìn)行Fourier變換后的信號(hào)，即： (2)此時(shí)的點(diǎn)積為： (3)式中、和為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)此時(shí)式(4)又是一個(gè)二維逆Fourier變換，忽略常數(shù)項(xiàng)，有： (6)綜合式(5)和式(6)可得： (7)對(duì)上式作逆變換，可得到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(dòng)陣列全息成像公式。其中的有以下關(guān)系： (9)寬帶陣列全息成像公式還要對(duì)時(shí)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(jì)算： (10)式中c為光速，B為帶寬。3機(jī)械掃描系統(tǒng)實(shí)際制作一個(gè)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(shí)現(xiàn)的，綜合考慮成本和成像速度，采用一維線陣列配合機(jī)械掃描是比較可行的方案。實(shí)際中比較實(shí)用的掃描方式有圓柱掃描和平面掃描兩種，如圖2所示。圖2兩種線掃描陣列成像系統(tǒng)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(duì)體積較小的靜止目標(biāo)成像，這種成像方法可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位成像，得到的目標(biāo)的信息較多。另外也可以天線固定，目標(biāo)原地轉(zhuǎn)動(dòng)，但這會(huì)給成像帶來不便。平面掃描則是天線固定，目標(biāo)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，適合運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像，特別是面目標(biāo)，但獲得的信息量較少。平面掃描也可以目標(biāo)固定天線掃描，這在遙感和航天航空上應(yīng)用較多，但對(duì)于近程成像則不太適合。掃描速度要綜合考慮積分時(shí)間和成像時(shí)間，在允許的成像時(shí)間內(nèi)采用最大的積分時(shí)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(shí)間應(yīng)該有以下的約束關(guān)系： (11)例如取和，則。以成200×200的毫米波圖像為例，設(shè)轉(zhuǎn)向時(shí)間占10%，積分時(shí)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(shí)間小于半分鐘。成像樣機(jī)的機(jī)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(dòng)接收前端由絲杠牽引進(jìn)行掃描，如圖3所示，其定位誤差在十分之一個(gè)波長以內(nèi)。圖3成像系統(tǒng)機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)圖4硬件設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)的前端簡(jiǎn)化總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)發(fā)射的毫米波信號(hào)經(jīng)過目標(biāo)散射后被接收天線接收，信號(hào)經(jīng)過環(huán)流器后分為兩路，分別和兩路(其中一路延時(shí))本振信號(hào)進(jìn)行混頻，得到正交的兩路I、Q信號(hào)，經(jīng)過放大器放大和AD采樣后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像。IIQ90o0o0o0oRFLO圖4成像系統(tǒng)機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)圖美國報(bào)道了采用口徑的一維線陣天線，掃描高度，分別可以工作在35GHz、90GHz和350GHz，統(tǒng)采用介質(zhì)端射天線，天線陣列為二進(jìn)制開關(guān)樹結(jié)構(gòu)，是由2個(gè)64元子線陣交錯(cuò)重疊組成，子陣陣元距離為個(gè)波長，兩個(gè)子陣相距個(gè)波長，上面的用于接收，下面的用于發(fā)射，其系統(tǒng)簡(jiǎn)化組成圖如圖5所示。掃描時(shí)各陣元依次獨(dú)立工作，成像分辨率小于1mm。后來對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行了寬帶改造，替換了某些器件，由VCO控制Gunn二極管產(chǎn)生寬帶毫米波輻射源，經(jīng)寬波束天線發(fā)射，再由相同的天線接收，然后同耦合過來的本振信號(hào)混頻，得到兩路正交的信號(hào)。Ka波段線陣工作在27GHz-33GHz，中頻輸出600MHz，帶寬。由于兩個(gè)陣列交錯(cuò)放置，電路控制一個(gè)天線發(fā)射時(shí)其相鄰的2個(gè)天線接收，因此實(shí)際可采127點(diǎn)，垂直采512點(diǎn)，頻率采64點(diǎn)，對(duì)應(yīng)采樣間隔為、和64MHz。頻率掃描時(shí)間20us，每個(gè)頻點(diǎn)積分時(shí)間為。Ku波段發(fā)射功率為10mW，天線處的輻射功率密度為1mW/cm2，30cm處的小于cm2。Ka波段的輻射功率為50mW，天線處的功率密度為4mW/cm2，30cm處的小于cm2，都小于ANSI/IEEE規(guī)定10mW/cm2的安全標(biāo)準(zhǔn)。收發(fā)器收發(fā)器ADC接收機(jī)成像顯示器2m掃描圖5成像系統(tǒng)機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)圖另一個(gè)是由2個(gè)7英尺(約2m)的192(共384)陣元的陣列沿圓周掃描，一個(gè)收一個(gè)發(fā)。系統(tǒng)采用FMCW外差收發(fā)機(jī)，分辨率可達(dá)到5mm，距離向分辨率為15mm，且沒有焦深限制。每個(gè)192元子陣由一個(gè)單刀3擲開關(guān)模塊驅(qū)動(dòng)3個(gè)64元子陣，而每一個(gè)64元子陣由一個(gè)單刀8擲開關(guān)模塊驅(qū)動(dòng)另外8個(gè)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(shí)每個(gè)陣元通過電子控制，快速依次掃描工作，也就是說同一時(shí)刻只有一個(gè)陣元在照射而另一個(gè)陣元在接收，每個(gè)陣元工作10ms，此時(shí)其它陣元處于關(guān)閉狀態(tài)，用6ms的時(shí)間掃描從26GHz到30GHz的4GHz的帶寬。實(shí)際上這個(gè)系統(tǒng)是單通道掃描體制成像，一維是電掃描，另一維是機(jī)械掃描。5信號(hào)處理近程毫米波全息成像的信號(hào)處理包含內(nèi)容較多，包括波形設(shè)計(jì)與信號(hào)分析、高分辨全息成像算法和成像特性分析、圖像處理算法以及目標(biāo)識(shí)別算法等等，如圖6所示。信號(hào)發(fā)射信號(hào)發(fā)射高分辨成像圖像處理目標(biāo)識(shí)別各種補(bǔ)償圖6成像系統(tǒng)的信號(hào)處理流程對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高質(zhì)量三維成像，發(fā)射信號(hào)是成像質(zhì)量的重要決定因素之一，因此必須設(shè)計(jì)合理的寬帶毫米波照射源信號(hào)。寬帶全息需要設(shè)計(jì)高性能的大時(shí)寬帶寬積的發(fā)射信號(hào)，同時(shí)也要易于硬件實(shí)現(xiàn)，為成像提供先決條件。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(hào)傳入微機(jī)，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(jiǎn)單的特點(diǎn)，對(duì)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(duì)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(bǔ)傅里葉變換成像算法的不足，以適應(yīng)各種環(huán)境下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高分辨率成像，包括邊界元法進(jìn)行任意形狀成像以及分布源邊界點(diǎn)法進(jìn)行傳遞矩陣的誘導(dǎo)計(jì)算，球面或者柱面坐標(biāo)系下的成像算法；引入各種時(shí)頻分析算法，如分?jǐn)?shù)階傅里葉變換、Radon-Wigner變換和小波變換等算法，來消除非線性相位的影響；尋找合適的算法克服成像的病態(tài)和相干斑抑制等等。在不改變成像系統(tǒng)硬件設(shè)備前提下，上述方法都可以從一方面或者多方面提高成像的質(zhì)量，但是往往以犧牲其它性能為代價(jià)，因此沒有絕對(duì)優(yōu)良成像算法，只有根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境提出不同的性能指標(biāo)，綜合考慮后設(shè)計(jì)相應(yīng)的成像算法。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)和圖像增強(qiáng)等技術(shù)。圖像恢復(fù)通過已經(jīng)獲得的降晰圖像以及先驗(yàn)知識(shí)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。因此首先要研究成像特性，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(duì)性的通過各種補(bǔ)償對(duì)降晰圖像進(jìn)行圖像的提高分辨率恢復(fù)。另外根據(jù)毫米波全息成像在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，還會(huì)有其它不同的約束，有針對(duì)性的對(duì)圖像進(jìn)行處理，如分解降噪和極大似然恢復(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(shí)現(xiàn)在空域上插值，突破瑞利限，這也稱作超分辨率。圖像增強(qiáng)可以加強(qiáng)圖像的可觀性，增加了視覺效果，例如增加對(duì)比度，去掉模糊和噪聲，修正幾何畸變等，有目的地強(qiáng)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(qiáng)調(diào)某些感興趣的特征，擴(kuò)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(qiáng)圖像判讀和識(shí)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。目標(biāo)識(shí)別直接面向應(yīng)用，是指在對(duì)圖像經(jīng)過分析后，對(duì)感興趣的目標(biāo)，如手槍、炸藥和刀具等危險(xiǎn)品進(jìn)行自動(dòng)警報(bào)。信號(hào)處理的另一個(gè)重點(diǎn)是隱私保護(hù)問題。毫米波全息成像系統(tǒng)具有高分辨和穿透能力，因此個(gè)人隱私一直為人們爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。為此要從圖像中刪除個(gè)人體征，保護(hù)個(gè)人隱私。6應(yīng)用現(xiàn)階段在近程毫米波成像方面走在世界前列的是美國運(yùn)輸安全部(TransportationSecurityAdministration，原美國能源部)下的西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室(PacificNorthwestNationalLaboratory)的McMakin和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(shí)現(xiàn)了毫米波成像系統(tǒng)的商業(yè)化。側(cè)向分辨率可達(dá)到5mm，距離向分辨率為15mm，成像時(shí)間為。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)授權(quán)L-3Communications,SaveView有限公司和Intellifit公司，其產(chǎn)品分別用于安檢和試選服裝，如圖7所示。(a)原理圖(b)用于安檢(c)試選服裝(d)三維毫米波圖像圖7圓柱機(jī)械掃描毫米波三維全息成像系統(tǒng)早在1993年他們就用首臺(tái)樣機(jī)在機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)，成像距離，每人前后左右共取4個(gè)像，耗時(shí)40s，線陣掃描速度是1m/s，圖像分辨率128×512。1996年1月，他們又在Was