毫米波亚毫米波全息成像技术

毫米波亚毫米波全息成像技术

为了防范恐怖袭击，许多国家都加强了机场和车站等公共场所的安检措施，其中近程毫米波成像技术就是最简捷有效的安检方式之一。毫米波兼具有微波与红外的优点，有一定的穿透能力，能够根据散射能量的大小区分不同物理属性的物体。近年来毫米波器件的不断发展和人们需求的不断提高，使得近程毫米波成像技术能够在医疗、导航和交管等领域得到越来越广泛的应用。

美国“9.11”恐怖主义事件的发生，给人们敲响了加强安检的警钟。实际上对于人体隐匿物体的探测一直都是一个技术难题，对人体安检的要求是在对人无害的前提下快速区分携带的不同隐匿物体，一些常用的探测方法在人体上宣布失效。例如用高能射线可对行李物品进行有效探测，但是对人体伤害很大，不能用于日常的人体检查；红外探测取决于物体的温度，区分不同物体的能力不强，并且只能得到人体表面图像，不能发现隐匿的违禁物品；金属探测器则对塑料等非金属物品束手无策。毫米波探测技术结合了微波和红外的优点，在具有一定的穿透能力条件下保留了较为理想的图像分辨率，是人体安检的最理想选择。

毫米波不仅可以判别不同物理属性的物体，而且可以判别同一物体的不同状态。当人体正常组织发生病变或损伤时，其物理温度和介电特性发生改变，一般病变部位温度要比周围正常组织高1K，从而引起毫米波的辐射和散射能力的变化，通过毫米波成像就可以判断人体病灶的区域和病变程度等信息。毫米波可以穿透人体表层至大约2mm的深度，可以对早期皮肤癌、脂肪瘤和淋巴结炎等组织异常和病变进行检测，从而早发现早治疗。另外现代军用飞机和舰船等都在大力发展隐身技术，即减小目标的雷达散射截面积，一种有效方法是使用吸波涂层。而黑体辐射理论表明，物体的吸收率越高，其发射率也就越高，也就越容易为被动探测技术所发现。因此被动毫米波成像探测作为一种反隐身技术在近炸引信或末敏弹上具有不可替代的作用。

1 近程毫米波成像技术综述

毫米波成像体制按照被动和主动体制分为两大类，被动主要有焦平面全功率辐射计配合机械扫描、焦平面凝视阵列、相控阵波束形成和被动合成孔径，主动主要有合成孔径和全息成像。

焦平面多通道阵列全功率辐射计配合机械扫描成像技术是当今毫米波成像技术的主要类型，这类系统的优点是用较少的通道就能成像，成本较低，技术难度小，容易实现，其不足是成像时间长，很难满足实时性要求。

焦平面凝视阵列和相控阵波束形成体制成像速度快，但是需要接收阵元较多，导致其技术复杂度和成本较高，因此这两种体制并没有得到广泛应用。

相对于相控阵波束形成，毫米波被动合成孔径成像技术难度较低，容易工程实现。它是利用了空域的相位相干性，由多个真实孔径的小天线通过信号处理合成一个大孔径天线，还可以采用稀疏阵列技术，采用有效的成像算法可进一步减少阵元个数，降低系统的成本，现在国内有相关样机和产品问世。

主动合成孔径成像和主动全息成像属于同一种成像理念，都是近程成像体制，只不过一个是时域，一个是空域。主动合成孔径成像主要用于遥感成像，用机载雷达成像，国内外研究较为成熟。而主动全息成像则特别适合近程毫米波成像，其图像分辨率高，成像质量好，是近程毫米波成像的首选体制，下面详细介绍。

2 近程毫米波全息成像原理

全息成像可以获得目标的三维毫米波图像，能够还原目标真实形状，提高分辨率和灵敏度，同时也提高了目标识别概率。全息成像利用电磁波的相干原理，通过采集空间干涉条纹，记录目标上每个散射点的衍射图样，最后通过图像重建就可得到目标的毫米波图像。其成像过程为：系统依次接收带宽中每个频点的回波，得到空间三维数据，然后把这些数据通过Fourier变换到空间频率域，也就是把回波表示成一定范围内的不同方位角和俯仰角以及不同波数的平面波的叠加。然后把每一个平面波分量通过相位补偿，反演到目标的实际三维距离分布，最后进行三维逆Fourier变换后取模得到三维像。

毫米波宽带全息成像原理如图1所示，在OXY平面有二维天线接收阵列，在距离OXY平面R处有目标所在的oxy平面。

图1 毫米波宽带全息成像原理

设照射源的宽带信号经过(,,)

X Y处的接

x y z处的目标散射后，回波信号被在(,)

收天线接收，把收到的信号和本振信号进行下变频然后低通滤波，此时可得到每个频率点的信号为： 1(,,)(,,)exp(i )d d d E X Y A x y z x y z r ω=-⋅⎰⎰⎰K r (1) 式中式中(,,)A x y z 为目标辐射的复振幅分布，K 为圆波数，r 为距离，在三维空间里，K 和r 都是矢量，⋅K r 为它们的矢量点积。

(,,)E X Y ω为时域信号对时间维进行Fourier 变换后的信号，即：

(,,)FT[(,,)]E X Y E X Y t ω= (2) 此时⋅K r 的点积为：

()()()x y z x X K y Y K z R K ⋅=-+-+-K r (3) 式中x K 、y K 和z K 为K 的各向分量。把球面波展开，表示成平面波的叠加，然后再把式(3)代入式(2)可得：

(,,)

(,,)exp{i[()()()]}d d d d d (,,)exp[i()]exp(i )d d x y z x y F x y z x y z x y E X Y A x y z x X K y Y K z R K K K x y z A K K K XK YK RK K K ω=--+-+-=+-⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰

(4)

上式使用了三维Fourier 变换，即有：

3(,,)FT [(,,)](,,)exp[i()]d d d F x y z x y z A K K K A x y z A x y z xK yK zK x y z ==-++⎰⎰⎰ (5) 此时式(4)又是一个二维逆Fourier 变换，忽略常数项，有：

2(,,)IFT [(,,)exp(i )]F x y z z E X Y A K K K RK ω=- (6) 综合式(5)和式(6)可得：

23(,,)IFT {FT [(,,)]exp(i )}z E X Y A x y z RK ω=- (7) 对上式作逆变换，可得到毫米波全息成像的成像公式为：

32(,,)IFT {FT [(,,)]exp(i )}z A x y z E X Y RK ω= (8) 式(8)就是宽带的近程毫米波主动阵列全息成像公式。其中的z K 有以下关系： 2222x y y K K K K ++= (9)

宽带阵列全息成像公式还要对时间维进行处理，以得到目标的距离信息。距离向的分辨率可由下式计算：

/2z c B ∆= (10)

式中c 为光速，B 为带宽。