基于步进频连续波的近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统_温鑫

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宇航计测技术
2014 年
1
引
言
（ t） =
Ｒ0 － vt c /2
（ 3）
在雷达设计中， 增加发射信号的带宽可以提高 雷达系统对于探测目标的分辨能力， 从而获得更多 的目标信息。步进频连续波信号是一种载频线性跳 变的信号， 通过对回波信号的逆傅立叶变换处理能 够获得合成距离高分辨的效果。这种信号是以窄带 发射、 接收、 处理来合成相应的宽带信号所能达到的 距离向高分辨率， 以降低雷达发射机和接收机的实 ［1 ］ 现难度和成本， 因此近年来得到了广泛应用 。 人体成像安检环节是安检排爆技术的重要组成 部分， 由于检测目的和检测对象的特殊性， 通常要求 安检的技术手段满足检测过程文明、 对被检人体和物 品无损害、 检测速度快、 可检测危险品范围广等需 求
（ 1） — — 常数。 式中： C i — 距离 Ｒ0 处的目标反射回波信号 y（ t） 为
n －1
y（ t） =
C i ' exp（ 2 πjf i ∑ i =0
×（t －
（ t） ） ）
× rect
(
t － t n － iT0 － T0 / 2 T0
)
（ 2）
3
步进频连续波信号的距离分辨率 和距离模糊
当 Δψ = Δψ + 2 πn 时， 存在距离模糊， 因此 c（ Δψ + 2 πn） Ｒ0 = = Ｒ0 + n c （ 15 ） 4 πΔ f 2 Δf
( )
不模糊距离窗为 Ｒu = c 2 Δf （ 16 ）
林函数的定义为 e －jk（ r －r'） g（ r， r' ） = 4 π r － r' = －1 2π
2 2 2 2 2 式中： k = k0 = k x + k y + k z ， 假设一个点激励源 q（ k） = 1 ， 利用频率域中的移位操作， 空间域中格
距离模糊可以通过检验在距离 Ｒ0 的点散射体 的相位来决定 2 Ｒ0 ψ i （ t） = 2 πf c 那么 4 π（ f i +1 － f i ） Ｒ0 4 πＲ0 Δψ = = （ f i +1 － f i ） c c Δf （ 14 ） （ 13 ）
2014 年 10 月 第 34 卷 第 5 期
宇航计测技术
Oct． ， 2014
基于步进频连续波的近距离主动毫米波圆柱 扫描成像系统
温 鑫
1， 2
方维海
1， 2
张
冰
1， 2
王暖让
1， 2
年
丰
1， 2
( 1． 北京无线电计量测试研究所， 北京 100039 ; 2． 计量与校准技术重点实验室， 北京 100039 ) 摘 要
n －1
(
)
0 ≤ l ≤ n － 1 （ 8）
2
步进频连续波信号的特点
假设发射的步进连续波信号起始频率为 f0 ， 频
将式（ 7 ） 代入到式（ 8 ） 中， 得到 n －1 1 2 πli 2 Ｒ0 2 vt i H l = ∑ A i exp j － 2 πf i － n i =0 n c c
在时谐场的情况下， 标量赫尔姆霍兹波动方程 在空间中每一个观测点 r 满足麦克斯韦方程， 一般 形式可以写成 （ Δ + k2 （ 17 ） 0 ） u（ r） = － q（ r） — — 任意场分量； k0 — — — 自由空间的波 式中： u（ r） — — — 激励场的源分布。 数； q （ r ） — 考虑 类 似 于 狄 拉 克 的 激 励 q（ r） = δ（ r） ，式 （ 17 ） 的解是自由空间的格林函数 g（ r） = e －jkr / （ 4 π | r|） ， 赫尔姆霍兹波动方程变换到空间频率域为 （ － k2 + k2 （ 18 ） 0 ） u（ k） = － q（ k）
关键词
步进频连续波
毫米波
圆柱扫描
成像
Near Field Active Millimeterwave Cylindrical Scanning Imaging System based on Stepped Frequency Continuous Wave
2 WEN Xin1， 2 FANG Weihai1， 2 ZHANG Bing1， 2 WANG Nuanrang1， 2 NIAN Feng1，
Journal of Astronautic Metrology and Measurement Vol． 34 ， No． 5
文章编号：1000 － 7202 （ 2014 ） 05 － 0005 － 05 中图分类号：TN958 文献标识码：A
［ 2 ］
— — 光速； v— — — 目标的径向速度。 式中： c— 将接收回波信号下变频为基带信号， 也就是将 回波 信 号 y（ t） 与 参 考 信 号 混 频，定 义 参 考 信 号 x ref （ t） 为
n －1
x ref （ t） =
Cexp（ 2 πjf i t） ∑ i =0
× rect
散射技术和主动毫米波技术， 由于 X 射线背散射人体 有潜在的安全 成像安检设备被曝存在泄漏用户隐私， 隐患等原因， 该安检设备已经在美国和欧盟停止使 用 。目前， 在近距离主动毫米波人体成像安检设备 的研制方面美国的西北太平洋国家实验室（ PNNL） 走 1995 年 Sheen 和 McMakin 等人提出了 在世界前列， ［ 4， 5 ］ ， 近距离圆柱扫描的毫米波成像系统 并经过多年 的努力进行了商业化。北京无线电计量测试研究所 提出了基于步进频连续波体制 经过多年的技术跟踪， 的近距离主动毫米波人体成像方法。
Abstract
To overcome the poor frequency linearity of the linear frequency modulation （ LFM ） sig-
nal，which generated by voltage － controlled oscillator （ VCO ） ． This paper presents the near filed active millimeter － wave cylindrical scanning imaging system，which is on the basis of the stepped frequency continuous wave signal generated by direct frequency synthesis（ DDS） technology． The system has the advantages of the high range resolution， high frequency accuracy and waveform generator and waveform control relatively simple． First，by the detection theory of the stepped frequency continuous wave signal，one dimensional range profile，range resolution and range blurring of the stepped frequency signal are analyzed． Second， through the wave equation the reconstruction algorithm is deduced in near field active millimeter － wave cylindrical scanning imaging system． Finally，the semi － physical simulation imaging system is set up in the anechoic chamber to verify the feasibility and effectiveness of the stepped frequency continuous wave signal applied in near filed active millimeter － wave cylindrical scanning imaging system． Key words Stepped frequency continuous wave Millimeterwave Cylindrical scanning Imaging
距离分辨率是由雷达系统的带宽决定， 假设一
— — 常数。 式中： Ci '— 目标反射回波信号的时延 （ t） 为
第5 期
基于步进频连续波的近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统
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个步进频连续波信号具有 n 个频率点， 频率步进为 Δf， 则对应的距离分辨率为 ΔＲ = c 2 nΔf （ 12 ）
n －1
2 πi 2 nＲ0 Δ f n l － c sinπχ sinπχ / n
(
))
x（ t） =
C i exp（ 2 πjf i t） ∑ i =0
× rect
(
t － iT0 － T0 / 2 T0
)
最后， 合成的距离像为 Hl = 其中 χ = － 2 nＲ0 Δ f +l c （ 11 ）
（ 1． Beijing Institute of Ｒadio Metrology and Measurement，Beijing 100039 ； 2． Science and Technology on Metrology and Calibration Laboratory，Beijing 100039 ）
为了克服压控振荡器（ VCO） 输出线性调频（ LFM） 信号频率线性度较差的缺点， 本文提出了基于直
该系统具有距离分辨率 接数字合成（ DDS） 技术产生步进频连续波信号的近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统， 频率精度高以及波形产生和波形控制较为简单的优点 。 首先， 本文通过步进频连续波信号的探测原理分析了 高、 该信号的一维距离像、 距离分辨率以及距离模糊的特点； 然后， 通过波动方程推导出近距离主动毫米波圆柱扫描成 像系统的重构算法； 最后， 在微波暗室搭建了半实物仿真成像系统， 验证了步进频连续波信号在近距离主动毫米波 圆柱扫描成像系统中应用的可行性和有效性 。
((
(
) ) ) （ 9）
（ 10 ）
率步进为 Δ f， 终止频率为 f n －1 ， 频率点数为 n， 则第 i － 1 点的频率为 f i ， 每个频点的持续时间为 T0 ， 则发 射信号 x（ t） 可以表示为
n －1
f i = iΔf， 相对于 n 归一化后， 令 Ai = 1 ， 当目标 为静止， 即 v = 0 时， 可以得到 Hl = exp ( j ∑ i =0
［ 3 ］
A i sinψ i （ t） ∑ i =0
— — 常数， 式中： A i — 且 ψ i （ t） = － 2 πf i
( 2Ｒ c
0
－
2 vt c
)
于是， 正交分量的复数形式可以表示为 Y i = A i e j ψ i（ t ）
（ 7）
式（ 7 ） 表示了基于目标反射特性的频域样本， 利用 IDFT 可以将其转化为一系列距离延时的反射 特性 Hl = 1 Y i exp j 2 πli n∑ n i =0
( t － iT T － T /2 )
0 0 0
（ 4） — — 常数。 式中： C — 经过低通滤波器， 可以得到基带信号的正交分 量为
n －1
y I （ t） = y Q （ t） =
A i cosψ i （ t） ∑ i =0
n －1
（ 5） （ 6）
。目前， 人体成像安检设备主要采用 X 射线背

k
e －j［k x（ x －x'） +k y（ y －y'） +k z（ z －z'） ］ dk x dk y dk z 2 2 k2 － k2 x － ky － kz （ 19 ）
源自文库
4 近距离主动毫米波圆柱扫描成像原理
近距离主动式毫米波圆柱扫描三维成像系统模 型如图 1 所示， 人体位于直角坐标系中。毫米波收发 ya ， za ） T ， 天线阵列的采样位置定义为 r a = （ x a ， 目标 yo ， zo ） T ， D为 的位置定义为 r o = （ x o ， 其中， r o ≤ D， ρa 为合成孔径的半径。 角度变量 φa 目标的成像区域， 表示天线阵列与目标的角度， 变量 z a 表示延 z 方向的 线性孔径， 成像过程中圆柱孔径数据是通过这两个方 向的采样 而 形 成 的。 圆柱形合成孔径范围限制在 φ a = φ a， 圆柱形 min …φ a， max 和 z a = z a， min …z a， max 之内， 合成孔径延两个方向的长度分别是 L φa 和 L z a 。