近程毫米波全息成像算法[1]
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； 修回日期 ： 。 收稿日期 ： ２ ０ １ ０ １ １ １ ２ ２ ０ １ １ ０ ８ ０ １ － － － － ） 基金项目 ： 国家自然科学基金 （ 资助课题 ６ １ ０ ０ １ ０ １ ０
］ １ ６ － 。 但是该系统在算法方 面 存 在 诸 多 不 足 ， 如要 成像系统 ［ 求全息测量面和目标 表 面 必 须 共 形 ， 要求全息测量面大于 被测目标的 ２ 倍 ， 这对于尺寸较大的目标来说就比较难以 实现等 。 国内在近程毫米波成像领域目前 侧 重 于 被 动 合 成 孔径成像的研究 ， 已 有 较 成 熟 的 算 法 和 成 像 样 机。而 近 程 毫米波主动成像还属 于 起 步 阶 段 ， 目前还没有成熟的成像 主要的 算法和成像样机 。 上 述 两 种 体 制 的 成 像 过 程 类 似 ， 区别在成像算法上面 。 针对近程毫米波主动成像的特点 ， 提出借鉴光学全息成 像， 将全息技术引入到近程毫米波成像中 。 分析了基于 Ｆ ｏ ｕ － 对二维及三维全息成像效果进行 ｒ ｉ ｅ ｒ变换的全息成像算 法 ， 了比较 。 在此基础上 特 别 提 出 了 针 对 大 尺 寸 目 标 成 像 的 波 数域外推算法 ， 最后对成像算法进行了仿真和分析讨论 。
பைடு நூலகம்
第３ ３卷
１ 基于 Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ变换的全息成像算法
近程毫米波全息成像的基本原理是利 用 毫 米 波 相 干 源 经目标反 射 的 回 波 和 本 振 信 号 进 行 相 干 处 理 而 照射目标 ， ］ ７ １ ０ － 。 获得全息图 ， 最后经过反演得到目标像 ［ 根据毫米波照射 源 的 带 宽 和 调 制 形 式 ， 可以分为窄带 全息和宽带全息 。 窄 带 全 息 使 用 单 频 毫 米 波 源 照 射 目 标 ， 原理和实现比较简单 ， 但是距离向分辨率和成像质量都较 差； 宽带全息则利用经调制后的宽频带信 号 源 照 射 目 标 ， 可 能够体现全息成像 以对目标进行精确的 高 质 量 三 维 成 像 ， 的优越性 。 下面主 要 讨 论 基 于 Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ变 换 的 宽 带 三 维 全 息成像算法 。 毫米波三维全息成像原理如图 １ 所 示 。 假 设 发 射 的 毫 的散射后， 回波信号 米波宽带相干信号经过目标 Ｓ（ ｘ， ｚ） ｙ， 由Ｘ 将接收到的回波信号和 Ｙ 平面上的 二 维 天 线 阵 接 收 ， 本振信号进行混频后得到零中频信号 ：
： ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｃ ｌ ｉ ｎ ｉ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄ ｂ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｅ ｍ ｉ ｌ ｌ ｉ ｈ ａ ｓ ｅ Ａ － － ｇ ｇ ｇ ｙ ｇ ｐ
０ 引 言
在保留高分辨力的 毫米波兼具有微 波 与 红 外 的 优 点 ， 前提下还具有一定的 穿 透 能 力 ， 因此毫米波目标探测是雷 达技术的重要发展方向 。 近程毫米波主动 成 像 技 术 是 对 几 米至几十米范围内的 目 标 成 像 ， 与被动成像体制相比具有 高分辨 、 高灵 敏 度 以 及 无 像 差 的 优 点 ， 具有很高的实用价 值 。 通过对复杂目 标 的 散 射 成 像 ， 可以得到目标上各个散 射点的空间位置和幅 度 信 息 ， 从而有效指导武器系统的精 确打击或对目标隐身性能的改造 。 近年来 ， 近程毫米波主动成像技术得 到 了 很 大 发 展 ， 美 国的西北太平洋国家实验室已研制出基于 圆 柱 扫 描 的 主 动
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３ Ｎ ｏ ． １ ２ Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ２ ０ １ １
近程毫米波全息成像算法
朱 莉 ，李兴国 ，王本庆
（ ） 南京理工大学电光学院探测与控制工程系 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ４
， ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｗ ａ ｖ ｅ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ｏ ｌ ｏ ｒ ａ ｈ ｉ ｃ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｏ ｓ ｔ ｕ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｍｗ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｇ ｇ ｇ ｐ ｇ ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｐ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｅ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ｓ ． Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｗ ａ ｖ ｅ ｉ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｏ ｒ ｍ ｅ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｓ ａ ｃ ｅ ｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｔ ｏ ｗ ａ ｖ ｅ ｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ ｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ － ｇ ｇ ｇ ｐ ， ｓ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｗ ａ ｖ ｅ ｓｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｒ ｒ ａ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ａ ｄ ｕ ｓ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ． Ｆ ｏ ｒ ｈ ａ ｓ ｅ － ｐ ｇ ｇ ｙ ｊ ｇ ｐ ｔ ｅ ｄ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｉ ｎ ｓ ａ ｃ ｅ ｗ ａ ｖ ｅ ｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ ａ ｎ ｄ ｉ ｓ ａ ｄ ｄ ｅ ｄ ． Ｉ ｔ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ ｙ ｐ ｐ ｙ ｐ ｐ ， ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ｓ ｉ ｚ ｅ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ．Ｏ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｂ ａ ｓ ｉ ｓｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｏ ｆ ｐ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ ｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｏ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｔ ｏ ｌ ａ ｒ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｔ ａ ｒ ｅ ｔ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｗ ａ ｖ ｅ ｒ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄ ｐ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ｐ ｐ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｒ ｅ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｏ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｃ ｅ ｔ ｅ ｄ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｂ ｌ ．Ｗ ｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｄ Ｇ ｉ ｂ ｂ ｓ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｈ ｉ ｂ ｉ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｍ ａ ｅ ｐ ｐ ｙ ｇ ｇ ｉ ｓ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ． ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｐ ｑ ｙ ： ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｍ ｉ ｌ ｌ ｉ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｗ ａ ｖ ｅ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｅ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ｏ ｌ ｏ ｒ ａ ｈ ｉ ｃ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｗ ａ ｖ ｅ ｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒ ｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｏ ｌ ａ － － ｇ ｇ ｐ ｇ ｇ ｐ ｙ ｔ ｉ ｏ ｎ
第３ ３卷 第１ ２期 ２月 ２ ０ １ １年１
） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ５ ０ ６ Ｘ（ ２ ０ １ １ １ ２ ２ ５ ７ ７ ０ ５ － － －
系统工程与电子技术 Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｎ ｄＥ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｙ ｇ ｇａ
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把全息成像算法引入 摘 要 ：针对近程目标毫米波成像过程中由于相位干涉而导致成像分辨率下降的问题 ， 针对电磁波 的 波 前 球 面 弯 曲 ， 在空间波数谱上 到近程毫米波成像 。 该算法通过电磁波从空间域到波数域的转换 ， 使之同相相加 ， 从而 有 效 抑 制 干 涉 效 应， 提 高 成 像 分 辨 率。以 上 算 法 对 目 标 尺 寸 有 有效调整各阵元信号的相位 ， 一定的限制 ， 对于大尺寸目标的成像 ， 提出了波数域外推算法 ， 通过对测量面和 源 面 的 合 理 外 推 及 截 取 ， 有效抑制 了卷绕效应和 Ｇ 同样提高成像质量 。 ｉ ｂ ｂ ｓ效应 ， 关键词 ：毫米波 ；近程探测 ；全息成像 ；波数域外推 ： ／ 中图分类号 ： Ｔ Ｎ ９ ６ ５． ２ 文献标志码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ ５ ０ ６ Ｘ． ２ ０ １ １． １ ２． ０ ２ － ｊ
， ： 作者简介 ： 朱莉 （ 女， 讲师 ， 博士研究生 ， 主要研究方向为近程毫米波精确探测技术 。 １ ９ ７ ９ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ｆ ｒ ３ １ ７ ｚ ｌ ｉ ． ｓ ｉ ｎ ａ ． ｃ ｏ ｍ －） － ＠ｖ ｊ ｐ
５ ７ ８· ·２
系统工程与电子技术 流程 ， 如图 ２ 所示 。
图 ２ 近程目标全息成像算法流程
由图 ２ 可得 ： 基于 Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ变换的近程毫米 波 全 息 成 像 的特点是引入了相位 补 偿 ， 其作用是补偿近程成像过程中 球面波所造成的相位 干 涉 ， 这正是近程成像与远距离成像 的主要区别 。 相 位 补 偿 的 效 果 就 相 当 于 焦 距 为 Ｒ 的 凸 透 把球面 波 前 变 成 平 面 波 前 ， 如 图 ３ 所 示。 相 位 补 偿 项 镜， 的引入很好的消除了近程目标像的模 糊 现 象 ， ｅ ｘ － ｉ Ｒ ｋ ｐ（ ｚ） 压缩 了 像 点， 两 种 情 况 的 对 比 如 图 ４ 所 示， 实验仿真条件 为： 天线扫描阵列的 尺 寸 为 ２ ｍ×２ ｍ， 距离目标所在平面 目标假设为一点目标体 ， 位于成像坐标系的原 点 位 置 ， １ｍ， 天线发射信号为 １ 测量过程中采样 ０ ０ＧＨ ｚ的 连 续 波 信 号 ， 间隔为 ５ｍｍ。
］ １ ６ － 。 但是该系统在算法方 面 存 在 诸 多 不 足 ， 如要 成像系统 ［ 求全息测量面和目标 表 面 必 须 共 形 ， 要求全息测量面大于 被测目标的 ２ 倍 ， 这对于尺寸较大的目标来说就比较难以 实现等 。 国内在近程毫米波成像领域目前 侧 重 于 被 动 合 成 孔径成像的研究 ， 已 有 较 成 熟 的 算 法 和 成 像 样 机。而 近 程 毫米波主动成像还属 于 起 步 阶 段 ， 目前还没有成熟的成像 主要的 算法和成像样机 。 上 述 两 种 体 制 的 成 像 过 程 类 似 ， 区别在成像算法上面 。 针对近程毫米波主动成像的特点 ， 提出借鉴光学全息成 像， 将全息技术引入到近程毫米波成像中 。 分析了基于 Ｆ ｏ ｕ － 对二维及三维全息成像效果进行 ｒ ｉ ｅ ｒ变换的全息成像算 法 ， 了比较 。 在此基础上 特 别 提 出 了 针 对 大 尺 寸 目 标 成 像 的 波 数域外推算法 ， 最后对成像算法进行了仿真和分析讨论 。
பைடு நூலகம்
第３ ３卷
１ 基于 Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ变换的全息成像算法
近程毫米波全息成像的基本原理是利 用 毫 米 波 相 干 源 经目标反 射 的 回 波 和 本 振 信 号 进 行 相 干 处 理 而 照射目标 ， ］ ７ １ ０ － 。 获得全息图 ， 最后经过反演得到目标像 ［ 根据毫米波照射 源 的 带 宽 和 调 制 形 式 ， 可以分为窄带 全息和宽带全息 。 窄 带 全 息 使 用 单 频 毫 米 波 源 照 射 目 标 ， 原理和实现比较简单 ， 但是距离向分辨率和成像质量都较 差； 宽带全息则利用经调制后的宽频带信 号 源 照 射 目 标 ， 可 能够体现全息成像 以对目标进行精确的 高 质 量 三 维 成 像 ， 的优越性 。 下面主 要 讨 论 基 于 Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ变 换 的 宽 带 三 维 全 息成像算法 。 毫米波三维全息成像原理如图 １ 所 示 。 假 设 发 射 的 毫 的散射后， 回波信号 米波宽带相干信号经过目标 Ｓ（ ｘ， ｚ） ｙ， 由Ｘ 将接收到的回波信号和 Ｙ 平面上的 二 维 天 线 阵 接 收 ， 本振信号进行混频后得到零中频信号 ：
： ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｃ ｌ ｉ ｎ ｉ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄ ｂ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｅ ｍ ｉ ｌ ｌ ｉ ｈ ａ ｓ ｅ Ａ － － ｇ ｇ ｇ ｙ ｇ ｐ
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在保留高分辨力的 毫米波兼具有微 波 与 红 外 的 优 点 ， 前提下还具有一定的 穿 透 能 力 ， 因此毫米波目标探测是雷 达技术的重要发展方向 。 近程毫米波主动 成 像 技 术 是 对 几 米至几十米范围内的 目 标 成 像 ， 与被动成像体制相比具有 高分辨 、 高灵 敏 度 以 及 无 像 差 的 优 点 ， 具有很高的实用价 值 。 通过对复杂目 标 的 散 射 成 像 ， 可以得到目标上各个散 射点的空间位置和幅 度 信 息 ， 从而有效指导武器系统的精 确打击或对目标隐身性能的改造 。 近年来 ， 近程毫米波主动成像技术得 到 了 很 大 发 展 ， 美 国的西北太平洋国家实验室已研制出基于 圆 柱 扫 描 的 主 动
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３ Ｎ ｏ ． １ ２ Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ２ ０ １ １
近程毫米波全息成像算法
朱 莉 ，李兴国 ，王本庆
（ ） 南京理工大学电光学院探测与控制工程系 ，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ９ ４
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第３ ３卷 第１ ２期 ２月 ２ ０ １ １年１
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系统工程与电子技术 Ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｎ ｄＥ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｙ ｇ ｇａ
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把全息成像算法引入 摘 要 ：针对近程目标毫米波成像过程中由于相位干涉而导致成像分辨率下降的问题 ， 针对电磁波 的 波 前 球 面 弯 曲 ， 在空间波数谱上 到近程毫米波成像 。 该算法通过电磁波从空间域到波数域的转换 ， 使之同相相加 ， 从而 有 效 抑 制 干 涉 效 应， 提 高 成 像 分 辨 率。以 上 算 法 对 目 标 尺 寸 有 有效调整各阵元信号的相位 ， 一定的限制 ， 对于大尺寸目标的成像 ， 提出了波数域外推算法 ， 通过对测量面和 源 面 的 合 理 外 推 及 截 取 ， 有效抑制 了卷绕效应和 Ｇ 同样提高成像质量 。 ｉ ｂ ｂ ｓ效应 ， 关键词 ：毫米波 ；近程探测 ；全息成像 ；波数域外推 ： ／ 中图分类号 ： Ｔ Ｎ ９ ６ ５． ２ 文献标志码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ ５ ０ ６ Ｘ． ２ ０ １ １． １ ２． ０ ２ － ｊ
， ： 作者简介 ： 朱莉 （ 女， 讲师 ， 博士研究生 ， 主要研究方向为近程毫米波精确探测技术 。 １ ９ ７ ９ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ｆ ｒ ３ １ ７ ｚ ｌ ｉ ． ｓ ｉ ｎ ａ ． ｃ ｏ ｍ －） － ＠ｖ ｊ ｐ
５ ７ ８· ·２
系统工程与电子技术 流程 ， 如图 ２ 所示 。
图 ２ 近程目标全息成像算法流程
由图 ２ 可得 ： 基于 Ｆ ｏ ｕ ｒ ｉ ｅ ｒ变换的近程毫米 波 全 息 成 像 的特点是引入了相位 补 偿 ， 其作用是补偿近程成像过程中 球面波所造成的相位 干 涉 ， 这正是近程成像与远距离成像 的主要区别 。 相 位 补 偿 的 效 果 就 相 当 于 焦 距 为 Ｒ 的 凸 透 把球面 波 前 变 成 平 面 波 前 ， 如 图 ３ 所 示。 相 位 补 偿 项 镜， 的引入很好的消除了近程目标像的模 糊 现 象 ， ｅ ｘ － ｉ Ｒ ｋ ｐ（ ｚ） 压缩 了 像 点， 两 种 情 况 的 对 比 如 图 ４ 所 示， 实验仿真条件 为： 天线扫描阵列的 尺 寸 为 ２ ｍ×２ ｍ， 距离目标所在平面 目标假设为一点目标体 ， 位于成像坐标系的原 点 位 置 ， １ｍ， 天线发射信号为 １ 测量过程中采样 ０ ０ＧＨ ｚ的 连 续 波 信 号 ， 间隔为 ５ｍｍ。