毫米波亚毫米波全息成像技术概述

2 近程毫米波全息成像原理
毫米波宽带全息成像原理如下图所示， 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。
2 近程毫米波全息成像原理
设照射源的宽带信号经过(x,y,z)处的目标散 射后，回波信号被在(X,Y)处的接收天线接收，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：
4 硬件设计
4.2 前端设计
成像系统的前端结 RF 构如图所示，系统发射 的毫米波信号经过目标 LO 散射后被接收天线接收， 信号经过环流器后分为 两路，分别和两路 ( 其中 一路延时 ) 本振信号进行 混频，得到正交的两路 I 、 Q信号，经过放大器放大 和AD采样，进行成像。
0º 90º I Q
3 机械扫描系统
3.4 扫描系统设计实例
单通道成像样机的机械扫描装置的主体结 构是滑块丝杠结构，滑块带动接收前端由丝杠牵 引进行扫描，如图所示，其定位误差在十分之一 个波长以内。3 机械扫描系统3. Nhomakorabea 扫描速度
扫描速度要综合考虑积分时间和成像时间， 在允许的成像时间内采用最大的积分时间以提高 系统灵敏度。另外根据前面的讨论，扫描速度和 积分时间应该有以下的约束关系： v / 2
如 取 λ=8mm 和 τ=2ms ， 则 v<2m/s 。 以 成 2m×2m 的毫米波图像为例，设转向时间占 10% ， 积分时间降到2ms，回程采集数据，配合研制的 4通道接收前端，成像时间半分钟左右。
4 硬件设计
4.1 总体设计
成像系统硬件主要由天线、信号源、混频 器、放大器、采样器以及信号处理器等构成，如 下图所示。毫米波信号经环流器由天线向外辐射， 经目标散射后回波信号又被天线接收，然后和本 振信号混频得到零中频信号，经过放大器和滤波 器后的信号进入AD采样得到离散的数字信号。
(1) 式中A(x,y,z)式中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： (2) E ( X , Y , ) FT[ E ( X , Y , t )]
2 近程毫米波全息成像原理
1.5 全息成像
全息成像则特别适合近程毫米波成像，其 图像分辨率高，质量好，是近程成像的首选体制。 宽带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。
毫米波、亚毫米波 全息成像技术
主讲人：朱 莉
副研究员
南京理工大学 电光学院探测与控制工程系
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。
5 信号处理
近程毫米波全息成像的信号处理包含内容 较多，包括波形设计与信号分析、高分辨全息成 像和成像特性分析、图像处理、三维建模技术以 及目标识别等等，如图所示。
信号发射 高分辨成像 各种补偿 图像处理 目标识别
三维建模
显示
特性分析
5 信号处理
5.1 波形设计与信号分析
对目标进行高质量三维成像，发射信号是 成像质量的重要决定因素之一，因此必须设计合 理的宽带毫米波照射源信号。宽带全息需要设计 高性能的发射信号波形，同时也要易于硬件实现， 为成像提供先决条件。
(5)
2 近程毫米波全息成像原理
此时式 (4) 又是一个二维逆 Fourier 变换，忽 略常数项，有： E( X , Y , ) IFT2[ AF (Kx , K y , Kz )exp(iRKz )] (6) 综合式(5)和式(6)可得： E( X , Y , ) IFT2{FT3[ A( x, y, z)]exp(iRK z )} (7) 对上式作逆变换，可得到毫米波全息成像的成像 公式为： A( x, y, z) IFT3{FT2[ E( X , Y , )]exp(iRK z )} (8) 式 (8) 就是宽带的近程毫米波主动阵列全息成像 公式。
近程毫米波亚毫米波全息成像的三 大关键技术为：


扫描技术 硬件设计 信号处理
3 机械扫描系统
实际制作一个大的毫米波二维接收阵列， 成本高不说，其技术上也是很难实现的，综合考 虑成本和成像速度，采用一维线阵列配合机械扫 描是比较可行的方案。实际中比较实用的扫描方 式有圆柱扫描和平面扫描两种，如下图所示。
K r ( x X )Kx ( y Y )K y ( z R)Kz
(4)
上式使用了三维Fourier变换，即有：
AF ( K x , K y , K z ) FT3[ A( x, y, z )] A( x, y, z ) exp[ i( xK x yK y zK z )]dxdydz
1 近程毫米波成像技术综述
1.1 单/多通道全功率辐射计+机械扫描
单/多通道阵列焦平面全功率辐射计配合 机械扫描成像技术是当今毫米波成像技术的主 要类型，这类系统的优点是通道少，成本低， 难度小，易实现，不足是时间长。
1 近程毫米波成像技术综述
1.2 焦平面凝视阵列和相控阵波束形成
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。
5 信号处理
在不改变成像系统硬件设备前提下，上述 方法虽然都可以从一方面或者多方面提高成像的 质量，但往往以牺牲其它性能为代价，因此没有 绝对优良成像算法，只有根据不同应用环境提出 不同性能指标，综合考虑后设计相应的成像算法。
圆柱扫描
平面扫描
3 机械扫描系统
3.1 圆柱扫描
圆柱扫描一般采用目标固定，天线阵列沿 圆柱面扫描，适合于对体积较小的静止目标成像， 这种成像方法可以对目标进行全方位成像，得到 的目标的信息较多。
3 机械扫描系统
3.2 平面扫描
平面扫描则是天线固定，目标作匀速直线 运动，适合运动目标成像，特别是面目标，但获 得的信息量较少。平面扫描也可目标固定天线扫 描，例如飞机遥感等。
5 信号处理
5.2 高分辨全息成像和成像特性分析
成像算法直接影响系统质量，是成像中的 主体部分。数字信号传入微机，可以通过多种方 式灵活处理。基于共形面的傅里叶变换成像算法 具有方便和简单的特点，对毫米波全息成像起了 重要的作用。但是随着成像系统应用环境的变化 和对图像质量要求的提高，如近距离的球面和柱 面等曲面目标成像，单一的成像算法已不能满足 各种高性能的成像要求。寻求新的成像算法来弥 补傅里叶变换成像算法的不足，以适应各种环境 下对目标进行高分辨率成像。
3 机械扫描系统
这套装置全部都采用反射面，光路设计和 系统实现相对较简单，其主要特征是由两个反向 同步旋转的圆楔反射面来实现垂直方向的线扫， 圆楔面每转动一周，其在场景中的扫描轨迹近似 为一个狭长的椭圆。这套扫描系统应用在四通道 成像系统，成像速度为1Hz。
3 机械扫描系统
上面扫描系统用狭长的椭圆 近似直线，也可以直接进行圆形扫 描，然后通过图像处理校正各个点 的位置，合成图像。
2 近程毫米波全息成像原理
其中的Kz有以下关系： 2 2 Kx Ky Kz2 K 2 ( / c)2
(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： z c / 2 B (10) 式中c为光速，B为带宽。
毫米波亚毫米波全息成像技术
4 硬件设计
4.4 基于圆柱扫描系统的硬件设计
由 2 个 7 英尺 ( 约 2m) 的 192( 共 384) 阵元的阵 列沿圆周扫描，一个发射一个接收。系统采用 FMCW外差收发机，分辨率可达到5mm，距离向 分辨率为15mm，且没有焦距和焦深限制。
4 硬件设计
每个 192 元子阵由一个单刀 3 掷开关模块驱 动3个64元子阵，而每一个64元子阵由一个单刀8 掷开关模块驱动另外8个单刀8掷开关模块，并保 证从输入到每路输出的路径长度基本相等。 工作时每个阵元通过电子控制，依次快速 扫描，也就是说同一时刻只有一个阵元在发射而 另一个阵元在接收，此时其它阵元处于关闭状态， 用6ms的时间扫描从26GHz到30GHz的4GHz的带 宽。实际上这个系统是单通道扫描体制成像，一 维是电扫描，另一维是机械扫描。
5 信号处理
新成像算法的主要方向有：
1 2 3 4 边界元法进行任意形状目标成像； 分布源边界点法进行传递矩阵的诱导计算； 球面或者柱面坐标系下的成像算法； 引入各种时频分析算法，如分数阶傅里叶变换、 拉冬-魏格纳(Radon-Wigner)变换和小波变换等 算法，来消除非线性相位的影响； 5 寻找合适的算法克服成像的病态和相干斑抑制 等等。
毫米波亚毫米波全息成像技术
国外公司的近程毫米波成像系统以及所成的毫米波图像
TRW公司
Trex公司
Millivision公司
Andrews公司
毫米波亚毫米波全息成像技术
国内样机所成的近程毫米波图像
1 近程毫米波成像技术综述
适用于近程成像的体制按被动和主动分： 被动： 单/多通道全功率辐射计+机械扫描 焦平面凝视阵列 相控阵波束形成 被动合成孔径辐射计 主动： 合成孔径雷达 全息成像 ……
2 近程毫米波全息成像原理
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，最后取模得到三维像。
0º
0º
4 硬件设计
4.3 基于平面扫描系统的硬件设计
采用0.75m口径的一维线阵天线，天线阵列 为二进制开关树结构，是由 2 个 64 元子线阵交错 重叠组成，子阵阵元距离为 1.3 个波长，两个子 阵相距 1.5 个波长，上面的用于接收，下面的用 于发射，扫描高度2.0m 。
收发器 ADC 接收机 成 像 显示器 2m扫描
3 机械扫描系统
3.3 单通道无惯性机械扫描
当系统采用单通道成像时就需要配合机械 扫描系统，以实现速度和成本的均衡。摆动式的 机械扫描，前端随转台扫描时的震动和在换向时 减速和加速过程中惯性产生的震动，都对成像质 量有很大影响。 相对于摆动扫描，无惯性的圆周扫描更具 有优势。无惯性机械扫描装置实现了机械扫描系 统与前端和数据采集系统分离，可以分开独立控 制，增加了系统的稳定性 。
1 近程毫米波成像技术综述
1.3 被动合成孔径辐射计
难度较低，容易工程实现。它由多个真 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，降低系统的 成本，现在国内外有相关样机和产品问世。
1 近程毫米波成像技术综述
1.4 主动合成孔径雷达
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。机载 主动合成孔径雷达和所成的图像如下图所示 。
1 E ( X , Y , ) A( x, y, z ) exp(iK r )dxdydz r
2 近程毫米波全息成像原理
此时K和r的点积为：
(3) 式中Kx、Ky和Kz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：
E( X , Y , ) A( x, y, z)exp{i[( x X ) K x ( y Y ) K y ( z R) K z ]}dK xdK ydxdydz AF ( K x , K y , K z )exp(iRK z )exp[i(XK x YK y )]dK xdK y