毫米波交流辐射计成像研究

（８）
保存图像细节的正则化将会产生一个复杂的价格函 数，如式所示，两求其最小化泛函将会导致解非线性方 程，用一般方法难于处理。为解决这一问题，Ｃｈａｒｂｏｎｎｉ— ｅｌ＂［７１等人吸收了文献［８］的基本思想，提出了一种新的半 二次正则化方法，其核心思想是引入一个新的辅助变量， 使它与原来的代价函数有相同的极小化子，但它的最小 化可通过求解二次函数最小化完成。使得关于ｘ最小化 问题变为凸优化问题，可以用确定性算法得到最优解，本 文引用此方法。
引入辅助变量ｂ，构成新的价格函数．，（Ｘ）＝ｉｎｆ Ｊ乖（Ｘ，６），这里歹由下式给出，Ｊ毒（Ｘ，６）满足下列 性质：
ａ）当ｂ固定时，．，－（Ｘ，ｂ）是二次的，则Ｘ＝ａｒｓｍｉｎ ＿，水（Ｘ，ｂ）
ｂ）若ｐ满足条件，则存在严格递减凸函数砂：（０，Ｍ］
一０［［（０ｐ’，）／‘３１）（，６）其］一中ｂ妒（口（ｔ７））。＝ｉ１ｐ（ｆ６（）ｂ，ｔ２Ｏ＋（≯ＤＸ（）６。））＝， ９（俪≯）（。６），＝
３用半二次正则化方法复原图像
毫米波可以提供光学图像不能提供的特殊信息，比
如毫米波对云、雾、烟二垒及普通衣物具有很好的穿透性。 但是相对于光学图像，毫米波波长较长，因此毫米波图像 分辨率较低、噪声大、成像物体边缘模糊，而且毫米波辐 射系统通过接收天线，经过混频、检波、滤波，然后采样进
入数字处理器，致使图像进一步退化，分辨率降低”１，因
ｉｍａｇｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅ；ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ；ＡＶＲ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｈａｌｆ－ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｉｍ— ａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
引言
收稿１３期：２００８－０８
Ｒｅｃｅｉｖｅｄ Ｄａｔｅ：２００８－０８
·摹金项日：安徽省电子信息工程特色专业建设项目、安徽师范大学特优强专业建设项目资助
万方数据
ｍ）＝南 １０９０
仪器仪表学报
扫描部分的良好器件。因此本文在３ ｍｍ交流辐射计的
基础上，设计了ＰＣ机．ＡＶＲ单片机主从复合结构的成像
第３ ０卷
ａ）妒（ｆ）≥０，Ｖｔ以及妒（０）＝０； ｂ）妒（ｔ）＝妒（一ｔ）； ｃ）ｐ连续可微； ｄ）ｐ’（＃）≥０，￥ｔ≥０；
ｅ）吗箬在［ｏ，＋∞）且严格降；
ｆ）ｌｉｍ掣：０；
ｇ）ｊ叻掣＝肘，ｏ＜肜＜＋∞。
（７）
本文选妒（￡）２ ｒ专ｐ１，显然可以满足条件，把式
（４）一（６）代人式，得：
歹（ｘ）＝ｌＩ Ｙ一似Ｉ Ｉ ２＋Ａ∑妒［（ＤＸ）；］
歹。（Ｘ）是数据项误差：
．，。（Ｘ）＝ＩＩ ｙ一甜ＩＩ ２
（４）
考虑两个邻域二阶仿真中的一阶差分，可推出正则化项
表达式：
Ｊ２＝∑驴［（似）。］
（５）
（ＤＸ）；＝（Ｘ（ｉ＋１）一Ｘ（ｉ））／８
（６）
式中：６是仿真参数，调整检测到的边缘梯度值。函
数妒有很多选择，但是要求必须满足下列条件，才可以实
现边缘保持，函数妒：Ｒ—Ｒ要求满足的条件：
进行图像复原，以显示相应的高分辨毫米波辐射图像。图４
篦’ 所示为交流辐射计流程图，图５为３ ｈｉｍ成像系统包括３ ｎｌｍ
成像辐射计和机械扫描控制模块。
ＡＶＲ
输
转 厶
＋＿一水平／垂直ｋ— 电机驱动ｌ
晕 ＪＩ 机
＾—＿＾
、—叫
ｆ，ｃ 机
出 设 备
ｎ
计温度灵敏度△Ｔｍ；。＝１．６５Ｋ。
图３成像系统框图
Ｆｉｇ．３ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
Ｉ本振Ｉ 图１ 毫米波交流辐射计原理框图 Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＭＭＷ ＡＣ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ
检波后的输出信号中存在直流和交流分量，即
圪。＝ｎ。＋‰，须用隔直电路滤除系统噪声分量，保留
目标信号分量。根据实验，选择截止频率．厅．＝２ Ｈｚ就足 以滤除大部分系统噪声分量，而义能最大程度保留目标 信号的分最。隔赢电路的方法有很多，本系统采用隔直 电容。隔直电容与其后的负载电阻即构成了一个高通滤 波器，如图２所示。
此必须进行图像复原处理。针对毫米波辐射图像的退化
因素，本文提出用半二次正则化进行图像复原，正则化图 像复原方法可以同时去噪和提高图像分辨牢，并通过调 整正则化参数，使二者达到平衡，有效提高图像分辨率。
半二次正则化方法是在正则化的基础上，引人辅助变量，
使图像退化函数的价格泛函成为可迭代求解的确定性算 法。由于３ ｒａｉｎ交流辐射计成像系统的机械扫描用的是
万方数据
பைடு நூலகம்
图４交流辐射计成像流程图
Ｆｉｇ．４ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ＡＣ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ｉｍａｇｉｎｇ
第５期
王桂丽等：毫米波交流辐射计成像研究
１０９ｌ
（ｂ）Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｕｌｅ 图５ ３ ｍｍ成像系统
Ｆｉｇ．５ ３ ｍｍ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
目前罔内毫米波辐射成像技术还处于起步阶段， ３ ｍｍ辐射成像系统的扫描技术主要用机械扫描，由自适 应控制系统控制步进电机的机械扫描及转台的工作状 态。ＡＶＲ单片机具有实时控制和操作、可预测的执行周 期、擅长中断处理、比较多的Ｉ／Ｏ功能、丰富的片上外设 等特点，而且成本低廉，是用来控制毫米波成像系统机械
研制毫米波辐射成像系统的难点在于研制出高灵敏 度低噪声的辐射计，毫米波商流辐射计接收的信号频谱 表明，系统噪声集中在直流附近，目标信号频带范围远高
于辐射计系统噪声。冈此毫米波交流辐射计通过隔直电 路滤除机内的商流噪声分量，利用交流分量来获得日标 的信息，从而省去了匹配负载和毫米波开关及复杂的同 步枪波电路，具有更简单的电路结构、更短的积分时间、 更低的成本和测试系统ｐ Ｊ。３ ｍｍ交流辐射计成像与其 它类型的辐射计相比，更易于系统集成和实现大规模的 焦平面阵列成像。
图ｌ所示为３ ｍｍ交流辐射计原理框图，毫米波信号 机一单片机主从Ｉ：作模式，主从机之间采用ＲＳ２３２串行通讯
由天线经隔离器进入混频器，混频后经中频放大，视频检 波，输出直流和交流信号Ｈ１，经过隔直电路滤除直流分 量，最终输出交流信号。该系统的参数为：载频９４ ＧＨｚ， 环境物理温度％＝２９０ Ｋ，高频前端之间的天线开关、馈 线等器件引起的射频输入电路的损耗上，。，＝０．５ ｄＢ；混频 器变频损耗Ｌ斯＝８ ｄＢ，功率增益Ｇ村＝ＩｌＬ村＝一８ ｄＢ， 噪声系数ＦＪＩ，＝９ ｄＢ；中频带宽Ｂ＝８００ ＭＨｚ，噪声系数 Ｆ，，＝１．２ ｄＢ，总的中频增益６０ ｄＢ。系统的总噪声系数 Ｆ。一１０．０５ ｄＢ，噪声ｔ，＝２ ９４８ Ｋ；视频放大器的增益 ＧＬＦ＝２２．１ ｄＢ，输出电压的范围３０．１～３３．１ Ｖ。引入 ３０．１ Ｖ的补偿电压，则输出电压Ｋ。。＝０—３Ｖ；其后即可 用一８位ＡＤ进行数字化，量化等级位为２５６，则获得的 图像可产生２５６个灰度等级。在以上参数下，交流辐射
逐行扫描法，以下图像复原是基于一维向蜃的处理。 毫米波辐射图像的退化函数矩阵形式为：
Ｙ＝ＧＸ＋田
（２）
式中：Ｘ为目标的高分辨图像，ｙ为辐射计天线接收的退
化图像，Ｇ为天线方向图，竹为噪声。
所以图像的价格泛甬为：
，（Ｘ）＝Ｊ．（Ｘ）＋ＡＪ２（Ｘ），Ａ≥０
（３）
式中：Ａ为正则化项系数，用来平衡数据项和正则化项。
系统机械扫描模块。并对采集到的图像信息在ＰＣ机内 ２．２成像系统工作原理
采用半二次正则化的方法进行图像超分辨复原处理。
如图３所示，３ ｌｎｌＴｌ交流辐射计成像系统除了交流辐射
２交流辐射计成像系统
２．１交流辐射计原理
计外，还包括转台、水平驱动电机、垂商驱动电机、单片机 ＡＴｍｅｇａ８Ｌ、ＰＣ机和一些输出设备。３ ｔｏｎｉ交流辐射计成像流 程图如图４所示，成像系统的驱动控制及数据处理采用ＰＣ
图２交流辐射计隔直电路
Ｆｉｇ．２ ＤＣ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＡＣ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ
图２中，Ｒ。即隔直电容后的视频放大器的输入电 阻，其值约在几千欧左右，而隔商电容Ｃ通常在５０～ １００圹间即可满足要求。本系统选择Ｒ，．＝２ ０００ Ｑ，Ｃ＝ ５０妒，则３ ｄＢ截止频谱约为２ Ｈｚ。交流辐射计隔直电 路的传输函数为：
毫米波可以提供红外、光学探测器不能提供的特殊 信息，具有全天时全天候的上作能力，因而在军事、安检、 反恐和医学等领域邢有广泛应用。近年来，随着毫米波 器件的飞速发展，毫米波辐射成像技术也取得极大进展， 主要包括：系统的中心Ｔ作频率越来越高；成像方式从单 通道机械扫描成像…发展到多通道并行扫描及至焦平面 成像一。、干涉合成孔径成像。同时，毫米波图像处理技术 正向超分辨率方向发展。
端口进行通信。成像时，先由ＰＣ机送出命令参数，冉由单片
机根据命令发出相应的控制信号通过驱动放大电路进入电
机，分别或者同时控制两台电机的转向与转速，使得辐射计
天线进行自动扫描，同时辐射计将接收到的信号输入到ＡＴ－
ｍｅ．ｇａ８Ｌ单片机，进行８位Ａ／Ｄ转换，把模拟输入信号转换为
数字信号，然后由单片机通过串口发送程序送入主机存储并
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ３ ｍｍ ｗａｖｅ—ｂａｎｄ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ＰＣ—ＡＶＲ ＭＣＵ ｍｏｄｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＰＣ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ＡＶＲ ＭＣＵ，ａｎｄ ＡＶＲ ＭＣＵ ｃａｒｒｙ ｏｎ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌｓ ａｒｅ ｓｅｎｔ ｔｏ ＰＣ ｖｉａ ｓｅｒｉａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｈａｌｆ－ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｒｅｇｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒ－ ｔｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ ｓｅｎｔ ｂｙ ＡＶＲ ＭＣ Ｕ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｍ Ｍ Ｗ
摘要：基于３ ｍｍ波段的交流辐射计成像系统，设计了成像系统的机械扫描控制模块．该设计采用ＰＣ机－ＡＶＲ单片机主从式 复合结构，由ＰＣ机控制ＡＶＲ单片机工作状态；而单片机对辐射计输出的信号进行Ａ／Ｄ转换及控制成像系统的机械扫描；并通 过书行接口将转换后的数字信号发送至ＰＣ机进行图像复原处理．对于发送至ＰＣ机内的图像信息，本文提出采用半二次正则 化算法进行复原处理，结果表明该算法可以有效提高毫米波图像分辨率。 关键词：毫米波；交流辐射计；ＡＶＲ单片机；半二次正则化；图像复原 中图分类号：ＴＰ７５２ ＴＰ７５１ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５１０．４０
（０７）。（ｂ）表示０’（６）的逆函数，０’（（ＤＸ）。）＝
芝Ｌ《竺兰里。当ｂ固定时，砂（６）是常数 ２￣／（ＤＸ）‘ 由上面两个性质，构成价格甬数： ．，幸（ｘ，６）＝ＩＩ ｙ一似Ｉ ２＋Ｏｔ∑｛（６）。［（蹦）２＋
第３０卷第５期 ２００９年５月
仪 器仪 表学 报
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｖｏｌ－３０ Ｎｏ．５ Ｍａｖ ２００９
毫米波交流辐射计成 像研究串
王桂丽“‘。李兴国‘ （１ 安徽师范大学物理与电子信息学院芜湖２４１００；２南京理丁大学毫米波光波近感技术研究所南京２１００９４）
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－ｗａｖｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ
Ｗａｎｇ Ｇｕｉｌｉ １一，Ｌｉ Ｘｉｎｇｇｕ０２
（，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ａｎｈｕｉ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈｕ ２４１０００，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＭＭＷ ａｎｄ Ｌｉｇｈｔ Ｗａｖｅ Ｎｅａｒ—ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮＵＳＴ，№彬ｎｇ ２１００９４，Ｃｈｉｎａ）