微波成像

微波成像

微波是频率在300MHz～300GHz，相应波长为1m～1mm的电磁波。与无线电波相比，微波具有频率高、频带宽、信息容量大、波长短、能穿透电离层和方向性好等特点，

微波成像是指以微波作为信息载体的一种成像手段，其原理是用微波照射被测物体，然后通过物体外部散射场的测量值来重构物体的形状或(复)介电常数分布。由于介电常数大小与生物组织含水量密切相关，故微波成像非常适合对生物组织成像，当大的不连续性限制了超声波成像的效率，生物组织的低密度限制了X射线的使用时，微波却可以发挥独特的作用，获得其它成像手段无法获得的信息。微波成像具有安全、成本低、理论上可对温度成像等特点

成像是个逆散射的问题，其根据散射的回波信号反演提取目标特征信息。现在，为人们所熟知的X光、激光、声波、微波、毫米波等多种成像技术，只是选择的信息载体与目标的相互作用不同而已。而微波成像是依赖电磁波与目标的相互作用，从散射回波信号中挖掘、提取目标信息，重构目标特征。

其主要困难在于微波波长与被测生物体尺寸接近，衍射作用明显，不能使用类似于X射线的投影成像方法，只能采用更加复杂的基于逆散射的反演算法

作为成像反演计算出发的电磁散射方程，不但是一个非线性方程，求解困难，计算耗时长，而且属于病态方程，求解是不稳定的，微小误差会造成计算结果的巨大偏离

微波CT

微波成像过程中广泛使用最初是应用于医学上CT图像重建的一种方法,时域紧缩场微波成像算法与此类似,其原理是:将成像区域内的每一个分辨单元视为一个辐射点,首先得到某辐射点在各角度下的辐射功率,将这些功率相加即可得到该辐射点的总辐射强度。求出该目标成像区域内所有辐射点的辐射功率强度,对这些功率归一化后逐个描点,即可得到成像区域的灰度图。

从发射出来的微波作用到生物体，将有(1)直射穿过生物组织的波，又称为透射波；(2)经生物体衍射和反射从斜偏方向入射来的波；(3)投射到生物体内部的微波激励生物组织，发出属于微波范围的电磁波。以上三种方式的电磁波都将在接收天线上反映出来，并被信号检测装置检测出来，用以构成不同形式的微波CT。基于(1)工作原理的微波CT称为透射型CT，

基于(2)工作原理的微波CT称为衍射型CT，以上两种又统称为主动型CT。基于(3)工作原理的CT称为被动型CT。

微波CT的硬件系统所发射出的微波作用到生物体之后，使生物体的电

学参数如介电常数和电导率发生了变化，数据采集部件把这些表示电学参

数变化的电信号进行捕捉、放大、数字化后存入计算机，此后的工作就是

计算机采用一定的算法，建立相应的数学模型对这些数据进行分析、处理，进而进行图像重建，显示生物体内的图像。建立怎样的数学模型，采取什

么样的算法才能更好地重建图像，是从事微波CT 研究的一个焦点问题。

微波CT与X射线CT、核磁共振CT、超声CT相比有着以下的优点: (1)由于微波的吸收主要取决于组织的电导率，为此，同X线CT相比，微波CT 对软组织中的肌肉、脂肪之类电导率明显不同的组织更具识别能力; (2)由于癌组织与正常组织的微波衰减常数之差远远大于X射线吸收系数之差，

微波CT与X射线CT相比更容易分辨出癌组织; (3)与超声CT相比，因为

超声波在空气多的组织中衰减很大，一般不能获得肺内部图像，而微波在

空气中的衰减很小，容易获得肺内部图像; (4)微波成像其技术源于通讯技术，采用低功率探测辐射，属于非电离辐射，不像X射线那样具有较强的

损伤性，属于无损成像，具有较高的安全性; (5)与核磁共振相比，除具有无损成像的安全性之外，它的造价低廉，容易推广

微波层析成像方法是将低功率微波射向被测物体，在微波的激励下，

被测物产生一个散射场，该散射场与被测物内部的复介电常数分布有关。

通过对散射场的测量，得到被测物的相对介电常数及电导率(即复介电常数) 的分布，进行相应的信息处理后就可获得被测物内部目标的微波层析图像。

微波热声成像是微波脉冲对生物体进行照射，部分微波能量迅速被组

织吸收并转换成热量，组织内部温度升高，相对组织表面形成温度梯度。

由于电磁波传播速度远大于声波的传播速度，可以认为微波照射导致的热

膨胀在瞬间发生。生物组织产生应变力，从而向外传播热声波。热声成像

其实质就是由热声波信号逆向计算出热声源或微波吸收率的空间分布，微波热声成像技术两个最基本的条件:一个是足够的成像分辨率;另一

个是足够的穿透深度。

SAR技术

微波成像侦察目前的主要手段是合成孔径雷达SAR，它是自五十年代后期发展起来的一种微波成像雷达。

空间微波成像雷达有真实孔径成像雷达与合成孔径成像雷达之分,二

者均为侧视雷达。真实孔径的空间分辨率较低(约为1km～2km 量级) ,但是比较简单和经济,对于一些大规模自然现象的观测(例如冰山定位,海冰分

布和海面风场测量,热带气旋和水下地震引起的海啸探测等)也是有效的。

合成孔径成像雷达则有高得多的空间分辨率(可达数米以下) ,是一种全天

候、全天时的高分辨率微波遥感成像雷达。SAR是运动的雷达对固定的目标和地表成像，ISAR通常是指地面雷达对空中运动的目标成像。

雷达成像的一般原理是利用宽带信号技术来获得目标散射中心在距离上的高分辨率,然后利用运动目标的多普勒信息,获得散射中心在横向距离上的高分辨率。两者相结合就可以获得对目标的二维或三维分辨率,从而使目标的多维高分辨率成像得以实现。