微波近场成像方法研究[1]

第39卷第4期(总第154期)

2010年12月

火控雷达技术

F ire Control R ada r T echnology

V o.l 39N o .4(Se ries 154)

D ec .2010

收稿日期:2010-08-31

作者简介:周子超,男,1985年生,硕士研究生。研究方向为雷达电路与系统

微波近场成像方法研究

周子超 李重阳

(西安电子工程研究所 西安 710100)

=摘要>提出一种适用于机场隐匿物体探测、走私以及其它场合安检的毫米波成像方法。使用的成像方法是用天线在x -y 平面上进行扫描,利用接收到的目标散射回波的相位及其幅度信息重建目标的二维像。对二维重建算法进行详细的推导,并对该算法进行计算机仿真,仿真结果表明该算法

不但可以准确重建目标的二维像,而且具有良好的分辨率。

关键词:毫米波成像;电磁散射;目标重建中图分类号:TN92 文献标志码:A

文章编号:1008-8652(2010)04-004-05

Study onM icro wave I m agingM ethod in Near F ield

Zhou Zichao ,Li Chongyang

(X i c an E lectronic Engineering R esearch Instit u te ,X i c an 710100)

Abst ract :A m illi m eter -w ave i m ag i n g m et h od is presented for detection of concealed ob jec,t contraband at a irports

and safety check in other positions .The proposed i m ag i n g m et h od is to scan over the x -y plane by usi n g the anten -na ,and to reconstr uct 2-d i m ensional i m age of the ob ject by usi n g the rece i v ed phase and a m plitude infor m ati o n o f t h e target scattering echo .A 2-di m ensi o na l i m age -reconstructi o n algor ithm is deduced i n deta i,l w hich is si m u lated w it h a co m puter .The si m ulated resu lt sho w s t h at the algorithm can not on l y reconstruct 2-d i m ensi o na l i m age o f the tar ge,t bu t also the i m age w ith perfect reso l u ti o n .

K eywords :m illi m eter -w ave i m aging ;electr o m agnetic scatteri n g ;target reconstructi o n

1 引言

微波近场成像与雷达成像一样,它也是一种电磁逆散射问题,简单地说就是已知目标的散射近场和入射场,逆推或反演表征目标几何特征或物理特征的目标函数。当目标处于天线的近场菲涅尔区时,电磁波以球面波形式作用于目标,入射和散射波前均近似呈球面特征,使成像反演具有一般性。正是由于其具有一般性,使其潜在的应用更具广泛性,故国内外许多学者就此纷纷展开了研究[1~8]

,其中Joaqui m Fortuny 对三维近场合成孔径雷达成像算法做了系统的研究[6]

。由于在军事、安检等方面的需求,H. D.Co llins 等研发的实时全息监视系统利用角谱后向传播理论实现对目标的重建

[1]

;为了实现

对人体隐匿物品的探测,D.M.Sheen 等根据电磁

波的传播关系及色散关系,通过数学上的严格推导,成功实现了对目标的三维重建

[2,3,4]

;日本学者Yuji

Saka m oto 等利用近场菲涅尔近似实现了对物体的重建。相对于国外,国内学者在微波成像方面起步较晚,但通过摸索也取得了一定的进展[7,8,10]

。本文从电磁波的传播关系出发,对成像的基本原理进行详细的推导,同时根据其算法利用MATLAB 对成像结果进行仿真,在此基础上通过分别改变天线的扫描范围以及目标平面和天线扫描面的距离,分析了其对成像空间分辨率的影响。

2 成像算法分析

211 成像的基本原理

考虑一个位于z =0的平面,称为目标平面。我

第4期 周子超等:微波近场成像方法研究

们把与z =0平行、相距z =z 0的平面称为天线扫描平面,L x ,L y 分别为天线的空间扫描范围;L c x ,L c y 分别为目标所在的范围,其几何配置如图1所示。当天线发射单元在点(x c ,y c ,z 0)处发射频率为f 的信号照射目标后,经目标点(x ,y,0)反射后,再由天线接收回波信号。假设散射点(x,y ,0)的反射系数为f (x ,y ),则回波信号的相位延时可表示为:

2k

(x -x c )2

+(y -y c )2

+z 2

(1)

那么天线在点(x c ,y c ,z 0)处接收到的回波信号可表

示为:s(x c ,y c )=k

f (x ,y )#exp (-j 2k

(x -x c )2

+(y -y c )2

+z 2

0)dxdy (2)

式中k =

2P

K =2P f

c

是波数,K 是波长,c 是电磁波的速度。由于随着距离的增加导致的信号幅度的衰减对成像结果影响较小,故在此不作考虑。

图1 成像几何关系图

通过对(2)式的分析,我们可以看出指数项表示一个从(x c ,y c )处发射的球面波,因此它可以分解为平面波的叠加,则有:exp (-j 2k

(x -x c )2+(y -y c )2+z 2

0)=

k

exp (jk c x

(x c -x )+jk c y

(y c -y )+jk z z 0

)dk c x

dk c y

(3)

上式的积分区间被限制在2k 的范围内,其中k c x 、k c y 、

k z 分别表示波数k y

在x 、y 、z 方向的频率分量。将(3)式代入(2)式可得:s(x c ,y c )=

k k

f(x,y )exp (-j(k c x x +k c y y ))dxdy #

exp (j (k c x x c +k c y y c +k z z 0))dk c x dk c y (4)

由于改变积分变量的表达形式不会对结果产生影

响,故利用傅里叶变换的关系可得:

F (k x ,k y )=FT 2D {f (x ,y )}(5)

s (x,y )=

k

F (k x ,k y )e jkz

0e

j(k x x+k y y)dk x dk y

(6)s (x,y )=FT -1

2D [F (k x ,k y )e jk z z 0

]

(7)F (k x ,k y )=FT 2D [s (x,y )]e

-jk z z 0

(8)

于是我们可以通过对(8)式作傅里叶逆变换得到目标的像:

f (x,y )=FT -1

2D [FT 2D [s(x,y )]e

-jk z z 0

](9)

根据电磁波的色散关系有: k 2

x +k 2

y +k 2

z =(2k)2

(10) k z =

4k 2

-k 2

x -k 2

y

(11)

因此重建算法的最终可表示为:f (x,y )=FT -12D [FT 2D [s(x,y )]e -j

4k 2-k 2x -k 2y z 0

](12)

上式中的e

-j

4k 2-k 2x -k 2y z 0

相当于一个匹配滤波器,成像

流程可用框图2表示。

图2 成像流程图

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