毫米波亞毫米波全息成像技術(shù)

毫米波亞毫米波全息成像技術(shù)為了防范恐怖襲擊，許多國家都加強了機場和車站等公共場合的安檢措施，其中近程毫米波成像技術(shù)就是最簡捷有效的安檢方式之一。毫米波兼具有微波與紅外的優(yōu)點，有一定的穿透能力，可以根據(jù)散射能量的大社區(qū)分不同物理屬性的物體。近年來毫米波器件的不斷發(fā)展和人們需求的不斷提高，使得近程毫米波成像技術(shù)可以在醫(yī)療、導航和交管等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。美國“9.11”恐怖主義事件的發(fā)生，給人們敲響了加強安檢的警鐘。事實上對于人體隱匿物體的探測一直都是一個技術(shù)難題，對人體安檢的規(guī)定是在對人無害的前提下快速區(qū)分攜帶的不同隱匿物體，一些常用的探測方法在人體上宣布失效。例如用高能射線可對行李物品進行有效探測，但是對人體傷害很大，不能用于平常的人體檢查；紅外探測取決于物體的溫度，區(qū)分不同物體的能力不強，并且只能得到人體表面圖像，不能發(fā)現(xiàn)隱匿的違禁物品；金屬探測器則對塑料等非金屬物品束手無策。毫米波探測技術(shù)結(jié)合了微波和紅外的優(yōu)點，在具有一定的穿透能力條件下保存了較為抱負的圖像分辨率，是人體安檢的最抱負選擇。毫米波不僅可以判別不同物理屬性的物體，并且可以判別同一物體的不同狀態(tài)。當人體正常組織發(fā)生病變或損傷時，其物理溫度和介電特性發(fā)生改變，一般病變部位溫度要比周邊正常組織高1K，從而引起毫米波的輻射和散射能力的變化，通過毫米波成像就可以判斷人體病灶的區(qū)域和病變限度等信息。毫米波可以穿透人體表層至大約2mm的深度，可以對初期皮膚癌、脂肪瘤和淋巴結(jié)炎等組織異常和病變進行檢測，從而早發(fā)現(xiàn)早治療。此外現(xiàn)代軍用飛機和艦船等都在大力發(fā)展隱身技術(shù)，即減小目的的雷達散射截面積，一種有效方法是使用吸波涂層。而黑體輻射理論表白，物體的吸取率越高，其發(fā)射率也就越高，也就越容易為被動探測技術(shù)所發(fā)現(xiàn)。因此被動毫米波成像探測作為一種反隱身技術(shù)在近炸引信或末敏彈上具有不可替代的作用。1近程毫米波成像技術(shù)綜述毫米波成像體制按照被動和積極體制分為兩大類，被動重要有焦平面全功率輻射計配合機械掃描、焦平面凝視陣列、相控陣波束形成和被動合成孔徑，積極重要有合成孔徑和全息成像。焦平面多通道陣列全功率輻射計配合機械掃描成像技術(shù)是當今毫米波成像技術(shù)的重要類型，這類系統(tǒng)的優(yōu)點是用較少的通道就能成像，成本較低，技術(shù)難度小，容易實現(xiàn)，其局限性是成像時間長，很難滿足實時性規(guī)定。焦平面凝視陣列和相控陣波束形成體制成像速度快，但是需要接受陣元較多，導致其技術(shù)復雜度和成本較高，因此這兩種體制并沒有得到廣泛應用。相對于相控陣波束形成，毫米波被動合成孔徑成像技術(shù)難度較低，容易工程實現(xiàn)。它是運用了空域的相位相干性，由多個真實孔徑的小天線通過信號解決合成一個大孔徑天線，還可以采用稀疏陣列技術(shù)，采用有效的成像算法可進一步減少陣元個數(shù)，減少系統(tǒng)的成本，現(xiàn)在國內(nèi)有相關(guān)樣機和產(chǎn)品問世。積極合成孔徑成像和積極全息成像屬于同一種成像理念，都是近程成像體制，只但是一個是時域，一個是空域。積極合成孔徑成像重要用于遙感成像，用機載雷達成像，國內(nèi)外研究較為成熟。而積極全息成像則特別適合近程毫米波成像，其圖像分辨率高，成像質(zhì)量好，是近程毫米波成像的首選體制，下面具體介紹。2近程毫米波全息成像原理全息成像可以獲得目的的三維毫米波圖像，可以還原目的真實形狀，提高分辨率和靈敏度，同時也提高了目的記別概率。全息成像運用電磁波的相干原理，通過采集空間干涉條紋，記錄目的上每個散射點的衍射圖樣，最后通過圖像重建就可得到目的的毫米波圖像。其成像過程為：系統(tǒng)依次接受帶寬中每個頻點的回波，得到空間三維數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)通過Fourier變換到空間頻率域，也就是把回波表達成一定范圍內(nèi)的不同方位角和俯仰角以及不同波數(shù)的平面波的疊加。然后把每一個平面波分量通過相位補償，反演到目的的實際三維距離分布，最后進行三維逆Fourier變換后取模得到三維像。毫米波寬帶全息成像原理如圖1所示，在OXY平面有二維天線接受陣列，在距離OXY平面R處有目的所在的oxy平面。圖1毫米波寬帶全息成像原理設(shè)照射源的寬帶信號通過處的目的散射后，回波信號被在處的接受天線接受，把收到的信號和本振信號進行下變頻然后低通濾波，此時可得到每個頻率點的信號為： (1)式中式中為目的輻射的復振幅分布，K為圓波數(shù)，r為距離，在三維空間里，K和r都是矢量，為它們的矢量點積。為時域信號對時間維進行Fourier變換后的信號，即： (2)此時的點積為： (3)式中、和為K的各向分量。把球面波展開，表達成平面波的疊加，然后再把式(3)代入式(2)可得： (4)上式使用了三維Fourier變換，即有： (5)此時式(4)又是一個二維逆Fourier變換，忽略常數(shù)項，有： (6)綜合式(5)和式(6)可得： (7)對上式作逆變換，可得到毫米波全息成像的成像公式為： (8)式(8)就是寬帶的近程毫米波積極陣列全息成像公式。其中的有以下關(guān)系： (9)寬帶陣列全息成像公式還要對時間維進行解決，以得到目的的距離信息。距離向的分辨率可由下式計算： (10)式中c為光速，B為帶寬。3機械掃描系統(tǒng)實際制作一個大的毫米波二維接受陣列，成本高不說，其技術(shù)上也是很難實現(xiàn)的，綜合考慮成本和成像速度，采用一維線陣列配合機械掃描是比較可行的方案。實際中比較實用的掃描方式有圓柱掃描和平面掃描兩種，如圖2所示。圖2兩種線掃描陣列成像系統(tǒng)圓柱掃描一般采用目的固定，天線陣列沿圓柱面掃描，適合于對體積較小的靜止目的成像，這種成像方法可以對目的進行全方位成像，得到的目的的信息較多。此外也可以天線固定，目的原地轉(zhuǎn)動，但這會給成像帶來不便。平面掃描則是天線固定，目的作勻速直線運動，適合運動目的成像，特別是面目的，但獲得的信息量較少。平面掃描也可以目的固定天線掃描，這在遙感和航天航空上應用較多，但對于近程成像則不太適合。掃描速度要綜合考慮積分時間和成像時間，在允許的成像時間內(nèi)采用最大的積分時間以提高系統(tǒng)靈敏度。此外根據(jù)前面的討論，掃描速度和積分時間應當有以下的約束關(guān)系： (11)例如取和，則。以成200×200的毫米波圖像為例，設(shè)轉(zhuǎn)向時間占10%，積分時間降到2ms，回程采集數(shù)據(jù)，配合研制的4通道接受前端，成像時間小于半分鐘。成像樣機的機械掃描裝置的主體結(jié)構(gòu)是滑塊絲杠結(jié)構(gòu)，滑塊帶動接受前端由絲杠牽引進行掃描，如圖3所示，其定位誤差在十分之一個波長以內(nèi)。圖3成像系統(tǒng)機械掃描結(jié)構(gòu)圖4硬件設(shè)計成像系統(tǒng)的前端簡化總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)發(fā)射的毫米波信號通過目的散射后被接受天線接受，信號通過環(huán)流器后分為兩路，分別和兩路(其中一路延時)本振信號進行混頻，得到正交的兩路I、Q信號，通過放大器放大和AD采樣后，送入計算機進行成像。IIQ90o0o0o0oRFLO圖4成像系統(tǒng)機械掃描結(jié)構(gòu)圖美國報道了采用0.75m口徑的一維線陣天線，掃描高度2.0m，分別可以工作在35GHz、90GHz和350GHz，統(tǒng)采用介質(zhì)端射天線，天線陣列為二進制開關(guān)樹結(jié)構(gòu)，是由2個64元子線陣交錯重疊組成，子陣陣元距離為1.3個波長，兩個子陣相距1.5個波長，上面的用于接受，下面的用于發(fā)射，其系統(tǒng)簡化組成圖如圖5所示。掃描時各陣元依次獨立工作，成像分辨率小于1mm。后來對上述系統(tǒng)進行了寬帶改造，替換了某些器件，由VCO控制Gunn二極管產(chǎn)生寬帶毫米波輻射源，經(jīng)寬波束天線發(fā)射，再由相同的天線接受，然后同耦合過來的本振信號混頻，得到兩路正交的信號。Ka波段線陣工作在27GHz-33GHz，中頻輸出600MHz，帶寬2.5MHz。由于兩個陣列交錯放置，電路控制一個天線發(fā)射時其相鄰的2個天線接受，因此實際可采127點，垂直采512點，頻率采64點，相應采樣間隔為5.7mm、3.9mm和64MHz。頻率掃描時間20us，每個頻點積分時間為0.3us。Ku波段發(fā)射功率為10mW，天線處的輻射功率密度為1mW/cm2，30cm處的小于0.04mW/cm2。Ka波段的輻射功率為50mW，天線處的功率密度為4mW/cm2，30cm處的小于0.01mW/cm2，都小于ANSI/IEEEC95.1-1992規(guī)定10mW/cm2的安全標準。收發(fā)器收發(fā)器ADC接受機成像顯示器2m掃描圖5成像系統(tǒng)機械掃描結(jié)構(gòu)圖另一個是由2個7英尺(約2m)的192(共384)陣元的陣列沿圓周掃描，一個收一個發(fā)。系統(tǒng)采用FMCW外差收發(fā)機，分辨率可達成5mm，距離向分辨率為15mm，且沒有焦深限制。每個192元子陣由一個單刀3擲開關(guān)模塊驅(qū)動3個64元子陣，而每一個64元子陣由一個單刀8擲開關(guān)模塊驅(qū)動此外8個單刀8擲開關(guān)模塊，并保證從輸入到每路輸出的途徑長度基本相等。工作時每個陣元通過電子控制，快速依次掃描工作，也就是說同一時刻只有一個陣元在照射而另一個陣元在接受，每個陣元工作10ms，此時其它陣元處在關(guān)閉狀態(tài)，用6ms的時間掃描從26GHz到30GHz的4GHz的帶寬。事實上這個系統(tǒng)是單通道掃描體制成像，一維是電掃描，另一維是機械掃描。5信號解決近程毫米波全息成像的信號解決包含內(nèi)容較多，涉及波形設(shè)計與信號分析、高分辨全息成像算法和成像特性分析、圖像解決算法以及目的記別算法等等，如圖6所示。信號發(fā)射信號發(fā)射高分辨成像圖像解決目的記別各種補償圖6成像系統(tǒng)的信號解決流程對目的進行高質(zhì)量三維成像，發(fā)射信號是成像質(zhì)量的重要決定因素之一，因此必須設(shè)計合理的寬帶毫米波照射源信號。寬帶全息需要設(shè)計高性能的大時寬帶寬積的發(fā)射信號，同時也要易于硬件實現(xiàn)，為成像提供先決條件。成像算法直接影響系統(tǒng)質(zhì)量，是成像中的主體部分。數(shù)字信號傳入微機，可以通過多種方式靈活解決?；诠残蚊娴母道锶~變換成像算法具有方便和簡樸的特點，對毫米波全息成像起了重要的作用。但是隨著成像系統(tǒng)應用環(huán)境的變化和對圖像質(zhì)量規(guī)定的提高，如近距離的球面和柱面等曲面目的成像，單一的成像算法已不能滿足各種高性能的成像規(guī)定。尋求新的成像算法來填補傅里葉變換成像算法的局限性，以適應各種環(huán)境下對目的進行高分辨率成像，涉及邊界元法進行任意形狀成像以及分布源邊界點法進行傳遞矩陣的誘導計算，球面或者柱面坐標系下的成像算法；引入各種時頻分析算法，如分數(shù)階傅里葉變換、Radon-Wigner變換和小波變換等算法，來消除非線性相位的影響；尋找合適的算法克服成像的病態(tài)和相干斑克制等等。在不改變成像系統(tǒng)硬件設(shè)備前提下，上述方法都可以從一方面或者多方面提高成像的質(zhì)量，但是往往以犧牲其它性能為代價，因此沒有絕對優(yōu)良成像算法，只有根據(jù)不同的應用環(huán)境提出不同的性能指標，綜合考慮后設(shè)計相應的成像算法。高分辨率成像算法生成的圖像尚有進一步提高圖像質(zhì)量的空間，那就是圖像解決技術(shù)，涉及圖像恢復和圖像增強等技術(shù)。圖像恢復通過已經(jīng)獲得的降晰圖像以及先驗知識來求解原始圖像，去除成像系統(tǒng)的影響，恢復圖像中被克制的高頻成分。因此一方面要研究成像特性，為圖像恢復和系統(tǒng)改善提供理論基礎(chǔ)，其中重要是圖像的降晰特性，如病態(tài)、畸變和離焦模糊等，以便于有針對性的通過各種補償對降晰圖像進行圖像的提高分辨率恢復。此外根據(jù)毫米波全息成像在不同領(lǐng)域的應用，還會有其它不同的約束，有針對性的對圖像進行解決，如分解降噪和極大似然恢復等。另一方面，圖像恢復也可以通過在頻域解析延拓，使圖像的頻譜拓展，從而實現(xiàn)在空域上插值，突破瑞利限，這也稱作超分辨率。圖像增強可以加強圖像的可觀性，增長了視覺效果，例如增長對比度，去掉模糊和噪聲，修正幾何畸變等，有目的地強調(diào)圖像的整體或局部特性，將本來不清楚的圖像變得清楚或強調(diào)某些感愛好的特性，擴大圖像中不同物體特性之間的差別，克制不感愛好的特性，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強圖像判讀和辨認效果，滿足某些特殊分析的需要，也是圖像解決不可或缺的工具。目的記別直接面向應用，是指在對圖像通過度析后，對感愛好的目的，如手槍、炸藥和刀具等危險品進行自動警報。信號解決的另一個重點是隱私保護問題。毫米波全息成像系統(tǒng)具有高分辨和穿透能力，因此個人隱私一直為人們爭論的焦點。為此要從圖像中刪除個人體征，保護個人隱私。6應用現(xiàn)階段在近程毫米波成像方面走在世界前列的是美國運送安所有(TransportationSecurityAdministration，原美國能源部)下的西北太平洋國家實驗室(PacificNorthwestNationalLaboratory)的McMakin和Sheen等人，通過十幾年的探索，研制出了基于圓柱掃描的三維全息成像系統(tǒng)，并且實現(xiàn)了毫米波成像系統(tǒng)的商業(yè)化。側(cè)向分辨率可達成5mm，距離向分辨率為15mm，成像時間為1.5s。這項技術(shù)已經(jīng)授權(quán)L-3Communications,SaveView有限公司和Intellifit公司，其產(chǎn)品分別用于安檢和試選服裝，如圖7所示。(a)原理圖(b)用于安檢(c)試選服裝(d)三維毫米波圖像圖7圓柱機械掃描毫米波三維全息成像系統(tǒng)早在1993年他們就用首臺樣機在機場進行了實驗，成像距離0.4m，每人前后左右共取4個像，耗時40s，線陣掃描速度是1m/s，圖像分辨率128×512。1996年1月，他們又在Washington的Sea-Tac國際機場對改善的兩個波段的寬帶毫米波平面掃描成像系統(tǒng)進行了全面測試和評估，測試目的是檢測人體隱匿的金屬、塑料和陶瓷武器