毫米波亚毫米波全息成像技术.

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的安检方式之一。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。

美国“9.11”恐怖主义事件的发生，给人们敲响了加强安检的警钟。实际上对于人体隐匿物体的探测一直都是一个技术难题，对人体安检的要求是在对人无害的前提下快速区分携带的不同隐匿物体，一些常用的探测方法在人体上宣布失效。例如用高能射线可对行李物品进行有效探测，但是对人体伤害很大，不能用于日常的人体检查；红外探测取决于物体的温度，区分不同物体的能力不强，并且只能得到人体表面图像，不能发现隐匿的违禁物品；金属探测器则对塑料等非金属物品束手无策。毫米波探测技术结合了微波和红外的优点，在具有一定的穿透能力条件下保留了较为理想的图像分辨率，是人体安检的最理想选择。

毫米波不仅可以判别不同物理属性的物体，而且可以判别同一物体的不同状态。当人体正常组织发生病变或损伤时，其物理温度和介电特性发生改变，一般病变部位温度要比周围正常组织高1K，从而引起毫米波的辐射和散射能力的变化，通过毫米波成像就可以判断人体病灶的区域和病变程度等信息。毫米波可以穿透人体表层至大约2mm的深度，可以对早期皮肤癌、脂肪瘤和淋巴结炎等组织异常和病变进行检测，从而早发现早治疗。另外现代军用飞机和舰船等都在大力发展隐身技术，即减小目标的雷达散射截面积，一种有效方法是使用吸波涂层。而黑体辐射理论表明，物体的吸收率越高，其发射率也就越高，也就越容易为被动探测技术所发现。因此被动毫米波成像探测作为一种反隐身技术在近炸引信或末敏弹上具有不可替代的作用。

1 近程毫米波成像技术综述

毫米波成像体制按照被动和主动体制分为两大类，被动主要有焦平面全功率辐射计配合机械扫描、焦平面凝视阵列、相控阵波束形成和被动合成孔径，主动主要有合成孔径和全息成像。

焦平面多通道阵列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，这类系统的优点是用较少的通道就能成像，成本较低，技术难度小，容易实现，其不足是成像时间长，很难满足实时性要求。

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。

相对于相控阵波束形成，毫米波被动合成孔径成像技术难度较低，容易工程实现。它是利用了空域的相位相干性，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，采用有效的成像算法可进一步减少阵元个数，降低系统的成本，现在国内有相关样机和产品问世。

主动合成孔径成像和主动全息成像属于同一种成像理念，都是近程成像体制，只不过一个是时域，一个是空域。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。而主动全息成像则特别适合近程毫米波成像，其图像分辨率高，成像质量好，是近程毫米波成像的首选体制，下面详细介绍。

2 近程毫米波全息成像原理

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。其成像过程为：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，最后进行三维逆Fourier变换后取模得到三维像。

毫米波宽带全息成像原理如图1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。

图1 毫米波宽带全息成像原理

设照射源的宽带信号经过(,,)

X Y处的接

x y z处的目标散射后，回波信号被在(,)

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： 1(,,)(,,)exp(i )d d d E X Y A x y z x y z r ω=-????K r (1) 式中式中(,,)A x y z 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：

(,,)FT[(,,)]E X Y E X Y t ω= (2) 此时?K r 的点积为：

()()()x y z x X K y Y K z R K ?=-+-+-K r (3)

式中x K 、y K 和z K 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：

(,,)

(,,)exp{i[()()()]}d d d d d (,,)exp[i()]exp(i )d d x y z x y F x y z x y z x y E X Y A x y z x X K y Y K z R K K K x y z A K K K XK YK RK K K ω=--+-+-=+-???????

(4)

上式使用了三维Fourier 变换，即有：

3(,,)FT [(,,)](,,)exp[i()]d d d F x y z x y z A K K K A x y z A x y z xK yK zK x y z ==-++??? (5) 此时式(4)又是一个二维逆Fourier 变换，忽略常数项，有：

2(,,)IFT [(,,)exp(i )]F x y z z E X Y A K K K RK ω=- (6) 综合式(5)和式(6)可得：

23(,,)IFT {FT [(,,)]exp(i )}z E X Y A x y z RK ω=- (7) 对上式作逆变换，可得到毫米波全息成像的成像公式为：

32(,,)IFT {FT [(,,)]exp(i )}z A x y z E X Y RK ω= (8) 式(8)就是宽带的近程毫米波主动阵列全息成像公式。其中的z K 有以下关系： 2222x y y K K K K ++= (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：

/2z c B ?= (10)

式中c 为光速，B 为带宽。

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，如图2所示。

图2 两种线扫描阵列成像系统

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。另外也可以天线固定，目标原地转动，但这会给成像带来不便。

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。平面扫描也可以目标固定天线扫描，这在遥感和航天航空上应用较多，但对于近程成像则不太适合。

在允许的成像时间内采用最大的积分

束关系：

2(11) 例如取λ=200×200的毫米波图像为例，设转向时间占10%4通道接收前端，成像时间小于半分钟。

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3所示，其定位误差在十分之一个波长以内。

图3 成像系统机械扫描结构图

4 硬件设计

成像系统的前端简化总体结构如图4所示，系统发射的毫米波信号经过目标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采样后，送入计算机进行成像。

图4 成像系统机械扫描结构图

美国报道了采用0.75m口径的一维线阵天线，扫描高度2.0m，分别可以工作在35GHz、90GHz和350GHz，统采用介质端射天线，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，其系统简化组成图如图5所示。扫描时

各阵元依次独立工作，成像分辨率小于1mm。后来对上述系统进行了宽带改造，替换了某些器件，由VCO控制Gunn二极管产生宽带毫米波辐射源，经宽波束天线发射，再由相同的天线接收，然后同耦合过来的本振信号混频，得到两路正交的信号。Ka波段线阵工作在27GHz-33GHz，中频输出600MHz，带宽2.5MHz。由于两个阵列交错放置，电路控制一个天线发射时其相邻的2个天线接收，因此实际可采127点，垂直采512点，频率采64点，对应采样间隔为5.7mm、3.9mm和64MHz。频率扫描时间20us，每个频点积分时间为0.3us。Ku波段发射功率为10mW，天线处的辐射功率密度为1mW/cm2，30cm处的小于0.04mW/cm2。Ka波段的辐射功率为50mW，天线处的功率密度为4mW/cm2，30cm处的小于0.01mW/cm2，都小于ANSI/IEEE C95.1-1992规定10mW/cm2的安全标准。

图5 成像系统机械扫描结构图

另一个是由2个7英尺(约2m)的192(共384)阵元的阵列沿圆周扫描，一个收一个发。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，且没有焦深限制。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，快速依次扫描工作，也就是说同一时刻只有一个阵元在照射而另一个阵元在接收，每个阵元工作10ms，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

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、高分辨全息成像算法和成像特性分析、图像处理算法以及目标识别算法等等，如图6所示。

图6 成像系统的信号处理流程

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大时宽带宽积的发射信号，同时也要易于硬件实现，为成像提供先决条件。

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，包括边界元法进行任意形状成像以及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、Radon-Wigner变换和小波变换等算法，来消除非线性相位的影响；寻找合适的算法克服成像的病态和相干斑抑制等等。在不改变成像系统硬件设备前提下，上述方法都可以从一方面或者多方面提高成像的质量，但是往往以牺牲其它性能为代价，因此没有绝对优良成像算法，只有根据不同的应用环境提出不同的性能指标，综合考虑后设计相应的成像算法。

高分辨率成像算法生成的图像还有进一步提高图像质量的空间，那就是图像处理技术，包括图像恢复和图像增强等技术。图像恢复通过已经获得的降晰图像以及先验知识来求解原始图像，去除成像系统的影响，恢复图像中被抑制的高频成分。因此首先要研究成像特性，为图像恢复和系统改进提供理论基础，其中主要是图像的降晰特性，如病态、畸变和离焦模糊等，以便于有针对性的通过各种补偿对降晰图像进行图像的提高分辨率恢复。另外根据毫米波全息成像在不同领域的应用，还会有其它不同

的约束，有针对性的对图像进行处理，如分解降噪和极大似然恢复等。另一方面，图

像恢复也可以通过在频域解析延拓，使图像的频谱拓展，从而实现在空域上插值，突

破瑞利限，这也称作超分辨率。图像增强可以加强图像的可观性，增加了视觉效果，

例如增加对比度，去掉模糊和噪声，修正几何畸变等，有目的地强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，扩大图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，满足某些特殊分析的需要，也是图像处理不可或缺的工具。

目标识别直接面向应用，是指在对图像经过分析后，对感兴趣的目标，如手枪、炸药和刀具等危险品进行自动警报。信号处理的另一个重点是隐私保护问题。毫米波全息成像系统具有高分辨和穿透能力，因此个人隐私一直为人们争论的焦点。为此要从图像中删除个人体征，保护个人隐私。

6 应用

现阶段在近程毫米波成像方面走在世界前列的是美国运输安全部(Transportation Security Administration，原美国能源部)下的西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)的McMakin和Sheen等人，经过十几年的探索，研制出了基于圆柱扫描的三维全息成像系统，并且实现了毫米波成像系统的商业化。侧向分辨率可达到5mm，距离向分辨率为15mm，成像时间为 1.5s。这项技术已经授权L-3 Communications, SaveView有限公司和Intellifit公司，其产品分别用于安检和试选服装，如图7所示。

(a) 原理图(b) 用于安检(c) 试选服装(d) 三维毫米波图像

图7 圆柱机械扫描毫米波三维全息成像系统

早在1993年他们就用首台样机在机场进行了试验，成像距离0.4m，每人前后左右共取4个像，耗时40s，线阵扫描速度是1m/s，图像分辨率128×512。1996年1月，他们又在Washington的Sea-Tac国际机场对改进的两个波段的宽带毫米波平面扫描成像系统进行了全面测试和评估，测试目的是检测人体隐匿的金属、塑料和陶瓷武器等。共计对21人取得了超过7000张图片，重点分析了系统的一些探测性能，其中探测概率分别达到了Ku波段82.24%和Ka波段72.57%，虚警概率Ku波段34.48%

和Ka波段30.98%，探测灵敏度Ku波段1.48K和Ka波段1.22K，而探测偏差Ku波段-0.313K和Ka波段-0.064K。同时还给出了两个波段对于目标处于人体不同位置时和不同目标的探测概率，其中在大腿内侧的目标探测概率最低，约为66%，小腿处最高，约为83%-90%。而目标中Glock手枪探测概率最高，在96%以上，塑料最难于检测，只有60%左右。另外还知道了武器探测的最佳频率是30GHz到100GHz。1997年，对毫米波全息和超声波全息进行了对比。用100GHz-110GHz (波长 2.9mm)和24GHz-40GHz (波长9.4mm)的毫米波和中心频率49.4KHz (波长6.7mm)的超声波进行对比，结果毫米波全息成像的质量要好于超声波全息。到2001年，平面扫描三维毫米波全息系统成像以及算法都已经成熟，所成图像较为理想，能够应用于实际，如图8所示。

图8 毫米波圆柱扫描全息成像系统所成人体模特像

自2003年起他们又开拓许多新的研究领域，如邮件扫描和手持350GHz扫描设备等。其中太赫兹成像是以后的重点，研制的手持350GHz亚毫米波样机在10s内能够对20m以内的目标成三维像，在5m处的分辨率1.0cm，其发展潜力较大。