毫米波亚毫米波全息成像技术概述.pptx
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1、主讲人:朱主讲人:朱 莉莉 副研究员南京理工大学 电光学院探测与控制工程系毫米波、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。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 TRW公司 Trex公司 Millivision公司 And
2、rews公司国外公司的近程毫米波成像系统以及所成的毫米波图像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 国内样机所成的近程毫米波图像 1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 适用于近程成像的体制按被动和主动分:被动被动:单/多通道全功率辐射计+机械扫描焦平面凝视阵列相控阵波束形成被动合成孔径辐射计主动主动:合成孔径雷达全息成像 1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 1.1 单单/多通道全功率辐射计多通道全功率辐射计+机械扫描机械扫描单/多通道阵列焦平面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,这类系统的优点是通道少,成本低,难度小,
3、易实现,不足是时间长。1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 1.2 焦平面凝视阵列焦平面凝视阵列和相控阵波束形成相控阵波束形成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。1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 1.3 被动合成孔径辐射计被动合成孔径辐射计难度较低,容易工程实现。它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,降低系统的成本,现在国内外有相关样机和产品问世。1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 1.4 主动合成孔径雷达
4、主动合成孔径雷达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。机载主动合成孔径雷达和所成的图像如下图所示。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 1.5 全息成像全息成像全息成像则特别适合近程毫米波成像,其图像分辨率高,质量好,是近程成像的首选体制。宽带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。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 系统依次接收带宽中每个
5、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,最后取模得到三维像。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理毫米波宽带全息成像原理如下图所示,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。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 设照射源的宽带信号经过(x,y,z)处的目标散射后,回波信号被在(X,Y)处的接收天线接收,把收到的信号和本振信号进行下变频然后低通滤波,此时
6、可得到每个频率点的信号为:(1)式中A(x,y,z)式中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,为它们的矢量点积。E(x,y,)为时域信号对时间维进行Fourier变换后的信号,即:(2)2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 此时K和r的点积为:(3)式中Kx、Ky和Kz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:(4)上式使用了三维Fourier变换,即有:(5)2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 此时式(4)又是一个二维逆Fourier变换,忽略常数项,有:(6)综合式(5)和式(
7、6)可得:(7)对上式作逆变换,可得到毫米波全息成像的成像公式为:(8)式(8)就是宽带的近程毫米波主动阵列全息成像公式。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 其中的Kz有以下关系:(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:(10)式中c为光速,B为带宽。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 近程毫米波亚毫米波全息成像的三大关键技术为:扫描技术扫描技术硬件设计硬件设计信号处理信号处理3 3 机械机械扫描系统扫描系统 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
8、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圆柱扫描和平面扫描平面扫描两种,如下图所示。圆柱扫描 平面扫描3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.1 圆柱扫描圆柱扫描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。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.2 平面扫描平面扫描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。平面扫描也可目标固定天线扫描,例如飞机遥感等。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.3 单通道无惯性机械扫
9、描单通道无惯性机械扫描当系统采用单通道成像时就需要配合机械扫描系统,以实现速度和成本的均衡。摆动式的机械扫描,前端随转台扫描时的震动和在换向时减速和加速过程中惯性产生的震动,都对成像质量有很大影响。相对于摆动扫描,无惯性的圆周扫描更具有优势。无惯性机械扫描装置实现了机械扫描系统与前端和数据采集系统分离,可以分开独立控制,增加了系统的稳定性。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 这套装置全部都采用反射面,光路设计和系统实现相对较简单,其主要特征是由两个反向同步旋转的圆楔反射面来实现垂直方向的线扫,圆楔面每转动一周,其在场景中的扫描轨迹近似为一个狭长的椭圆。这套扫描系统应用在四通道成像系统,成像速度为
10、1Hz。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 上面扫描系统用狭长的椭圆近似直线,也可以直接进行圆形扫描,然后通过图像处理校正各个点的位置,合成图像。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.4 扫描系统设计实例扫描系统设计实例单通道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,如图所示,其定位误差在十分之一个波长以内。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.5 扫描速度扫描速度 扫描速度要综合考虑积分时间和成像时间,在允许的成像时间内采用最大的积分时间以提高系统灵敏度。另外根据前面的讨论,扫描速度和积分时间应该有以下的约束关系:如 取=8mm和=2ms,则 v2m/
11、s。以 成2m2m的毫米波图像为例,设转向时间占10%,积分时间降到2ms,回程采集数据,配合研制的4通道接收前端,成像时间半分钟左右。4 4 硬件设计硬件设计 4.1 总体设计总体设计成像系统硬件主要由天线、信号源、混频器、放大器、采样器以及信号处理器等构成,如下图所示。毫米波信号经环流器由天线向外辐射,经目标散射后回波信号又被天线接收,然后和本振信号混频得到零中频信号,经过放大器和滤波器后的信号进入AD采样得到离散的数字信号。4 4 硬件设计硬件设计 4.2 前端设计前端设计成像系统的前端结构如图所示,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(
12、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,进行成像。IQ90000RFLO4 4 硬件设计硬件设计 4.3 基于平面扫描系统的硬件设计基于平面扫描系统的硬件设计采用0.75m口径的一维线阵天线,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,扫描高度2.0m。收发器ADC接收机成 像显示器2m扫描4 4 硬件设计硬件设计 4.4 基于圆柱扫描系统的硬件设计基于圆柱扫描系统的硬件设计由2个7英尺(约2m)的192(共384)阵元的阵列沿圆周扫描,一个发射一
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