基于斜下视全方位扫描的毫米波成像实验

张艳梅, 笪 敏, 戚仁涛, 尹治平

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 光电技术研究院,安徽 合肥 230009)



基于斜下视全方位扫描的毫米波成像实验

张艳梅1,2, 笪 敏2, 戚仁涛2, 尹治平2

(1.合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 光电技术研究院,安徽 合肥 230009)

文章提出一种新的毫米波成像方案,该方案采用一对收发天线沿圆周扫描,以斜下视模式完成对目标的360°全方位回波数据采集,然后通过后向投影(back projection,BP)算法进行成像。利用矢量网络分析仪、喇叭天线和高精度转台搭建了成像实验平台,并完成了针对钢珠、尖刀、剪刀、矿泉水和食用油等一系列目标实物的成像实验,不仅验证了该系统具有毫米波级的成像分辨率,而且证实了该系统对藏匿于纺织物下危险品的成像能力和对不同材质物体的区分能力。

后向投影;转台;高分辨率;毫米波成像;安检

0 引 言

近年来,毫米波成像技术在安检、医疗诊断等方面得到了越来越广泛的重视和应用,利用毫米波成像对隐藏于箱包和衣物下的违禁品检测已成当前的一种技术趋势。毫米波成像技术分为机械扫描和电子扫描2种方式。文献[1-2]利用一对毫米波收发天线对成像区域进行遍历扫描,完成回波数据采集,然后经后期数据处理对目标成像,该方法属于纯机械扫描,成本低,但扫描时间过长。文献[3-5]提出了毫米波阵列全息成像的概念,通过一组面阵收发天线对目标区域进行快拍来成像,该方法属于纯电子扫描,成像速度快,但硬件成本太高。文献[6]将机械扫描和电子扫描2种方法有机结合,提出了一种新的方法通过一组线阵收发天线沿直线轨迹或者圆形轨迹运动扫描的方式对目标成像,尽管减少了收发天线,但其成本仍然较高。

本文提出一种新的成像方案,用一对收发天线沿圆周扫描,以斜下视模式完成对目标的全方位数据采集,然后通过后向投影(back projection,BP)算法进行成像。该方案只需一对收发天线,成本较低,且圆周扫描1圈即可完成数据采集,成像速度较快,更重要的是由于采集回波为360°全方位数据,成像分辨率很高,本文发射信号在Ka波段时理论分辨率可达2 mm左右,而文献[7-8]是多发多收的合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)模式,且文献[7]分辨率达1 cm左右。本文利用1台矢量网络分析仪、1对喇叭天线、1个高精度转台搭建了基于斜下视全方位扫描的毫米波成像实验平台,并完成了一系列的实验。

1 成像模型

成像模型如图1所示,发射天线和接收天线选用喇叭天线,水平放置,天线的波束宽度为18°,两天线中心距离用W表示,转台中心到2个天线连线中点的水平距离用L表示,天线距离转台平面的垂直距离用H表示,转台的半径用r表示。如果发射天线的主瓣比较宽,那么对于位于转台上的目标,可以近似认为天线是无方向性照射,图1所示的天线下视角为：

试验系统参数如下:工作模式为转台,频率为28～38 GHz,频率点数M为256,波束宽度为18°,工作带宽B为10 GHz,总转角θ为0°～360°,角度间隔为0.5°,角度样点N为720,工作波长为0.009 m,发射功率为10 dBm,高度H为0.6 m,地距为1.255 m,转台半径r为0.25 m,转台速度v为0.690(°)/s,天线间距W为0.04 m。

图1 目标成像模型

实验过程中,收发天线静止,目标随转台以z轴为中心转动,此过程等同于目标不动,而天线围绕着目标转动,可以实现对目标的360°全方位扫描。矢量网络分析仪发射大带宽频率步进信号,接收回波经过傅里叶逆变换(inverse Fourier transform,IFFT)处理后,可以获得目标在雷达视线上的高分辨距离像,同时目标相对雷达的转动可实现垂直于雷达视线的切向分辨能力,从而完成毫米波转台雷达目标的成像。

这种360°全方位观测的成像模型具有以下特点和优势:① 该系统结构比较简单,只需单发单收2个天线,成本较低;② 能够获取目标在各方向的散射特征,提高目标识别和分类精度;③ 拓展波束域支撑域分布,提高成像分辨率,理论分辨率达毫米量级。因此本文所设计的成像方案很适合用于隐匿违禁品检测等安检应用。

2 BP成像原理和理论分辨率

为了获得高分辨率的目标像,本文所提方案采用360°全方位扫描,传统逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar,ISAR)转台成像的算法都是针对小角度转动的,无法适用于全方位转角成像。本文采用一种普适性较强的BP算法来实现成像,该算法不受转动角度大小的限制,可以对目标进行全方位成像,具有成像精度高、鲁棒性好等优点。

2.1 圆迹BP成像原理

BP算法源于计算机层析成像技术[9],由McCorkle首先引入到SAR成像处理中来。文献[10]提出了一种快速分解后向投影(fast factorized back projection,FFBP)算法,但目前仅用在仿真中,还不能应用到对实测数据的处理中。文献[11]提出了Rice-CFAR算法,文献[12]提出了马尔科夫随机场(Markov random fields,MRF)算法,但目前这2种算法只能用于小角度的SAR中,还不能用于圆迹SAR中。

圆迹BP算法几何结构如图2所示,将目标区域划分成M×N的网格,选定某点(xi,yj)作为研究对象,雷达的位置设为(x0,y0,z0)=(Rcosθ,Rsinθ,H),实验中,雷达发射的信号可认为是频率步进信号,发射信号设为p(t),回波信号为s(t),则雷达距目标点(xi,yj)的距离为:

(1)

则雷达位置从发送到接收的双程延时为:

(2)

其中,c为光速。

图2 圆迹BP算法几何结构

本文BP算法的主要流程如图3所示。

图3 BP算法流程

该算法的关键步骤如下:

(1) 在θ∈[0,2π)的区间中每隔θ/N的位置(Rcosθ,Rsinθ,H)获得目标区域的雷达回波信号,N表示角度域的采样间隔,对回波信号进行距离向压缩。

(2) 在每个角度都求雷达到目标的距离延迟τij,则函数变为p(t-τij)。

(3) 对每个角度的雷达回波信号进行相位补偿,补偿因子为exp[-j2πfc/(cRij)],其中,fc为雷达发射机的载波频率。

(4) 对所有角度的雷达信号相位补偿后,对成像区域的每个像素点到雷达相对位置的回波信号进行幅度上的相干叠加。

(5) 重复步骤(1)～步骤(4),即可求出整个目标区域的值,最终得到目标的二维BP成像图。

总的来说,该算法在每个观测角上进行相位补偿后,最终实现幅度上的相干叠加,因此成像结果比较精确。

2.2 理论分辨率分析

由图2可知,雷达平台在一个和地面平行的平面上以半径R的圆形路径移动,视线角θ范围为[0,2π],轨迹中心用(0,0,H)表示。假设雷达位置为(x0,y0,z0),假设有一个反射率为σa的任意目标a坐标为(xa,ya,za),Ra(θ)为雷达到目标a的距离,即

(3)

则回波函数为:

(4)

且

(5)

其中,滤数k=2πf/c；c为光速；f为瞬时频率。

根据相位调制信号的傅里叶属性[7],横坐标x和纵坐标y的瞬时波数可以通过求相位函数Φ的一阶偏导得到:

(6)

则有：

kx2+ky2=4k2

(7)

在二维条件下对(7)式进行讨论,则有:

(8)

令γ=∂β,

显然,kx和ky平面上的波数域分布为2个椭圆之间的部分,由此可知x和y方向的极限分辨率为:

(9)

根据图2的实验场景和实验参数可得:

即在图2和参数的实验场景下,得到x轴和y轴的分辨率约为2 mm。

3 实测数据成像

本实验以计算机为控制中心,利用自行研发的数据采集平台实现转台转动和数据采集的自动化,转台每转动360°即可获取各个方向的目标信息,得到一组含有目标的回波数据。在接收数据过程中转台处于动态,但因为转台转动速度远小于电磁波传播速度,所以在发射和接收时认为转台静止。实验中,为避免电磁波的多次反射、散射影响观测,在转台周围放置吸波材料,目标也放在吸波材料上,随转台一起转动。本文实验目标选用小钢珠(2个)、刀、剪刀、矿泉水和食用油,目标实物如图4所示。

采集目标360°的全方位回波数据,利用BP算法对实测回波数据处理的二维成像结果如图5所示。

图5 目标实物BP成像图

图4a为目标为直径6.3 mm小钢珠的实验场景图,2个钢珠放置的水平距离约为15 mm。从图5a可以看出，2个点目标的水平距离为15 mm,可见采用BP算法获得的图像聚焦性较好。

图5a的纵向剖面图如图6所示,从图6中可以计算得出纵坐标3 dB分辨率的宽度约2 mm,这个结果和上述理论分辨率在误差允许的范围内是一致的,从而在实验上证明了本文所选用频段的分辨率可以达到毫米级。

图6 钢珠的3 dB分辨率

图4b中,转台上面和周围放置吸波材料,刀放在转台上,对刀进行全方位扫描。采用BP算法对回波数据进行处理,得到的成像可以很清晰地看到刀柄和刀身；但因为刀身接近于镜面反射,刀柄是漫反射,所以刀柄反射的强度较高,但刀身的轮廓还是可以清晰地被看到。

图4c为目标剪刀的实验场景图,进行BP处理后得到成像结果如图5c所示。因为本实验具有毫米级的分辨率,所以从图5c可以很清楚地看出剪刀的形状。

图4d为盖有双层毛巾的剪刀实验场景图,同样转台上面和周围放置吸波材料,剪刀放在转台上,双层毛巾盖在剪刀上,对场景进行全方位扫描后,然后利用BP算法得到成像图5d,因为具有很高的分辨率,也可以很清楚地看出剪刀的形状,只是因为有毛巾的原因,与图5c相比较,图5d的剪刀手柄处稍微有一点散焦。可见毫米波频段可以穿透衣服、毛巾等遮挡物,证明该技术可以应用于安检中。

图5a是一瓶矿泉水(右边)和一瓶食用油(左边)的实验场景图,成像结果如图5e所示。因为水中含有各种矿物质溶解形成导电离子,具有一定的导电性,所以图5e中右边瓶装水的反射很强；左边的食用油属于绝缘体,因此反射强度相对较低。该实验是证实不同材质的液体的成像结果具有较好的区分度,进一步说明毫米波成像技术可以用在安检中。

4 结 论

本文设计了中心频率33 GHz、带宽10 GHz的毫米波斜下视全方位扫描成像实验系统。通过采集钢珠、刀、剪刀、水和油等不同目标的全方位信息,并通过BP算法获得了聚焦性较好的成像结果。本文通过实测实验证实了本方案的高分辨率成像能力及其用于安检的可行性,因此未来有望在违禁品安检、工业无损探测及非接触式医学检测等领域发挥重要作用。

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(责任编辑 闫杏丽)

Millimeter wave imaging experiments based on inclined side omnidirectional scanning

ZHANG Yanmei1,2, DA Min2, QI Rentao2, YIN Zhiping2

(1.School of Computer and Information, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Institute of Opto-electronic Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

A new millimeter wave imaging scheme is put forward, which uses a pair of sending and receiving antenna to scan along the circle and completes the 360-degree echo data collection for objective under the oblique view mode, then constructs the image by means of back projection(BP) arithmetic. The imaging experimental platform is set up by using the vector network analyzer, horn antenna and high precision turntable and a series of imaging experiments on objectives such as steel ball, sharp knife, scissor, mineral water, edible oil and so on are accomplished. The results show that this system has millimeter wave imaging resolution, and it has imaging ability for hazardous article hidden under textiles and distinguishing ability for the objects with different materials.

back projection(BP); turntable; high resolution; millimeter wave imaging; security check

2015-09-14；

2016-01-05

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(61401140)

张艳梅(1989-),女,河南周口人,合肥工业大学硕士生; 尹治平(1980-),男,湖南常宁人,博士,合肥工业大学副研究员,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.010

TN953.6

A

1003-5060(2016)11-1488-05