張艷梅, 笪 敏, 戚仁濤, 尹治平

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009)

?

基于斜下視全方位掃描的毫米波成像實(shí)驗(yàn)

張艷梅1,2, 笪 敏2, 戚仁濤2, 尹治平2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 光電技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009)

文章提出一種新的毫米波成像方案,該方案采用一對(duì)收發(fā)天線沿圓周掃描,以斜下視模式完成對(duì)目標(biāo)的360°全方位回波數(shù)據(jù)采集,然后通過后向投影(back projection,BP)算法進(jìn)行成像。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、喇叭天線和高精度轉(zhuǎn)臺(tái)搭建了成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并完成了針對(duì)鋼珠、尖刀、剪刀、礦泉水和食用油等一系列目標(biāo)實(shí)物的成像實(shí)驗(yàn),不僅驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有毫米波級(jí)的成像分辨率,而且證實(shí)了該系統(tǒng)對(duì)藏匿于紡織物下危險(xiǎn)品的成像能力和對(duì)不同材質(zhì)物體的區(qū)分能力。

后向投影;轉(zhuǎn)臺(tái);高分辨率;毫米波成像;安檢

0 引 言

近年來,毫米波成像技術(shù)在安檢、醫(yī)療診斷等方面得到了越來越廣泛的重視和應(yīng)用,利用毫米波成像對(duì)隱藏于箱包和衣物下的違禁品檢測(cè)已成當(dāng)前的一種技術(shù)趨勢(shì)。毫米波成像技術(shù)分為機(jī)械掃描和電子掃描2種方式。文獻(xiàn)[1-2]利用一對(duì)毫米波收發(fā)天線對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行遍歷掃描,完成回波數(shù)據(jù)采集,然后經(jīng)后期數(shù)據(jù)處理對(duì)目標(biāo)成像,該方法屬于純機(jī)械掃描,成本低,但掃描時(shí)間過長(zhǎng)。文獻(xiàn)[3-5]提出了毫米波陣列全息成像的概念,通過一組面陣收發(fā)天線對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行快拍來成像,該方法屬于純電子掃描,成像速度快,但硬件成本太高。文獻(xiàn)[6]將機(jī)械掃描和電子掃描2種方法有機(jī)結(jié)合,提出了一種新的方法通過一組線陣收發(fā)天線沿直線軌跡或者圓形軌跡運(yùn)動(dòng)掃描的方式對(duì)目標(biāo)成像,盡管減少了收發(fā)天線,但其成本仍然較高。

本文提出一種新的成像方案,用一對(duì)收發(fā)天線沿圓周掃描,以斜下視模式完成對(duì)目標(biāo)的全方位數(shù)據(jù)采集,然后通過后向投影(back projection,BP)算法進(jìn)行成像。該方案只需一對(duì)收發(fā)天線,成本較低,且圓周掃描1圈即可完成數(shù)據(jù)采集,成像速度較快,更重要的是由于采集回波為360°全方位數(shù)據(jù),成像分辨率很高,本文發(fā)射信號(hào)在Ka波段時(shí)理論分辨率可達(dá)2 mm左右,而文獻(xiàn)[7-8]是多發(fā)多收的合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)模式,且文獻(xiàn)[7]分辨率達(dá)1 cm左右。本文利用1臺(tái)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、1對(duì)喇叭天線、1個(gè)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)搭建了基于斜下視全方位掃描的毫米波成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并完成了一系列的實(shí)驗(yàn)。

1 成像模型

成像模型如圖1所示,發(fā)射天線和接收天線選用喇叭天線,水平放置,天線的波束寬度為18°,兩天線中心距離用W表示,轉(zhuǎn)臺(tái)中心到2個(gè)天線連線中點(diǎn)的水平距離用L表示,天線距離轉(zhuǎn)臺(tái)平面的垂直距離用H表示,轉(zhuǎn)臺(tái)的半徑用r表示。如果發(fā)射天線的主瓣比較寬,那么對(duì)于位于轉(zhuǎn)臺(tái)上的目標(biāo),可以近似認(rèn)為天線是無方向性照射,圖1所示的天線下視角為：

試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如下:工作模式為轉(zhuǎn)臺(tái),頻率為28～38 GHz,頻率點(diǎn)數(shù)M為256,波束寬度為18°,工作帶寬B為10 GHz,總轉(zhuǎn)角θ為0°～360°,角度間隔為0.5°,角度樣點(diǎn)N為720,工作波長(zhǎng)為0.009 m,發(fā)射功率為10 dBm,高度H為0.6 m,地距為1.255 m,轉(zhuǎn)臺(tái)半徑r為0.25 m,轉(zhuǎn)臺(tái)速度v為0.690(°)/s,天線間距W為0.04 m。

圖1 目標(biāo)成像模型

實(shí)驗(yàn)過程中,收發(fā)天線靜止,目標(biāo)隨轉(zhuǎn)臺(tái)以z軸為中心轉(zhuǎn)動(dòng),此過程等同于目標(biāo)不動(dòng),而天線圍繞著目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的360°全方位掃描。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射大帶寬頻率步進(jìn)信號(hào),接收回波經(jīng)過傅里葉逆變換(inverse Fourier transform,IFFT)處理后,可以獲得目標(biāo)在雷達(dá)視線上的高分辨距離像,同時(shí)目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)垂直于雷達(dá)視線的切向分辨能力,從而完成毫米波轉(zhuǎn)臺(tái)雷達(dá)目標(biāo)的成像。

這種360°全方位觀測(cè)的成像模型具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):① 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,只需單發(fā)單收2個(gè)天線,成本較低;② 能夠獲取目標(biāo)在各方向的散射特征,提高目標(biāo)識(shí)別和分類精度;③ 拓展波束域支撐域分布,提高成像分辨率,理論分辨率達(dá)毫米量級(jí)。因此本文所設(shè)計(jì)的成像方案很適合用于隱匿違禁品檢測(cè)等安檢應(yīng)用。

2 BP成像原理和理論分辨率

為了獲得高分辨率的目標(biāo)像,本文所提方案采用360°全方位掃描,傳統(tǒng)逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthetic aperture radar,ISAR)轉(zhuǎn)臺(tái)成像的算法都是針對(duì)小角度轉(zhuǎn)動(dòng)的,無法適用于全方位轉(zhuǎn)角成像。本文采用一種普適性較強(qiáng)的BP算法來實(shí)現(xiàn)成像,該算法不受轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小的限制,可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位成像,具有成像精度高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 圓跡BP成像原理

BP算法源于計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)[9],由McCorkle首先引入到SAR成像處理中來。文獻(xiàn)[10]提出了一種快速分解后向投影(fast factorized back projection,FFBP)算法,但目前僅用在仿真中,還不能應(yīng)用到對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理中。文獻(xiàn)[11]提出了Rice-CFAR算法,文獻(xiàn)[12]提出了馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)(Markov random fields,MRF)算法,但目前這2種算法只能用于小角度的SAR中,還不能用于圓跡SAR中。

圓跡BP算法幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示,將目標(biāo)區(qū)域劃分成M×N的網(wǎng)格,選定某點(diǎn)(xi,yj)作為研究對(duì)象,雷達(dá)的位置設(shè)為(x0,y0,z0)=(Rcosθ,Rsinθ,H),實(shí)驗(yàn)中,雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)可認(rèn)為是頻率步進(jìn)信號(hào),發(fā)射信號(hào)設(shè)為p(t),回波信號(hào)為s(t),則雷達(dá)距目標(biāo)點(diǎn)(xi,yj)的距離為:

(1)

則雷達(dá)位置從發(fā)送到接收的雙程延時(shí)為:

(2)

其中,c為光速。

圖2 圓跡BP算法幾何結(jié)構(gòu)

本文BP算法的主要流程如圖3所示。

圖3 BP算法流程

該算法的關(guān)鍵步驟如下:

(1) 在θ∈[0,2π)的區(qū)間中每隔θ/N的位置(Rcosθ,Rsinθ,H)獲得目標(biāo)區(qū)域的雷達(dá)回波信號(hào),N表示角度域的采樣間隔,對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行距離向壓縮。

(2) 在每個(gè)角度都求雷達(dá)到目標(biāo)的距離延遲τij,則函數(shù)變?yōu)閜(t-τij)。

(3) 對(duì)每個(gè)角度的雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償,補(bǔ)償因子為exp[-j2πfc/(cRij)],其中,fc為雷達(dá)發(fā)射機(jī)的載波頻率。

(4) 對(duì)所有角度的雷達(dá)信號(hào)相位補(bǔ)償后,對(duì)成像區(qū)域的每個(gè)像素點(diǎn)到雷達(dá)相對(duì)位置的回波信號(hào)進(jìn)行幅度上的相干疊加。

(5) 重復(fù)步驟(1)～步驟(4),即可求出整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的值,最終得到目標(biāo)的二維BP成像圖。

總的來說,該算法在每個(gè)觀測(cè)角上進(jìn)行相位補(bǔ)償后,最終實(shí)現(xiàn)幅度上的相干疊加,因此成像結(jié)果比較精確。

2.2 理論分辨率分析

由圖2可知,雷達(dá)平臺(tái)在一個(gè)和地面平行的平面上以半徑R的圓形路徑移動(dòng),視線角θ范圍為[0,2π],軌跡中心用(0,0,H)表示。假設(shè)雷達(dá)位置為(x0,y0,z0),假設(shè)有一個(gè)反射率為σa的任意目標(biāo)a坐標(biāo)為(xa,ya,za),Ra(θ)為雷達(dá)到目標(biāo)a的距離,即

(3)

則回波函數(shù)為:

(4)

且

(5)

其中,濾數(shù)k=2πf/c；c為光速；f為瞬時(shí)頻率。

根據(jù)相位調(diào)制信號(hào)的傅里葉屬性[7],橫坐標(biāo)x和縱坐標(biāo)y的瞬時(shí)波數(shù)可以通過求相位函數(shù)Φ的一階偏導(dǎo)得到:

(6)

則有：

kx2+ky2=4k2

(7)

在二維條件下對(duì)(7)式進(jìn)行討論,則有:

(8)

令γ=?β,

顯然,kx和ky平面上的波數(shù)域分布為2個(gè)橢圓之間的部分,由此可知x和y方向的極限分辨率為:

(9)

根據(jù)圖2的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)參數(shù)可得:

即在圖2和參數(shù)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下,得到x軸和y軸的分辨率約為2 mm。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像

本實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)為控制中心,利用自行研發(fā)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化,轉(zhuǎn)臺(tái)每轉(zhuǎn)動(dòng)360°即可獲取各個(gè)方向的目標(biāo)信息,得到一組含有目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)過程中轉(zhuǎn)臺(tái)處于動(dòng)態(tài),但因?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電磁波傳播速度,所以在發(fā)射和接收時(shí)認(rèn)為轉(zhuǎn)臺(tái)靜止。實(shí)驗(yàn)中,為避免電磁波的多次反射、散射影響觀測(cè),在轉(zhuǎn)臺(tái)周圍放置吸波材料,目標(biāo)也放在吸波材料上,隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。本文實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)選用小鋼珠(2個(gè))、刀、剪刀、礦泉水和食用油,目標(biāo)實(shí)物如圖4所示。

采集目標(biāo)360°的全方位回波數(shù)據(jù),利用BP算法對(duì)實(shí)測(cè)回波數(shù)據(jù)處理的二維成像結(jié)果如圖5所示。

圖5 目標(biāo)實(shí)物BP成像圖

圖4a為目標(biāo)為直徑6.3 mm小鋼珠的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖,2個(gè)鋼珠放置的水平距離約為15 mm。從圖5a可以看出，2個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的水平距離為15 mm,可見采用BP算法獲得的圖像聚焦性較好。

圖5a的縱向剖面圖如圖6所示,從圖6中可以計(jì)算得出縱坐標(biāo)3 dB分辨率的寬度約2 mm,這個(gè)結(jié)果和上述理論分辨率在誤差允許的范圍內(nèi)是一致的,從而在實(shí)驗(yàn)上證明了本文所選用頻段的分辨率可以達(dá)到毫米級(jí)。

圖6 鋼珠的3 dB分辨率

圖4b中,轉(zhuǎn)臺(tái)上面和周圍放置吸波材料,刀放在轉(zhuǎn)臺(tái)上,對(duì)刀進(jìn)行全方位掃描。采用BP算法對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到的成像可以很清晰地看到刀柄和刀身；但因?yàn)榈渡斫咏阽R面反射,刀柄是漫反射,所以刀柄反射的強(qiáng)度較高,但刀身的輪廓還是可以清晰地被看到。

圖4c為目標(biāo)剪刀的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖,進(jìn)行BP處理后得到成像結(jié)果如圖5c所示。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)具有毫米級(jí)的分辨率,所以從圖5c可以很清楚地看出剪刀的形狀。

圖4d為蓋有雙層毛巾的剪刀實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖,同樣轉(zhuǎn)臺(tái)上面和周圍放置吸波材料,剪刀放在轉(zhuǎn)臺(tái)上,雙層毛巾蓋在剪刀上,對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行全方位掃描后,然后利用BP算法得到成像圖5d,因?yàn)榫哂泻芨叩姆直媛?也可以很清楚地看出剪刀的形狀,只是因?yàn)橛忻淼脑?與圖5c相比較,圖5d的剪刀手柄處稍微有一點(diǎn)散焦?？梢姾撩撞l段可以穿透衣服、毛巾等遮擋物,證明該技術(shù)可以應(yīng)用于安檢中。

圖5a是一瓶礦泉水(右邊)和一瓶食用油(左邊)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖,成像結(jié)果如圖5e所示。因?yàn)樗泻懈鞣N礦物質(zhì)溶解形成導(dǎo)電離子,具有一定的導(dǎo)電性,所以圖5e中右邊瓶裝水的反射很強(qiáng)；左邊的食用油屬于絕緣體,因此反射強(qiáng)度相對(duì)較低。該實(shí)驗(yàn)是證實(shí)不同材質(zhì)的液體的成像結(jié)果具有較好的區(qū)分度,進(jìn)一步說明毫米波成像技術(shù)可以用在安檢中。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了中心頻率33 GHz、帶寬10 GHz的毫米波斜下視全方位掃描成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過采集鋼珠、刀、剪刀、水和油等不同目標(biāo)的全方位信息,并通過BP算法獲得了聚焦性較好的成像結(jié)果。本文通過實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了本方案的高分辨率成像能力及其用于安檢的可行性,因此未來有望在違禁品安檢、工業(yè)無損探測(cè)及非接觸式醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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(責(zé)任編輯 閆杏麗)

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

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401140)

張艷梅(1989-),女,河南周口人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 尹治平(1980-),男,湖南常寧人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副研究員,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.010

TN953.6

A

1003-5060(2016)11-1488-05