趙宇姣, 成彬彬, 劉 杰, 姜濟(jì)群, 喻 洋

(1. 中國工程物理研究院電子工程研究所, 四川 綿陽 621900; 2. 中國工程物理研究院微系統(tǒng)與 太赫茲研究中心, 四川 成都 610200; 3. 公安部第一研究所北京 100048)

0 引 言

近年來,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,毫米波成像系統(tǒng)的性能得到了迅速提升。毫米波具有良好的穿透性,能夠有效實現(xiàn)對目標(biāo)的高分辨檢測,在人體安檢[1-3]、汽車防撞[4-5]、氣象探測[6-8]等領(lǐng)域的有著廣泛的應(yīng)用。在近場安檢成像技術(shù)中,目標(biāo)的機動性、非合作性與環(huán)境的復(fù)雜性對毫米波安檢系統(tǒng)的實時性能提出了較高要求。目前,國內(nèi)外的近場安檢系統(tǒng)多采用一維電動掃描與一維機械掃描相結(jié)合的方式[9]。以美國西北太平洋國家實驗室(pacific northwest national laboratory,PNNL)研發(fā)的毫米波安檢系統(tǒng)ProVision為例,系統(tǒng)包括兩個一維線陣,分別沿半個圓柱面對目標(biāo)進(jìn)行掃描[10-11],掃描時間1.5 s[12]。該體制安檢系統(tǒng)的缺點主要在于受機械運動的限制,掃描時間相對較長,人體的呼吸作用或輕微移動容易導(dǎo)致成像結(jié)果的模糊[13]。基于平面陣結(jié)構(gòu)[14-15]的安檢系統(tǒng)為精確、實時的近場高分辨率成像提供了可能。以德國羅德與施瓦茨(Rohde & Schwarz)公司研發(fā)的安檢系統(tǒng)QPS 200為例,系統(tǒng)集成了3 072個發(fā)射天線與3 072個接收天線,掃描時間小于25 ms[16];該系統(tǒng)采用貼片式天線結(jié)構(gòu)[17],當(dāng)天線的間距較小時,耦合信號會影響射頻接收機的正常工作,因此,在后端的信號處理中,需要將耦合較大的接收信號判為無效[18],降低了數(shù)據(jù)的利用率。本文以QPS系統(tǒng)的口字型面陣結(jié)構(gòu)為出發(fā)點,基于等效陣元均勻分布的原則[19-20],研究了適用于毫米波近場成像的二維稀疏面陣結(jié)構(gòu)。改進(jìn)的陣型結(jié)構(gòu)有效降低了臨近天線的耦合作用,簡化了后端信號處理的流程并提高了數(shù)據(jù)利用率。

1 陣列結(jié)構(gòu)與信號模型

1.1 基于口字型的稀疏面陣結(jié)構(gòu)

基于等效孔徑的概念,二維稀疏面陣的遠(yuǎn)場性能E(x,y)由發(fā)射孔徑aT(x,y)與接收孔徑aR(x,y)的二維卷積給出。在近場條件下,陣列性能E(x,y)會有所惡化,但仍可以借鑒等效孔徑的設(shè)計思路,通過增加冗余天線的方法,綜合考慮天線耦合、成像性能以及陣列結(jié)構(gòu)可擴展性等因素得到最優(yōu)的陣列結(jié)構(gòu)。

傳統(tǒng)的基于口字型布局的二維稀疏面陣結(jié)構(gòu)是一種對稱型的布局結(jié)構(gòu)。以QPS系統(tǒng)的陣列結(jié)構(gòu)為例,2N個發(fā)射天線與2N個接收天線均勻分布于“口”字的四邊,如圖1所示。

圖1 QPS系統(tǒng)的陣列結(jié)構(gòu)Fig.1 Sparse array structure of QPS system

為避免在方位及高度維出現(xiàn)混疊,根據(jù)空間采樣定理,相鄰發(fā)射(接收)天線的間距Δα需滿足

(1)

式中,θb為天線的波束寬度;λ為波長。

圖1中Δβ表示發(fā)射天線到接收天線的最小垂直距離,為保證等效陣元均勻分布,在QPS系統(tǒng)中,Δβ=Δα/2。圖1所示的陣列結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中取得了較好的成像效果[21-22],但其缺點在于發(fā)射天線與接收天線的距離太近,導(dǎo)致交叉耦合信號影響射頻接收通道的正常工作[9]。

1.2 改進(jìn)的稀疏面陣結(jié)構(gòu)

針對傳統(tǒng)口字型面陣結(jié)構(gòu)耦合信號過大的問題,本文研究了一種改進(jìn)的二維稀疏面陣結(jié)構(gòu),其等效孔徑與位置關(guān)系如圖2所示。圖2(a)為口字型二維稀疏面陣的等效孔徑示意圖,圖2(b)為收發(fā)天線的位置關(guān)系示意圖。

在改進(jìn)的稀疏面陣結(jié)構(gòu)中,Δβ=Δα,在保證等效陣元均勻分布的同時,增大了接收天線與發(fā)射天線的距離,減小了交叉耦合信號的強度。

記等效孔徑在方位及高度維的長度分別為La和Lh,而目標(biāo)到面陣所在平面的垂直距離為R,那么系統(tǒng)的方位維分辨率δa和高度維分辨率δh可以分別表示為

(2)

(3)

同時,系統(tǒng)的距離維分辨率δz則表示為

(4)

式中,c為光速;B為系統(tǒng)的工作帶寬。

1.3 目標(biāo)回波信號模型

在三維直角坐標(biāo)系下,發(fā)射天線到點目標(biāo)P的距離為rtx,接收天線到P的距離為rrx。因此,接收天線收到的目標(biāo)回波信號較發(fā)射信號的時延為

(5)

當(dāng)發(fā)射信號為線性調(diào)頻信號時,若記點目標(biāo)反射系數(shù)為σ(rtx,rrx),系統(tǒng)工作頻率和調(diào)頻斜率分別為fc和k,則目標(biāo)回波信號可以表示為

s(rtx,rrx,t)=σ(rtx,rrx)·ej2πfc[t-τ(rtx,rrx)]ejπk[t-τ(rtx,rrx)]2

(6)

記信道的處理增益為Γ,那么目標(biāo)回波信號經(jīng)去斜及混頻處理后得到的基頻回波可以表示為

sb(rtx,rrx,t)=σ(rtx,rrx)·Γ·ejπ[k·τ2(rtx,rrx)-fc·τ(rtx,rrx)]e-j2πkτ(rtx,rrx)t

(7)

式(7)中的基頻回波信號為單頻信號,其頻率由調(diào)頻斜率與回波時延的乘積決定。利用傅里葉變換完成對基頻回波信號的距離壓縮,記sb(rtx,rrx,t)的頻域響應(yīng)為Sb(rtx,rrx,f),那么利用后向投影算法可以重構(gòu)出點目標(biāo)P的反射強度，表達(dá)式為

,rrx,f)·ej2πfcτ(rtx,rrx)

(8)

式中,Ip為點目標(biāo)P的反射強度;Ntx和Nrx分別示發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量。利用式(8)對成像區(qū)域內(nèi)所有點進(jìn)行處理,則可以得到該區(qū)域的三維成像。

2 仿真分析

當(dāng)目標(biāo)位于成像區(qū)域的中心且與二維稀疏面陣的垂直距離為0.3 m時,其點目標(biāo)擴展函數(shù)的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 點目標(biāo)擴展函數(shù)仿真Fig.3 Simulated point spread function

由于等效陣元均勻分布于等效孔徑平面內(nèi),因此,點擴展函數(shù)在方位及高度維的特性基本一致,呈十字型結(jié)構(gòu)。根據(jù)式(2)～式(4)可以看出,在目標(biāo)距離R與系統(tǒng)參數(shù)λ、B一定的前提下,系統(tǒng)的縱向分辨率一定,而橫向分辨率僅與等效孔徑的長度有關(guān)。改進(jìn)的陣型結(jié)構(gòu)與QPS系統(tǒng)的陣型結(jié)構(gòu)的成像區(qū)域一致,故二者的等效孔徑長度一致,即兩種陣型結(jié)構(gòu)可以獲得同樣的空間分辨率。通過計算得到改進(jìn)的陣型的理論橫向分辨率為δa=δh=5.7 mm,縱向分辨率為δz=3 cm。點目標(biāo)擴展函數(shù)在方位及距離維的剖面如圖4(a)和圖4(b)所示,圖4(a)和圖4(b)中主瓣的寬度分別為6 mm和3 cm,與系統(tǒng)的理論分辨率一致。

3 近場成像實驗

本文的原理驗證實驗由單組收發(fā)天線通過機械掃描的方式完成。實驗系統(tǒng)包括主控計算機、毫米波收發(fā)信道、四軸龍門位移平臺以及收發(fā)天線。主控計算機基于美國國家儀器有限公司(national instruments, NI)控制平臺,利用NI FlexRIO模塊實現(xiàn)對信道及位移臺的觸發(fā)并完成對回波信號的實時采集及預(yù)處理。毫米波收發(fā)信道采用超外差結(jié)構(gòu),利用直接數(shù)字式頻率合成器(direct digital synthesizer, DDS)產(chǎn)生640～800 MHz的線性調(diào)頻信號,掃頻時間60 μs,基帶信號經(jīng)倍頻及上變頻鏈路后得到32～37 GHz的發(fā)射信號,經(jīng)發(fā)射天線向外輻射,發(fā)射功率為1 mW;經(jīng)接收天線收到的目標(biāo)回波信號在接收端與參考信號進(jìn)行混頻后得到中頻的回波信號,中頻回波信號經(jīng)同相正交(in-phase quadrature, IQ)解調(diào)后產(chǎn)生I、Q兩路基帶回波信號并由NI FlexRIO模塊進(jìn)行實時采集。原理驗證實驗中采用金屬仿真手槍作為成像目標(biāo),目標(biāo)距二維稀疏口字陣0.3 m,成像結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為目標(biāo)的光學(xué)照片,圖5(b)為目標(biāo)經(jīng)后向投影算法重構(gòu)的最大值投影結(jié)果。

對復(fù)雜目標(biāo)的三維成像實驗驗證了二維稀疏口字型面陣的成像能力。由于陣元數(shù)量減少,稀疏面陣在方位及高度維會引入柵瓣,但在該稀疏陣型中,適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計使得柵瓣位置距成像區(qū)域較遠(yuǎn),對目標(biāo)的重構(gòu)圖像影響較小,如圖5(b)所示。

4 結(jié) 論

本文從QPS系統(tǒng)的口字型面陣結(jié)構(gòu)出發(fā),基于等效孔徑的概念,綜合考慮等效陣元分布均勻性與天線耦合作用等因素,研究了適用于毫米波近場成像的二維稀疏面陣結(jié)構(gòu)。通過點擴展函數(shù)仿真證明了該陣型結(jié)構(gòu)可以獲得與相同尺寸密集陣一致的理論分辨率,并利用原理驗證平臺完成了對復(fù)雜目標(biāo)的三維成像,進(jìn)一步證明了該陣型結(jié)構(gòu)在毫米波波段的近場成像能力。下一步將開展對該陣型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)集成以及快速成像算法的研究。