何志華,劉 濤,宋曉驥,陳 誠,金光虎,黃春琳,粟 毅

(國防科技大學 電子科學學院, 湖南 長沙 410073)

穿透成像雷達利用電磁波對介質(zhì)的穿透能力,對非金屬介質(zhì)內(nèi)部進行穿透成像,已被廣泛應用在探地、穿墻和建筑物透視等應用場景中[1-3]。在眾多穿透成像雷達系統(tǒng)中,高分辨穿透成像雷達是一類采用相干連續(xù)波并以距離平面投影成像為理論的穿透成像系統(tǒng),能夠以圖像形式直觀地顯示介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和異常,其高分辨率成像能力為無損穿透探測提供了新的技術手段[4-8]。相比非線性結(jié)探測、金屬探測器、無線信號探測、紅外信號探測等檢測手段,高分辨穿透成像雷達結(jié)果直觀、分辨特性好,可同時探測金屬和非金屬物體;相對于X射線背散射手段,其具有更好的穿透性和安全性,可應用于藏匿物品探測、非金屬材料無損檢測等領域[5, 9-13]。

針對不同應用需求,國內(nèi)外相關單位開展了一系列穿透成像雷達系統(tǒng)研制和應用方面的研究工作。典型的有:

1)莫斯科國立鮑曼技術大學研制成功RASCAN系列全息表層穿透雷達系統(tǒng),并系統(tǒng)地開展了地雷探測、建筑物和材料無損探測、考古探測、安全檢測等方面實際應用[10, 14-15]。RASCAN系列雷達采用連續(xù)波體制,工作在C波段,通過手動移動天線形成二維孔徑來采集回波信號,RASCAN系統(tǒng)記錄下來回波信號,全部掃描完成后,再通過處理軟件重建目標圖像。RASCAN系統(tǒng)穿透深度為分米級,分辨率在厘米級,其存在的問題主要是在探測時效性及易用性方面存在不足,即需要手動移動探頭完成掃描,不僅操作麻煩,精度難以保證,且耗時較長,100像素×100像素圖像掃描一般需要分鐘以上,而且成像處理是事后處理,非實時成像,難以滿足現(xiàn)場快速探測的應用需求。

2)為解決時效問題,RASCAN系統(tǒng)也設計了配套的自動行走裝置,可實現(xiàn)地面掃描成像,一定程度上提高了效率,但其設備質(zhì)量較大,未采用一體化設計方案,在自動化、便攜性和易用性方面有待提高。

3)美國GSSI公司推出的StructureScan Mini XT雷達[16]、加拿大Sensors &Software公司推出的Conquest系列產(chǎn)品[17]是針對墻內(nèi)鋼筋網(wǎng)探測應用的專用穿透成像雷達,這類系統(tǒng)采用時寬在納秒/亞納秒級的沖激脈沖波形體制獲得很大的帶寬以達成距離向高分辨能力,發(fā)射信號頻率范圍一般在1～2 GHz,通過手動掃描可實現(xiàn)墻內(nèi)鋼筋網(wǎng)探測,典型成像平面分辨率在5 cm左右。這類產(chǎn)品在集成度、易用性等方面優(yōu)勢明顯,但其分辨能力不能滿足毫米級高平面分辨率探測應用需求。

4)國防科技大學2013年研制成功穿透成像雷達樣機[18],該樣機集成了超寬帶電磁波收發(fā)組件、快速掃描機構(gòu)、數(shù)據(jù)處理與顯示等組件,質(zhì)量為5.8 kg,尺寸為30 cm×30 cm×29 cm,采用雙手操作實現(xiàn)掃描對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)和異常探測成像。

5)北京理工大學針對墻體淺埋小目標成像研制的探墻雷達系統(tǒng),重點解決了淺表層雜波抑制和近場高分辨成像等難題,可穿透2 cm木板和4 cm水泥板對小目標進行成像[19]。該系統(tǒng)工作在K波段,成像分辨率達到了毫米量級,采用陣列天線實現(xiàn)快速掃描探測[8],但也帶來了通道一致性、雷達穩(wěn)定性、耦合雜波增加等需要仔細解決的問題。杭州電子科技大學研制了一種寬帶微波全息成像雷達系統(tǒng)[6, 20],系統(tǒng)采用連續(xù)波工作體制,工作在C波段,集成了二維機械掃描裝置,按S形移動路徑往復掃描并覆蓋固定大小區(qū)域,一次掃描工作時間約40 s,成像分辨率在厘米量級。

兼顧毫米級高平面分辨率穿透成像和便攜易用的應用需求,本文提出了一種高分辨穿透成像雷達系統(tǒng)技術方案,介紹了系統(tǒng)工作原理,設計了系統(tǒng)的工作頻率、波形體制和掃描方式等,通過成像分辨率和穿透能力等實驗驗證了該技術方案的有效性和可行性。

1 穿透成像雷達技術方案

1.1 工作原理

穿透成像雷達利用電磁波對非金屬介質(zhì)的穿透性實現(xiàn)對介質(zhì)內(nèi)部的探測成像。微波段電磁波在非金屬介質(zhì)中具有很強的穿透能力,在傳播的過程中,遇到任何電磁特性不連續(xù)處都會產(chǎn)生散射。不同的空間位置探測后向散射的電磁波經(jīng)微波全息成像處理可合成介質(zhì)內(nèi)部電磁逆散射強度分布的高分辨率圖像,進而反映出介質(zhì)內(nèi)部物體結(jié)構(gòu)和異常等分布情況,其探測原理如圖1所示。

圖1 穿透成像雷達探測原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection principle of penetrating imaging radar

雷達探頭主動發(fā)射并接收電磁波信號,通過空間掃描獲取掃描區(qū)域后向散射回波,對散射回波進行成像等數(shù)據(jù)處理可得到高分辨二維圖像,還原出介質(zhì)內(nèi)不同目標散射系數(shù)的空間分布[21],從而直觀反映出異常區(qū)域或目標的輪廓,以及與周圍介質(zhì)的電磁特性差異,為異常辨識確認提供圖像依據(jù)。

設某時刻雷達探頭位于格點(x,y),其中,x表示橫向坐標、y表示縱向坐標,后向散射回波數(shù)據(jù)為s(x,y,ω)。成像處理包括空域二維快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)、波場偏移和空域二維快速逆傅里葉變換(inverse fast Fourier transform,IFFT)等步驟。首先對s(x,y,ω)進行空域FFT,得到二維波數(shù)譜S(kx,ky,k),其中,kx、ky分別表示視場橫向和縱向波數(shù)變量,總波數(shù)k=ω/v,ω表示電磁波角頻率,v表示電磁波在介質(zhì)中的傳播速度(以下簡稱波速)。然后利用式(1)乘以空間譜進行波場偏移[5, 20, 22]:

(1)

H(kx,ky,z0)=Aexp(jkzz0)

(2)

式中,考慮到指數(shù)項對成像聚焦起到主導作用,因此用常數(shù)A來替代幅度項。此時獲得的二維圖像為目標回波在雷達掃描平面上的空間投影,可以表示為:

p(x,y;z,v)=IFFT2D{S(kx,ky)×H(kx,ky,z0)}

(3)

當深度參數(shù)z0取為目標所在深度zt、波速參數(shù)v取介質(zhì)內(nèi)的波速vt時,可得到最優(yōu)二維圖像。實際條件下,可采用自聚焦成像處理來解決參數(shù)未知情況下的成像問題(參見第2.3節(jié)),采用雜波抑制方法抑制雜散和噪聲分量[23-24],采用增強成像方法提高成像分辨能力[25]。

1.2 系統(tǒng)體制設計

1.2.1 頻點選擇

頻點選擇主要由穿透成像雷達的分辨率和穿透深度決定,根據(jù)穿透成像工作原理[1],可達到的分辨率近似正比于介質(zhì)內(nèi)中心頻率對應的電磁波波長λc(反比于電磁波頻率):

(4)

與自由空間中的電磁波傳播不同,介質(zhì)對電磁波有較強的衰減作用。介質(zhì)中的雷達方程為:

(5)

式中:Pr為接收功率;Pt為發(fā)射功率;Ar和Gt是與天線有關的系數(shù);σ為目標的雷達散射截面積,由介質(zhì)內(nèi)目標的材質(zhì)、尺寸、目標與介質(zhì)背景的差異度等因素決定。α為衰減系數(shù),是與電磁波頻率、介質(zhì)的電磁屬性相關的變量,其簡化表達式為:

(6)

其中:ε=εrε0是介質(zhì)中的介電常數(shù),ε0為真空中的介電常數(shù);μ=μrμ0為介質(zhì)中的磁導率,μ0為真空中的磁導率,對于雷達的應用場景,μr的值一般為1;σe是介質(zhì)的電導率,與頻率、介質(zhì)的電磁屬性相關,反映了介質(zhì)對高頻電磁波的衰減效應。同等條件下,電導率越大,電磁波的能量損耗越大。

由分辨率表達式可知,分辨率隨頻率的增加單調(diào)增加;由介質(zhì)中的雷達方程可知,回波功率隨穿透深度的增加呈四次方衰減,隨頻率的增加呈指數(shù)衰減,穿透深度隨頻率增加迅速衰減。在穿透成像領域,具體采用何種頻率,暫無直接的計算方法,一般根據(jù)雷達的探測場景和應用需求,以理論公式為指導,結(jié)合反復實驗測試加以確定。在滿足分辨率要求的前提下確定頻點,通過合理的雷達系統(tǒng)設計實現(xiàn)高的穿透深度。為實現(xiàn)毫米級平面分辨率,本文選擇工作頻段為K波段[8, 12]。

1.2.2 波形體制選擇

在發(fā)射波形體制方面,雷達穿透探測應用常用的波形包括沖激脈沖體制和連續(xù)波體制。這兩類發(fā)射波形對比如表1所示,沖激脈沖體制發(fā)射超寬帶沖激信號,其脈沖時間寬度為納秒或亞納秒級,頻譜覆蓋范圍寬,具有距離分辨率較高、探測速度快的優(yōu)勢,常用于探地、穿墻探測等應用領域。連續(xù)波體制發(fā)射連續(xù)波信號,包括步進頻和線性調(diào)頻等信號形式,具有系統(tǒng)動態(tài)范圍高、能量利用率高的優(yōu)勢。沖激脈沖體制和連續(xù)波體制目前在實現(xiàn)上均比較成熟,考慮到高平面分辨率穿透成像應用對瞬時動態(tài)范圍、體積、質(zhì)量、能量利用率等的要求,本文優(yōu)選連續(xù)波體制。

表1 發(fā)射波形對比Tab.1 Comparison of waveform

1.2.3 掃描方式選擇

穿透成像雷達需要通過空間掃描重構(gòu)掃描區(qū)域圖像,常用的掃描方式包括手持探頭掃描[4, 10]、機械掃描[6]和電掃描[8]等,各方式的特點如表2所示。手持探頭掃描設備簡單,但掃描速度慢、位置精度低、可重復性差;電掃描方式掃描速度最快,但通道間隔離度不高,天線間隔小、設計難度大,成本相對較高;機械掃描兼有兩者優(yōu)勢,可實現(xiàn)自動化掃描,且重復性較高,采用單個收發(fā)探頭保證了一致性、低成本的優(yōu)勢,掃描速度也能滿足快速穿透成像要求。相對于手持掃描,電掃描和機械掃描由于采用了固定大小的掃描陣列或機械結(jié)構(gòu),其單次掃描覆蓋面積一般是固定的。本文采用機械掃描方式,通過采用極坐標空間采樣策略和輕量化掃描裝置進一步提高其掃描速度,詳見第2.1節(jié)。

表2 掃描方式對比Tab.2 Comparison of scanning methods

1.3 系統(tǒng)組成

為實現(xiàn)毫米級高分辨、便攜式穿透成像,本文采用的雷達系統(tǒng)的組成如圖2所示,主要由目標散射場獲取模塊、回波采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊、通信模塊和圖像顯示終端組成。

圖2 高分辨穿透成像雷達系統(tǒng)組成圖Fig.2 Diagram of a high-resolution penetrating imaging radar

目標散射場獲取模塊由一個微小型二維空間掃描裝置驅(qū)動一體化的雷達射頻前端,一體化雷達射頻前端具有雷達信號的發(fā)射和接收功能,在掃描裝置的驅(qū)動下完成二維空間高速、高密度散射回波采樣。目標散射場獲取模塊是該雷達系統(tǒng)的核心模塊,其中,微小型二維空間掃描裝置包括精密微型驅(qū)動桿和超小型精密陶瓷齒輪機構(gòu),在保證實現(xiàn)一體化雷達射頻前端進行二維空間高精度掃描的同時,大大減小目標散射場獲取模塊的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量;一體化雷達射頻前端模塊采用射頻收發(fā)部件和天線一體化設計方案,具體采用高集成度微波鏈路設計、多芯片組件設計、高集成度制作,保證了模塊的輕量化。

回波采集模塊接收獲取的回波信號,實現(xiàn)對回波信號的濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換,得到回波數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊完成回波數(shù)據(jù)預處理、自聚焦成像處理和圖像雜散噪聲抑制等步驟,得到二維高分辨圖像。通信模塊以無線的方式將圖像結(jié)果傳輸至圖像顯示終端,可進一步完成最優(yōu)聚焦圖像選擇、圖像顯示和保存等功能。控制模塊為目標散射場獲取模塊、回波采集模塊和通信模塊提供控制指令,協(xié)調(diào)完成目標散射場獲取、回波采集和通信傳輸功能。

2 穿透成像雷達實現(xiàn)關鍵技術

采用極坐標空間采樣技術、一體化雷達射頻前端技術和自聚焦成像處理技術等關鍵技術確保穿透成像雷達的探測速度、輕量便攜性和探測性能。

2.1 極坐標空間采樣技術

二維空間掃描裝置搭載一體化雷達射頻前端模塊實現(xiàn)高密度、高精度、快速空間掃描,二維空間掃描方式的選擇決定了整個雷達系統(tǒng)的探測速度和空間采樣精度。

現(xiàn)有二維空間掃描方式一般由x方向和y方向兩個聯(lián)動移動機構(gòu)組成,采用S形往復移動的方式實現(xiàn)逐行連續(xù)空間采樣[6],如圖3(a)所示。其中,Δx、Δy分別表示x方向和y方向的采樣間隔,為滿足采樣定理,需小于式(4)所示分辨單元大小δr。一次完整的空間采樣需要多次折返,耗時在幾十秒至分鐘量級。本文采用極坐標空間采樣方案,通過合理的掃描結(jié)構(gòu)設計,構(gòu)成小型緊湊的掃描伺服系統(tǒng),通過精確時序控制沿極軸的勻速圓周運動和沿徑向的直線步進兩軸聯(lián)動,驅(qū)動一體化的雷達射頻前端在掃描面內(nèi)連續(xù)高速運轉(zhuǎn),配合對射頻前端的同步控制,實現(xiàn)了快速的極坐標空間掃描。采用連續(xù)的勻速圓周運動形式也避免了反復啟停時間,可將探測速度提高到10 s以內(nèi),同時掃描裝置的網(wǎng)格位置控制精度優(yōu)于0.1 mm,保障了穿透成像的快速探測能力、高平面分辨率成像精度和圖像定位精度。圖3(b)給出了極坐標空間采樣示意圖,其中,Δr表示徑向采樣間隔,Δθ表示角度向采樣間隔,假設最大掃描半徑為Rmax,為滿足采樣定理,需滿足:

(7)

假設極坐標采樣數(shù)據(jù)為s(r,θ),通過一系列處理可得到二維波數(shù)譜S(kx,ky),進而完成式(3)所示的成像處理。

首先對極坐標采樣數(shù)據(jù)按變量r進行傅里葉變換:

(8)

其中,kr是變量r的傅里葉變換變量,上式可用FFT實現(xiàn)。沿半徑方向和角度方向分別進行積分,即可得到二維波數(shù)譜[27]為

S(kx,ky)=?SR(kr,θ)δ(kr-kxcosθ-kysinθ)dkrdθ

(9)

2.2 一體化雷達射頻前端技術

雷達射頻前端實現(xiàn)穿透成像雷達電磁波發(fā)射和接收,是其核心部件之一。穿透成像應用對其動態(tài)范圍、抗干擾能力提出較高要求,便攜適用特性對其體積、質(zhì)量、功耗、集成度、輻射安全性等提出剛性要求。為此,采用一體化的雷達射頻前端設計,在保證介質(zhì)內(nèi)部弱目標成像探測所需的瞬時高動態(tài)范圍下,通過優(yōu)化設計組件結(jié)構(gòu),采用輕量化、一體化設計思路,確保雷達射頻前端的高性能、低功耗和輕量化。

圖4為本文采用的一體化雷達射頻前端框圖,圖5為采用的一體化雷達射頻前端疊層方案。布局設計方面,采用多層微帶板和信號調(diào)理與采集板疊層設計方案確保系統(tǒng)體積小型化并降低單板復雜度。多層微帶板在正面和反面分別布設微帶收發(fā)天線和射頻收發(fā)電路,采用微帶貼片天線形式,具有相對效率高、加工一致性好、體積質(zhì)量小等優(yōu)勢,優(yōu)化設計確保天線隔離度達到30 dB,將直達波對深埋弱目標探測的影響降低至可接受水平;射頻收發(fā)電路包括步進頻率源、功分器、功放、低噪放、混頻器、衰減器和濾波器等器件,通過屏蔽殼體減少干擾影響。信號調(diào)理與采集板集成了中頻電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital converter, ADC)、電源及接插件等功能模塊,實現(xiàn)了信號濾波、可變增益放大和24 bit ADC采樣,采用模擬和數(shù)字一體化集成設計,為射頻前端輕量化奠定基礎。電路方面,優(yōu)化了射頻和中頻電路工作參數(shù)設計,采用更加緊湊、合理的微波鏈路設計確保高瞬時動態(tài)范圍,采用高度集成化器件以降低系統(tǒng)功耗。收發(fā)隔離方面,本系統(tǒng)收發(fā)天線同時工作,需要同時記錄直達/表面反射大信號和深埋弱目標小信號,通過采用高隔離度天線設計、高采樣位數(shù)ADC和射頻數(shù)字一體化等設計確保系統(tǒng)瞬時動態(tài)范圍可達到100 dB,保證對弱信號的高動態(tài)采集能力。

圖4 一體化雷達射頻前端框圖Fig.4 Integrated radar RF front end block diagram

圖5 一體化雷達射頻前端疊層方案Fig.5 Integrated radar RF front end lamination scheme

經(jīng)過優(yōu)化設計,最終實現(xiàn)的一體化雷達射頻前端模塊的長寬高尺寸僅35 mm×28 mm×10 mm,質(zhì)量小于20 g,達到的調(diào)頻帶寬為1 GHz,通過在調(diào)頻帶寬內(nèi)調(diào)整頻率可實現(xiàn)二維平面最優(yōu)信噪比聚焦,輻射功率小于1.5 μW/cm2,符合國家電磁環(huán)境限值。單模塊集成了收發(fā)天線、射頻電路、中頻電路、ADC電路等核心關鍵部件,綜合解決了機械結(jié)構(gòu)、電磁波收發(fā)通道的傳輸結(jié)構(gòu)、電路的集成布線等工程問題,為減小系統(tǒng)體積和減輕質(zhì)量、確保探測性能和保證掃描探測速度奠定基礎。

2.3 參數(shù)未知條件下的自聚焦成像處理技術

穿透成像算法的關鍵步驟是重建式(1)所示的波數(shù)域匹配濾波器,其中目標所在深度zt和介質(zhì)波速vt是兩個必不可少的成像參數(shù),參數(shù)失配會引起成像散焦。而手動調(diào)整參數(shù)也對操作人員的專業(yè)知識水平和使用經(jīng)驗依賴性強,耗時較長,從而影響探測效率和效果。

本文采用如圖6所示的自聚焦成像處理方法來解決參數(shù)未知條件下的高平面分辨率快速成像問題,算法關鍵是根據(jù)雷達穿透成像的圖像特征,構(gòu)建聚焦度函數(shù)算子(即代價函數(shù)),對成像結(jié)果的聚焦效果進行定量評估,根據(jù)評估結(jié)果估計成像參數(shù)深度zt和介質(zhì)內(nèi)的電磁波速vt相對于真值的偏離程度。通過數(shù)值優(yōu)化迭代處理對代價函數(shù)尋優(yōu)獲得最優(yōu)成像參數(shù),同時,采用基于競爭進化理論的數(shù)值優(yōu)化算法提高尋優(yōu)速度,確保參數(shù)優(yōu)化的準確率和處理效率[28],最終實現(xiàn)穿透成像雷達系統(tǒng)的自聚焦快速、高平面分辨率、全自動成像。

圖6 自聚焦成像處理步驟Fig.6 Auto-focusing imaging processing procedures

圖7給出了實測數(shù)據(jù)自聚焦成像結(jié)果。圖7(a)為目標實物,該目標物體為一段金屬彎曲導線,布設在均勻ABS塑料介質(zhì)背面,距離介質(zhì)表面3 cm,ABS塑料介質(zhì)波速約為0.15 m/ns,代價函數(shù)的最小值對應成像參數(shù)zt=2.93 cm,vt=0.149 2 m/ns。利用該尋優(yōu)參數(shù)成像的結(jié)果如圖7(b)所示,采用歸一化線性顯示方式,顯示的物體形狀和尺寸與預設的目標物體一致,表明了自聚焦成像處理的有效性。

圖7 實測數(shù)據(jù)自聚焦成像結(jié)果Fig.7 Auto-focusing imaging results of measured data

3 穿透成像雷達實驗測試

3.1 系統(tǒng)研制情況

研制的穿透成像雷達系統(tǒng)如圖8所示。系統(tǒng)由穿透成像雷達主機和便攜式顯示終端兩部分組成,可穿透大理石、瓷磚、混凝土、木板、石膏板、復合板等材料,對介質(zhì)內(nèi)的金屬和非金屬材質(zhì)目標都有良好的探測效果。該系統(tǒng)適合單人握持操作,在便攜適用性、探測速度、自動化程度等方面較現(xiàn)有樣機系統(tǒng)有較大改進。

實現(xiàn)的主要技術指標為:

1) 成像平面分辨率:2.5 mm。

2) 探測深度:5 cm。

3) 探測速度:10 s/幀。

4) 探測視場:200 cm2。

5) 主機質(zhì)量:2.5 kg。

3.2 成像分辨率實驗

圖9為成像分辨率實驗結(jié)果,采用1 cm厚ABS塑料介質(zhì)和分辨率試件目標,目標邊寬6 mm,缺口處寬度為2.5 mm,如圖9(a)所示;圖9(b)為經(jīng)過成像處理后的穿透成像結(jié)果,可以清晰地分辨出缺口。圖10為硬幣成像實驗結(jié)果,采用1 cm厚石膏板和硬幣銅箔目標,銅箔寬度為5 mm,距離硬幣邊緣最短距離為2.5 mm,如圖10(a)所示;圖10(b)為穿透成像結(jié)果,可以清晰地分辨出硬幣與銅箔之間的間隔,同時硬幣中間字的痕跡也清晰可見,表明本系統(tǒng)的成像分辨率可達到2.5 mm,可實現(xiàn)小尺寸目標的穿透成像探測。

圖9 成像分辨率實驗結(jié)果Fig.9 Experimental results of imaging resolution

圖10 硬幣成像實驗結(jié)果Fig.10 Experimental results of coin

3.3 穿透能力實驗

穿透成像雷達系統(tǒng)可實現(xiàn)不同介質(zhì)條件下金屬目標和非金屬目標的穿透成像。

圖11為金屬目標、混凝土復合介質(zhì)情況下實驗結(jié)果,采用5 cm厚混凝土復合介質(zhì)(由2 cm厚混凝土層、2 cm厚膠合板和1 cm厚石膏板疊加組成)及葫蘆形金屬目標(高度4.5cm),如圖11(a)所示;圖11(b)為穿透成像結(jié)果,可以清晰地呈現(xiàn)葫蘆形狀,表明本系統(tǒng)可以實現(xiàn)5 cm探測深度。圖12為非金屬字母目標、輕質(zhì)隔墻板介質(zhì)條件下實驗結(jié)果,采用1 cm厚輕質(zhì)隔墻板和“GFKD”字樣非金屬字母目標,字母高度為3.2 cm,如圖12(a)所示;圖12(b)為穿透成像結(jié)果,“GFKD”4個字母清晰可見,表明本系統(tǒng)對非金屬目標也具有較好的穿透成像探測能力。大量實驗測試表明,本系統(tǒng)的穿透能力與介質(zhì)類型和介質(zhì)均勻性等因素有關,最大探測深度可達15 cm。

圖11 金屬目標、混凝土復合介質(zhì)情況下實驗結(jié)果Fig.11 Experimental results of metal target and composite concrete plate

圖12 非金屬字母目標、輕質(zhì)隔墻板介質(zhì)條件下實驗結(jié)果Fig.12 Experimental results of non-metallic letter target and light partition board medium

為進一步評價本系統(tǒng)對不同介質(zhì)的穿透成像探測能力,設計了采用金屬字母目標、不同類型介質(zhì)條件下的探測實驗,結(jié)果如圖13～15所示。目標為“GFKD”字樣金屬字母,字母高度為2.9 cm,圖13、圖14、圖15分別給出了采用密度板、多層板、輕質(zhì)隔墻板三種介質(zhì)材料的實驗場景及成像結(jié)果,材料厚度均為1 cm。由圖可見,三種實際介質(zhì)情況下均能得到清晰的“GFKD”字母字樣結(jié)果,不同介質(zhì)具有不同的電磁屬性和幾何屬性,呈現(xiàn)不同的雜波特性;從探測結(jié)果來看,輕質(zhì)隔墻板的雜波最強、多層板次之,密度板材料均勻,探測效果最好。本實驗表明系統(tǒng)具有較好的非金屬介質(zhì)適應能力。

圖13 金屬字母目標、密度板介質(zhì)條件下實驗結(jié)果Fig.13 Experimental results of metal letter targets and density board

圖14 金屬字母目標、多層板介質(zhì)條件下實驗結(jié)果Fig.14 Experimental results of metal letter targets and multilayer board

圖15 金屬字母目標、輕質(zhì)隔墻板介質(zhì)條件下實驗結(jié)果Fig.15 Experimental results of metal letter targets and lightweight partition board

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一種毫米級高平面分辨率穿透成像雷達系統(tǒng),能夠穿透混凝土、石膏板、輕質(zhì)隔墻板、密度板、多層板等非金屬介質(zhì)材料探測金屬和非金屬材質(zhì)目標,主機質(zhì)量僅為2.5 kg,成像平面分辨率可達2.5 mm,探測深度可達5 cm,具有毫米級高平面成像分辨力、快速探測能力和便攜適用的特點,在高分辨率墻體穿透成像探測、藏匿物品探測、非金屬材料無損檢測等應用領域中具有較好的應用前景。該技術還可以進一步推廣應用于地雷探測、考古、生物探測等領域。