毫米波综合孔径辐射计近场成像研究

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1、华中科技大学 硕士学位论文 毫米波综合孔径辐射计近场成像研究 姓名：王科举 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：胡飞 2011-05-23 I 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 毫米波段位于微波和红外之间，兼有两者的优点，具有一定的穿透能力。毫米 波无源成像技术在近场探测领域中具有明显的优势，比微波成像有更高的空间分辨 率，比红外成像有更好的对比度。毫米波成像体制中综合孔径辐射计无需机械扫描， 可稀疏阵列，具有较高的空间分辨率。总之，采用综合孔径成像体制的无源毫米波 成像技术在近场中有着广阔的应用前景。本文将着重研究毫米波综合孔

2、径辐射计的 近场成像技术。 论文在总结毫米波综合孔径辐射计在近场安检应用的国内外发展现状的基础 上，首先，在毫米波辐射理论和综合孔径干涉原理基础上，推导出近场条件下的可 见度函数与目标场景亮温分布的关系式；其次，以近场可见度函数相位误差为研究 重点，仿真分析毫米波综合孔径辐射计的近场特性，主要包括近场相位误差对近场 相干测量的影响和近场相位误差对反演场景位置的影响；然后，在近场特性分析的 基础上讨论近场成像算法，重点是基于相位校正的傅氏反演算法和基于 G 矩阵的反 演算法；最后，给出完整系统的设备组成、信号处理流程以及在具体实验条件下对 同一自然场景利用上述的两种反演算法反演成像，并对反演的场

3、景辐射亮温图像进 行对比分析。实验表明两种反演方法在近场中都能有很好的成像效果，各有优缺点。 关键词：关键词：毫米波无源成像 综合孔径辐射计 近场特性 近场成像算法 II 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Millimeter wave is between the microwave and infrared, has the advantages of them and penetrating ability. Passive millimeter wave imaging technology has obvious advanta

4、ges over microwave imaging. PMW has higher spatial resolution than microwave, and better contrast of imaging than infrared. Synthetic aperture radiometer which is based on coherent signal processing is one of millimeter wave imaging system. It has high spatial resolution without mechanical scanning.

5、 In short, passive millimeter wave imaging technology using synthetic aperture has broad application prospects in the near field. The article will focus on the research on near- field imaging of millimeter wave synthetic aperture radiometer. Firstly, deriving the relationship of the visibility funct

6、ion and the target scene brightness temperature on the basis of synthetic aperture interferometry and millimeter wave.Secondly, near- field phase error is focusly researched, simulating millimeter- wave Synthetic aperture radiometers near- field characteristics which includes near- field interferome

7、try and inversion position of the scene on the impact of near- fields phase error; Then, researching near- field imaging algorithms based on the analysis of near- field characteristics, the algorithms mostly include Fourier algorithm based on phase correction and G- matrix inversion algorithm; Final

8、ly, a complete system and the flow of signal processing are presented. besides, imaging the same natural scenes with the two methods in the specific experimental conditions. Experimental results show that the two inversion methods have good imaging ability. Key words: Passive millimeter wave imaging

9、 Synthetic aperture radiometer Near- field characteristics Near- field imaging algorithm 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保

10、留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 随着近年来国际恐怖主义活动猖獗，国际反恐形势严峻，人们逐渐地

11、提高安全 检查意识，更加重视在几米至几十米距离范围内对隐藏武器进行高分辨率的探测。 为保护公共场所的人身财产安全，有效可靠的安全检测是十分必要的。 目前在机场、 地铁和火车站入口处一般设有 X 射线扫描仪对随身物品进行检测， 它利用 X 射线的透射性质穿透外表进行透视成像扫描，检查危险品。但是 X 射线的 电离性质对人体有伤害作用，因此它无法用于对人体的透视扫描以检查人体衣物内 隐匿的危险物品，这也是很多主动检测方式无法用于人体安全检查的原因。对人体 携带的金属材料武器目前的安检系统一般采用金属检测器来进行检测，但是随着各 种塑胶炸弹、塑料手枪、陶瓷手枪与刀具等非金属材料武器的出现，仅依靠金属

12、探 测器已经难以有效的阻止恐怖袭击。现在需要研究一种新的在近距离可以完成实时 高分辨率的成像技术。 毫米波无源成像技术是通过接收物体和背景场景自身辐射的毫米波能量，并利 用物体间的辐射强度差异实现成像的。毫米波无源探测成像系统在技术和实际应用 上具有明显的优越性： （1）毫米波无源成像是基于对人体，物品和场景自身的毫米 波段电磁辐射探测成像，因而不会造成人体损害和敏感物品损坏； （2）对于隐匿金 属和非金属武器和危险品可有效的探测和成像； （3）毫米波穿透云，雾，雨，烟的 能力优于红外，物体间的辐射强度对比差异相比红外波段更大，成像的对比度更好； （4）由于毫米波频段相比微波频段具有更小的波长

13、，故毫米波成像的空间分辨率比 微波成像高，对微弱信号的探测成像的细节更为清晰。因此，在许多探测方法中， 毫米波无源成像的探测方法显示出其独到的优势。其在场景监控、反恐探测与机场 安检等方面有广阔的应用前景1 2。 随着毫米波成像技术的迅速发展和应用范围的日益扩大，先进的多波束阵列成 像技术也日益成熟。其中实孔径的焦平面阵列和综合孔径的干涉仪阵列两个发展方 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 向尤其成为人们关注的焦点。 被动毫米波焦平面阵列成像系统出现较早，信号处理过程相对简单，但是为满 足高速成像，其在天馈系统和接收机阵列方面存在很多的技术挑战3。 而从

14、理论上来讲，由于综合孔径被动毫米波成像4是基于干涉测量的，波束由数 字形成，所以单帧图像上不存在由于各个阵元不一致性引起的图像不均匀误差。此 外如果采用二维综合孔径阵列，其天馈系统不需要大的主天线反射面而仅仅由小口 径天线阵列构成，就可以覆盖一个较大的平面，而不需一个较大的立体体积。由于 综合孔径采用稀疏阵列，仅用较少的阵元即可产生覆盖整个视场的数字多波束，因 此无需那么多的阵元通道。 研究背景与意义中有三个关键词：近距离，毫米波和综合孔径辐射计。鉴于此， 本论文针对毫米波综合孔径辐射计的近场成像进行研究，旨在研究毫米波综合孔径 辐射计在近场条件下的成像特性、成像算法以及成像系统实验分析。 1

15、.2 国内外研究与发展现状国内外研究与发展现状 毫米波综合孔径技术的理论基础源自光学上准单色扩展源的部分相干理论， Van CittertZernike定理5指出复相关函数是辐射源归一化亮温分布的Fourier变换。 被动毫米波综合孔径成像是用多个小尺寸的天线接收信号，然后计算不同基线距离 “天线对”的互相关值，通过算法合成一个等效孔径为各小天线之间最大基线距离的 大天线。该技术最早用于射电天文6，后来引入微波领域进行地球遥感成像78。 近十几年来，毫米波综合孔径近场被动成像技术也得到较大发展，美国Trex公 司发表了其研制的 W 波段 32 通道的一维综合孔径被动毫米波成像系统 PMC- 1

16、910。 该系统采用水平维综合孔径、垂直维频率扫描的成像体制，主要由频率扫描天线阵 列、多通道信号处理器、后期数据处理和显示组成。工作频段为在 94GHz（3.2mm） 大气窗口，射频带宽为 6GHz，可在 5.28.0的视场范围内形成 5280 个像素点，该 系统的角分辨率为 0.2。目前该公司正在 PMC- 1 的基础上研制新一代实时被动毫米 波成像系统 PMC- 211- 13，在相同的成像体制上提出来一系列改进技术。最大的改进 是信号处理部分，PMC- 1 在处理之前必须进行下变频，相应的带宽在较低频段里必 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 须进行分段；而 PMC- 2 的处理器直接工作在和天线阵列同样的 75- 93GHz，这样可 使得处理