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1、会计学 1毫米波亚毫米波全息成像技术(jsh)概述第一页，共59页。毫米波亚毫米波全息(qunx)成像技术 为为了了防防范范恐恐怖怖袭袭击击，许许多多国国家家都都加加强强了了机机场场和和车车站站等等公公共共场场所所的的安安检检措措施施，其其中中近近程程毫毫米米波波成成像技术像技术(jsh)(jsh)就是最简捷有效安检方式之一。就是最简捷有效安检方式之一。毫毫米米波波兼兼具具有有微微波波与与红红外外的的优优点点，有有一一定定的的穿穿透透能能力力，能能够够根根据据散散射射能能量量的的大大小小区区分分不不同同物物理理属性的物体。属性的物体。近近年年来来毫毫米米波波器器件件的的不不断断发发展展和和人人
2、们们需需求求的的不不断断提提高高，使使得得近近程程毫毫米米波波成成像像技技术术(jsh)(jsh)能能够够在在医医疗、导航和交管等领域得到越来越广泛的应用。疗、导航和交管等领域得到越来越广泛的应用。第 1页/共 58页第二页，共59页。毫米波亚毫米波全息(qunx)成像技术 TRW公司(n s)Trex公司(n s)Millivision公司(n s)Andrews公司(n s)国外公司(n s)的近程毫米波成像系统以及所成的毫米波图像第 2页/共 58页第三页，共59页。毫米波亚毫米波全息(qunx)成像技术 国内样机(yn j)所成的近程毫米波图像 第 3页/共 58页第四页，共59页。1
3、 近程毫米波成像技术(jsh)综述 适用于近程成像的体制按被动(bidng)和主动分：被动(bidng)：单/多通道全功率辐射计+机械扫描焦平面凝视阵列相控阵波束形成被动(bidng)合成孔径辐射计主动：合成孔径雷达全息成像 第 4页/共 58页第五页，共59页。1 近程毫米波成像技术(jsh)综述 1.1 单/多通道全功率(gngl)辐射计+机械扫描单/多 通 道 阵 列 焦 平 面 全 功 率(gngl)辐射计配合机械扫描成像技术是当今毫米波成像技术的主要类型，这类系统的优点是通道少，成本低，难度小，易实现，不足是时间长。第 5页/共 58页第六页，共59页。1 近程毫米波成像技术(jsh
4、)综述 1.2 焦平面凝视阵列和相控阵波束(bsh)形成焦平面凝视阵列和相控阵波束(bsh)形成体制成像速度快，但是需要接收阵元较多，导致其技术复杂度和成本较高，因此这两种体制并没有得到广泛应用。第 6页/共 58页第七页，共59页。1 近程毫米波成像技术(jsh)综述 1.3 被动合成孔径辐射计难度较低，容易工程实现。它由多个真实孔径的小天线通过信号处理合成一个大孔径天线，还可以采用稀疏阵列技术，降低系统的成本，现在国内外有相关样机和产品(ch np n)问世。第 7页/共 58页第八页，共59页。1 近程毫米波成像技术(jsh)综述 1.4 主动合成孔径雷达主动合成孔径成像主要用于遥感成像
5、，用机载雷达成像，国内外研究较为成熟。机载主动合成孔径雷达和所成的图像(t xin)如下图所示。第 8页/共 58页第九页，共59页。2 近程毫米波全息(qunx)成像原理 1.5 全息成像全息成像则特别适合近程毫米波成像，其图像分辨率高，质量好，是近程成像的首选体制。宽带全息成像可以获得目标的三维毫米波图像，能够还原目标真实形状，提高分辨率和灵敏度，同时(tngsh)也提高了目标识别概率。全息成像利用电磁波的相干原理，通过采集空间干涉条纹，记录目标上每个散射点的衍射图样，最后通过图像重建就可得到目标的毫米波图像。第 9页/共 58页第十页，共59页。2 近程毫米波全息(qunx)成像原理 系
6、系统统依依次次接接收收带带宽宽中中每每个个频频点点的的回回波波，得得到到空空间间三三维维数数据据(shj)(shj)，然然后后把把这这些些数数据据(shj)(shj)通通过过FourierFourier变变换换到到空空间间频频率率域域，也也就就是是把把回回波波表表示示成成一一定定范范围围内内的的不不同同方方位位角角和和俯俯仰仰角角以以及及不不同同波波数数的的平平面面波波的的叠叠加加。然然后后把把每每一一个个平平面面波波分分量量通通过过相相位位补补偿偿，反反演演到到目目标标的的实实际际三三维维距距离离分分布布，最最后后取取模模得得到三维像。到三维像。第 10页/共 58页第十一页，共59页。2
7、近程毫米波全息(qunx)成像原理毫米波宽带(kun di)全息成像原理如下图所示，在OXY平面有二维天线接收阵列，在距离OXY平面R处有目标所在的oxy平面。第 1 1页/共 58页第十二页，共59页。2 近程毫米波全息(qunx)成像原理 设设照照射射源源的的宽宽带带信信号号经经过过(x,y,z)(x,y,z)处处的的目目标标散散射射后后，回回波波信信号号被被在在(X,Y)(X,Y)处处的的接接收收天天线线接接收收，把把收收到到的的信信号号和和本本振振信信号号进进行行下下变变频频然然后后低低通通滤滤波波，此此时时可可得得到到每每个频率点的信号为：个频率点的信号为：(1)(1)式式中中A(x
8、,y,z)A(x,y,z)式式中中为为目目标标辐辐射射的的复复振振幅幅分分布布，KK为为圆圆波波数数，rr为为距距离离，在在三三维维空空间间里里，KK和和rr都都是是矢矢量量(sh(shling)ling)，为为它它们们的的矢矢量量(sh(shling)ling)点点积积。E(x,y,)E(x,y,)为为时时域域信信号号对时间维进行对时间维进行FourierFourier变换后的信号，即：变换后的信号，即：(2)(2)第 12页/共 58页第十三页，共59页。2 近程毫米波全息(qunx)成像原理 此时K和r的点积为：(3)式中Kx、Ky和Kz为K的各向分量(fn ling)。把球面波展开，表
9、示成平面波的叠加，然后再把式(3)代入式(2)可得：(4)上式使用了三维Fourier变换，即有：(5)第 13页/共 58页第十四页，共59页。2 近程毫米波全息(qunx)成像原理 此此时时式式(4)(4)又又是是一一个个二二维维逆逆FourierFourier变变换换，忽忽略略常常数项，有：数项，有：(6)(6)综合式综合式(5)(5)和式和式(6)(6)可得：可得：(7)(7)对对上上式式作作逆逆变变换换，可可得得到到毫毫米米波波全全息息成成像像的的成成像像公公式式为：为：(8)(8)式式(8)(8)就就是是(jish)(jish)宽宽带带的的近近程程毫毫米米波波主主动动阵阵列列全全息
10、息成成像像公式。公式。第 14页/共 58页第十五页，共59页。2 近程毫米波全息(qunx)成像原理 其中的Kz有以下关系：(9)宽带阵列全息成像公式还要对时间维进行处理，以得到目标的距离信息。距离向的分辨率可由下式计算：(10)式中c为光速(un s)，B为带宽。第 15页/共 58页第十六页，共59页。毫米波亚毫米波全息(qunx)成像技术 近程毫米波亚毫米波全息成像的三大关键技术为：扫描技术硬件设计(shj)信号处理第 16页/共 58页第十七页，共59页。3 机械扫描系统(xtng)实实际际制制作作一一个个大大的的毫毫米米波波二二维维接接收收阵阵列列，成成本本高高不不说说，其其技技术
11、术上上也也是是很很难难实实现现的的，综综合合考考虑虑成成本本和和成成像像速速度度，采采用用一一维维线线阵阵列列配配合合机机械械扫扫描描是是比比较较可可行行的的方方案案。实实际际中中比比较较实实用用的的扫扫描描方方式式有有圆圆柱柱扫扫描描和和平平面面(pngmin)(pngmin)扫描两种，如下图所示。扫描两种，如下图所示。圆柱(yunzh)扫描 平面扫描第 17页/共 58页第十八页，共59页。3 机械扫描系统(xtng)3.1 圆柱扫描圆柱扫描一般采用目标固定，天线阵列沿圆柱面扫描，适合于对体积较小的静止目标成像，这种成像方法可以(ky)对目标进行全方位成像，得到的目标的信息较多。第 18页
12、/共 58页第十九页，共59页。3 机械扫描系统(xtng)3.2 平面扫描平 面 扫 描 则 是 天 线 固 定，目 标(mbio)作匀速直线运动，适合运动目标(mbio)成像，特别是面目标(mbio)，但获得的信息量较少。平面扫描也可目标(mbio)固定天线扫描，例如飞机遥感等。第 19页/共 58页第二十页，共59页。3 机械扫描系统(xtng)3.3 单通道无惯性机械扫描当系统(xt ng)采用单通道成像时就需要配合机械扫描系统(xt ng)，以实现速度和成本的均衡。摆动式的机械扫描，前端随转台扫描时的震动和在换向时减速和加速过程中惯性产生的震动，都对成像质量有很大影响。相对于摆动扫描
13、，无惯性的圆周扫描更具有优势。无惯性机械扫描装置实现了机械扫描系统(xt ng)与前端和数据采集系统(xt ng)分离，可以分开独立控制，增加了系统(xt ng)的稳定性。第 20页/共 58页第二十一页，共59页。3 机械扫描系统(xtng)这套装置(zhungzh)全部都采用反射面，光路设计和系统实现相对较简单，其主要特征是由两个反向同步旋转的圆楔反射面来实现垂直方向的线扫，圆楔面每转动一周，其在场景中的扫描轨迹近似为一个狭长的椭圆。这套扫描系统应用在四通道成像系统，成像速度为1Hz。第 21页/共 58页第二十二页，共59页。3 机械扫描系统(xtng)上面扫描系统用狭长的椭圆近似直线，
14、也可以直接进行圆形扫描，然后通过图像处理校正各个点的位置，合成(hchng)图像。第 22页/共 58页第二十三页，共59页。3 机械扫描系统(xtng)3.4 扫描(s omio)系统设计实例单通道成像样机的机械扫描(s omio)装置的主体结构是滑块丝杠结构，滑块带动接收前端由丝杠牵引进行扫描(s omio)，如图所示，其定位误差在十分之一个波长以内。第 23页/共 58页第二十四页，共59页。3 机械扫描系统(xtng)3.5 扫描速度(sd)扫描速度(sd)要综合考虑积分时间和成像时间，在允许的成像时间内采用最大的积分时间以提高系统灵敏度。另外根据前面的讨论，扫描速度(sd)和积分时间
15、应该有以下的约束关系：如取=8mm和=2ms，则v2m/s。以成2m2m的毫米波图像为例，设转向时间占10%，积分时间降到2ms，回程采集数据，配合研制的4通道接收前端，成像时间半分钟左右。第 24页/共 58页第二十五页，共59页。4 硬件(yn jin)设计 4.1 总体设计成像系统硬件主要由天线、信号源、混频器、放大器、采样(c i yn)器以及信号处理器等构成，如下图所示。毫米波信号经环流器由天线向外辐射，经目标散射后回波信号又被天线接收，然后和本振信号混频得到零中频信号，经过放大器和滤波器后的信号进入AD采样(c i yn)得到离散的数字信号。第 25页/共 58页第二十六页，共59
16、页。4 硬件(yn jin)设计 4.2 前端设计成像系统的前端结构如图所示，系统发射的毫米波信号经过目标散射后被接收(jishu)天 线 接 收(jishu)，信号经过环流器后分为两路，分别和两路(其中一路延时)本振信号进行混频，得到正交的两路I、Q信号，经过放大器放大和AD采样，进行成像。IQ90000RFLO第 26页/共 58页第二十七页，共59页。4 硬件(yn jin)设计 4.3 基于平面扫描系统的硬件设计采用0.75m口径(k ujng)的一维线阵天线，天线阵列为二进制开关树结构，是由2个64元子线阵交错重叠组成，子阵阵元距离为1.3个波长，两个子阵相距1.5个波长，上面的用于
17、接收，下面的用于发射，扫描高度2.0m。收发器ADC接收机成 像显示器2m扫描第 27页/共 58页第二十八页，共59页。4 硬件(yn jin)设计 4.4 基于圆柱扫描系统的硬件(yn jin)设计由2个7英尺(约2m)的192(共384)阵元的阵列沿圆周扫描，一个发射一个接收。系统采用FMCW外差收发机，分辨率可达到5mm，距离向分辨率为15mm，且没有焦距和焦深限制。第 28页/共 58页第二十九页，共59页。4 硬件(yn jin)设计 每个192元子阵由一个单刀3掷开关模块驱动3个64元子阵，而每一个64元子阵由一个单刀8掷开关模块驱动另外8个单刀8掷开关模块，并保证从输入到每路输
18、出的路径长度基本相等。工作时每个阵元通过(tnggu)电子控制，依次快速扫描，也就是说同一时刻只有一个阵元在发射而另一个阵元在接收，此时其它阵元处于关闭状态，用6ms的时间扫描从26GHz到30GHz的4GHz的带宽。实际上这个系统是单通道扫描体制成像，一维是电扫描，另一维是机械扫描。第 29页/共 58页第三十页，共59页。5 信号处理(xn ho ch l)近程毫米波全息成像的信号处理包含内容较多，包括波形设计与信号分析、高分辨全息成像和成像特性分析、图像处理、三维建模技术以及目标识别(shbi)等等，如图所示。信号发射 高分辨成像 图像处理目标识别各种补偿三维建模显示特性分析第 30页/共 58页第三十一页，共59页。