1、副研究员南京理工大学 电光学院探测与控制工程系毫米波、亚毫米波全息成像技术毫米波亚毫米波全息成像技术毫米波亚毫米波全息成像技术 为了防范恐怖袭击，许多国家都加强了机场和车站等公共场所的安检措施，其中近程毫米波成像技术就是最简捷有效安检方式之一。毫米波兼具有微波与红外的优点，有一定的穿透能力，能够根据散射能量的大小区分不同物理属性的物体。近年来毫米波器件的不断发展和人们需求的不断提高，使得近程毫米波成像技术能够在医疗、导航和交管等领域得到越来越广泛的应用。毫米波亚毫米波全息成像技术毫米波亚毫米波全息成像技术 TRW公司 Trex公司 Millivision公司 Andrews公司国外公司的近程毫
2、米波成像系统以及所成的毫米波图像毫米波亚毫米波全息成像技术毫米波亚毫米波全息成像技术 国内样机所成的近程毫米波图像 1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 适用于近程成像的体制按被动和主动分：被动被动：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合成孔径辐射计主动主动：合成孔径雷达全息成像1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 1.1 单单/多通道全功率辐射计多通道全功率辐射计+机械扫描机械扫描单/多通道阵列焦平面全功率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。1 1
3、近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 1.2 焦平面凝视阵列焦平面凝视阵列和相控阵波束形成相控阵波束形成焦平面凝视阵列和相控阵波束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。1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 1.3 被动合成孔径辐射计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问世。1 1 近程毫米波成像技术综述近程毫米波成像技术综述 1.4 主动合成孔径雷达主动合成孔径雷达主动合成孔径成
4、像主要用于遥感成像，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如下图所示。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 1.5 全息成像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。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 系统依次接收带宽中每个频点的回波，得到空间三维数据，
5、然后把这些数据通过Fourier变换到空间频率域，也就是把回波表示成一定范围内的不同方位角和俯仰角以及不同波数的平面波的叠加。然后把每一个平面波分量通过相位补偿，反演到目标的实际三维距离分布，最后取模得到三维像。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理毫米波宽带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。2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 设照射源的宽带信号经过(x,y,z)处的目标散射后，回波信号被在(X,Y)处的接收天线接收，把收到的信号和本振信号进行下变频然后低通滤波，此时可得到每个频率点的信号为：(1
6、)式中A(x,y,z)式中为目标辐射的复振幅分布，K为圆波数，r为距离，在三维空间里，K和r都是矢量，为它们的矢量点积。E(x,y,)为时域信号对时间维进行Fourier变换后的信号，即：(2)1(,)(,)exp(i)d d dE X YA x y zx y zrK r(,)FT(,)E X YE X Y tK r2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 此时K和r的点积为：(3)式中Kx、Ky和Kz为K的各向分量。把球面波展开，表示成平面波的叠加，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)()()()xyzxX KyY KzR KK
7、r(,)(,)exp i()()()ddd d d (,)exp(i)expi()ddxyzxyFxyzzxyxyE X YA x y zx X Ky Y Kz R KK K x y zA K K KRKXKYKK K3(,)FT(,)(,)exp i()d d dFxyzxyzA K K KA x y zA x y zxKyKzKx y z2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 此时式(4)又是一个二维逆Fourier变换，忽略常数项，有：(6)综合式(5)和式(6)可得：(7)对上式作逆变换，可得到毫米波全息成像的成像公式为：(8)式(8)就是宽带的近程毫米波主动阵列全息成像
8、公式。2(,)IFT(,)exp(i)FxyzzE X YAKKKRK23(,)IFT FT (,)exp(i)zE X YA x y zRK32(,)IFT FT (,)exp(i)zA x y zE X YRK2 2 近程毫米波全息成像原理近程毫米波全息成像原理 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，B为带宽。22222(/)xyzKKKKc/2zcB 毫米波亚毫米波全息成像技术毫米波亚毫米波全息成像技术 近程毫米波亚毫米波全息成像的三大关键技术为：扫描技术扫描技术硬件设计硬件设计信号处
9、理信号处理3 3 机械机械扫描系统扫描系统 实际制作一个大的毫米波二维接收阵列，成本高不说，其技术上也是很难实现的，综合考虑成本和成像速度，采用一维线阵列配合机械扫描是比较可行的方案。实际中比较实用的扫描方式有圆柱扫描圆柱扫描和平面扫描平面扫描两种，如下图所示。圆柱扫描 平面扫描3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.1 圆柱扫描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，这种成像方法可以对目标进行全方位成像，得到的目标的信息较多。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.2 平面扫描平面扫描平面扫描则是天线固定，目标作匀速直线运动，适合运动目标成像，特别
10、是面目标，但获得的信息量较少。平面扫描也可目标固定天线扫描，例如飞机遥感等。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.3 单通道无惯性机械扫描单通道无惯性机械扫描当系统采用单通道成像时就需要配合机械扫描系统，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，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与前端和数据采集系统分离，可以分开独立控制，增加了系统的稳定性。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 这套装置全部都采用反射面，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
11、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。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 上面扫描系统用狭长的椭圆近似直线，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，合成图像。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.4 扫描系统设计实例扫描系统设计实例单通道成像样机的机械扫描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，如图所示，其定位误差在十分之一个波长以内。3 3 机械机械扫描系统扫描系统 3.5 扫描速度扫描速度 扫描速度要综合考虑积分时间和成像时间，在允许的成像时间
12、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，扫描速度和积分时间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。/2v4 4 硬件设计硬件设计 4.1 总体设计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采样得到离散的数字信号。4 4 硬件设计硬件设计 4.
13、2 前端设计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天线接收，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。IQ90000RFLO4 4 硬件设计硬件设计 4.3 基于平面扫描系统的硬件设计基于平面扫描系统的硬件设计采用0.75m口径的一维线阵天线，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4 4 硬件设计硬件设计
14、 4.4 基于圆柱扫描系统的硬件设计基于圆柱扫描系统的硬件设计由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。4 4 硬件设计硬件设计 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出的路径长度基本相等。工作时每个阵元通过电子控制，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
15、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。5 5 信号处理信号处理 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5 5 信号处理信号处理 5.1 波形设计与信号分析波形设计与信号分析对目标进行高质量三维成像，发射信号是成像质量的重要决定因素之一，因此必须设计合理的宽带毫米波照射源信号。宽带全息需要设计高性能的发射信号波形，同时也要易于硬件实现，为成像提供先决条件。5 5 信号处理信号处理 5
16、.2 高分辨全息成像和成像特性分析高分辨全息成像和成像特性分析成像算法直接影响系统质量，是成像中的主体部分。数字信号传入微机，可以通过多种方式灵活处理。基于共形面的傅里叶变换成像算法具有方便和简单的特点，对毫米波全息成像起了重要的作用。但是随着成像系统应用环境的变化和对图像质量要求的提高，如近距离的球面和柱面等曲面目标成像，单一的成像算法已不能满足各种高性能的成像要求。寻求新的成像算法来弥补傅里叶变换成像算法的不足，以适应各种环境下对目标进行高分辨率成像。5 5 信号处理信号处理 新成像算法的主要方向有：1 边界元法进行任意形状目标成像；2 分布源边界点法进行传递矩阵的诱导计算；3 球面或者柱
17、面坐标系下的成像算法；4 引入各种时频分析算法，如分数阶傅里叶变换、拉冬-魏格纳(Radon-Wigner)变换和小波变换等算法，来消除非线性相位的影响；5 寻找合适的算法克服成像的病态和相干斑抑制等等。5 5 信号处理信号处理 在不改变成像系统硬件设备前提下，上述方法虽然都可以从一方面或者多方面提高成像的质量，但往往以牺牲其它性能为代价，因此没有绝对优良成像算法，只有根据不同应用环境提出不同性能指标，综合考虑后设计相应的成像算法。5 5 信号处理信号处理 5.3 图像处理高分辨率成像算法生成的图像还有进一步提高图像质量的空间，那就是图像处理技术，包括图像恢复图像恢复和图像增强图像增强等技术。
18、5 5 信号处理信号处理 图像恢复图像恢复通过已经获得的降晰图像以及先验知识来求解原始图像，去除成像系统的影响，恢复图像中被抑制的高频成分。研究成像特性成像特性，为图像恢复和系统改进提供理论基础，其中主要是图像的降晰特性，如病态、畸变和离焦模糊等，以便于有针对性的通过各种补偿对降晰图像进行图像的提高分辨率恢复。5 5 信号处理信号处理 根据毫米波全息成像在不同领域的应用，还会有其它不同的约束，有针对性的对图像进行处理，如分解降噪和极大似然恢复等。另一方面，图像恢复也可以通过在频域解析延拓，使图像的频谱拓展，从而实现在空域上插值，突破瑞利限，这也称作超分辨率超分辨率。5 5 信号处理信号处理 图
19、像增强图像增强可以加强图像的可观性，增加了视觉效果，例如增加对比度，去掉模糊和噪声，修正几何畸变等，有目的地强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，扩大图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，满足某些特殊分析的需要，也是图像处理不可或缺的工具。5 5 信号处理信号处理 5.4 三维建模技术三维建模技术把获得的三维全息数据如何立体地显现出来，是影响系统成像质量的一个重要环节。其中要判断成像中的遮挡、模糊和重复等畸变环节，同时尽量保留图像中的目标细节。5 5 信号处理信号处理 5.5 目标识别目标识
20、别目标识别直接面向应用，是指经过图像分析后，对感兴趣的目标，如手枪、炸药和刀具等危险品进行自动警报。5 5 信号处理信号处理 5.6 个人隐私保护个人隐私保护毫米波全息成像系统具有高分辨和穿透能力，因此个人隐私保护一直成为人们争论的焦点。为此要在图像中遮蔽个人体征，并且于扫描完成后将图像立刻删除，以保护个人隐私。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 在近程毫米波成像方面走在世界前列的是美国运输安全部(原美国能源部)下的西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)，麦克马金麦克马金(McMakin)和希恩希恩(Sheen)等人经过十几
21、年的探索，研制出了基于圆柱扫描的三维全息成像系统，并且实现了毫米波成像系统的商业化。这项技术已经授权L-3 Communications,SaveView有限公司和Intellifit公司，其产品分别用于安检和试选服装。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 成像系统照片6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 在2019年9月8日美国时代周刊封面报道将美国L-3 公司推出的ProvisionTM毫米波人体毫米波人体扫描仪扫描仪评为与飞机、电视和电脑等齐名的“Next Big Thing”，并且在2009年通过美国运输安全管理局的航空安检应用审核。毫米波人体扫描仪毫米波人体扫描仪能“
22、看穿”被扫描者的衣服，提供人体三维图像，精确表现出人体曲线，从中可以清楚地辨别乘客随身携带的物品，如任何枪支、刀具和爆炸物等，大大提高了工作效率和违禁物品的识别率。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 2019年，荷兰阿姆斯特丹的斯希普霍尔机场第一个启用了这套仪器，此后美国亚利桑那州的菲尼克斯机场，纽约的肯尼迪机场、华盛顿的洛杉矶机场，加拿大卑诗省的基洛纳机场，以及我国奥运场馆等也都陆续启用相同的装置。现在向全球各大机场、车站、法院、海关、大使馆等已经售出近300台，每台售价约15万美元左右。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 可有效检测：可有效检测：任何类型的材料（金属和非
23、金属）：液体、胶状物、塑料、粉末、金属、陶瓷等；所有类型的物体：武器、标准和自制爆炸物、违禁品、毒品、钞票、纸张等。保护隐私：保护隐私：自动威胁检测功能可以通过取消图像的生成和复核来解决隐私问题。扫描数据由软件处理以确定是否存在威胁，无需任何人工干预。随后，潜在威胁区域将以类似于人体轮廓的一般模型呈现在操作员面前。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 成像原理动画动画（00:58）6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 所成图像6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 媒体报道的毫米波人体扫描仪用于安检。安检系统(00:25)6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 国际
24、知名媒体报道的用于服装试选（量体选衣）。News Today(01:12)ABC(03:15)6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 国际知名媒体报道的用于服装试选（量体选衣）。CBS (01:54)CNN(01:17)6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 实验情况实验情况在华盛顿的一个国际机场对两个波段(Ku波段和Ka波段)的宽带毫米波平面扫描成像系统进行了全面测试和评估，测试目的是检测人体隐匿的金属、塑料和陶瓷武器等。经过统计计算，给出了系统探测概率分别达到了Ku波段82.24%和Ka波段72.57%，虚警概率Ku波段34.48%和Ka波段30.98%，探测灵敏度Ku波段1.
25、48K和Ka波段1.22K，而探测偏差Ku波段-0.313K和Ka波段-0.064K。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 同时还给出了两个波段对于目标处于人体不同位置时和不同目标的探测概率，其中在大腿内侧的目标探测概率最低，约为66%，小腿处最高，约为83%至90%。而目标中格洛克(Glock)手枪探测概率最高，在96%以上，塑料最难检测，只有60%左右。经过试验得出的另一个结论是：武器探测的最佳频率是30GHz到100GHz。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 也对毫米波全息和超声波全息进行了对比，用100GHz-110GHz(波长2.9mm)和24GHz-40GHz(波
26、长9.4mm)的毫 米 波 和 中 心 频 率49.4KHz(波长6.7mm)的超声波进行对比，结果毫米波全息成像的质量要好于超声波全息。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 未来发展未来发展手持350GHz扫描设备是重点，研制的太赫兹成像样机在10s内能够对20m以内的目标成三维像，在5m处的分辨率1.0cm，其发展潜力较大。6 6 毫米波成像系统实例毫米波成像系统实例 手持350GHz扫描设备所成的毫米波图像。7 7 结语结语 综上所述，综上所述，毫米波、亚毫米波全息成像技术特别适用于近程隐匿物体探测，可对近距离内的目标进行高分辨率成像，对于加强机场和车站等公共场所的安检措施等具有重要意义！随着毫米波、亚毫米波器件性能的不断提高和人们对毫米波探测技术研究的不断深入，会有更多领域的毫米波、亚毫米波全息成像产品不断问世，在不久的将来这些产品将会在各种场所发挥其巨大作用！谢谢！谢谢！59
