魏志強 李春化 周子超 蘇小敏 李雅梅 王 樂

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

傳統(tǒng)安全檢測系統(tǒng)(金屬探測器和X光掃描機)在人體安全和透視成像等方面存在一定的局限性。目前已應用于安檢的技術主要有:X射線、紅外線、太赫茲、超寬帶和聲波等技術。這些技術雖具有其適用場合和特點，但對檢測隱匿物品的人都有一定的缺陷。例如，X射線具有高分辨率成像的優(yōu)點，但強輻射會對人體健康造成傷害，不能直接用于人體檢測。紅外技術探測隱匿物體取決于隱匿物體與其背景的溫差，其分辨能力不強，穿透性較弱，不能發(fā)現(xiàn)隱匿的違禁物品。太赫茲波具有一定的穿透性。目前，太赫茲技術仍處于技術研究階段，高成本的太赫茲輻射源和相關傳輸與檢測器件是制約其發(fā)展的難點。超寬帶技術的成像分辨率低，難以識別人體隱匿物品。金屬探測器則對塑料等非金屬物品束手無策。而毫米波探測技術結合了微波和紅外的優(yōu)點，在安全輻射功率標準下不影響人體健康，可以穿透衣服、包裹等介質檢測隱藏身上的違禁物品［1，2］，因此，毫米波安檢系統(tǒng)是傳統(tǒng)安檢設備的必要補充和替代技術手段。

1 安檢成像技術

雷達成像的本質是依據(jù)目標散射場的幅度和相位信息進行目標二維或三維重構［3］。成像技術可歸類于焦平面成像、機械掃描成像、相控陣成像和合成孔徑成像等。

二維機械掃描成像利用伺服電機系統(tǒng)控制天線的移動照射不同的探測區(qū)域。它是以犧牲掃描時間為代價來獲取較大視場的目標特性，難以實時成像。但它可用少量的收發(fā)信道獲得較大探測視場，具有成本低、易實現(xiàn)等優(yōu)點。焦平面成像是將天線或陣列天線放置于較大口徑的拋物反射面或透鏡的焦平面處，利用饋源的偏焦，把目標和背景的輻射能量或回波聚焦于饋源上，以產(chǎn)生不同指向的高增益固定波束覆蓋的視場，實現(xiàn)多波束同時接收。與單個天線波束掃描相比，多波束成像系統(tǒng)可同時觀測場景的不同部分，達到降低熱噪聲和提高場景對比度的探測效果。但焦平面成像的觀測視場大小受限于透鏡或拋物面的尺寸，且大孔徑的透鏡成本很高。

合成孔徑成像雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)技術廣泛用于星載、機載雷達的對地觀測中。其主要思想是將不同位置的天線接收的同一目標回波信息進行幅度和相位信息合成處理［4］。時域處理的成像方法有后向投影(Back Projection，BP)方法，頻域處理的成像方式有距離多普勒(Rang Doppler，RD)、調頻縮放、距離徙動等方法［5］。合成孔徑成像算法具有分辨率高、易實現(xiàn)等優(yōu)點，與切換天線陣列結合可實現(xiàn)二維或三維目標成像。另外，在合成孔徑成像的基礎上，利用目標平動，雷達靜止，可實現(xiàn)移動目標的毫米波成像檢測，即逆合成孔徑雷達(ISAR)檢測［6］。

2 毫米波安檢成像雷達系統(tǒng)設計

毫米波安檢成像雷達是機場、車站、海關等重要場所安全檢測系統(tǒng)的重要組成部分。雷達回波被處理成包含目標信息的圖像，操作人員依據(jù)識別結果對圖像進行判斷以確定可疑物品，進而人工檢查確定是否為違禁物品。雷達對人體檢測形成高分辨率雷達圖像時，同時對個人隱私進行保護，具有人體安全、實時檢測、高分辨率成像等特點，能夠透過衣服、包裹檢測出人身上隱藏物品，如金屬刀具、槍支、特殊液體、光盤、成沓紙幣等。

雷達整機由天線陣列、收發(fā)機、掃描器、信號處理單元和圖像處理及終端顯示五部分組成。其中，信號處理單元通過網(wǎng)線與PC相連，圖像處理及終端通過PC完成。雷達采用調頻連續(xù)毫米波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)雷達體制和合成孔徑成像方法［7］。收發(fā)機產(chǎn)生Ku波段的線性FMCW信號，經(jīng)倍頻放大后形成W波段信號，經(jīng)發(fā)射天線向外輻射。接收天線接收回波信號，經(jīng)放大、濾波、混頻后，輸出差頻信號。雷達信號再經(jīng)A/D采樣、FFT、相位校正和距離壓縮等處理后，形成高分辨率雷達圖像。通過輔助圖像處理對目標進行識別檢測。處理結果通過以太網(wǎng)把圖像數(shù)據(jù)和目標參數(shù)送到顯控系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)隱匿物品成像檢測，雷達系統(tǒng)需要將不同波束方向的回波數(shù)據(jù)進行相關處理，數(shù)據(jù)量越多雷達圖像的分辨率越高，通常需要幾十或上百路數(shù)據(jù)才能獲得較高的分辨率。但考慮雷達安檢效率和系統(tǒng)復雜程度，本系統(tǒng)采用64路數(shù)據(jù)進行成像處理。由于FMCW雷達體制和隔離度的要求，系統(tǒng)采用收發(fā)天線分置的方式，收發(fā)天線均采用矩形喇叭天線形式。

考慮到發(fā)射和接收通道的成本，系統(tǒng)選用共用通道和開關陣列切換的設計，通過開關陣列切換天線陣列的工作狀態(tài)。4個發(fā)射天線和16個接收天線通過開關切換，可形成64路不同收發(fā)天線位置的回波信號。成像處理時需要對不同接收數(shù)據(jù)進行相位校正。

雷達收發(fā)機由頻綜模塊、發(fā)射前端、接收前端、AD及定時電路和電源模塊組成。其中頻綜模塊產(chǎn)生Ku波段射頻信號。發(fā)射支路由六倍頻器、功放組件等組成，產(chǎn)生毫米波波段射頻信號并進行功率放大。接收信號下變頻后，經(jīng)過濾波、放大等處理，再與參考信號正交混頻，獲得的I、Q信號傳到ADC進行處理。

信號處理單元采用商用加固CPCI架構，由信號處理板、主機板、千兆以太網(wǎng)卡、CPCI背板等構成。其中，信號處理板完成回波信號檢測和變換，主機板完成雷達全機控制、數(shù)據(jù)處理、圖形處理，與分級及顯控系統(tǒng)通信等工作，處理單元主要完成雷達工作狀態(tài)控制、雷達目標信號檢測處理、I/Q信號進行AD轉換和采集、通過FPGA控制信號源產(chǎn)生信號、圖像處理和目標識別、產(chǎn)生時鐘控制信號、自檢測和控制供電等。

3 雷達成像算法

3.1 雷達成像處理算法

成像算法是系統(tǒng)設計的關鍵，本系統(tǒng)通過開關控制，遍歷所有收發(fā)天線的工作狀態(tài)，獲得多路不同指向的回波信號，其物理過程等同于雷達在遍歷周期內移動了與天線線陣長度相同的距離。本系統(tǒng)擬采用SAR成像算法進行成像，該算法包括多普勒頻移校正、頻率變標、殘余視頻相位校正、逆頻率變標、二次距離壓縮、距離系統(tǒng)校正和方位脈壓等過程［8－9］。

建立合成孔徑天線和目標的笛卡爾坐標系，合成孔徑處于 xoz 平面 y0，雷達位置(xn，y0，zm)，xn∈［xmin，xmax］，zm∈［zmin，zmax］。點目標位置為(x，y，z)，其間距為R，如圖1所示。

天線接收的線性調頻信號為:

其中，∏()為［－0.5，0.5］上的單位矩形窗函數(shù)，Δt=2R/c為時間延遲，fc為載頻，K為調制率。與發(fā)射信號混頻解調后，信號變?yōu)?

上式中最后一項為殘余視頻相位(RVP)誤差，在距離頻域中通過與參考相位信號進行卷積處理，濾除予以消除，參考相位信號為:

完成RVP校正后，將信號轉到距離時域。略去窗函數(shù)中的時間偏移，得到的校正信號:

其中，kr=4π(fc+Kt)/c校正信號在空間頻域xn，zm形式為:

依據(jù)穩(wěn)相法，校正信號近似為:

在距離波數(shù)的空間頻率函數(shù):

獲得SAR圖像，在插值轉換為笛卡爾坐標系(kx，ky，kz)前，要對 Swn(kr，kx，kz)為進行參考函數(shù)乘積(RFM)補償，參考函數(shù)為:

補償后信號為:

從kr到ky轉換可通過Stolt插值方法實現(xiàn)。將SAR接收的距離向頻域數(shù)據(jù)插值為笛卡爾坐標系中。信號插值后，進行三維IFFT。

其中，sinc函數(shù)表征了SAR系統(tǒng)的分辨率和成像性能。三維FMCW-SAR成像算法流程如圖2所示。

3.2 成像算法仿真結果

以二維、三維和實際數(shù)據(jù)為檢測目標對雷達系統(tǒng)的成像算法進行驗證。以一疊百元紙幣為假定的探測目標，對系統(tǒng)成像識別算法進行仿真。假設紙幣尺寸為16cm×7cm×1cm，紙幣側面為粗糙面，紙幣上的墨跡(含金屬顆粒)和紙質具有明顯的電磁散射特性，不同區(qū)域的介電常數(shù)不同(∈r=10～20)，以雙向解析射線追蹤算法計算紙幣的電磁散射［16］，接收端加載了10dB信噪比的白噪聲。按照上述雷達設計參數(shù)和成像算法進行仿真，如圖3所示。

圖3 以一疊紙幣為探測目標的二維和三維圖像

上述成像結果為雷達系統(tǒng)算法直接處理的原始圖像，沒有再進行圖像校正和邊緣提取等處理?？梢钥闯觯?jīng)雷達處理系統(tǒng)處理后的圖像(尤其是二維圖像)能夠顯示出目標(百元紙幣)原型的大小和形狀。

再以三維點目標為列，間距為0.2m的6個點目標排成陣列。使用雷達成像算法進行三維仿真，仿真結果如圖4所示。左上角為6個點目標的三維排列位置圖，其余三個圖像表示6點目標經(jīng)雷達成像算法處理后分別在x-z，x-y和z-y切面內的成像結果。仿真結果顯示，6個三維排列的點目標經(jīng)本文算法處理后，其空間間隔保持不變，進而驗證了算法對三維目標處理的有效性。

圖4 三維點目標在三個方向切面的成像結果

為了進一步驗證本文算法的有效性，繼續(xù)采用RADARSAT-1衛(wèi)星雷達觀測的真實地面數(shù)據(jù)進行算法仿真。本文使用數(shù)據(jù)區(qū)域為采集于加拿大Vancouver地區(qū)(June 16.2002 GMT)［17］。

圖5 加拿大Vancouver兩個海濱區(qū)域的成像結果

采用本文雷達成像算法對下載數(shù)據(jù)進行成像計算，其兩個區(qū)域的成像結果與真實地形(光學圖像下載于Google Earth數(shù)據(jù)庫)進行比較，如圖5所示。上面兩個圖為使用本文成像算法獲得的兩個海濱區(qū)域圖像，下面兩個光學圖像為對應區(qū)域的真實地面場景。比較可知，本文成像算法的結果與真實的地表場景是完全吻合。

通過上述二維、三維和真實地形數(shù)據(jù)的探測目標為例，驗證了所設計的雷達及其成像算法的有效性。

4 結論

近年來，國內外恐怖主義活動猖獗，恐怖分子采用各種隱蔽手段攜帶危險物品進入國家要害部門進行恐怖活動。在機場、車站、政府機構等部門進行安全檢測是保障人民群眾安全的必要手段。目前還沒有一種安檢成像技術同時具備人體安全、高分辨率、透視成像和快速檢測等優(yōu)點?；诖?，本文介紹了一種毫米波安檢成像雷達。該系統(tǒng)采用了FMCW雷達體制。在檢測過程中，在垂直方向進行機械掃描的同時，在方位向通過切換不同位置的收發(fā)天線進行“電子掃描”，實現(xiàn)了目標的二維探測。本文著重介紹了該系統(tǒng)的成像方法，并通過二維和三維模擬目標，以及Radarset-1雷達數(shù)據(jù)對雷達設計參數(shù)和成像算法進行了驗證。成像結果證明了該成像雷達的設計參數(shù)和成像算法的可靠性。該雷達的研制，可為安檢系統(tǒng)提供無損透視檢測的補充手段。同時，在技術上將推動雷達成像、毫米波、太赫茲波等相關技術的科學研究，加快、加大在相關領域中的應用。

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