夏祖學(xué) 顏 軍 張 磊

(1. 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010； 2. 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所 四川綿陽(yáng) 621900；3. 西南科技大學(xué)國(guó)防科技學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

目前，由于公共安全日愈嚴(yán)峻，毫米波人體安檢儀得到了快速發(fā)展[1-2]，正逐漸商業(yè)化。毫米波人體安檢儀分為主動(dòng)式成像和被動(dòng)式成像。主動(dòng)式成像系統(tǒng)類(lèi)似主動(dòng)雷達(dá)的工作原理，發(fā)射一定功率的毫米波，穿透人體表面衣服，并被人體皮膚或隱藏物體反射后，通過(guò)相干接收機(jī)測(cè)量回波信號(hào)的幅度和相位，再通過(guò)成像算法重構(gòu)人體表面圖像及隱藏物體，相對(duì)于被動(dòng)式成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，圖像對(duì)比度高，分辨力高。目前比較先進(jìn)的有美國(guó)L3通信公司研制的ProVision和SafeView，其工作頻率為24～30 GHz，采用單極化天線(xiàn)，系統(tǒng)包括兩個(gè)一維單極化電掃描天線(xiàn)線(xiàn)陣，分別沿半個(gè)圓柱面對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描，方位分辨率可達(dá)到5 mm，徑向分辨率為15 mm，成像時(shí)間為1.5 s；德國(guó)Rohde & Schwarz公司基于高集成密度主動(dòng)電子掃描陣列和強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力開(kāi)發(fā)了QPS100，其外觀像平板，內(nèi)部集成了3008接收單元和3008發(fā)射單元，采用單極化天線(xiàn)，工作頻率為70～80 GHz，方位分辨率為2 mm[3]；國(guó)內(nèi)也有類(lèi)似研究，如同方威視毫米波人體安檢儀 MW1000AA、華訊方舟的TAI-40-HP、芯影的SimImage。

這些毫米波人體安檢儀，采用的是單極化合成孔徑雷達(dá)體制，發(fā)射和接收的極化方向相同，接收信號(hào)中包含了目標(biāo)回波信號(hào)的幅度和相位信息。基于雙極化和多極化的合成孔徑雷達(dá)體制相比傳統(tǒng)的單極化合成孔徑雷達(dá)體制，不但能獲得目標(biāo)的幅度和相位信息，而且能獲得目標(biāo)豐富的極化散射信息，重構(gòu)的圖像可以更完整地揭示目標(biāo)外形信息和物理屬性，更適合于目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別。以往極化合成孔徑雷達(dá)體制主要用于軍事遠(yuǎn)場(chǎng)成像[4]，近年來(lái)有研究人員將該技術(shù)運(yùn)用到隱匿武器的檢測(cè)中[5-6]。本文提出了將雙極化合成孔徑雷達(dá)體制應(yīng)用到人體安檢成像中，為了驗(yàn)證該方法對(duì)人體隱藏物品檢測(cè)的可行性，構(gòu)建了手槍的毫米波仿真模型并仿真了極化回波數(shù)據(jù)，由后向投影算法分別對(duì)單極化回波數(shù)據(jù)和雙極化回波數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)，并對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析?；诜抡婺Ｐ痛罱艘惶纂p極化人體安檢成像系統(tǒng)，模擬人體安檢場(chǎng)景進(jìn)行了成像試驗(yàn)。

1 原理及方法

對(duì)于大部分目標(biāo)，散射場(chǎng)的極化不同于入射場(chǎng)的極化，這種現(xiàn)象為交叉極化[7]。當(dāng)目標(biāo)受特定極化狀態(tài)的入射波照射時(shí)，可以接收到的散射回波包括了回波強(qiáng)度、相位以及極化特性。目標(biāo)的極化特性指的是目標(biāo)對(duì)各種極化波的同極化和交叉極化作用。目前ProVision，QPS100等毫米波人體安檢儀收發(fā)天線(xiàn)的極化方向相同，是單極化合成孔徑雷達(dá)體制，接收的回波信號(hào)只有同極化信息沒(méi)有交叉極化信息。FEKO軟件能夠利用較少的資源快速求解超大尺寸問(wèn)題[8]，為了驗(yàn)證該方法對(duì)人體隱藏物品檢測(cè)的可行性，本文利用FEKO軟件構(gòu)建了金屬手槍仿真模型，表1為仿真參數(shù)，仿真模型如圖1所示。極化方法采用發(fā)射水平(H)，接收水平(H)和垂直(V)。

表1 仿真參數(shù)

圖1 仿真模型

依據(jù)表1空間采樣和頻率采樣的設(shè)置，將仿真得到HH回波數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)組(Nx，Ny，Nz)，其中Nx為41，表示在x方向上仿真了41個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的間距為5 mm，全長(zhǎng)為200 mm；Ny為41，表示在y方向上仿真了41個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)的間距為5 mm，全長(zhǎng)為200 mm；Nz為201，表示有201個(gè)頻點(diǎn)。同樣可以得到HV回波數(shù)據(jù)數(shù)組。

采用后向投影算法是一種基礎(chǔ)的時(shí)域成像算法，主要目的是獲得方位向高分辨率[9]。通過(guò)計(jì)算成像空間內(nèi)某點(diǎn)到各陣元的回波時(shí)延，對(duì)相應(yīng)回波信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償，再利用相干疊加求得該點(diǎn)的后向散射強(qiáng)度。對(duì)成像空間中的各點(diǎn)遍歷上述“計(jì)算時(shí)延-相位補(bǔ)償-相干疊加”的過(guò)程，從而得到對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的精確成像結(jié)果。

采用后向投影算法分別對(duì)HH回波數(shù)據(jù)和HV回波數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)，如圖2和圖3所示。

圖2 HH成像結(jié)果

圖3 HV成像結(jié)果

對(duì)比圖2和圖3可以看出，圖3只有邊緣成像，而且水平方向和垂直方向的邊緣也沒(méi)輪廓，這個(gè)現(xiàn)象和雷達(dá)常用極化標(biāo)定用的矩形金屬二面角反射器所展示的極化特性相一致[5]。

如果同時(shí)使用到HH回波數(shù)據(jù)和HV回波數(shù)據(jù)，選取HH回波數(shù)據(jù)數(shù)組中Nx的奇數(shù)列，和HV回波數(shù)據(jù)數(shù)組中Nx的偶數(shù)列組成了HH+HV回波數(shù)據(jù)數(shù)組，數(shù)組大小同樣為(Nx，Ny，Nz)。數(shù)列同樣采用后向投影算法進(jìn)行圖像重構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 HH+HV成像結(jié)果

對(duì)比圖2、圖3和圖4，可以看出圖4集中了HH成像和HV成像的優(yōu)點(diǎn)，既增強(qiáng)了邊緣成像效果，同時(shí)保留了內(nèi)部平面的成像效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證雙極化毫米波人體安檢成像技術(shù)在人體安檢中的有效性，基于表1參數(shù)構(gòu)建了一套工作頻率為31～34 GHz的雙極化人體安檢成像系統(tǒng)(照片圖略)，模擬人體安檢場(chǎng)景進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。成像系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集及成像模塊、毫米波收發(fā)信道、雙極化電子開(kāi)關(guān)天線(xiàn)陣列、機(jī)械掃描裝置等。毫米波收發(fā)信道用于發(fā)射線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生以及回波信號(hào)的下變頻，數(shù)據(jù)采集及成像工作站用于采集信號(hào)、圖像重構(gòu)和系統(tǒng)邏輯控制。

圖5為雙極化電子開(kāi)關(guān)天線(xiàn)陣列的示意圖，由兩排線(xiàn)陣構(gòu)成，包括上排64路發(fā)射通道，下排64路接收通道。64路發(fā)射通道為水平線(xiàn)極化(H)，64路接收通道包括32路水平線(xiàn)極化(H)接收通道和32路垂直線(xiàn)極化(V)接收通道。

圖5 雙極化電子開(kāi)關(guān)天線(xiàn)陣列示意圖

分辨率板參考USAF1951美軍標(biāo)分辨率板。在一個(gè)PVC 板上放置了3組分辨率條，每組分為7,6,5,4,3 mm，如圖6所示。圖7為成像結(jié)果。

圖6 分辨率板

圖7 分辨率板成像結(jié)果

從圖7可以看出，垂直、水平和45度角的3 mm分辨率條可以依稀辨認(rèn)出來(lái)，垂直、水平和45度角的4 mm分辨率條可以辨認(rèn)出來(lái)，而垂直、水平和45度角的5 mm分辨率條可以輕松辨認(rèn)出來(lái)，說(shuō)明毫米波人體安檢成像系統(tǒng)成像分辨率優(yōu)于5 mm。

為了模擬人體安檢，對(duì)測(cè)試人員在未攜帶東西和攜帶錢(qián)包兩種情況進(jìn)行了成像試驗(yàn)，人體成像結(jié)果如圖8所示。

圖8 成像結(jié)果

對(duì)比圖8(a)和圖8(b)中人體圖像的大腿處，能很明顯看出錢(qián)包形狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在現(xiàn)有毫米波人體安檢儀的單極化成像基礎(chǔ)上提出了一種基于雙極化合成孔徑雷達(dá)體制的毫米波成像方法。通過(guò)構(gòu)建金屬手槍的三維仿真模型，基于仿真的回波數(shù)據(jù)和后向投影算法，進(jìn)行圖像重構(gòu)，并對(duì)比分析了單極化和雙極化成像結(jié)果。為了模擬人體安檢環(huán)境，搭建了一套工作頻率為31～34 GHz，64路發(fā)射通道、64路接收通道、方位分辨率為5 mm的雙極化人體安檢成像系統(tǒng)。成像效果表明，隱蔽在衣褲下的錢(qián)包清晰可見(jiàn)，從而驗(yàn)證了方法的有效性。