毫米波安检成像雷达设计

魏志强 李春化 周子超 苏小敏 李雅梅 王 乐

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

传统安全检测系统(金属探测器和X光扫描机)在人体安全和透视成像等方面存在一定的局限性。目前已应用于安检的技术主要有:X射线、红外线、太赫兹、超宽带和声波等技术。这些技术虽具有其适用场合和特点，但对检测隐匿物品的人都有一定的缺陷。例如，X射线具有高分辨率成像的优点，但强辐射会对人体健康造成伤害，不能直接用于人体检测。红外技术探测隐匿物体取决于隐匿物体与其背景的温差，其分辨能力不强，穿透性较弱，不能发现隐匿的违禁物品。太赫兹波具有一定的穿透性。目前，太赫兹技术仍处于技术研究阶段，高成本的太赫兹辐射源和相关传输与检测器件是制约其发展的难点。超宽带技术的成像分辨率低，难以识别人体隐匿物品。金属探测器则对塑料等非金属物品束手无策。而毫米波探测技术结合了微波和红外的优点，在安全辐射功率标准下不影响人体健康，可以穿透衣服、包裹等介质检测隐藏身上的违禁物品［1，2］，因此，毫米波安检系统是传统安检设备的必要补充和替代技术手段。

1 安检成像技术

雷达成像的本质是依据目标散射场的幅度和相位信息进行目标二维或三维重构［3］。成像技术可归类于焦平面成像、机械扫描成像、相控阵成像和合成孔径成像等。

二维机械扫描成像利用伺服电机系统控制天线的移动照射不同的探测区域。它是以牺牲扫描时间为代价来获取较大视场的目标特性，难以实时成像。但它可用少量的收发信道获得较大探测视场，具有成本低、易实现等优点。焦平面成像是将天线或阵列天线放置于较大口径的抛物反射面或透镜的焦平面处，利用馈源的偏焦，把目标和背景的辐射能量或回波聚焦于馈源上，以产生不同指向的高增益固定波束覆盖的视场，实现多波束同时接收。与单个天线波束扫描相比，多波束成像系统可同时观测场景的不同部分，达到降低热噪声和提高场景对比度的探测效果。但焦平面成像的观测视场大小受限于透镜或抛物面的尺寸，且大孔径的透镜成本很高。

合成孔径成像雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)技术广泛用于星载、机载雷达的对地观测中。其主要思想是将不同位置的天线接收的同一目标回波信息进行幅度和相位信息合成处理［4］。时域处理的成像方法有后向投影(Back Projection，BP)方法，频域处理的成像方式有距离多普勒(Rang Doppler，RD)、调频缩放、距离徙动等方法［5］。合成孔径成像算法具有分辨率高、易实现等优点，与切换天线阵列结合可实现二维或三维目标成像。另外，在合成孔径成像的基础上，利用目标平动，雷达静止，可实现移动目标的毫米波成像检测，即逆合成孔径雷达(ISAR)检测［6］。

2 毫米波安检成像雷达系统设计

毫米波安检成像雷达是机场、车站、海关等重要场所安全检测系统的重要组成部分。雷达回波被处理成包含目标信息的图像，操作人员依据识别结果对图像进行判断以确定可疑物品，进而人工检查确定是否为违禁物品。雷达对人体检测形成高分辨率雷达图像时，同时对个人隐私进行保护，具有人体安全、实时检测、高分辨率成像等特点，能够透过衣服、包裹检测出人身上隐藏物品，如金属刀具、枪支、特殊液体、光盘、成沓纸币等。

雷达整机由天线阵列、收发机、扫描器、信号处理单元和图像处理及终端显示五部分组成。其中，信号处理单元通过网线与PC相连，图像处理及终端通过PC完成。雷达采用调频连续毫米波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)雷达体制和合成孔径成像方法［7］。收发机产生Ku波段的线性FMCW信号，经倍频放大后形成W波段信号，经发射天线向外辐射。接收天线接收回波信号，经放大、滤波、混频后，输出差频信号。雷达信号再经A/D采样、FFT、相位校正和距离压缩等处理后，形成高分辨率雷达图像。通过辅助图像处理对目标进行识别检测。处理结果通过以太网把图像数据和目标参数送到显控系统。

为了实现隐匿物品成像检测，雷达系统需要将不同波束方向的回波数据进行相关处理，数据量越多雷达图像的分辨率越高，通常需要几十或上百路数据才能获得较高的分辨率。但考虑雷达安检效率和系统复杂程度，本系统采用64路数据进行成像处理。由于FMCW雷达体制和隔离度的要求，系统采用收发天线分置的方式，收发天线均采用矩形喇叭天线形式。

考虑到发射和接收通道的成本，系统选用共用通道和开关阵列切换的设计，通过开关阵列切换天线阵列的工作状态。4个发射天线和16个接收天线通过开关切换，可形成64路不同收发天线位置的回波信号。成像处理时需要对不同接收数据进行相位校正。

雷达收发机由频综模块、发射前端、接收前端、AD及定时电路和电源模块组成。其中频综模块产生Ku波段射频信号。发射支路由六倍频器、功放组件等组成，产生毫米波波段射频信号并进行功率放大。接收信号下变频后，经过滤波、放大等处理，再与参考信号正交混频，获得的I、Q信号传到ADC进行处理。

信号处理单元采用商用加固CPCI架构，由信号处理板、主机板、千兆以太网卡、CPCI背板等构成。其中，信号处理板完成回波信号检测和变换，主机板完成雷达全机控制、数据处理、图形处理，与分级及显控系统通信等工作，处理单元主要完成雷达工作状态控制、雷达目标信号检测处理、I/Q信号进行AD转换和采集、通过FPGA控制信号源产生信号、图像处理和目标识别、产生时钟控制信号、自检测和控制供电等。

3 雷达成像算法

3.1 雷达成像处理算法

成像算法是系统设计的关键，本系统通过开关控制，遍历所有收发天线的工作状态，获得多路不同指向的回波信号，其物理过程等同于雷达在遍历周期内移动了与天线线阵长度相同的距离。本系统拟采用SAR成像算法进行成像，该算法包括多普勒频移校正、频率变标、残余视频相位校正、逆频率变标、二次距离压缩、距离系统校正和方位脉压等过程［8－9］。

建立合成孔径天线和目标的笛卡尔坐标系，合成孔径处于 xoz 平面 y0，雷达位置(xn，y0，zm)，xn∈［xmin，xmax］，zm∈［zmin，zmax］。点目标位置为(x，y，z)，其间距为R，如图1所示。

天线接收的线性调频信号为:

其中，∏()为［－0.5，0.5］上的单位矩形窗函数，Δt=2R/c为时间延迟，fc为载频，K为调制率。与发射信号混频解调后，信号变为:

上式中最后一项为残余视频相位(RVP)误差，在距离频域中通过与参考相位信号进行卷积处理，滤除予以消除，参考相位信号为:

完成RVP校正后，将信号转到距离时域。略去窗函数中的时间偏移，得到的校正信号:

其中，kr=4π(fc+Kt)/c校正信号在空间频域xn，zm形式为:

依据稳相法，校正信号近似为:

在距离波数的空间频率函数:

获得SAR图像，在插值转换为笛卡尔坐标系(kx，ky，kz)前，要对 Swn(kr，kx，kz)为进行参考函数乘积(RFM)补偿，参考函数为:

补偿后信号为:

从kr到ky转换可通过Stolt插值方法实现。将SAR接收的距离向频域数据插值为笛卡尔坐标系中。信号插值后，进行三维IFFT。

其中，sinc函数表征了SAR系统的分辨率和成像性能。三维FMCW-SAR成像算法流程如图2所示。

3.2 成像算法仿真结果

以二维、三维和实际数据为检测目标对雷达系统的成像算法进行验证。以一叠百元纸币为假定的探测目标，对系统成像识别算法进行仿真。假设纸币尺寸为16cm×7cm×1cm，纸币侧面为粗糙面，纸币上的墨迹(含金属颗粒)和纸质具有明显的电磁散射特性，不同区域的介电常数不同(∈r=10～20)，以双向解析射线追踪算法计算纸币的电磁散射［16］，接收端加载了10dB信噪比的白噪声。按照上述雷达设计参数和成像算法进行仿真，如图3所示。

图3 以一叠纸币为探测目标的二维和三维图像

上述成像结果为雷达系统算法直接处理的原始图像，没有再进行图像校正和边缘提取等处理。可以看出，经雷达处理系统处理后的图像(尤其是二维图像)能够显示出目标(百元纸币)原型的大小和形状。

再以三维点目标为列，间距为0.2m的6个点目标排成阵列。使用雷达成像算法进行三维仿真，仿真结果如图4所示。左上角为6个点目标的三维排列位置图，其余三个图像表示6点目标经雷达成像算法处理后分别在x-z，x-y和z-y切面内的成像结果。仿真结果显示，6个三维排列的点目标经本文算法处理后，其空间间隔保持不变，进而验证了算法对三维目标处理的有效性。

图4 三维点目标在三个方向切面的成像结果

为了进一步验证本文算法的有效性，继续采用RADARSAT-1卫星雷达观测的真实地面数据进行算法仿真。本文使用数据区域为采集于加拿大Vancouver地区(June 16.2002 GMT)［17］。

图5 加拿大Vancouver两个海滨区域的成像结果

采用本文雷达成像算法对下载数据进行成像计算，其两个区域的成像结果与真实地形(光学图像下载于Google Earth数据库)进行比较，如图5所示。上面两个图为使用本文成像算法获得的两个海滨区域图像，下面两个光学图像为对应区域的真实地面场景。比较可知，本文成像算法的结果与真实的地表场景是完全吻合。

通过上述二维、三维和真实地形数据的探测目标为例，验证了所设计的雷达及其成像算法的有效性。

4 结论

近年来，国内外恐怖主义活动猖獗，恐怖分子采用各种隐蔽手段携带危险物品进入国家要害部门进行恐怖活动。在机场、车站、政府机构等部门进行安全检测是保障人民群众安全的必要手段。目前还没有一种安检成像技术同时具备人体安全、高分辨率、透视成像和快速检测等优点。基于此，本文介绍了一种毫米波安检成像雷达。该系统采用了FMCW雷达体制。在检测过程中，在垂直方向进行机械扫描的同时，在方位向通过切换不同位置的收发天线进行“电子扫描”，实现了目标的二维探测。本文着重介绍了该系统的成像方法，并通过二维和三维模拟目标，以及Radarset-1雷达数据对雷达设计参数和成像算法进行了验证。成像结果证明了该成像雷达的设计参数和成像算法的可靠性。该雷达的研制，可为安检系统提供无损透视检测的补充手段。同时，在技术上将推动雷达成像、毫米波、太赫兹波等相关技术的科学研究，加快、加大在相关领域中的应用。

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