新型材料透镜的毫米波成像研究

何佳霖　李洋

摘 要：本文将新型材料透镜用于毫米波成像系统，并对金属物体进行成像测试。毫米波成像系统主要由毫米波照射源、聚焦透镜、探测器以及信号处理系统四部分构成。通过所获得的清晰毫米波图像，进而验证了这种新型材料透镜应用于毫米波成像的可行性。

关键词：毫米波成像；新型材料；聚焦透镜

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.222

1 引言

毫米波与红外、可见光相比在烟雾、雨雪以及沙尘暴等复杂天气下衰减要小很多，同时它也具有穿透衣物、丝绸等材料的能力，可以用来探测藏于这些材料下的隐匿物品。因此，凭借着这些优点，毫米波成像技术已经广泛地应用于各个行业，比如：飞机在烟雾中飞行及降落、射电天文、危险品检查、医用检查、军事，掩埋物探测等方面[1]。与机械扫描、合成孔径等毫米波成像方式相比，利用介质透镜的毫米波焦平面成像技术具有实时成像及成像速度快等优势，已经受到国内外广泛研究[2]。目前，用于该技术的介质透镜材料主要以高分子材料为主，所获得毫米波成像质量仍有待于提高。

2 实验

2.1 成像系统

与被动式毫米波成像系统相比，主动式毫米波成像系统，需外加毫米波照射源，这样成像环境不受限制，同时也可形成宽波段扫描以提高成像质量。基于这样的考虑，本文选用主动式毫米波焦平面成像系统。文中毫米波成像系统主要包括四部分：毫米波照射源、聚焦透镜、探测器以及信号处理系统。毫米波照明源是一个角锥形喇叭，可辐射35 GHz 连续毫米波，它被固定在距离被测物一定距离以便于照射整个被测物。经被测物反射的毫米波信号，通过聚焦透镜聚焦在其焦平面，并由放置于焦平面上的探测器探测。之后，由信号处理系统采集处理成灰度图像。为了获取二维毫米波图像，探测器被固定在平移台上并由步进电机驱动进行二维扫描。

2.2 成像测试

成像测试主要分为两部分：透镜聚焦特性测试和金属物体成像测试。透镜聚焦特性测试主要内容为：在未放置透镜和关闭毫米波照射源的情况下，使探测器进行二维扫描，获取本底噪声信号分布，同时也可测试系统稳定性；在未放置透镜和打开毫米波照射源的情况下，使探测器进行二维扫描，获取未经透镜聚焦的毫米波信号分布；在放置透镜和打开毫米波照射源的情况下，使探测器进行二维扫描，获取经透镜聚焦后的毫米波信号分布。在完成透镜聚焦特性测试之后，紧接着进行金属物体成像测试。由于锡箔材料对于35 GHz毫米波具有高反射率，因此文中测试对象为由锡箔材料制作成的金属条。利用上述提到的主动式毫米波焦平面成像系统对金属条进行成像测试。

3 分析及讨论

透镜聚焦特性测试结果如图1所示。从图1中可以看出：在未放置透镜和关闭照射源的情况下，本底噪声信号强度分布均匀，在整个测量过程基本上不变，说明整个测量系统在无照射源的情况下稳定性较好；在未放置透镜和打开照射源的情况下，探测器所探测到毫米波信号分布基本上也处于均匀分布，也进一步说明测量系统在有照射源的情况下仍能稳定运行。结果也表明了新型材料透镜对于毫米波信号具有会聚增强效应以及此材料透镜具有良好的聚焦特性。

金属物体成像测试结果如图2所示，其中图2（A）为金属条光学图像，图2（B）为金属条毫米波图像。金属条后面覆盖着锥形电磁波屏蔽材料（蓝色部分），这样一方面可以减少本底噪声信号干扰，另一方面也可以减少二次反射，削弱外界环境对于成像测试的影响。

对比图2（A）和图2（B）的毫米波像与光学像在轮廓上相近，证明了此新型材料透镜用于毫米波成像系统的可行性。在图2（B）中，颜色越深的部分表明此处信号强度越小，颜色越亮的部分表明此处信号强度越大，图中黑色部分代表着本底噪声的强度。从图2（B）中可以看出，金属条边界与本底的反差比较大，表明金属条的毫米波像具有很好的清晰度。总体来讲，金属条的毫米图像清晰度良好，此测量系统在探测金属物体方面具有一定的可行性。

4 结论

本文对新型材料透镜进行了聚焦特性测试以及将其运用于主动式毫米波焦平面成像系统，并且对锡箔金属物体进行成像测试。从新型材料透镜聚焦特性测试结果可以看出，此透镜对于毫米波具有良好的聚焦增强特性。同时也进行成像系统的稳定性实验，结果表明此成像系统在有、无毫米波照射源的情况下，均能稳定、平稳地运行工作。另外，锡箔金属条清晰的毫米波图像证明了此新型材料透镜应用于毫米波成像领域的可行性以及此成像系统具有良好的探测金属物体的能力。

参考文献：

[1]张一聪，张涛.仿真分子材料及其微波折射行为研究[EB/OL].北京：中国科技论文在线.

[2]张涛.用于毫米波波段的复合透镜研究[EB/OL].北京：中国科技论文在线.

作者简介：何佳霖（1988-），男，吉林通化人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：仪表调试 。