基于毫米波近场成像的二维稀疏面阵结构

赵宇姣, 成彬彬, 刘 杰, 姜济群, 喻 洋

(1. 中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川 绵阳 621900; 2. 中国工程物理研究院微系统与 太赫兹研究中心, 四川 成都 610200; 3. 公安部第一研究所北京 100048)

0 引 言

近年来,随着半导体技术的发展,毫米波成像系统的性能得到了迅速提升。毫米波具有良好的穿透性,能够有效实现对目标的高分辨检测,在人体安检[1-3]、汽车防撞[4-5]、气象探测[6-8]等领域的有着广泛的应用。在近场安检成像技术中,目标的机动性、非合作性与环境的复杂性对毫米波安检系统的实时性能提出了较高要求。目前,国内外的近场安检系统多采用一维电动扫描与一维机械扫描相结合的方式[9]。以美国西北太平洋国家实验室(pacific northwest national laboratory,PNNL)研发的毫米波安检系统ProVision为例,系统包括两个一维线阵,分别沿半个圆柱面对目标进行扫描[10-11],扫描时间1.5 s[12]。该体制安检系统的缺点主要在于受机械运动的限制,扫描时间相对较长,人体的呼吸作用或轻微移动容易导致成像结果的模糊[13]。基于平面阵结构[14-15]的安检系统为精确、实时的近场高分辨率成像提供了可能。以德国罗德与施瓦茨(Rohde & Schwarz)公司研发的安检系统QPS 200为例,系统集成了3 072个发射天线与3 072个接收天线,扫描时间小于25 ms[16];该系统采用贴片式天线结构[17],当天线的间距较小时,耦合信号会影响射频接收机的正常工作,因此,在后端的信号处理中,需要将耦合较大的接收信号判为无效[18],降低了数据的利用率。本文以QPS系统的口字型面阵结构为出发点,基于等效阵元均匀分布的原则[19-20],研究了适用于毫米波近场成像的二维稀疏面阵结构。改进的阵型结构有效降低了临近天线的耦合作用,简化了后端信号处理的流程并提高了数据利用率。

1 阵列结构与信号模型

1.1 基于口字型的稀疏面阵结构

基于等效孔径的概念,二维稀疏面阵的远场性能E(x,y)由发射孔径aT(x,y)与接收孔径aR(x,y)的二维卷积给出。在近场条件下,阵列性能E(x,y)会有所恶化,但仍可以借鉴等效孔径的设计思路,通过增加冗余天线的方法,综合考虑天线耦合、成像性能以及阵列结构可扩展性等因素得到最优的阵列结构。

传统的基于口字型布局的二维稀疏面阵结构是一种对称型的布局结构。以QPS系统的阵列结构为例,2N个发射天线与2N个接收天线均匀分布于“口”字的四边,如图1所示。

图1 QPS系统的阵列结构Fig.1 Sparse array structure of QPS system

为避免在方位及高度维出现混叠,根据空间采样定理,相邻发射(接收)天线的间距Δα需满足

(1)

式中,θb为天线的波束宽度;λ为波长。

图1中Δβ表示发射天线到接收天线的最小垂直距离,为保证等效阵元均匀分布,在QPS系统中,Δβ=Δα/2。图1所示的阵列结构在实际应用中取得了较好的成像效果[21-22],但其缺点在于发射天线与接收天线的距离太近,导致交叉耦合信号影响射频接收通道的正常工作[9]。

1.2 改进的稀疏面阵结构

针对传统口字型面阵结构耦合信号过大的问题,本文研究了一种改进的二维稀疏面阵结构,其等效孔径与位置关系如图2所示。图2(a)为口字型二维稀疏面阵的等效孔径示意图,图2(b)为收发天线的位置关系示意图。

在改进的稀疏面阵结构中,Δβ=Δα,在保证等效阵元均匀分布的同时,增大了接收天线与发射天线的距离,减小了交叉耦合信号的强度。

记等效孔径在方位及高度维的长度分别为La和Lh,而目标到面阵所在平面的垂直距离为R,那么系统的方位维分辨率δa和高度维分辨率δh可以分别表示为

(2)

(3)

同时,系统的距离维分辨率δz则表示为

(4)

式中,c为光速;B为系统的工作带宽。

1.3 目标回波信号模型

在三维直角坐标系下,发射天线到点目标P的距离为rtx,接收天线到P的距离为rrx。因此,接收天线收到的目标回波信号较发射信号的时延为

(5)

当发射信号为线性调频信号时,若记点目标反射系数为σ(rtx,rrx),系统工作频率和调频斜率分别为fc和k,则目标回波信号可以表示为

s(rtx,rrx,t)=σ(rtx,rrx)·ej2πfc[t-τ(rtx,rrx)]ejπk[t-τ(rtx,rrx)]2

(6)

记信道的处理增益为Γ,那么目标回波信号经去斜及混频处理后得到的基频回波可以表示为

sb(rtx,rrx,t)=σ(rtx,rrx)·Γ·ejπ[k·τ2(rtx,rrx)-fc·τ(rtx,rrx)]e-j2πkτ(rtx,rrx)t

(7)

式(7)中的基频回波信号为单频信号,其频率由调频斜率与回波时延的乘积决定。利用傅里叶变换完成对基频回波信号的距离压缩,记sb(rtx,rrx,t)的频域响应为Sb(rtx,rrx,f),那么利用后向投影算法可以重构出点目标P的反射强度，表达式为

,rrx,f)·ej2πfcτ(rtx,rrx)

(8)

式中,Ip为点目标P的反射强度;Ntx和Nrx分别示发射天线和接收天线的数量。利用式(8)对成像区域内所有点进行处理,则可以得到该区域的三维成像。

2 仿真分析

当目标位于成像区域的中心且与二维稀疏面阵的垂直距离为0.3 m时,其点目标扩展函数的仿真结果如图3所示。

图3 点目标扩展函数仿真Fig.3 Simulated point spread function

由于等效阵元均匀分布于等效孔径平面内,因此,点扩展函数在方位及高度维的特性基本一致,呈十字型结构。根据式(2)～式(4)可以看出,在目标距离R与系统参数λ、B一定的前提下,系统的纵向分辨率一定,而横向分辨率仅与等效孔径的长度有关。改进的阵型结构与QPS系统的阵型结构的成像区域一致,故二者的等效孔径长度一致,即两种阵型结构可以获得同样的空间分辨率。通过计算得到改进的阵型的理论横向分辨率为δa=δh=5.7 mm,纵向分辨率为δz=3 cm。点目标扩展函数在方位及距离维的剖面如图4(a)和图4(b)所示,图4(a)和图4(b)中主瓣的宽度分别为6 mm和3 cm,与系统的理论分辨率一致。

3 近场成像实验

本文的原理验证实验由单组收发天线通过机械扫描的方式完成。实验系统包括主控计算机、毫米波收发信道、四轴龙门位移平台以及收发天线。主控计算机基于美国国家仪器有限公司(national instruments, NI)控制平台,利用NI FlexRIO模块实现对信道及位移台的触发并完成对回波信号的实时采集及预处理。毫米波收发信道采用超外差结构,利用直接数字式频率合成器(direct digital synthesizer, DDS)产生640～800 MHz的线性调频信号,扫频时间60 μs,基带信号经倍频及上变频链路后得到32～37 GHz的发射信号,经发射天线向外辐射,发射功率为1 mW;经接收天线收到的目标回波信号在接收端与参考信号进行混频后得到中频的回波信号,中频回波信号经同相正交(in-phase quadrature, IQ)解调后产生I、Q两路基带回波信号并由NI FlexRIO模块进行实时采集。原理验证实验中采用金属仿真手枪作为成像目标,目标距二维稀疏口字阵0.3 m,成像结果如图5所示。图5(a)为目标的光学照片,图5(b)为目标经后向投影算法重构的最大值投影结果。

对复杂目标的三维成像实验验证了二维稀疏口字型面阵的成像能力。由于阵元数量减少,稀疏面阵在方位及高度维会引入栅瓣,但在该稀疏阵型中,适当的冗余设计使得栅瓣位置距成像区域较远,对目标的重构图像影响较小,如图5(b)所示。

4 结 论

本文从QPS系统的口字型面阵结构出发,基于等效孔径的概念,综合考虑等效阵元分布均匀性与天线耦合作用等因素,研究了适用于毫米波近场成像的二维稀疏面阵结构。通过点扩展函数仿真证明了该阵型结构可以获得与相同尺寸密集阵一致的理论分辨率,并利用原理验证平台完成了对复杂目标的三维成像,进一步证明了该阵型结构在毫米波波段的近场成像能力。下一步将开展对该阵型结构的系统集成以及快速成像算法的研究。