毫米波安檢成像雷達(dá)設(shè)計(jì)

魏志強(qiáng) 李春化 周子超 蘇小敏 李雅梅 王 樂(lè)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

傳統(tǒng)安全檢測(cè)系統(tǒng)(金屬探測(cè)器和X光掃描機(jī))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(yīng)用于安檢的技術(shù)主要有:X射線、紅外線、太赫茲、超寬帶和聲波等技術(shù)。這些技術(shù)雖具有其適用場(chǎng)合和特點(diǎn)，但對(duì)檢測(cè)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(diǎn)，但強(qiáng)輻射會(huì)對(duì)人體健康造成傷害，不能直接用于人體檢測(cè)。紅外技術(shù)探測(cè)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(qiáng)，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(shù)仍處于技術(shù)研究階段，高成本的太赫茲輻射源和相關(guān)傳輸與檢測(cè)器件是制約其發(fā)展的難點(diǎn)。超寬帶技術(shù)的成像分辨率低，難以識(shí)別人體隱匿物品。金屬探測(cè)器則對(duì)塑料等非金屬物品束手無(wú)策。而毫米波探測(cè)技術(shù)結(jié)合了微波和紅外的優(yōu)點(diǎn)，在安全輻射功率標(biāo)準(zhǔn)下不影響人體健康，可以穿透衣服、包裹等介質(zhì)檢測(cè)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(shè)備的必要補(bǔ)充和替代技術(shù)手段。

1 安檢成像技術(shù)

雷達(dá)成像的本質(zhì)是依據(jù)目標(biāo)散射場(chǎng)的幅度和相位信息進(jìn)行目標(biāo)二維或三維重構(gòu)［3］。成像技術(shù)可歸類于焦平面成像、機(jī)械掃描成像、相控陣成像和合成孔徑成像等。

二維機(jī)械掃描成像利用伺服電機(jī)系統(tǒng)控制天線的移動(dòng)照射不同的探測(cè)區(qū)域。它是以犧牲掃描時(shí)間為代價(jià)來(lái)獲取較大視場(chǎng)的目標(biāo)特性，難以實(shí)時(shí)成像。但它可用少量的收發(fā)信道獲得較大探測(cè)視場(chǎng)，具有成本低、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。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(biāo)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(chǎng)，實(shí)現(xiàn)多波束同時(shí)接收。與單個(gè)天線波束掃描相比，多波束成像系統(tǒng)可同時(shí)觀測(cè)場(chǎng)景的不同部分，達(dá)到降低熱噪聲和提高場(chǎng)景對(duì)比度的探測(cè)效果。但焦平面成像的觀測(cè)視場(chǎng)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(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)技術(shù)廣泛用于星載、機(jī)載雷達(dá)的對(duì)地觀測(cè)中。其主要思想是將不同位置的天線接收的同一目標(biāo)回波信息進(jìn)行幅度和相位信息合成處理［4］。時(shí)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(diào)頻縮放、距離徙動(dòng)等方法［5］。合成孔徑成像算法具有分辨率高、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，與切換天線陣列結(jié)合可實(shí)現(xiàn)二維或三維目標(biāo)成像。另外，在合成孔徑成像的基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)平動(dòng)，雷達(dá)靜止，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的毫米波成像檢測(cè)，即逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)檢測(cè)［6］。

2 毫米波安檢成像雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毫米波安檢成像雷達(dá)是機(jī)場(chǎng)、車站、海關(guān)等重要場(chǎng)所安全檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。雷達(dá)回波被處理成包含目標(biāo)信息的圖像，操作人員依據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)圖像進(jìn)行判斷以確定可疑物品，進(jìn)而人工檢查確定是否為違禁物品。雷達(dá)對(duì)人體檢測(cè)形成高分辨率雷達(dá)圖像時(shí)，同時(shí)對(duì)個(gè)人隱私進(jìn)行保護(hù)，具有人體安全、實(shí)時(shí)檢測(cè)、高分辨率成像等特點(diǎn)，能夠透過(guò)衣服、包裹檢測(cè)出人身上隱藏物品，如金屬刀具、槍支、特殊液體、光盤(pán)、成沓紙幣等。

雷達(dá)整機(jī)由天線陣列、收發(fā)機(jī)、掃描器、信號(hào)處理單元和圖像處理及終端顯示五部分組成。其中，信號(hào)處理單元通過(guò)網(wǎng)線與PC相連，圖像處理及終端通過(guò)PC完成。雷達(dá)采用調(diào)頻連續(xù)毫米波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)雷達(dá)體制和合成孔徑成像方法［7］。收發(fā)機(jī)產(chǎn)生Ku波段的線性FMCW信號(hào)，經(jīng)倍頻放大后形成W波段信號(hào)，經(jīng)發(fā)射天線向外輻射。接收天線接收回波信號(hào)，經(jīng)放大、濾波、混頻后，輸出差頻信號(hào)。雷達(dá)信號(hào)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(dá)圖像。通過(guò)輔助圖像處理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。處理結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)把圖像數(shù)據(jù)和目標(biāo)參數(shù)送到顯控系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)隱匿物品成像檢測(cè)，雷達(dá)系統(tǒng)需要將不同波束方向的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，數(shù)據(jù)量越多雷達(dá)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(dá)安檢效率和系統(tǒng)復(fù)雜程度，本系統(tǒng)采用64路數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理。由于FMCW雷達(dá)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(kāi)關(guān)陣列切換的設(shè)計(jì)，通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列切換天線陣列的工作狀態(tài)。4個(gè)發(fā)射天線和16個(gè)接收天線通過(guò)開(kāi)關(guān)切換，可形成64路不同收發(fā)天線位置的回波信號(hào)。成像處理時(shí)需要對(duì)不同接收數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正。

雷達(dá)收發(fā)機(jī)由頻綜模塊、發(fā)射前端、接收前端、AD及定時(shí)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(hào)。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(hào)并進(jìn)行功率放大。接收信號(hào)下變頻后，經(jīng)過(guò)濾波、放大等處理，再與參考信號(hào)正交混頻，獲得的I、Q信號(hào)傳到ADC進(jìn)行處理。

信號(hào)處理單元采用商用加固CPCI架構(gòu)，由信號(hào)處理板、主機(jī)板、千兆以太網(wǎng)卡、CPCI背板等構(gòu)成。其中，信號(hào)處理板完成回波信號(hào)檢測(cè)和變換，主機(jī)板完成雷達(dá)全機(jī)控制、數(shù)據(jù)處理、圖形處理，與分級(jí)及顯控系統(tǒng)通信等工作，處理單元主要完成雷達(dá)工作狀態(tài)控制、雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)處理、I/Q信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和采集、通過(guò)FPGA控制信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)、圖像處理和目標(biāo)識(shí)別、產(chǎn)生時(shí)鐘控制信號(hào)、自檢測(cè)和控制供電等。

3 雷達(dá)成像算法

3.1 雷達(dá)成像處理算法

成像算法是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)關(guān)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(hào)，其物理過(guò)程等同于雷達(dá)在遍歷周期內(nèi)移動(dòng)了與天線線陣長(zhǎng)度相同的距離。本系統(tǒng)擬采用SAR成像算法進(jìn)行成像，該算法包括多普勒頻移校正、頻率變標(biāo)、殘余視頻相位校正、逆頻率變標(biāo)、二次距離壓縮、距離系統(tǒng)校正和方位脈壓等過(guò)程［8－9］。

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

天線接收的線性調(diào)頻信號(hào)為:

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

上式中最后一項(xiàng)為殘余視頻相位(RVP)誤差，在距離頻域中通過(guò)與參考相位信號(hào)進(jìn)行卷積處理，濾除予以消除，參考相位信號(hào)為:

完成RVP校正后，將信號(hào)轉(zhuǎn)到距離時(shí)域。略去窗函數(shù)中的時(shí)間偏移，得到的校正信號(hào):

其中，kr=4π(fc+Kt)/c校正信號(hào)在空間頻域xn，zm形式為:

依據(jù)穩(wěn)相法，校正信號(hào)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(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系(kx，ky，kz)前，要對(duì) Swn(kr，kx，kz)為進(jìn)行參考函數(shù)乘積(RFM)補(bǔ)償，參考函數(shù)為:

補(bǔ)償后信號(hào)為:

從kr到ky轉(zhuǎn)換可通過(guò)Stolt插值方法實(shí)現(xiàn)。將SAR接收的距離向頻域數(shù)據(jù)插值為笛卡爾坐標(biāo)系中。信號(hào)插值后，進(jìn)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(jié)果

以二維、三維和實(shí)際數(shù)據(jù)為檢測(cè)目標(biāo)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的成像算法進(jìn)行驗(yàn)證。以一疊百元紙幣為假定的探測(cè)目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)成像識(shí)別算法進(jìn)行仿真。假設(shè)紙幣尺寸為16cm×7cm×1cm，紙幣側(cè)面為粗糙面，紙幣上的墨跡(含金屬顆粒)和紙質(zhì)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(jì)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(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)和成像算法進(jìn)行仿真，如圖3所示。

圖3 以一疊紙幣為探測(cè)目標(biāo)的二維和三維圖像

上述成像結(jié)果為雷達(dá)系統(tǒng)算法直接處理的原始圖像，沒(méi)有再進(jìn)行圖像校正和邊緣提取等處理。可以看出，經(jīng)雷達(dá)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(biāo)(百元紙幣)原型的大小和形狀。

再以三維點(diǎn)目標(biāo)為列，間距為0.2m的6個(gè)點(diǎn)目標(biāo)排成陣列。使用雷達(dá)成像算法進(jìn)行三維仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。左上角為6個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的三維排列位置圖，其余三個(gè)圖像表示6點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)雷達(dá)成像算法處理后分別在x-z，x-y和z-y切面內(nèi)的成像結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，6個(gè)三維排列的點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)本文算法處理后，其空間間隔保持不變，進(jìn)而驗(yàn)證了算法對(duì)三維目標(biāo)處理的有效性。

圖4 三維點(diǎn)目標(biāo)在三個(gè)方向切面的成像結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的有效性，繼續(xù)采用RADARSAT-1衛(wèi)星雷達(dá)觀測(cè)的真實(shí)地面數(shù)據(jù)進(jìn)行算法仿真。本文使用數(shù)據(jù)區(qū)域?yàn)椴杉诩幽么骎ancouver地區(qū)(June 16.2002 GMT)［17］。

圖5 加拿大Vancouver兩個(gè)海濱區(qū)域的成像結(jié)果

采用本文雷達(dá)成像算法對(duì)下載數(shù)據(jù)進(jìn)行成像計(jì)算，其兩個(gè)區(qū)域的成像結(jié)果與真實(shí)地形(光學(xué)圖像下載于Google Earth數(shù)據(jù)庫(kù))進(jìn)行比較，如圖5所示。上面兩個(gè)圖為使用本文成像算法獲得的兩個(gè)海濱區(qū)域圖像，下面兩個(gè)光學(xué)圖像為對(duì)應(yīng)區(qū)域的真實(shí)地面場(chǎng)景。比較可知，本文成像算法的結(jié)果與真實(shí)的地表場(chǎng)景是完全吻合。

通過(guò)上述二維、三維和真實(shí)地形數(shù)據(jù)的探測(cè)目標(biāo)為例，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的雷達(dá)及其成像算法的有效性。

4 結(jié)論

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外恐怖主義活動(dòng)猖獗，恐怖分子采用各種隱蔽手段攜帶危險(xiǎn)物品進(jìn)入國(guó)家要害部門(mén)進(jìn)行恐怖活動(dòng)。在機(jī)場(chǎng)、車站、政府機(jī)構(gòu)等部門(mén)進(jìn)行安全檢測(cè)是保障人民群眾安全的必要手段。目前還沒(méi)有一種安檢成像技術(shù)同時(shí)具備人體安全、高分辨率、透視成像和快速檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。基于此，本文介紹了一種毫米波安檢成像雷達(dá)。該系統(tǒng)采用了FMCW雷達(dá)體制。在檢測(cè)過(guò)程中，在垂直方向進(jìn)行機(jī)械掃描的同時(shí)，在方位向通過(guò)切換不同位置的收發(fā)天線進(jìn)行“電子掃描”，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的二維探測(cè)。本文著重介紹了該系統(tǒng)的成像方法，并通過(guò)二維和三維模擬目標(biāo)，以及Radarset-1雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)和成像算法進(jìn)行了驗(yàn)證。成像結(jié)果證明了該成像雷達(dá)的設(shè)計(jì)參數(shù)和成像算法的可靠性。該雷達(dá)的研制，可為安檢系統(tǒng)提供無(wú)損透視檢測(cè)的補(bǔ)充手段。同時(shí)，在技術(shù)上將推動(dòng)雷達(dá)成像、毫米波、太赫茲波等相關(guān)技術(shù)的科學(xué)研究，加快、加大在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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