一種有源微波近場成像系統

呂建新，王志剛，朱肇軒

（電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731）

0 引 言

近年來，微波的近場成像受到越來越多研究者的關注，可應用于醫學、安全等領域，如早期乳腺檢測、安檢系統等，有源微波近場成像技術主要有兩種。一種是基于非線性逆散射重構算法的成像技術，圖像由逆散射重構算法算出的被測區域的介電常數和電導率的分布形成。由于逆散射重構算法的非線性性，求解該問題比較困難。美國Dartmouth大學Thayer工程學院的Meaney等人長期致力于微波近場成像檢測乳腺癌的研究，并已經開發出用于微波乳房成像的臨床系統[1]。另一種是基于超寬帶雷達技術的成像技術，天線發射超寬帶脈沖，多個接收天線接收判斷目標位置。這類方法由于采用已有的合成孔徑雷達技術，比較成熟，能夠準確定位探測物體的位置[2]，但是所用的實驗系統大都是用電子儀器搭建而成。

本文利用微波集成芯片，運用有限元微波共焦成像算法[3]，設計了一種基于2.45 GHz連續波信號的微波近場成像實驗系統，最后給出具體的實驗結果。

1 系統原理

發射天線發射近場電磁信號到成像區域，電磁信號經過區域中物體的反射后，接收機接收到反射波信號的幅度和相位信息。由反射波和直達波的相位差信息計算出直達波與反射波的波程差，然后通過有限元微波共焦算法計算出被測物體可能存在的位置的軌跡，改變接收和發生天線位置，得到多條擬合軌跡，多條軌跡相交的位置就是被測區域中物體的位置[4]。由于近場成像區域較小，可以保證反射波與直射波的相位差在單周期內，相位可以利用數字正交相位檢測方法檢測。

微波信號在介質中傳播的速度與介質的介電常數ε、電導率σ、磁導率μ和電磁波的頻率ω有關[4]，傳播速度為

由反射波與直達波的相位差可計算得到反射波與直射波的波程差D（θ0為相位差，ω0為信號角頻率）為

然后分別在有目標和無目標情況下測量反射波和直達波的相位，得到它們的相位差。在測量反射波相位時，要去除直達波信號的影響。相位測量系統方案如圖1所示，系統由天線模塊、收發模塊和數據采集控制模塊構成。

圖1 系統框圖

測量過程如下：

接收模塊混頻器輸出信號經低通濾波后

信號ξ（t）經過A/D數字化后

其中：N=2πf0/ω3，f0為 A/D 的采樣率。

對數據信號序列采用數字正交檢波方法檢測信號 ξ（t）的相位[5]，如圖 2 所示。

式中：u（n）——系統中有源器件帶來的高斯噪聲、諧波噪聲及外部與被測信號不相關的隨機噪聲；

e1（n）——均勻分布的ADC的量化噪聲。

而參考信號由數字序列表示為

其中，前兩項為正交參考信號，第3項為有限字長引起的量化噪聲。

將 x（n）和 s（n）進行互相關運算

由于確定的正弦波信號與隨機信號不相關，得出 σ（m）=0。

所

由以上分析可知，數字正交檢波方法對噪聲有很強的抑制作用，使用該方法可以準確檢測出信號的相位。

2 系統實現

2.1 天線模塊

天線采用同軸饋電的矩形微帶天線方式實現[6]，微帶天線尺寸：天線地平面53.1mm×43.1mm，天線輻射面40mm×30mm，天線饋電位置距離天線中心點6 mm。天線基板材料使用專用射頻板材Rogers4003。

使用Rohde&Schwarz ZVB 20矢量網絡分析儀實測獲得的S11參數如圖3所示，天線在2.45 GHz處的VSWR達到1.17。從測試結果可以看出，駐波比VSWR為1.17天線在2.45 GHz附近達到了極好的阻抗特性。

2.2 信號收發模塊

信號接收模塊，使用ADI公司的LNA低噪聲放大器 ADL5523，工作帶寬 0.4～4GHz，在 2.6GHz處，噪聲系數0.9，增益12.8dB，輸出三階交調30dBm，輸出1dB壓縮點17dBm。為便于調試，次級放大器也使用了ADL5523。混頻器使用ADL5382正交解調器，工作頻率0.7～2.7 GHz。混頻器輸出20 kHz中頻信號，經增益20 dB中頻放大器放大后輸出到數據采集控制模塊。信號接收模塊的性能：總增益達到45.6 dB，噪聲系數 1.32，靈敏度-90dBm[7]。

圖3 天線S11測試圖

信號發射模塊，使用集成VCO的鎖相環ADF4360-0，輸出頻率 2.4～2.725GHz，1.2～1.36GHz，輸出功率達到-8 dBm。然后級聯兩級功率放大器ADL5320，工作頻率 0.4～2.7 GHz，在 2.6 GHz處，增益12.5dB，輸出三階交調37dBm，輸出1dB壓縮點27.4dBm，計算可得信號輸出功率為17dBm。最后，利用Rohde&Schwarz ZVB 20矢量網絡分析儀測試得到接收電路射頻通道增益達到20 dB，發射電路通過頻譜分析儀測得輸出功率達到15dBm[8]。

基于用戶的協同過濾算法通過在用戶-項目評分矩陣上計算用戶間相似性，以確定目標用戶的的鄰居集，并將目標用戶所感興趣的項目通過一定推薦方法返回用戶。

2.3 數據采集控制模塊

數據采集控制模塊由DSP+FPGA的架構實現，主要完成收發模塊控制、數據采集控制和信號正交檢波處理，最后將相位信息以串口方式上傳到電腦。

3 成像算法

實驗系統中的成像算法采用有限元分析中的網格劃分的概念和微波共焦算法。有限元分析方法是將連續體離散化的一種近似方法，首先找到對所求解的數學物理問題的變分表示，然后將問題的求解區域剖分成有限個小單元的集合，在單元內用分片差值表示物理函數的分布，求解離散化后的代數方程得到物理函數的數值解。微波共焦算法來源于合成孔徑雷達技術，由發射天線向掃描區域發射超寬帶脈沖，該脈沖信號經目標產生散射，接收天線得到目標的散射信號。這些散射信號中包含了目標信息，包括物體的形狀和空間位置等信息。利用多個接收天線接收散射信號，獲得每個接收天線的信號時延，然后進行信息處理，對每個接收天線上所接收到的信號做時延補償。在目標位置處信號能夠同相疊加，能量較強，而在其他位置處非同相的波形疊加，能量較弱；因此，根據掃描區域中能量的分布不同，即可判斷出目標的位置[4，9]。

實驗系統采用有限元微波共焦算法[3]，首先利用有限元分析方法將被測區域進行離散化，劃分成空間的單元格，然后利用微波共焦算法對每個方格進行計算。具體過程如下：

探測區域為一個矩形區域，A為發射天線位置，B為接收天線位置，C為被檢測物體位置。AB為直達波路徑，AC+BC為反射波路徑，AC+BC-AB為反射波與直達波波程差，如圖4所示，矩形區域大小為160mm×160mm×80mm。

圖4 成像模型

首先，將矩形區域劃分為5mm×5mm×5mm立方體的格點，則共有16384個格點。

建立一個三維數組Grid[X][Y][Z]，用來與這些方格一一對應。

式中：AB，AC，BC——點A和B、A和C、B和C所在方格中心點距離。

點 C 所在方格中心點坐標為（Xc，Yc，Zc），各點坐標取值范圍為

計算時，將矩形區域內各個方格依次帶入上述方程，各點坐標均取方格中心點坐標，若滿足方程，則數組Grid[X][Y][Z]對應格點，取值加1。

需要取多對A、B點坐標值，來進行上述計算，當取到足夠多的點值時，可以得到多條被測物體的位置擬合線，這些擬合線的交點即為被測物體所在位置，或者數組Grid[X][Y][Z]中最大的點，其對應位置為被測物體所在位置。

4 實驗結果

被測物體放在矩形區域的位置（20，20，40）處,大小為5mm×5mm×5mm。

改變收發天線的位置，得到了被測物體可能所處位置的 4 條擬合曲線，如圖 5（a)、5（b）、5（c）、5（d）所示。

圖5 擬合曲線

4條擬合線顯示在一個圖形中，如圖6所示。它們的交點A即為被測物體的位置，A點所處位置坐標為（20，20，40），檢測結果與實際相符。

圖6 擬合曲線

5 結束語

本文利用射頻微波集成芯片，設計了一種連續波微波近場成像實驗系統，運用有限元微波共焦成像算法探測出被測區域物體的位置，并證明該實驗系統獲取反射波幅度和相位方案的可行性。后期在此基礎上可以擴展天線數量，收發模塊數量，組成天線陣列，更方便更多地獲得反射波幅度和相位信息[1]，而且采集的這些信息還可應用于基于非線性逆散射重構算法的微波近場成像系統，為以后微波近場成像系統的擴展研究奠定基礎。

[1]Meaney P M，Fanning M W，Li D.A clinical prototype for active microwave imaging of the breast[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2000，48（11）：1841-1853.

[2]夏景，孔娃，王剛.超寬帶微波近場目標探測成像實驗系統[J].微波學報，2009，25（4）：87-91.

[3]王璨，姚萌.一種早期乳腺腫瘤微波近場成像方法[J].儀器儀表學報，2006，27（6）：2150-2154.

[4]王璨.微波近場下早期乳腺癌成像平臺研究[D].上海：華東師范大學，2007：47-50.

[5]牟劍鴻，劉浩.適于微波成像的高速高精度數據采集系統[J].電子技術應用，1998（1）：38-39.

[6]張鈞.微帶天線理論與工程[M].北京：國防工業出版社，1988：150-200.

[7]Ludwig R，Bretchko P.射頻電路設計-理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2005：273-290.

[8]劉長軍，黃卡瑪，閆麗萍.射頻通信電路設計[M].北京：科學出版社，2005：150-165.

[9]杜劉革.基于FDTD方法的早期乳腺癌微波檢測方案研究[D].濟南：山東大學，2008：14-20.