近場(chǎng)雷達(dá)三維成像技術(shù)綜述

姜浩浩，曲 衛(wèi)，童 菲

(1.航天工程大學(xué) 研究生院， 北京 101416； 2.航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系， 北京 101416；3.北京航天飛行控制中心， 北京 100094)

1 引言

反恐等安全問(wèn)題一直是國(guó)家和人民關(guān)注的重要問(wèn)題，對(duì)隱匿目標(biāo)的安全檢測(cè)和成像是安全問(wèn)題中的重要方面。對(duì)隱匿目標(biāo)進(jìn)行一維或二維成像，只能獲得目標(biāo)的一部分散射分布信息，若想完整地描述出目標(biāo)信息，則需要進(jìn)行三維成像，因?yàn)槿S成像結(jié)果可以提供被測(cè)目標(biāo)的三維空間散射分布信息。為了獲得場(chǎng)景的三維圖像，需要使用二維陣列進(jìn)行探測(cè)。陣列形式是多種多樣的，其中MIMO陣列是應(yīng)用較多的一種陣列形式，采用該種陣列能夠減少陣元的數(shù)目，同時(shí)兼具較高的數(shù)據(jù)獲取率的優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較高的場(chǎng)合中。

在合成陣列模型下，一般認(rèn)為目標(biāo)到陣列中心和陣列兩端的雙程波程差小于λ/4為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的分界。在傳統(tǒng)雷達(dá)成像中，通常假設(shè)滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，采用遠(yuǎn)場(chǎng)成像方法進(jìn)行成像。但是，在穿墻探測(cè)、安檢等近場(chǎng)成像場(chǎng)景中，雷達(dá)與目標(biāo)的距離和天線孔徑的尺寸差距較小，相干積累角比較大，不再滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)成像假設(shè)，傳統(tǒng)成像技術(shù)需要改進(jìn)后才能成像，否則將會(huì)出現(xiàn)散焦或者模糊。三維成像的優(yōu)勢(shì)有很多，在穿墻雷達(dá)成像中，從三維成像的結(jié)果可以分辨出室內(nèi)人員的姿勢(shì)；在安檢系統(tǒng)中，從三維成像結(jié)果能夠分辨出危險(xiǎn)物的種類(lèi)、形狀、尺寸等特征。總而言之，當(dāng)今時(shí)代對(duì)近場(chǎng)雷達(dá)三維成像技術(shù)的研究以及三維成像系統(tǒng)研制的需要越來(lái)越迫切了。

2 近場(chǎng)三維成像系統(tǒng)

根據(jù)工作方式不同，近場(chǎng)雷達(dá)三維成像系統(tǒng)包括主動(dòng)成像與被動(dòng)成像等2種[1-2]。被動(dòng)成像系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)接收目標(biāo)輻射出來(lái)的能量，根據(jù)目標(biāo)之間的輻射差異來(lái)實(shí)現(xiàn)三維成像的。該成像方式的分辨率相對(duì)較低，但是受環(huán)境影響太大；主動(dòng)成像系統(tǒng)的工作原理是雷達(dá)向目標(biāo)發(fā)射電磁波，然后處理接收到目標(biāo)的散射電磁波進(jìn)行成像的。從2種工作方式的原理來(lái)看，主動(dòng)成像方式受環(huán)境影響小，成像分辨率相對(duì)要高一些。因此，在本文中主要介紹主動(dòng)成像系統(tǒng)。

2.1 主動(dòng)毫米波雷達(dá)成像系統(tǒng)

在主動(dòng)毫米波雷達(dá)成像系統(tǒng)研制方面,國(guó)外起步較早，而且取得了很多成果。20世紀(jì)70年代，毫米波全息成像技術(shù)開(kāi)始在隱藏武器檢測(cè)領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)用，F(xiàn)arhat和Guard設(shè)計(jì)了一個(gè)固定源和光學(xué)掃描接收體系，通過(guò)Fresnel來(lái)近似測(cè)量回波，實(shí)現(xiàn)了毫米波雷達(dá)成像系統(tǒng)的主動(dòng)成像。20世紀(jì)90年代，美國(guó)的西北太平洋實(shí)驗(yàn)室(PNNL)開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究，并一直處于領(lǐng)先地位，取得了很多成果。PNNL實(shí)驗(yàn)室在Farhat和Guard所做研究基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行研究，獲得了質(zhì)量更高的成像結(jié)果[3]，為毫米波成像技術(shù)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。后來(lái)，PNNL實(shí)驗(yàn)室的科研人員將全息成像技術(shù)擴(kuò)展到了三維成像，取得了很多近場(chǎng)三維成像的成果。

在安檢成像系統(tǒng)商業(yè)化方面，Smithis Detection公司研發(fā)出一種寬帶平面陣毫米波成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)通過(guò)電掃描的方式實(shí)現(xiàn)平面陣列成像，橫向孔徑為1.1 m，高度孔徑為2.0 m，成像分辨率為4 mm×4 mm，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，可以對(duì)隱藏于人體衣服內(nèi)側(cè)的危險(xiǎn)物品進(jìn)行檢測(cè)，而且該系統(tǒng)還做了保護(hù)隱私的處理[4]。德國(guó)R&S公司和紐倫堡大學(xué)的科研人員合作，研發(fā)出了QPS系列安檢產(chǎn)品[5-8]。該成像系統(tǒng)采用步進(jìn)頻信號(hào)體制，采用BP算法結(jié)合稀疏周期平面陣列對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像。其工作頻段在70～0 GHz，距離分辨率達(dá)到了6 mm，方位向和高度向分辨率為2 mm。目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)等一些重要場(chǎng)所的安檢工作中。

國(guó)內(nèi)研究起步較晚，總體還處于起步階段。國(guó)內(nèi)的北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所、中科院電子所、北京理工大學(xué)等單位在主動(dòng)毫米波成像技術(shù)研究方面投入較多。2011年，北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所研發(fā)出了主動(dòng)毫米波雷達(dá)成像系統(tǒng)的樣機(jī)，這個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到了國(guó)際較為先進(jìn)的水平。2012年，中科院電子所的科研人員設(shè)計(jì)研發(fā)了一款工作頻率為35 GHz的毫米波雷達(dá)成像系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的掃描成像速度為200S，分辨率為10.5 mm。為提高系統(tǒng)的性能，該團(tuán)隊(duì)又提出了一種陣列式毫米波系統(tǒng)的解決方案，系統(tǒng)成像速度達(dá)到了38.7S，分辨率為3.225 cm，掃描成像效果比較理想[9]。2014年，北京理工大學(xué)的任百玲研究了基于非均勻快速傅里葉變換(NUFFT)和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)體制的波數(shù)域成像算法，并且研究了基于壓縮感知(CS)理論的成像算法，最后基于所研究的算法，研發(fā)了毫米波雷達(dá)原理樣機(jī)[10]。

2.2 太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)

美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)是太赫茲成像領(lǐng)域的重要研究機(jī)構(gòu)，一直處于領(lǐng)先地位，取得了許多研究成果。2007年，該實(shí)驗(yàn)室成功研制了第一部采用FMCW體制的高分辨率太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率范圍為560～635 GHz，在4 m范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，距離分辨率達(dá)到了2 cm[11]。2008年，JPL實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一部主動(dòng)式相參太赫茲雷達(dá)，采用線性調(diào)頻連續(xù)波體制，實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)的距離向分辨率和厘米級(jí)的方位向分辨率[12]。2011年，JPL實(shí)驗(yàn)室又在之前研發(fā)的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，研發(fā)出了一套太赫茲雷達(dá)三維成像系統(tǒng)，其中心頻率為675 GHz，帶寬為29 GHz，最大成像距離達(dá)到了25 m[13]。

2009年，PNNL實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了350 GHz主動(dòng)式探測(cè)成像系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)1 cm的成像分辨率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)成像[14-15]。2011年，德國(guó)羅德與施瓦茨公司(R&S)設(shè)計(jì)了QPASS系統(tǒng)，其工作頻段為72～80 GHz，方位向分辨率達(dá)到了1.96 mm，成像數(shù)據(jù)的錄取時(shí)間為20 ms[16-17]。

國(guó)內(nèi)研究太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)的單位有中科院電子所、中國(guó)工程物理研究院、電子科技大學(xué)等。2011年，中科院電子所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了0.2 THz三維全息成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于光路扇形掃描和一維線性掃描方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的三維成像[18-19]。2012年，中科院電子所研發(fā)了中心頻率為0.2 THz的三維全息成像系統(tǒng)，其帶寬為15 GHz，系統(tǒng)的成像分辨率達(dá)到了8.8 mm[20]。2014年，電子科技大學(xué)搭建了330 GHz雷達(dá)成像系統(tǒng)[21]，進(jìn)行了太赫茲頻段的等效CSAR成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的三維成像[22-23]。2017年，中國(guó)工程物理研究院搭建了340 GHz的雷達(dá)成像系統(tǒng)，利用4發(fā)16收MIMO陣列，結(jié)合一維光路掃描方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體的三維成像[24-25]。

2.3 穿墻雷達(dá)成像系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，穿墻成像技術(shù)普遍受到世界各國(guó)重視，美國(guó)、英國(guó)、以色列、加拿大等國(guó)相繼研發(fā)出多種穿墻成像系統(tǒng)，其中具有代表性的包括:美國(guó)TimeDomain公司的Radar Vision 2000系列[26-27]、英國(guó)Cambridge Consultants公司的Prism200[28]以及以色列CAMERO公司的XaverTM 800系列[29]等。

1998年，美國(guó)Time Domain公司研制出了第一款穿墻雷達(dá)樣機(jī)Radar Vision1000，該系統(tǒng)以沖擊脈沖超寬帶體制為基礎(chǔ)，利用回波信號(hào)中人體的微多普勒信息，實(shí)現(xiàn)了墻后人體的定位探測(cè)，最大可探測(cè)距離為6 m，距離分辨率為10.2 cm，遺憾的是這款樣機(jī)只能提供距離向定位信息，不具備三維成像能力。2002年，該公司又研制出了Radar Vision 2000系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)二維成像，準(zhǔn)確定位人體的位置，而且能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的軌跡跟蹤。后來(lái)該公司又針對(duì)軍事應(yīng)用背景，推出了Soldier Vision系列，該系統(tǒng)的原理與Radar Vision2000基本一致。2005年，英國(guó)Cambridge Consultants公司研制出了一款便攜式的穿墻成像系統(tǒng)Prism200，該系統(tǒng)工作于1.6～2.2 GHz頻段，方位、高度向的最大探測(cè)角度分別為120°與90°，最大可探測(cè)距離為20 m，距離向分辨率為30 cm。較之以前穿墻成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穿墻三維成像，取得了突破性進(jìn)展，但此處的三維成像也只是可以顯示目標(biāo)的三維信息，不具備三維分辨能力。2008年，以色列CAMERO公司在XaverTM100和XaverTM400基礎(chǔ)上研制出了一款真正能夠?qū)崿F(xiàn)墻后目標(biāo)三維成像的穿墻雷達(dá)系統(tǒng)——XaverTM800，此系統(tǒng)仍然工作于3～10 GHz頻段，適用于多種常見(jiàn)的墻體材料，方位向和高度向最大可探測(cè)角度均達(dá)到80°，最大可探測(cè)距離為20 m，距離向分辨率優(yōu)于3 cm，垂直距離向能夠獲得30 cm的分辨能力，該系統(tǒng)具備獨(dú)特的3D顯示功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示目標(biāo)的三維立體動(dòng)態(tài)，獨(dú)特的成像方法使得該系統(tǒng)能夠在復(fù)雜場(chǎng)景中獲得高質(zhì)量的直觀三維圖像。

與國(guó)外眾多成熟產(chǎn)品相比，我國(guó)的穿墻成像技術(shù)仍處于研究原理和樣機(jī)的階段。其中，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)出的超寬帶穿墻MIMO雷達(dá)成像樣機(jī)系統(tǒng)，采用步進(jìn)頻信號(hào)體制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)墻后人體目標(biāo)的成像。

3 近場(chǎng)三維成像算法

成像過(guò)程包括數(shù)據(jù)采集和成像處理，數(shù)據(jù)采集是將目標(biāo)空間變換到數(shù)據(jù)空間，成像處理則是對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行逆處理，消除采樣過(guò)程的影響，還原目標(biāo)空間的過(guò)程。成像處理通常是通過(guò)成像算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同的成像算法對(duì)回波數(shù)據(jù)塊處理方式不同，也各有優(yōu)缺點(diǎn)，常用于三維成像的算法主要有時(shí)域的后向投影(BP)算法、距離多普勒域的 RDA 算法以及頻域的 RMA 算法等。

3.1 近場(chǎng)時(shí)域三維成像算法

后像投影(BP)算法是一種時(shí)域成像算法，主要基于時(shí)延相加的成像思想，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有用到任何幾何近似，可與任意陣列構(gòu)型結(jié)合進(jìn)行成像。但是BP算法面臨著成像計(jì)算量過(guò)大，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)成像的要求，成像效率較低等問(wèn)題。因此，很多研究人員對(duì)傳統(tǒng)BP算法進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出了以孔徑劃分、圖像域劃分以及遞歸思想為基礎(chǔ)的快速BP算法，如局部后向投影(LBP)算法[30]、快速后向投影(FBP)算法[31-32]以及快速因式分解后向投影(FFBP)算法[33]等。

對(duì)于BP算法本身的局限性以及近場(chǎng)條件下的成像特點(diǎn)，本文對(duì)前人在時(shí)域三維成像方面所做的研究工作進(jìn)行了綜述。針對(duì)BP算法成像效率低和成像時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，文獻(xiàn)[34]研究了一種完全映射方法，該作者分別采用弧形映射方法、廣義相干處理法(ECP法)、球面卷積反投影法(SBP法)以及完全映射近場(chǎng)成像方法對(duì)近場(chǎng)點(diǎn)陣散射仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，比較這幾種方法的成像效果及計(jì)算速度。從計(jì)算結(jié)果可以看出，完全映射法是一種高效的近場(chǎng)成像方法，可以準(zhǔn)確得到近場(chǎng)像，同時(shí)又有較快的處理速度。由于BP算法計(jì)算量大，文獻(xiàn)[35]研究了一種修正BP成像算法,結(jié)合MIMO雷達(dá)進(jìn)行近場(chǎng)三維成像。該算法的成像過(guò)程為：先對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行距離壓縮，再對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)延曲線校正，然后沿方位向?qū)Ω髀坊夭ㄌ幚頂?shù)據(jù)直接進(jìn)行相干疊加,因此不需要距離插值就可以實(shí)現(xiàn)方位聚焦。相對(duì)于普通BP算法而言，修正BP算法的運(yùn)算量大大減少，但是其成像質(zhì)量與普通BP算法的成像質(zhì)量相當(dāng)。FFBP算法的計(jì)算量低、實(shí)時(shí)性好，但是有關(guān)FFBP三維成像的研究較少，國(guó)防科大的劉鵬飛在文獻(xiàn)[36]中結(jié)合平面MIMO陣列，將FFBP算法應(yīng)用于近場(chǎng)穿墻三維成像，并分別進(jìn)行了收發(fā)同置和收發(fā)異置模式下的三維BP成像和FFBP成像仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)兩者的成像性能參數(shù)和成像結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明FFBP算法的魯棒性好、成像速度快，且成像質(zhì)量與BP成像差不多。北京理工大學(xué)的俞列宸在文獻(xiàn)[37]中提出了一種改進(jìn)的卷積逆投影算法，結(jié)合MIMO陣列進(jìn)行近場(chǎng)三維成像。由于成像過(guò)程中用到了等效相位中心原理，具有一定的相位誤差，于是采用匹配濾波函數(shù)來(lái)補(bǔ)償相位誤差。但是，該算法還有計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)的局限性，于是，作者在此基礎(chǔ)上又對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，研究了基于矩陣填充理論的快速三維成像算法，并在不同信噪比下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于普通BP算法而言，該算法在一定的誤差限內(nèi)成像時(shí)間短，具有非常明顯的加速效果。

3.2 近場(chǎng)頻域三維成像算法

頻域算法有很多種，主要包括距離多普勒算法(RDA)、距離遷移算法(RMA)、調(diào)頻變標(biāo)算法(CSA)和距離堆積算法(RSA)等。RDA算法和CSA算法采用了近似條件，使得成像過(guò)程較為簡(jiǎn)單，但是不能直接應(yīng)用于近場(chǎng)成像。在這里，不再一一介紹，重點(diǎn)介紹一下RDA和RMA。

距離多普勒算法(RDA)是在距離多普勒域進(jìn)行距離徙動(dòng)校正的，是眾多成像算法中最直觀、最基礎(chǔ)的方法。對(duì)于距離一樣但是方位不一樣的多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)，它們?cè)诰嚯x多普勒域內(nèi)的回波軌跡完全一樣。因此，我們完全可以通過(guò)一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的距離徙動(dòng)軌跡校正來(lái)達(dá)到同一距離處一組目標(biāo)的距離徙動(dòng)校正的目的。

與RDA算法比較來(lái)看，距離徙動(dòng)算法(RMA)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：采用STOLT插值在三維頻域(波數(shù)域)來(lái)校正距離向與方位、高度向的耦合。該算法能夠適用比較大范圍內(nèi)的距離徙動(dòng)變化，在不采用一些近似的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)沒(méi)有幾何變形的完全聚焦。該成像算法的優(yōu)勢(shì)就在于精確與高效。

相對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)頻域成像算法而言，近場(chǎng)頻域算法還有很大的研究空間。由于近場(chǎng)雷達(dá)三維成像技術(shù)一般是采用MIMO雷達(dá)，頻域算法與MIMO雷達(dá)的結(jié)合是近場(chǎng)雷達(dá)三維成像的難點(diǎn)。因此，在本文中，針對(duì)近場(chǎng)頻域算法存在的問(wèn)題，對(duì)前人所做的近場(chǎng)雷達(dá)頻域算法方面的研究進(jìn)行了綜述。譚維賢等人在文獻(xiàn)[38]中研究了一種基于波數(shù)域積分的三維成像算法，該算法是一種簡(jiǎn)化的頻域成像算法，通過(guò)在給定距離單元上沿波傳播方向上的波數(shù)域積分，代替了相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜的三維STOLT插值，大大減少了計(jì)算量。文獻(xiàn)[39]提出了一種改進(jìn)的RMA算法，結(jié)合非標(biāo)準(zhǔn)快速傅里葉變換(NUFFT)可以對(duì)不均勻分布數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換的特點(diǎn)，應(yīng)用NUFFT，取代近場(chǎng)三維成像中的STOLT插值和IFFT，大大提高了成像效率。文獻(xiàn)[40]中提出了太赫茲成像中的相移偏移算法，推導(dǎo)了該算法在單靜態(tài)和多靜態(tài)情況下的工作原理，給出了多靜態(tài)條件下的采樣準(zhǔn)則和空間分辨率評(píng)價(jià)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的適用性和性能。與RMA和BPA相比，PMA的優(yōu)點(diǎn)是能夠在不事先知道距離的情況下進(jìn)行操作，只要頻率采樣間隔滿(mǎn)足目標(biāo)范圍的要求，PMA在原理上保持了BPA的聚焦和分辨性能，沒(méi)有任何近似，計(jì)算量比RMA大，但可以并行實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是必須在等間隔采樣情況下運(yùn)行，特別是在多靜態(tài)情況下，但是BPA不會(huì)受到同樣的影響。文獻(xiàn)[41]中推導(dǎo)了快速高斯格點(diǎn)非均勻傅里葉變換，提出了基于FGG-NUFFT的近場(chǎng)三維成像算法，并將該方法與傳統(tǒng)插值成像方法進(jìn)行比較，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在充分采樣情況下，2種方法的成像效果相近。但是，在降采樣率情況下，該方法依然能較好地保持原采樣率情況下的成像性能，而傳統(tǒng)插值方法的成像質(zhì)量則下降很多，因此，基于FGG-NUFFT的近場(chǎng)三維成像算法在采樣數(shù)據(jù)減少的情況下具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有利于成像系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[42]提出了一種成像方案，它是由2個(gè)平行的陣列面對(duì)著成像的物體，對(duì)陣列采用了多輸入多輸出技術(shù)。距離偏移算法是專(zhuān)門(mén)針對(duì)這一場(chǎng)景而設(shè)計(jì)的，當(dāng)一個(gè)物體被放置在2個(gè)陣列之間時(shí)，可以實(shí)時(shí)構(gòu)建近360°高質(zhì)量的圖像。由于在近場(chǎng)條件下，電磁波的波前是有一定曲率的球面，不再是平面。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[43]提出了一種有效的雷達(dá)成像算法,該三維成像算法在頻率波數(shù)域進(jìn)行圖像重建，通過(guò)插值處理的方法能夠完全補(bǔ)償近場(chǎng)的波前曲率。發(fā)射寬帶步進(jìn)頻率信號(hào)，采用高工作頻率，結(jié)合該算法可獲得高度向分辨率和橫向分辨率，成像結(jié)果的距離向分辨率優(yōu)于5 mm。文獻(xiàn)[44]將壓縮感知成像理論與距離偏移算法相結(jié)合，提出了一種用于聯(lián)合高分辨率成像和相位誤差校正的近場(chǎng)三維成像方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以在數(shù)據(jù)量較少的情況下實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，而且能夠有效地校正相位誤差，實(shí)現(xiàn)高聚焦目標(biāo)圖像。文獻(xiàn)[45]將壓縮感知(CS)理論和匹配濾波(MF)技術(shù)完美結(jié)合，提出了一種多通道聯(lián)合稀疏恢復(fù)(MJSR)和快速高斯網(wǎng)格非均勻快速傅里葉變換(FGGNUFFT)相結(jié)合的近場(chǎng)三維成像方法。該方法具有精度高、效率高的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的基于CS的成像方法相比，該方法在每次迭代中同時(shí)包含正變換和反變換，提高了重構(gòu)的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法提高了成像精度和成像速度，并減少了內(nèi)存占用。文獻(xiàn)[46]針對(duì)任意線性MIMO陣列的近場(chǎng)三維SAR成像，提出了一種MIMO-SAR-NUFFT成像算法。利用NUFFT技術(shù)，將非均勻陣列采樣轉(zhuǎn)化為波數(shù)域采樣，并將非均勻波數(shù)域采樣轉(zhuǎn)化為最終的網(wǎng)格化圖像數(shù)據(jù)。這樣，得到了一種能夠處理任意線性MIMO陣列拓?fù)涞木_、高效的成像算法。文獻(xiàn)[47]提出了一種改進(jìn)的基于平面多輸入多輸出(MIMO)陣列的三維圖像重建算法。通過(guò)在波數(shù)域應(yīng)用幾種適當(dāng)?shù)慕品椒ǎ瑢鹘y(tǒng)MIMO-RMA中復(fù)雜耗時(shí)的雙基地STOLT變換轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的單基地STOLT變換，從而大大減少了數(shù)據(jù)的插值量。結(jié)合多維快速傅里葉變換，可以獲得極高的計(jì)算效率。基于平面MIMO陣列雷達(dá)的平面人體目標(biāo)近場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)，證明了該算法的成像精度與傳統(tǒng)MIMO-RMA算法的精度差不多，效率比傳統(tǒng)方法高很多。郭企嘉在文獻(xiàn)[48]中提出了一種改進(jìn)的RMA三維成像算法——基于相干因子的RMA算法。相對(duì)于傳統(tǒng)RMA算法而言，該算法大大降低了計(jì)算量，圖像的動(dòng)態(tài)范圍和空間分辨率顯著提高。該算法采用點(diǎn)匹配法來(lái)計(jì)算反射率非相干功率，該方法將雙重積分近似成波數(shù)差單重積分，而且采用了一種矩陣重排方法來(lái)求取新積分核，大大降低了CF計(jì)算量。作者分別采用該算法和傳統(tǒng)RMA算法，結(jié)合十字型MIMO陣列進(jìn)行近場(chǎng)三維成像實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，凸顯該算法的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)三維成像技術(shù)大多是基于遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)進(jìn)行三維成像的，但是在穿墻探測(cè)、安檢中危險(xiǎn)物成像等領(lǐng)域，遠(yuǎn)場(chǎng)假設(shè)不再成立，近場(chǎng)三維成像技術(shù)的研究變得極為迫切。當(dāng)前，近場(chǎng)三維成像技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題就在于如何改進(jìn)成像算法以提高成像的速度和精度。

1)時(shí)域BP成像算法的顯著特點(diǎn)是逐像素點(diǎn)累加，計(jì)算量非常大，時(shí)間效率低下，不能應(yīng)用于實(shí)時(shí)成像的場(chǎng)合。為解決成像速度問(wèn)題，很多學(xué)者提出了許多適用于遠(yuǎn)場(chǎng)成像的改進(jìn)的BP算法。但是在近場(chǎng)成像方面，快速BP算法還有很大的研究空間。

2)頻域算法的運(yùn)算量小、成像效率高，是遠(yuǎn)場(chǎng)成像的常用方法。但是，對(duì)于近場(chǎng)雷達(dá)三維成像，一般是采用MIMO雷達(dá)，頻域算法與MIMO雷達(dá)不同陣列形式的結(jié)合是近場(chǎng)MIMO雷達(dá)三維成像的關(guān)鍵。因此將頻域算法應(yīng)用于近場(chǎng)MIMO雷達(dá)三維成像有很高的研究?jī)r(jià)值。