近年来,随着安全形势日趋严峻,毫米波成像技术在安检领域的应用得到了世界范围内的重视和研究[1].由于被动成像技术中成像仪不主动辐射电磁波,仅检测目标自身辐射,而毫米波可以穿透衣物,且金属、粉末和液体等不同种类目标在毫米波波段具有不同的辐射特性,因此被动毫米波成像技术是一种针对人体安检应用的有效技术[2, 3, 4].被动毫米波成像技术最早采用实孔径扫描方式,但其成像速度慢,无法满足人体安检应用要求,且成像分辨率受限于实天线孔径.因此,为了实现人体安检所需的高分辨率实时成像要求,人们提出了基于阵列天线成像方式的焦平面[5, 6]、相控阵[7, 8]与综合孔径体制[9, 10].
焦平面体制是通过微波透镜或聚焦天线将目标辐射能量进行聚焦,将接收天线阵列布置于透镜或聚焦天线的焦平面处,以检测目标的辐射特性.焦平面体制不需进行扫描,因此能够实现实时成像需求.但由于聚焦仅对目标中心位置而言是准确的,随着位置偏移目标中心距离加大,散焦将极速加剧,导致成像结果严重失真.因此焦平面体制只适用于小范围目标成像,限制了人体安检的应用场景.
相控阵体制与相控阵雷达原理类似,通过对每路信号进行移相实现波束的空间扫描,获得目标辐射特性.相控阵体制信号处理简单,采用电扫描方式可以不受限于机械扫描装置速度.但进行辐射测量时波束需要在图像的每一个像素点驻留一定时间以获得足够的测量灵敏度,因此图像的分辨率与灵敏度制约了实时成像的应用场景.
综合孔径体制采用干涉测量原理,通过相关运算获得目标可视度,进而反演得到目标辐射特性.由于采用干涉测量方式,因此综合孔径体制中只需要稀疏度很高的接收天线阵列,且后端的相关运算可以并行处理,易于实现人体安检领域的实时成像需求.但是,综合孔径体制的后端信号处理复杂,相关运算需要大量的相关器与大规模的数字处理系统,限制了综合孔径成像系统的规模.
针对不同被动毫米波成像体制的特性及人体安检应用的需求,本文提出了一种相控阵体制与综合孔径体制相结合的被动毫米波成像方式,通过两种体制相结合,在保证系统实时成像要求的前提下降低了系统复杂度,减少了硬件需求,适应于实际人体安检应用.针对相控阵与综合孔径结合的方式,本文重点对其天线阵布局方式进行研究,给出了一种一维相控阵一维综合孔径的矩形阵布阵方式.针对相控阵维,结合仿真分析结果,引入了两种新的评价标准以适用于被动成像体制,并与常规的副瓣电平最小化标准的优化结果进行了对比.针对综合孔径维,给出了适合实际应用的稀疏布阵方式.
1 相控阵体制与综合孔径体制被动毫米波成像方式中,成像系统接收目标自身辐射的电磁波.由于物体自身辐射的电磁波具有随机信号的特征,其功率谱由物体温度决定[11],因此被动成像方式测量目标是物体的功率谱分布,或称辐射亮温.相控阵体制对接收信号进行移相叠加,将天线波束指向测量位置,通过对总接收信号的功率测量获得波束指向处的辐射亮温,继而扫描整个场景获得场景亮温分布.综合孔径体制的基本原理与其不同,综合孔径体制采用干涉测量方式[12, 13],将接收信号两两相关,获得目标场景的可视度函数,可视度函数在远场条件下或经近场修正后与场景亮温呈快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)关系,因此完成相关运算后进行傅里叶逆变换可直接获得整个场景的亮温分布.由于相控阵体制与综合孔径体制测量方式不同,首先对两者的关系进行分析.
以图 1与图 2所示的4单元阵列进行说明.为了方便对比,此时综合孔径体制采用满阵中的所有相关结果进行计算,称其为相关阵.
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| 图 1 相控阵体制Fig. 1 Phased array system |
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| 图 2 综合孔径体制Fig. 2 Synthetic aperture system |
设天线单元的输出信号分别为vn(n=0,1,2,3).在相控阵列中,为了使波束指向θ方向,各接收通道中的移相值分别为ejnkdλsinθ(n=0,1,2,3),其中j为虚数单位,k为波矢量,dλ为天线单元间隔.此相控阵输出为
在相关阵中,获得的可视度函数是接收信号的两两相关值〈vm,vn〉.进行傅里叶变换可视为对所有相关值〈vm,vn〉进行相位加权并叠加.若希望获得θ方向的亮温,需要附加的相位项为两天线间基线dmn与方向正弦sinθ的乘积,即与相控阵中的输出结果一致.
因此,如果不考虑可视度函数的冗余性,将所有可能可视度函数都利用上,则相关阵列的输出将与相控阵列的输出相同.
2 天线阵列整体设计对人体安检应用而言,需要在近距离获得较高的分辨率,即需要大等效孔径阵列天线.同时为了保障足够范围的不混叠视场范围,阵列天线中的单元天线间隔不能过大,这造成了阵列中需要大量的单元天线,特别是对二维成像而言,所需的单元天线数目非常庞大.对被动成像而言,由于需要对随机信号的功率进行测量,为了保证毫米波图像有足够的温度灵敏度,需要足够的积分时间.若采用相控阵体制,则需要数目众多的移相单元并对其进行控制,且总体测量时间是单像素积分时间乘以像素数目,无法满足实时成像要求.若采用综合孔径体制,虽然可以满足实时成像要求,且前端可以使用稀疏阵列结构进行简化,但为了保证可视度函数不缺失,后端的复相关器数目仍然十分庞大,使得后端硬件及信号处理复杂度高,对系统实现造成很大困难.
为了满足人体安检的实时性需求,同时保证被动毫米波图像有足够的温度灵敏度,又不会使得综合孔径复相关运算复杂度过高,本文采用相控阵与综合孔径结合的成像方式,并对此设计了布阵方法.下面分析新型被动毫米波成像系统对天线布阵的需求.
对人体安检应用而言,希望成像的视场范围包括整个人体,且水平和垂直方向有相似的分辨率.新型被动毫米波成像系统设计的系统指标为:水平方向视场范围为20°,竖直方向视场范围为40°,在2m处的空间分辨率约为5cm.由此可估计出,垂直方向上的单元天线个数约为水平方向上的2倍.为了减少前端结构复杂度,利用综合孔径体制的稀疏阵列优势,宜在垂直方向采用综合孔径体制,水平方向采用相控阵体制.
天线阵列设计简图如图 3所示.水平方向为相控阵体制,垂直方向为稀疏布阵的综合孔径体制,其中每一行的相控阵经移相后叠加的输出将作为综合孔径的一个通道.
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| 图 3 天线阵列设计简图Fig. 3 Antenna array design schema |
对于水平方向的相控阵,本文采用模拟退火算法[14]对其阵列构成进行优化.一般而言,对相控阵的优化准则往往是以副瓣电平最小化为准,期望副瓣信号电平对主瓣的影响小.但被动成像体制中,由于进行的是功率测量,期望副瓣信号功率对主瓣影响较小,且人体安检成像中只需要获得功率的相对值而非绝对值.因此,本文在优化计算中引入了两种新的准则:主波束效率最大化(即主瓣-3dB宽度范围)和副瓣电平最平坦.前一种准则主要是用来反映实际中希望接收来自波束指向目标位置的能量尽可能多,后一种准则则是希望干扰信号变化程度较小,保证相对功率变化较小.此外,为进一步提升主波束效率,本文引入一种新的方法:采用口径大小不一致的喇叭天线作为阵列单元,通过不同单元天线的方向图相干叠加以进一步降低阵列副瓣电平.表 1为仿真参数设置.
| 仿真参数类型 | 仿真参数数值 |
| 波长/mm | 8 |
| 喇叭天线口径/mm | 15,20,23 |
| 视场范围/(°) | -10~10 |
对相控阵成像方式而言,当波束扫描至视场边缘时,天线阵的方向性最差.因此,在仿真过程中,主要关注两个位置:扫描角位于0°与扫描角位于10°时的仿真效果.
首先,为了验证采取不同口径天线方案的可行性,此处仿真统一采取副瓣电平最小化为优化标准,副瓣电平最小化准则下，不同扫描角时仿真结果如图 4和图 5所示,并汇总于表 2.
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| 图 4 副瓣电平最小化准则下,0°扫描角仿真结果Fig. 4 Simulation result at sweep angle of 0° under minimum sidelobe principle |
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| 图 5 副瓣电平最小化准则下,10°扫描角仿真结果Fig. 5 Simulation result at sweep angle of 10° under minimum sidelobe principle |
| 天线长度标准 | 初始扫描角0° | 初始扫描角10° | ||||
| -3dB带宽/(°) | 归一化最大旁瓣电平/dB | 主波束效率/% | -3dB带宽/(°) | 归一化最大旁瓣电平/dB | 主波束效率/% | |
| 均为15.0mm | 0.96 | -10.22 | 56.6 | 0.98 | -9.71 | 41.29 |
| 均为20.0mm | 1.00 | -11.73 | 57.2 | 1.02 | -8.59 | 41.15 |
| 均为23.5mm | 1.00 | -11.42 | 57.9 | 1.02 | -6.47 | 41.46 |
| 最小为15.0mm | 1.10 | -14.62 | 75.3 | 1.15 | -5.77 | 45.10 |
| 最小为20.0mm | 1.20 | -13.37 | 72.7 | 1.20 | -8.38 | 42.10 |
| 最小为23.5mm | 1.20 | -13.32 | 72.8 | 1.20 | -6.30 | 42.20 |
从表 2中可以看到,采用口径大小不一的喇叭天线作为阵列单元可以使天线阵的性能提高,主要体现在以下两方面:一是主波束效率提高了近30%;二是在视场边缘,副瓣电平并没有显著变化.
接下来,本文将验证比较3种优化原则的结果.此处仿真将统一采用多口径单元天线方案.
不同优化准则下，不同扫描角时仿真结果如图 6和图 7所示,并汇总于表 3.从表 3中可以看出,主波束效率最大化原则既可以保证主波束能量最大,也可以兼顾视场边缘副瓣电平不至过高,基本符合设计初衷.
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| 图 6 不同优化准则下,0°扫描角仿真结果Fig. 6 Simulation result at sweep angle of 0° under different optimization criterion |
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| 图 7 不同优化准则下,10°扫描角仿真结果Fig. 7 Simulation result at sweep angle of 10° under different optimization criteria |
| 优化原则 | 天线长度标准 | 初始扫描角0° | 初始扫描角10° | ||||
| -3dB带宽/(°) | 归一化最大旁瓣电平/dB | 主波束效率/% | -3dB带宽/(°) | 归一化最大旁瓣电平/dB | 主波束效率/% | ||
| 旁瓣电平最小化 | 最小为15.0mm | 1.1 | -14.62 | 75.30 | 1.15 | -5.770 | 45.1 |
| 最小为20.0mm | 1.2 | -13.37 | 72.70 | 1.20 | -8.380 | 42.1 | |
| 最小为23.5mm | 1.2 | -13.32 | 72.80 | 1.20 | -6.300 | 42.2 | |
| 主波束效率最大化 | 最小为15.0mm | 1.1 | -18.23 | 78.60 | 1.45 | -8.260 | 47.3 |
| 最小为20.0mm | 1.1 | -16.36 | 77.70 | 1.35 | -8.492 | 47.1 | |
| 最小为23.5mm | 1.1 | -14.44 | 76.00 | 1.20 | -8.426 | 45.9 | |
| 副瓣电平最平坦 | 最小为15.0mm | 1.2 | -13.17 | 71.20 | 1.20 | -9.470 | 44.3 |
| 最小为20.0mm | 1.2 | -13.44 | 73.08 | 1.20 | -8.380 | 42.3 | |
| 最小为23.5mm | 1.2 | -13.23 | 72.30 | 1.20 | -6.200 | 41.2 | |
综上所述,多口径单元天线布局和主波束效率最大化准则都可以在一定程度上提高接收天线阵的性能,是一种提升被动成像系统性能的有效方式.
3.2 综合孔径维度仿真结果根据相控阵与综合孔径体制的理论分析,为保证相控阵体制与综合孔径体制的一致性,需要保证综合孔径维的可视度不缺失[15],即阵列稀疏后仍保证二元干涉仪单元的基线长度种类不缺失,同时为了充分利用冗余基线,希望不同长度基线的冗余度接近,以提升可视度信噪比.此外还需要保证实际工程装配简便性.对此,本文提出了一种方法来解决这些问题.
为保证相控阵维与综合孔径维的分辨率基本相同,通过计算可知,满阵情况下,阵列中有30个单元天线位置.考虑到系统实现时的方便性,在30个单元天线位置中选取16个位置进行稀疏化,稀疏后的阵列应保证基线不缺失且各长度基线冗余度接近.采用不同长度基线冗余度的标准差来衡量冗余度接近程度.基线不缺失且冗余度标准差最小时稀疏阵单元天线位置如下:11010 11011 00001 01010 00110 11011(其中1代表此处放置天线,0代表不放置天线).
考虑到实际工装中,此种布阵安排无法使用一种弯波导完成与后端接收机的装配.因此将综合孔径维满阵单元天线数目增加到32个,在其中选取16个位置进行稀疏化.基线不缺失且冗余度标准差最小时稀疏阵单元天线位置如下:10101 00110 10100 10100 11001 01100 11,此时不同方案基线对比如图 8所示,冗余度标准差为2.0889.
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| 图 8 不同方案基线对比Fig. 8 Baseline comparison for different projects |
本文在分析相控阵体制和综合孔径体制成像原理的基础上提出了相控阵成像体制与综合孔径成像体制相结合的协同体制被动毫米波成像系统,并针对其特性进行优化设计.
1) 对水平方向相控阵的优化结果表明:采用口径大小不一的喇叭天线作为阵列单元使主波束效率提高了近30%,且在视场边缘副瓣电平并没有显著变化;采用主波束效率最大为优化原则可保证主波束能量最大且视场边缘处副瓣电平不至过高.
2) 对垂直方向综合孔径维的优化结果表明:满足综合孔径成像基线不缺失的条件;基线冗余度接近,有利于提升可视度信噪比.
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