毫米波成像特点及其应用

学科前沿讲座毫米波成像特点及其应用夏祥1毫米波成像特点及其应用院系：工程物理系专业年级：工物02作者：夏祥学号：2012011682学科前沿讲座毫米波成像特点及其应用夏祥2毫米波成像特点及其应用摘要被动毫米波成像是兴起时间不久的一种全新的成像方式.由于毫米波波长介于红外和微波之间,故其拥有独特的成像特性.被动毫米波成像,其成像的原理和传统意义上的穿透成像不同,其采用了检测人体自发辐射的电磁波,故而安全性能最高.对应其成像特点,现阶段通用的成像机制共有焦平面扫描成像机图像恢复,合成孔径成像及其信号处理,阵列全息成像及其成像算法三种,各有优缺点.但是在检测武器,以及导航等等方面,毫米波成像都有着其独特的优势.关键词：毫米波；被动成像;成像特点;成像机制;应用学科前沿讲座毫米波成像特点及其应用夏祥31引言本章主要介绍毫米波辐射成像系统的特点和发展趋势，简明描述了在处理图像信息时需要采用的推算算法，然后再提出毫米波在今后的成像领域的发展前景.毫米波（Millimeter-Wave，MMW），是指波长在毫米量级的无线电.由于其波长介于微波，红外线之间，所以必然的它同时具有了红外和微波的特性.而毫米波在兼有这两者的特性之外，还有着自己独特的性质.与红外相比，MMW大气衰减小，区别金属目标和周围环境的能力强；与微波相比，MMW的指向性好、抗干扰能力强、探测性能好.毫米波辐射探测器具有全天时全天候的工作能力,可提供红外及可见光探测器不能提供的特殊信息,而且结构简单易于集成.毫米波低端接近厘米波,具有厘米波的特性;在高端接近红外,具有红外的高分辨率的优点.激光,红外,电视制导虽然精度较高,但在云,雾,战场烟尘,施放烟雾的恶劣环境中往往不能工作,而实战时战场环境大部分处于恶劣状态当中，以上的制导方式受到很大的制约。毫米波精确制导系统只受大雨的影响，除此之外，能在恶劣环境中保持精确制导，基本上是全天候、全天时的工作。同时这也是对毫米波成像造成影响最大的一个因素，限制着毫米波成像的发展。Figure1电磁波谱学科前沿讲座毫米波成像特点及其应用夏祥42被动毫米波成像的特点在电磁频谱上，毫米波波长短于微波，在相同的天线尺寸下可得到较窄的波束，提供较高的角分辨率；其波长又长于红外，在几个大气窗口处，云、雾、烟尘等对毫米波的衰减远小于对红外的衰减，因而毫米波探测器在恶劣天气或战场烟尘条件下比光电探测器更为有效，具有全天候工作能力.2.1被动毫米波成像系统现阶段的毫米波成像主要是在8mm波段处的研究,也有少量在3mm波段得到较好成像结果的案例.3mm波段的辐射成像研究在我国刚刚起步，本文研究了3mm辐射成像机制，开发出一套基于PC机－单片机控制的可兼容3mm和8mm波段的毫米波辐射成像系统，对各类成像参数下的3mm波段辐射成像效果进行了分析，提出了利用软积分和复合结构形态滤波改善实时成像质量的方法。与8mm波段的辐射成像相比较，得出了3mm辐射图像的空间分辨率高于8mm辐射图像的结论，具有国内先进水平。[3]但是,不论是8mm,还是3mm波长的毫米波,其成像体统由于其特点,注定是与其他的成像方式有很大不同.与一般成像系统相比,毫米波成像系统仍然需要输入,处理,以及输出系统.天线是毫米波成像中的关键技术之一,用来将波束聚焦,从而提高测量精度.馈源天线长久以来一直是一个研究的热点,除了喇叭天线是一种传统的馈源外,近年渐变缝隙天线(TSA)也日渐成熟.[4]辐射计接收机,换句话来说就是,毫米波处理集成电路.它通过接收被测视场在一定频带内的电磁辐射,转换为输出的低频信号,来表征被测视场的信息.用于被动毫米波探测的辐射计主要有全功率辐射计,狄克(Dicke)辐射计和零平衡Dicke辐射计.[5]数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感器做适当转换后,再经信号采样,量化,编码与传输等步骤,最后送至计算机进行存储,分析和处理的过程.图像采集完成后,存储在计算机中的是一个一个像素点的信息,如果想要得到人肉眼就可以观察的图像,还需要重建算法.同时,在数据采集的过程中,也会有许多因素会引起误差,例如成像系统的截止频率有限,系统中的噪声,大气的波动,照明学科前沿讲座毫米波成像特点及其应用夏祥5条件的变化,成像物体的自身的运动等.图像恢复技术,就是旨在消除或减轻图像获取过程中发生的图像质量下降,最大限度的还原图像真实信息的各种方法.[6]图像恢复方法[7],经典的图像恢复方法是从线性系统理论中的滤波器设计发展而来的,从最简单的直接解卷到提出某种最优准则,并根据所提准则推导出某种最优滤波器.逆滤波,维纳滤波,几何均值滤波和有约束的最小二乘法恢复,都是线性方法.但线性方法只恢复了系统截止频率内的信息,并未拓展频率外的信息.因此钱嵩松先生,在被动毫米波阵列探测成像的关键技术研究一文中提出了超分辨率算法用来恢复图像.2.2被动毫米波成像体制毫米波成像主要的应用方式还是在被动毫米波成像(PMMW),与主动成像相比,被动成像拥有以下三个优点:毫米波段与可见光波段,在通过检测物体辐射的能量时原理一致,所以毫米波在被动成像方式下所成的像与可见光图像接近,十分有利于物体的辨认;被动成像,不需要发射电磁波,所以不会被外界检测到电磁污染,适合于做隐匿工作;同时,考虑到现阶段毫米波成像主要应用于安全方面,在探测金属的时候,由于金属目标的发射率很低,所以金属目标的毫米波特征很稳定,外界环境变化不会对成像品质造成太大的影响.焦平面扫描成像机图像恢复.[8]近程毫米波焦平面全功率辐射计机械扫描成像使用少量被动全功率辐射计接收通道,通过焦平面成像技术和机械扫描的方式,来获得整个场景的毫米波辐射能量分布.合成孔径成像及其信号处理.近程毫米波合成孔径成像可以同时获得物体自身辐射电磁波的幅值和相位信息,通过相关算法进行孔径合成,采用很少阵元就能实现实时被动成像.阵列全息成像及其成像算法.近程毫米波阵列全息成像是一种特别适合毫米波近距离成像的技术.同被动合成孔径成像技术一样,全息成像也是利用了电磁波的相干性,同时获得电磁波的幅值和相位信息,但是不同的是对阵列信号之间不作互相关处理,而是与参考信号相干,也就是把接收信号与本振混频来获得全息数据,然后经过反演得到目标的像.学科前沿讲座毫米波成像特点及其应用夏祥6被动焦平面全功率辐射计机械扫描成像直接获得目标的亮温信息,原理类似于普通光学照相,其技术基础是平方律检波,就是利用检波二极管在小店流逝的非线性平方律现象.主动阵列全息成像源于光学的全息术,同样属于电磁波的毫米波,也具有相干性质.而被动合成孔径成像源于光学部分相干理论,作为一个中间过渡的方式,如果被动合成孔径采用窄波束的自相关函数成像,就成了焦平面全功率辐射计成像,如果把基准信号替换为本振信号,就成了全息成像.Figure2毫米波辐射计探测系统学科前沿讲座毫米波成像特点及其应用夏祥73应用前景被动毫米波成像技术在遥感,盲降,导航,安检等,民事应用领域具有重要的实用价值.[9]毫米波成像,主要的缺点就是分辨率不够高.但是由于毫米波具有较好的穿透性和较高的空间分辨率,因此,可以采用毫米波辐射计对隐藏在衣物下的违禁物品进行成像,从而达到探测识别的目的.国内研究水平还远远达不到英美国家.考虑到毫米波成像的隐匿性,以及其在辐射剂量上的优势,这一行业研究一定会迅速兴起.学科前沿讲座毫米波成像特点及其应用夏祥8参考文献宋崧等.被动毫米波成像系统的发展状况及其关键技术[J].科技导报.2011,29(19).74-79.,[3]张光锋.毫米波辐射特性及成像研究[D].华中科技大学.2005.[4]JanaswamyR,SchaubertD.Analysisofthetaperedslotantenna[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,1987,35(9):1058-1064.[5]袁龙.被动毫米波成像探测技术研究[D].西南交通大学.2006.TN971.[6]钱嵩松.被动毫米波阵列探测成像的关键技术研究[D].南京理工大学.2006.[7]K.R.Castleman,朱志刚等译.数字图像处理.电子工业出版社.北京.1998.[8]王本庆.进程毫米波成像技术及其信号处理[D].南京理工大学.2010[9]肖泽龙.毫米波对人体隐匿物品辐射成像研究[D].南京理工大学.2007