先进的微波成像技术 留言

过去几年，伴随着半导体技术的快速进步，造价适中的毫米波甚至更高频段的高集成度芯片成为可能，这极大地促进了多通道微波成像系统的发展。

毫米波的频段范围是30-300 GHz，对应的波长从10 mm到1 mm。许多对光学频段无法穿透的物体在毫米波频段变得透明，这使得毫米波成像在一些商业和科研领域非常有吸引力，比如无损检测(nondestructive testing, NDT)，物性表征(material characterization)，安全扫描(security scanning)和医学筛查(medical screening)等等。

成像系统的主要性能指标是其横向与纵向的分辨率。更多的通道数量结合新一代计算机更强劲的数字信号处理能力，使得毫米波成像系统的性能不断提升。

最为人所熟知的成像系统是基于X射线技术的成像系统，这种装置主要应用领域有：医学检查领域的计算机断层成像(computed tomography, CT)，无损检测(NDT)和安检点的行李检查(luggage inspection)。

这种系统的检查模式是穿透式的，即X射线会穿透待检查的人或者物品。除此之外，背散射式的X射线检查系统近年来也一直处于研究当中，其主要应用场景是机场乘客的随身隐藏物品筛查。

一方面，由于X射线极短的波长(0.01nm~10nm)，X射线成像系统的固有分辨率非常高，但另一方面，X射线光子的能量很高，以至于可以电离有机物与无机物。因此，其在人体成像时的对人体健康造成的影响必须得到重视，特别是在机场乘客检查的场景中。

另一种广为人知的成像技术是超声成像技术，该技术主要的应用领域为材料的无损检测与人体医学检查。超声成像的横向分辨率可以达到亚毫米级别(与声波传播过的介质性质有关)。然而，使用超声成像时必须使用耦合介质把超声波高效地耦合到待检查的介质当中，这限制了该项技术的应用范围。

作为对比，基于毫米波的成像技术无需借助介质传播、不会引起物质电离，同时还提供了很好的空间分辨率。电磁波成像的分辨率与可探测的深度是一对矛盾的指标(波长越短成像分辨率越高，但其穿透深度则较浅)，对于无损检测应用而言(检查电介质中的褶皱，材料不均匀性以及杂质)，使用E波段(频率60-90 GHz，波长5-3.3 mm)来成像是一种较好的折衷方案。2 mm左右的横向分辨率已经可以满足很多类型的应用需求（比如飞机场的人体危险品检查）。

此外，还可以利用电磁波的极化特性来开展对待检物品的极化特性检查，通过不同极化模式的测量可以提升分辨待检物体中异常物品的能力。

毫米波成像可以分为主动式的和被动式的。被动式毫米波成像通过检测物体的特征辐射以及其反射的背景辐射来成像，无需额外的辐射源来照射待检物体。因此，被动式毫米波成像技术得到的结果包含了物体在各自频段的辐射率信息与反射率信息。

由于天空背景辐射的温度较低(在毫米波频段，晴空<100K)，这种技术在室外应用中可以提供很高的辐射对比度(相比于待检物品的辐射率)。

但在室内应用场景中，由于背景辐射温度较高，被动式成像结果的对比度较差。该问题有两种解决途径，一是使用冷却的探测器来提高辐射计量灵敏度，二是使用一个噪声源来照射待探测物体。

被动式成像的另一个缺陷是无法提供深度方向的信息。这是由于被检物体的辐射信号可以认为是热噪声，因此信号是非相干的。作为对比，主动式成像系统使用辐射源照射待检物体，物体的反射信号或者透射信号可以用相干或者非相干的方式采集。

对许多应用而言，必须使用主动式成像方法来取得高动态范围和高辐射对比度。对于透射式的成像，介质样品对微波的衰减与吸收特性可以被构建出来，而对反射式成像，物体的反射特性可以被构建出来。

当物体表面相对波长足够光滑时，微波的散射主要是镜面散射。因此，待检物品的可观测性以及图像的质量取决于所采用的照射方式是否合适以及天线的摆放方式是否合适。

通过在主动式成像中使用相干宽带信号（或等价地进行延时测量），可以在距离维重建待检物品的空间延伸图像。使用足够大的信号带宽，甚至可以对分层的介质的多重反射进行分析，因此可以用于无损检测、识别藏于人体表面的塑性炸药或者其他隐藏物品。

在人体安检应用中，成像方式必须是反射式的，因为在毫米波能穿透人体皮肤的深度在亚毫米量级。由于人体皮肤含水量很高，因此皮肤对毫米波具有很强的反射作用。由于人体皮肤对毫米波的反射方式主要是镜面反射，因此无法实现远距离的主动式成像。相比传统的远场成像，由于无法使用远场近似，近距离成像的图像构建方法要更复杂。

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原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）