阵列扫描毫米波成像方法研究

论文摘要

毫米波成像技术在机场安全检查、飞机着落导航、军事侦察、医疗诊断等领域有着重要的应用价值,尤其是在针对隐匿武器检查的人员安检场合,毫米波成像技术有着天然的优势。毫米波兼具无线电波和光波的特点,但又不同于两者。与红外线相比,毫米波波长更长,具有较强的绕射能力;与厘米波或更低频波段相比,毫米波成像可提供较高的分辨率,适合用于检测人体衣物下隐匿武器。各国对此予以了高度的重视,投入了大量的科研精力,2000年前后,英美等国已经研制成功了可以商用的毫米波安检系统。但我国的相关研究仍处于起步阶段,研究任务很紧迫。本文对近场毫米波成像系统进行了研究,主要包括:毫米波成像物理原理和系统结构的深入讨论,天线阵列的排布和扫描,准光路子系统设计方法的研究,外加噪声源照射目标平面以改善成像效果方法的理论研究和仿真分析,以及室内、室外成像实验。首先全面介绍了国际上典型的近场毫米波成像系统,分析了各种类型系统的工作原理和关键技术,为本文的研究确定了方向和内容。然后对毫米波成像的基本原理进行了深入探讨,从理论角度对一些工程结论进行了验证。讨论了系统的总体结构和主要参数,确定了系统设计的基本原则。接下来讨论了系统空间分辨率与温度分辨率的矛盾,确定了焦平面上天线单元的排布方式以及整个阵列的扫描方式。之后对准光路设计方法展开了研究,提出了一种简单实用的准光路设计方法,采用该方法设计了系统参数,并使用商用仿真软件进行了验证。针对被动式毫米波成像系统温度分辨率不高的情况,从理论上研究了外加噪声源照射目标平面对成像效果的改善作用,并进行了数值仿真。最后,采用单通道二维机械扫描系统进行了室内和室外的毫米波成像研究,验证了物体辐射亮温的规律和近场成像中系统空间分辨率与天线口径的关系,也证明了外加噪声源对于改善成像质量的潜在价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 发展历史
• 1.3 研究现状
• 1.4 趋势
• 1.5 典型系统及关键技术
• 1.5.1 三维全息成像系统
• 1.5.2 焦平面阵列凝视成像系统
• 1.5.3 焦平面阵列扫描成像系统
• 1.5.4 多波束电扫描成像系统
• 1.6 本文内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 系统原理和结构
• 2.1 系统原理
• 2.1.1 普朗克定律
• 2.1.2 辐射亮度和感知亮度
• 2.1.3 天线噪声温度
• 2.1.4 目标亮温
• 2.1.5 目标亮温反演
• 2.2 主要系统参数
• 2.2.1 温度灵敏度
• 2.2.2 空间分辨率
• 2.3 系统结构
• 2.3.1 天线阵列子系统
• 2.3.2 准光路子系统
• 2.4 成像算法
• 2.5 本章小结
• 第3章 阵列排布与扫描
• 3.1 阵列排布
• 3.1.1 采样定理
• 3.1.2 焦平面天线阵列
• 3.2 扫描方式
• 3.2.1 楔形副透镜旋转扫描
• 3.2.2 反射镜旋转扫描
• 3.2.3 反射镜平扫
• 3.3 本章小结
• 第4章 准光路子系统设计
• 4.1 几何光学法原理
• 4.1.1 透镜天线
• 4.1.2 薄透镜成像公式
• 4.1.3 ABCD矩阵法
• 4.1.4 透镜焦斑
• 4.2 高斯波束
• 4.2.1 高斯波束的引入
• 4.2.2 基模高斯波束
• 4.2.3 高斯波束的性质
• 4.2.4 高斯波束的q参数
• 4.2.5 高斯波束变换
• 4.2.6 高斯波束的截断
• 4.3 准光学设计
• 4.3.1 几何光学设计
• 4.3.2 高斯束法设计
• 4.4 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 外加噪声源的毫米波成像方法
• 5.1 天线噪声温度和亮温
• 5.2 接收机输出电压
• 5.3 成像分析
• 5.4 加噪声对接收机信噪比的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 样机与实验
• 6.1 样机参数
• 6.2 远场实验结果
• 6.3 近场成像结果
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢