分块空间谱近场毫米波成像与微波光子宽带接收技术

《Sensors》：Block-Segmented Spatial-Spectrum Imaging for Near-Field Millimeter Waves with Microwave-Photonic Broadband Reception

　　

摘要专业翻译 有源毫米波（mm-wave）成像利用非电离电磁辐射探测隐藏的金属和电介质物体，是人员安检的重要技术。然而，实际安检场景通常涉及短站距和小孔径：有限的物理孔径限制了二维成像分辨率，而短天线-目标距离会对远离全局坐标原点的散射体引入不可忽略的高阶非线性相位误差，导致图像散焦。本文提出了一种分块空间谱近场成像方法，并结合Ka波段微波光子宽带接收样机。微波光子宽带接收提供宽带频谱资源以扩展二维空间频率支撑，从而在有限孔径条件下提高成像分辨率。同时，整个成像平面被划分为多个子块，每个子块建立各自的局部坐标系。各子块内的散射点保持靠近参考原点，以抑制高阶非线性相位误差，从而提高局部线性空间频率映射的精度。最终通过子图像拼接实现全局近场成像。点目标和飞机形状扩展目标的仿真表明，与基于单一全局坐标原点的空间谱成像相比，所提方法有效抑制了非线性相位误差，实现了大面积近场成像。一套分立元件实验室样机实现了微波光子宽带接收，用于32–38 GHz频段时分3发/13收采集配置。该方法将有效线性成像跨度从0.2 m × 0.2 m的局部聚焦区域扩展到1 m × 1 m的成像平面，对应线性跨度增加5倍、面积增加25倍。基于天线布置几何和32–38 GHz工作频段，样机系统的理论二维成像分辨率估计约为3 cm × 4 cm。使用铝箔条分辨率靶标的实验表明，该样机能够分辨两个正交方向上间隔约3.3 cm和4.7 cm的相邻条带散射区域，对应的实测成像分辨率约为3.3 cm × 4.7 cm。该样机还能够重建枪形威胁模拟目标的主要散射结构。这些结果表明，将分块空间谱成像与微波光子宽带接收相结合，为高分辨率、大面积毫米波安检成像提供了一种潜在可行的方法。

论文解读

一、研究背景与问题提出

毫米波安检成像已成为机场、交通枢纽等公共检查场景的重要电磁传感技术。与X射线检查相比，毫米波照射是非电离的；与光学成像相比，它能够穿透常见衣物、包装材料及许多非金属覆盖物。因此，毫米波成像可在平衡穿透能力、暴露安全性和隐私保护的同时实现非接触式检查。在实际安检系统中，天线通常距离目标较近。随着目标散射点逐渐偏离全局笛卡尔坐标系原点，远场成像近似逐渐失效。如何在保证威胁目标高分辨率成像的同时实现大面积、高速近场成像，已成为毫米波安检系统面临的关键挑战。

现有研究主要通过阵列设计、孔径采样和重建算法来增强毫米波近场成像。大规模多输入多输出（MIMO）阵列和合成孔径配置增加了空间分集和有效孔径尺寸，从而提高了成像分辨率和目标细节表现能力。稀疏阵列和学习辅助方法减少了物理观测通道数量和采集负担，但其鲁棒性依赖于精确校准、代表性训练数据和稳定的部署条件。无论使用密集还是稀疏孔径，快速准确地重建多通道近场回波仍是系统级成像性能的决定性因素。后向投影（BP）和广义合成孔径聚焦技术（GSAFT）能够精确建模球面传播并适应灵活采集几何，但其对每个像素或体素的相干累加在高分辨率和宽视场筛查中计算开销巨大。为提高计算效率，距离徙动算法（RMA）、波数域成像、频域缩放、非均匀快速傅里叶变换（NUFFT）和FiNUFFT等方法被开发出来，以频谱域映射和快速傅里叶处理替代逐像素累加。

空间谱成像是一种快速的频域重建方法，将多通道回波映射到空间频率矩阵上，并利用快速傅里叶变换（FFT）进行高效图像反演。然而，传统全局空间谱成像通常依赖单一远场或局部平面波近似来建立目标反射率与空间频率之间近似稳定的傅里叶对偶关系。在近场安检场景中，不同空间位置的散射体对应的收发传播几何差异显著，统一的全局近似难以满足。当以单一全局参考原点构建空间谱时，远离该原点区域的高阶相位项变得不可忽略，导致相位图失配、空间频率错位和图像散焦。与此同时，微波光子雷达和成像架构提供了宽瞬时带宽、低损耗分发、灵活波形生成和强抗电磁干扰能力，为扩展空间频率支撑和改善毫米波成像分辨率提供了硬件基础。在此背景下，关键问题是如何在利用宽带频谱资源的同时抑制由非线性传播相位误差引起的近场散焦。

二、研究内容与主要结论

针对上述问题，本研究将广域近场成像问题分解为多个局部空间谱重建子问题，以解决近场条件下全局空间谱成像中的相位失配问题。该方法首先将成像平面划分为若干子块，为每个子块分配独立的局部坐标原点；随后在局部坐标系下进行收发传播相位补偿，构建局部空间谱并进行图像反演；最后将局部子图像变换回全局坐标系并拼接成完整图像。通过引入局部坐标重建，该方法降低了各子区域内高阶相位项的影响，在保留FFT兼容空间谱处理低计算复杂度的同时抑制了近场非线性相位误差。

仿真和实验结果表明，与基于单一全局坐标原点的空间谱成像相比，该方法抑制了近场散焦并将有效成像面积扩大了25倍。结合微波光子宽带接收，更宽的频谱资源进一步扩展了空间频率覆盖，缓解了实际安检场景中小孔径配置对分辨率的限制。该方法的方法学创新不在于重建后对图像进行分割，而在于逆傅里叶重建之前使用子块特定的收发相位补偿和空间频率映射。每个子块复用同一套采集的多站回波数据集，无需针对不同目标区域进行单独测量或天线分配。

三、关键技术与方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：第一，分块空间谱成像模型，将成像平面划分为多个子块并建立独立局部坐标系，通过局部线性相位近似抑制高阶非线性相位误差；第二，空间频率映射与相位补偿技术，根据收发天线位置和回波频率确定二维空间频率坐标，并乘以指数项补偿天线到局部坐标原点的恒定相位项；第三，微波光子宽带接收技术，利用40 GHz锁模激光器产生光脉冲序列，通过马赫-曾德尔调制器进行电光采样，将32–38 GHz Ka波段回波映射到2–8 GHz频段，经两通道光解复用和时间交织后由示波器数字化采集；第四，基于FFT的快速图像反演与子图像拼接。实验采用分立元件搭建Ka波段近场成像测试平台，通过时分方式模拟3发/13收多天线阵列，形成39个收发组合。

四、研究结果

仿真验证部分。 点目标仿真中，2 m × 2 m收发孔径位于距1 m × 1 m成像平面1.6 m处，采用32–38 GHz线性调频（LFM）信号。无分块处理时，远场线性近似仅在全局坐标原点周围约0.2 m × 0.2 m局部区域内有效；将成像平面划分为25个子块后，整个1 m × 1 m区域内的点目标均被有效重建。飞机形状扩展目标仿真中，目标被划分为9个局部区域，采用27–31 GHz Ka波段信号，目标面积约0.9 m × 0.8 m。单全局坐标成像的均方误差（MSE）为0.34，分块成像的MSE为0.08，降低了约76.5%。

实验验证部分。 基于天线布置几何和32–38 GHz工作频段，理论二维成像分辨率约为3 cm × 4 cm。使用铝箔条分辨率靶标（水平间距4 cm、垂直间距3 cm）的实验表明，6 GHz全带宽条件下相邻条带散射区域可清晰分辨，实测分辨率约为3.3 cm × 4.7 cm；将带宽降至2 GHz后，相邻条带出现明显重叠，边缘难以区分，验证了宽带频谱资源对分辨率提升的作用。

大面积威胁目标成像实验。 使用约80 cm × 25 cm的铝箔枪形目标，将全局坐标原点移至目标左端沿x方向约10 cm、沿y方向约40 cm处，使目标整体远离全局原点。将1 m × 1 m成像平面划分为25个20 cm × 20 cm子块后，枪形目标的主体、枪管和握把轮廓均可清晰识别；而无分块处理时出现轮廓丢失和严重散焦。

五、讨论与结论

讨论部分。 与传统时域BP算法相比，所提方法的主要优势在于计算效率和宽带频谱资源利用。BP需要对每个成像像素、收发通道和频率样本进行逐点相位补偿和相干累加，计算复杂度约为O(MNP_xP_zN_cN_f)；而所提方法通过二维快速傅里叶变换重建每个子块，主导计算复杂度约为O[MNP_xP_zlog₂(P_xP_z)]。此外，传统距离-横向BP成像中带宽增加主要改善距离向分辨率，而所提方法将不同发射位置、接收位置和频率的回波直接映射到目标成像平面的二维空间频率分布上，宽带频谱资源可同时扩展两个正交成像方向的空间频率覆盖，在有限孔径条件下改善二维成像分辨率。与MSBP基准相比，所提方法以3 × 13收发配置实现了3.3 cm × 4.7 cm的实测分辨率，处理时间仅0.023 s，远低于MSBP的1420.29 s。天线波束宽度和角度覆盖影响实际可获得的空间频率支撑，实验通过发射端功率放大和接收端低噪声放大保证目标区域回波信噪比。

结论部分。 本文提出了一种用于近场毫米波成像的分块空间谱成像方法，并使用Ka波段微波光子宽带接收样机进行了验证。该方法将大成像区域划分为多个子块，为每个子块建立独立局部坐标系，减小散射体相对局部坐标原点的空间偏移，抑制高阶非线性相位误差，恢复局部线性空间频率映射，通过子图像拼接实现大面积近场成像。点目标和飞机形状复杂目标仿真验证了该方法的基本机制及其对大区域近场目标完整重建的能力。结合微波光子宽带接收器，进一步开发并实验评估了32–38 GHz Ka波段近场成像系统。分辨率实验实现了约3.3 cm × 4.7 cm的二维成像分辨率，证实宽带频谱资源通过扩展二维空间频率支撑改善了空间谱成像分辨率。枪形目标实验进一步证明，分块处理将有效成像区域从约0.2 m × 0.2 m扩展到1 m × 1 m，对应线性成像跨度增加5倍、面积增加25倍。总体而言，分块空间谱处理与微波光子宽带接收的联合设计在有限物理孔径和短距离近场条件下实现了大面积、高分辨率和计算高效的成像，为毫米波安检等广域近场应用提供了可行技术路线。未来工作将把该方法扩展到三维空间谱毫米波成像，研究针对弯曲人体表面和复杂目标几何的自适应子块划分与局部坐标优化，并引入高速并行微波光子处理，推动毫米波安检从二维静态成像向三维、动态和实时操作发展。此外，将开展带杂波抑制的人体模型或人体等效实验，以评估更真实安检条件下的成像性能，并进一步研究真实威胁及其高相似模拟器的识别方法，推动从概念验证向人员安检实际应用迈进。