（电子科学与技术专业论文）基于电光调制的被动毫米波综合孔径成像技术研究.pdf

浙江大学硬士学位论文 a b s t r a c t s y n t h e t i ca p e r t u r ep a s s i v em i l l i m e t e rw a v ei m a g i n g , w h i c hi so n eo ft h eh o t r e s e a r c ht o p i c si nm i l l i m e t e rw a v ed e t e c t i n gd o m a i n , h a sb e e na p p l i e di nm i l i t a r ya n d c i v i l i a nf i e l d s 、j l ，i l e l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rt e c h n o l o g ya n da p p l i e d o p t i c s ，t h eu p - c o n v e r s i o ns c h e m eb a s e do ne l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o nh a sa t t r a c t e d m o r ea n dm o r ei n t e r e s t sg r a d u a l l y i nu p - c o n v e r s i o ns c h e m e ，m i l l i m e t e r w a v es i g n a l r e = c e i v e db yt h ea n t e n n aa r r a yt h a ti sa r r a n g e di no r d e rt oa c h i e v et h eb e s ti m a g i n ga n d o p t i m a ls p a t i a lf r e q u e n c yc o v e r a g e i sc o n v e r t e dt ot h e o p t i c a lf r e q u e n c yb y e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r t h e nt h es i n g l e - s i d e b a n dm o d u l a t i o ns i g n a l c a r d e dt h e i n f o r m a t i o no ft h em i l l i m e t e rw a v ei sa c h i e v e db yf i l t e r i n g , a n dt h ei l l l a g ci sr e a l i z e d a tt h ee n do f t h ef i b e ra r r a yu s i n gt h eo p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s i nt h i st h e s i s ，e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o n , a p e r t u r es y n t h e s i sa n do p t i c a l s i g n a l p r o c e s s i n ga r ei n t e g r a t e di np a s s i v em i l l i m e t e rw a v ei m a g i n gs y s t e m t h e o r e t i c a l s t u d i e so np a s s i v em i l l i m e t e rw a v ei m a g i n gb a s e do ne l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o na r e f i r s t l yi n t r o d u c e d , i n c l u d i n g - t h ea m p l i t u d ea n dp h a s ei n f o r m a t i o na f t e ru p - c o n v e r s i o n , t h ep o s t - p r o c e s s i n go ft h es i g n a l sw i t hc o m p l e xc o r r e l a t i o no p e r a t i o na n di n v e r s e f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o nt oa c h i e v er e a l - t i m ei m a g i n gi nt h eo p t i c a ld o m a i n , e ta 1 m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i sa r et h e nc a r r i e do n t h es i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h ev i a b i l i t yo fs y n t h e t i ca p e r t u r ep a s s i v em i l l i m e t e rw a v e i m a g i n g t h ea p e r t u r ea r r a yd i s t r i b u t i o na f f e c t st h ec o v e r a g eo ft h es p a t i a lf r e q u e n c ya n d s a m p l i n go f t h ev i s i b i l i t yf u n c t i o no f t h ev i e w sf i e l d , w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dw i t h t h e i n l a g eq u a l i t y t h eo p t i m i z a t i o nc r i t e r i a , t h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n do p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mo fa r r a yo p t i m i z a t i o na n dt h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t e da n n e a l m g a n dg e n e t i ca l g o r i t h ma r ci n t r o d u c e d , b a s e do nw h i c h , 8 16a n t e n n aa r r a ya r r a n g e d i nac i r c u m f e r e n t i a la r r a yi so p t i m i z e dw i t hr e a l - c o d e dg e n e t i ca l g o r i t h m c o m p a r e d w i t ht h ec o v e r a g eo ft h es p a t i a lf r e q u e n c y ，t h i so p t i m i z a t i o ns c h e m eh a sb e t t e rs p a t i a l h i 浙江大学硬士学位论文 f r e q u e n c yc c i v 豇a g ea n dh a sa l m o s ti l or e d u n d a n ts p a t i a lf r e q u e n c y am e t h o db a s e d0 1 1s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ( s b s ) i no p t i c a lf i b e ri s p r o p o s e df o rt h es i g n a lp r o c e s s i n gi ns y n t h e t i ca p e r t ep a 豁i v em i l l i m e t e rw a v e i ! m a g i n gs y s t e m i nt h i ss c h e m e ，t h es i n g l e s i d e b a n ds u p p r e s s e d - c a r r i e rm o d u l a t i o no f t h em i l l i m e t e rw a v es i g n a li sa c h i e v e db yu s i n gs b s t h e r e f o r e ，i tn o to n l yr e a l i z e s e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o no ft h em i l l i m e t e rw a v e b u ta l s or e a l i z e so p t i c a lf i l t e r i n ga n d a m p l i f i c a t i o n t h ep r i n c i p l e f o rt h i ss c h e m ei s t h e o r e t i c a l l y d i s c u s s e d a n d e x p e r i m e n t a ls e t u pi sc o n s t r u c t e da n dt h ee x p e n m e n t a lr e s u l t sd e m o n s 缸t e dt h e v i a b i l i t yo f s u c hs c h e m e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls c h e m e , t h i sm e t h o di ss i m p l e a n dc a l lb ea p p l i e di n t h el o wp o w e rm i l l i m e t e rw a v ei m a g i n gs y s t e m k e y w o r d s ：p a s s i v em i l l i m e t e rw a v ei m a g i n g , e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o n , s y n t h e t i c a p e r t u r e ，a r r a yo p t u n l z a t i o n , g - e n e f i ca l g o r i t h m s ，s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g i v 浙江大学硬士学位论文 致谢 时光如梭，转眼间研究生生活已接近尾声，在这两年多的学习科研以及生活 中，身边的老师、同学和朋友给了我很多帮助和支持在此，对他们致以衷心的 感谢 首先，要感谢我的导师郑史烈副教授以及章献民教授，他们知识渊博、平易 近人，经常与我们交流科研成果、讨论科研难题，他们求是的治学态度、严谨的 科研作风，给我留下了深刻的印象他们的悉心教导指引我完成了课题研究工作， 本论文的每一步进展都是倾注了他们的心血。在此，谨向郑史烈副教授和章献民 教授致以崇高的敬意和由衷的谢意 其次，在科研过程中，我也得到金晓峰教授、池灏教授和谢银芳老师的指导 和帮助，这些指导和帮助都让我受益匪浅，在此对他们致以由衷的感谢。 此外，我还要感谢实验室的同学们以及身边的朋友们，他们时常给我动力和 支持感谢葛思宣、施学良、乔云飞、郑鑫、区坚海、杨波、郭茜等师兄师姐们， 是你们的帮助和关心让我更快的熟悉实验室环境和科研知识感谢朱俊、柏贞碟、 徐晨、刘梦影、任铁铁等人在科研和生活中的帮助和支持 最后要感谢我的父母对我多年的学习和生活的无微不至的关怀和一如既往 的支持和鼓励在此表示深深的谢意! 潘敏 2 0 1 3 年1 月于浙江大学求是园 浙江大学硬士学位论文绪论 1 1 研究背曩及意义 第一章绪论 毫米波是指波长范围为l , - - 1 0 m m 的电磁波，其相应的频率范围是3 0 - 3 0 0 g i - i z 由于毫米波频谱处于微波和远红外频段之间，因而具有两种波谱的特点较于 处于较低频段的微波，毫米波具有如下特点：可利用的频谱范围宽，信息容 量大；抗干扰性好，高分辨率；穿透等离子体的能力强；较大的多普勒频移， 具有较高测速灵敏度。与光波相比，毫米波可以利用大气窗口传播，传播衰 减小，可有效避免热辐射源和自然光对其传播的影响。 由于毫米波具有上述特点，毫米波技术被广泛应用于目标探测、成像、射电 天文等领域毫米波目标探测成像的工作模式可分为：主动毫米波探测和被动毫 米波探测主动毫米波探测具有很高的空问分辨率以及较高的测量能力，但也存 在很多缺点由于存在目标的角闪烁效应【1 1 ，当雷达距离目标较近时，将会产生 相当严重的测角误差，甚至丢失目标同时主动毫米波探测设备复杂，体积较大， 且抗干扰能力较差，由于需要主动发射毫米波，因此在军事应用中也不具有隐蔽 性被动毫米波探测系统其自身并不发射毫米波波束，只被动接收目标发射或反 射的毫米波信号，能够很好地克服目标的角闪烁效应，并具有良好的隐蔽性，因 此近年来成为受到广泛关注的一项新型目标探测技术 被动毫米波成像技术是指依靠3 5 、9 4 、1 4 0 、2 2 0 g h z 毫米波的大气传播窗口， 接收物体及背景的热辐射能量来探测物体的特性并产生高分辨率图像的技术当 探测视场中目标与背景的亮度温度不同时，成像结果能反映出视场中各个物体的 亮度温度差以及辐射能力差异。由于被动毫米波探测系统结构简单，隐蔽性能好， 而且能够在烟雾的环境中和恶劣的气候条件下昼夜工作，因此近二十年来，被动 毫米波探测技术的应用研究已扩展到包括环境监测、天文研究、武器制导等军用 和民用领域。例如在地球遥感 2 1 、大气研究【3 】、军事侦察等军用领域以及安全检 察 4 1 、汽车防撞以及医疗检查【5 】等新兴民用领域，被动毫米波成像都存在重要科 学和应用价值 迄今为止，被动毫米波成像体制有：1 、单波束机械扫描系统，在该系统中 浙江大学硕士学位论文 绪论 仅使用一个接收机来接收视场的辐射信号，通过天线对视场的扫描从而获得对应 的图像信息该系统需要扫描视场才能完成成像，因此需要较长成像时间，成像 效率低，而且分辨率较低，因而正逐渐被淘汰；2 、相控阵系统，相控阵系统中 的馈电系统损耗过大，并且辐射单元的设计存在加大的难度，所以目前应用前景 有限；3 、焦平面阵列成像系统 6 3 ，该系统是在聚焦天线的焦平面上排列多个接 收单元，利用各馈源的偏焦不同，产生多个不同指向的波束覆盖视域；4 、综合 孔径成像系统，在该系统中，通过稀疏孔径来完成传统系统中大孔径天线的接收， 解决了天线孔径对角分辨率的限制由于任意两根天线之间进行复相关得到的可 视度函数与视场的亮温形成了一对傅里叶变换对因而，天线阵列在空问频率域 对视场的可视度函数进行采样，再经过离散傅里叶变换来重建视场，即获得了对 应的视场图像综合孔径成像具有较高的空问分辨率，且普遍采用阵列稀疏技术， 可大大减少天线数量从而降低系统成本由于综合孔径的优点，近年来对应被动 毫米波成像的研究主要集中在综合孔径成像技术上 1 2 国内外研究现状 1 2 1 被动毫米没综合孔径成镰技术研究 被动毫米波综合孔径成像技术是基于相干探测方法的干涉成像技术，是被动 毫米波成像的一个主要发展方向，其基本思想是用空间频率域的测量代替传统辐 射计对空间域的直接测量综合孔径成像系统如图1 1 所示，该方法利用不同位 置的天线接收场景的毫米波辐射，利用复相关接收机将两两不同位置的天线接收 的信号进行复相关运算，其得到的结果与场景亮温分布成傅利叶变换关系，再对 复相关运算的结果进行傅利叶逆变换即可得到场景亮温分布，即得到探测目标的 图像。 被动综合孔径成像技术最早于2 0 世纪五六十年代被天文学家运用于射电望 远镜中，在提高角分辨率方面取得很好的效果2 0 世纪八十年代，综合孔径技 术被引入遥感领域，经过多年的研究和发展，已经取得很多研究成果。 2 浙江大学硕士学位论文绪论 圈1 1 被莉毫米波绿合孔径成泰统示意圈 e s t a r l 7 是世界上第一台综合孔径微波辐射计，属于机载的一维综合孔径辐 射计。它第一次将干涉测量技术成功地应用于微波辐射测量中，在微波辐射测量 研究中具有里程碑式的意义。e s t a r t 工作于1 4 g h z ，即工作于l 波段，是一 个4 单元7 基线的一维成像系统，角分辨率约为8 度【8 9 】研制成功之后，运用 该系统进行了大量机载试验及应用试验，实验结果显示e s t a r 在土壤湿度及海 水含盐度的反演图像结果与实际测量的结果基本一致，这一成果证明了被动综合 孔径成像的可行性，推进了人们对其的研究2 0 0 2 年，n a s a 达德空间飞行中 心和马赛诸萨大学成功研制了2 d s t a r e l 0 1 ，该系统是二维机载综合孔径辐射计 系统，同样工作与l 波段( 1 4 1 3 g h z ) ，其天线阵列是一个l l x l l 的二维方阵。同 时，在该方阵中选取不同的天线稀疏矩阵进行被动综合孔径成像结果对比，其采 取的天线排列包括y 、t 、十字等稀疏矩阵其后随着成像理论逐渐得到完善， 又出现了一系列用于被动遥感的综合孔径辐射计系统，如欧洲空间局的二维综合 孔径辐射计m i r a s 1 1 】，芬兰赫尔辛基技术大学的二维机载综合孔径辐射计 h u t - 2 d 1 2 】等。m i r a s 1 1 】系统的天线阵采用y 型结构，总共使用了6 9 个天线及 接收单元，同样工作于l 波段( 1 4 g n z ) ，空间分辨率为5 0 1 0 0 m ；h u t - 2 d 1 2 】系 统的天线阵列采取u 型结构，为3 6 单元4 4 1 基线系统，其综合波束宽度为5 1 0 0 在国内，中科院空间中心率先开始了综合孔径辐射计的研究，并研制了c 波段【1 3 1 和x 波段【1 4 】的一维综合孔径辐射计该c 波段系统是2 0 0 1 年研制成功， 由6 单元构成，其角分辨率为4 度；2 0 0 4 年研制成功了工作于x 波段的一维辐 浙江大学硬士学位论文 射计，该系统由8 单元构成，其角分辨率为2 度华中科技大学也研制了工作于 8 m m 波段的一维综合孔径辐射计样机【1 5 1 ，进行成像实验取得了很好的效果。 1 2 2 基于电光舅伺的被动毫米泣综合孔径成t 研究 在被动毫米波综合孔径成像系统中，由于天线接收视场目标辐射信号的功率 较小，在传输前应调制至更适合传输的频率，因而，如何合理的传输并进行成像 处理是被动毫米波成像技术的关键目前，存在两种实现方法：一是将其下变频 至中频信号，通过同轴电缆传输，由复相关器进行两两复相关后，经图像恢复算 法完成成像之前的被动综合孔径成像系统的研究基本都采用这种方法但是， 这种传统的成像方法存在以下不足：易受电磁干扰；难以实现实时成像；系统复 杂庞大，成本高另一种传输处理方式是将目标辐射信号经上变频至光载波频率， 由光纤传输，在光纤末端进行相应的光学处理得到图像【1 6 1 相比于电缆传输， 光纤传输信号具有衰减低，带宽宽和抗电磁干扰等优点此外，上交频方案还可 以利用光学孔径成像技术辐射信号经上变频后在光纤末端形成阵列，利用光学 综合孔径成像技术，可以直接实现成像与传统的综合孔径成像系统相比，无需 解调出毫米波信号，同时避免了采用大量的复相关器，简化了整个设备，降低了 成本，同时可以实现实时成像 1 7 , 1 8 因此，基于电光调制的被动综合孔径成像技 术是近年来被动毫米波成像的主要研究方向 电光调制是2 0 世纪末被提出运用于被动毫米波成像中，其后关于该技术的理 论研究及应用试验日趋火热。p m b l a n c h a r d 等人于1 9 9 9 年提出了用于被动毫米 波孔径成像的光束形成技术以及光域直接成像技术【1 6 】。他们提出将激光器发出 的光束经过耦合器分为n 路光束，得到用于n 个调制器的光载波分析了n 个天 线接收的毫米波传入调制器经过滤波之后的振幅和相位保持，证明了电光调制在 被动毫米波综合孔径成像的可行性，并进行了仿真运算2 0 0 4 年，a s c h u e t z 等 人提出了基于电光调制的被动毫米波综合孔径成像技术【1 9 1 ，并理论分析了电光 调制过程中的毫米波信号信息向调制后边带信号的转移，同时提出了一种具有新 型具有噪声等效功率( n o i s ee q u i v a l e n tp o w e r s 姗) 为5 p w h z 的探测器。其后他 们进行了进一步的研究【2 喇，搭建了相位保持实验装置，试验验证了电光调制过 程中的毫米波相位信患的转移 4 浙江大学硕士学位论文绪论 图1 2 天线阵列为y 型的基于电光调制的综合孔径成像示意图2 3 l ；一如| i 国盆鲋 l e d f a ，、二= ； ， l 一一一一一一一一一一一。二。二= 。二l l o c k - i n p h o t o d i o d e a m p l i f i e r 圈1 3 基于电光调制的一维机械扫描的被动毫米波远场成像系统示意图陋l 0 嚣 浙江大学硕士学位论文绪论 图1 4 不同角度的船只的毫米波成像及其视图对比| 2 7 其后，更多的研究集中于基于电光调制的被动毫米波孔径成像系统的实验实 现。2 0 0 8 年德拉华州大学的c a s c h u e t z 等人搭建一维机械扫描的基于电光调制 的被动毫米波远场成像系统【2 5 1 ，使电光调制技术在被动毫米波成像中的应用从 理论研究推到实验研究的新层次。图1 3 显示了一维扫描系统的结构示意图，他 们应用商用的光学器件搭建了该实验装置，并用于对德拉华州大学的g o r eh a l l 进行了成像研究，从实验结果中可以明确分辨出该礼堂建筑的轮廓及整体形状； 其后又在室外对于停泊在水边的船只进行了成像实验，实验结果显示可以较明显 地从背景中辨识出船只的形状。同年，他们对该一维成像系统进行了改进【2 6 1 ， 同时对毫米波接收端、电光调制部分以及成像处理都进行了相应的改善，引入了 扫描控制算法，代替之前的分立元件的手动扫描，同时将该系统用于9 4 g h z 远场 成像，实现了q 频段以及w 频段的多频段应用。在美国海军研究局( o f f i c eo f n a v a l r e s e a r c h ，o n r ) 的协助下，他们对不同船只进行了不同角度的成像研究，图1 4 显示了其中一组成像结果，实验结果显示可以很明显的分辨出船只的整体结构及 细节，实验证明了电光调制技术在被动毫米波成像技术中可行性及应用前景。 2 0 0 9 年，他们开始研究水平极化以及垂直极化波成像之间的差异27 1 ，企图从中 获得更好的呈现效果。为此，进行了仿真研究，并在之前的实验装置的基础上改 浙江大学硕士学位论文 绪论 进，分别获得了水平极化及垂直极化波的成像结果，仿真及实验结果证明水平极 化波成像中存在很明显的物体的倒影，而垂直极化波成像中则没有。经过将两种 不同极化波得到的图像进行平均和整合得到的新图像中包含了更多的细节信息， 而这些信息在之前的两张像中是不存在的，这一研究意义重大，为获得更高质量 的图像提供了一个新的研究方向。 圈1 5 四天线一维综合孔径成像系统示意1 t t l 2 8 i 以上的实验研究局限于单天线，没有真正涉及到综合孔径技术，2 0 0 7 年德拉 华州大学的c a s c h u e t z 等人搭建了四天线系统【2 引，如图1 5 所示。利用3 5 g 的微 波源相对于天线列的相对位置来模拟实际中不同位置的点源，得到了点源的成 像，实验验证了在不同位置的点源在像平面对应的位置不同，实验验证了电光调 制技术运用于被动毫米波综合孔径成像中的可行性。2 0 1 0 年，t h o m a se d i l l o n 等人建立了综合孔径成像的系统【2 9 1 ，将3 2 路天线排列在两个不同大小并共心的 六边形上，进行了成像研究。对系统的各元件进行了详细的描述，并且讨论了成 像的校准和实现，同时证明了扩展光源的成像并与模拟结果进行了比较，发现两 者之间相似度很高。这是首次二维基于电光调制的被动毫米波综合孔径实验，同 时也将成像源从点源推广到扩展源。图1 6 显示了该二维成像系统的示意图，图 1 7 为其成像结果与视图的对比，图中上方为真实物体的视图，下方为该二维成 像系统得到的图像。2 0 11 年孟菲斯大学的o r g e sf u r x h i 等人搭建了二维实时亚毫 米波成像系统【3 0 1 ，通过一个空间选择模具设备来获得像平面的扫描，图像恢复 浙江大学硕士学位论文绪论 程序则是通过m a t l a b 程序来实现。最终，得到了6 4 x 6 4 像素的像，帧速为5 0 帧 每秒。2 0 1 0 年，韩国 s e o k w o ny e o m 人【3 1 1 提出了一种可以探测被测物体深度 的方案，并进行了相关实验，将被动毫米波探测从二维拓展到了三维。他们通过 两个天线得到的图像，利用l i n d b u z o g r a y ( l b g ) 矢量量化算法分割出从背景中 分割出所探测物体，并找到该物体的图心。由于天线位置不同，那么该物体在像 平面中所成像的图心位置也不同，由此可以估计出物体距离探测天线的距离，得 到物体的深度信息。 图1 6 二维被动毫米波综合孔径成像系统示意图【2 9 i 图1 7 二维被动毫米波综合孔径成像与视图对比图2 9 l 目前基于电光调制的被动毫米波综合孔径成像技术的研究还处于起步阶段， 仍然还有很多关键技术需要进一步的理论研究和实验验证，例如结合了成像算法 和相位校正技术的天线阵列优化、高灵敏度的电光调制器的研究、对阵列系统的 浙江大学硬士学位论文 相位误差测量和校正方法等这些关键技术的研究也取得了阶段性的成果2 0 0 9 年，特拉华州大学的p e n gy a o 等人研究了w 波段的铌酸锂相位调制器【3 2 】，在整 个w 波段实现t i w l 的调制效率，是迄今为止调制效率最高的铌酸锂相位调 制器，并运用一维被动毫米波成像系统中，获得了更高质量的图像2 0 1 0 年， 他们进行了进一步的研究，同时考虑载波频率以及毫米波信号的有效折射率匹 配、阻抗匹配以及降低传输损耗等问题，设计了用于9 4 g h z 的铌酸锂相位调制 器【3 3 】，其调制效率达到1 0 4 5w 1 ，半波电压为7 v ，光插入损耗为3 7 d b 近几年来，国内对于基于电光调制的被动毫米波综合孔径成像的研究也日趋 火热，中科院航空中心以及北京航空航天大学均对其进行了相关研究例如对天 线阵列运用模拟退火算法以及遗传算法进行了优化设计 3 4 1 、原理分析了基于电 光调制的成像系统并进行了成像实验【3 5 】。 1 3 本- 论文的主要工作 本论文研究基于电光调制的被动毫米波综合孔径成像技术主要工作包括三 方面的内容：分析了电光调制技术运用于被动毫米波综合孔径成像中的理论基础 并仿真验证其可行性；分析天线阵列排列对成像质量的影响，并运用遗传算法进 行阵列优化；将光纤中受激布里渊散射效应引入到被动毫米波综合孔径成像系统 的光处理环节中，进行了相应理论研究及实验验证。 具体章节安排如下： 第一章为绪论主要介绍了被动毫米波成像技术的研究背景及意义，介绍了 国内外的被动毫米波综合孔径成像研究现状，着重介绍了基于电光调制技术的成 像系统研究现状 第二章为被动毫米波综合孔径成像理论研究主要分析了综合孔径技术以及 电光调制技术运用于被动毫米波成像的理论基础内容包括天线阵列的复相关理 论及视场恢复运算、综合孔径技术的系统结构及理论实现、电光调制过程中的毫 米波上变频及其幅度相位信息的保持、基于电光调制的一条链路的结构及信号处 理过程、综合孔径技术在基于电光调制被动毫米波成像系统中应用、对基于电光 调制的被动毫米波综合孔径成像系统的建模研究。 第三章为阵列优化设计。主要介绍了阵列优化问题的由来，研究了天线阵列 9 浙江大学硕士学位论文绪论 排布对空问频率的影响、阵列优化对成像质量的影响、优化准则及优化算法的选 择；其次运用遗传算法对圆周阵列进行了8 1 6 天线进行了优化，并对比了优化 前后的空问频率排列和点扩展函数 第四章为受激布里渊散射在被动毫米波综合孔径成像中应用介绍了光纤中 受激布里渊散射的基本理论，分析了布里渊散射的物理过程、耦合方程以及布里 渊散射的增益谱，研究了受激布里渊散射应用于基于电光调制的被动毫米波综合 孔径成像中的理论及可行性，并进行了相关实验研究 1 0 浙江大学硕士学位论文被动毫米波综合孔径成像的理论研究 第二章被动毫米波综合孔径成像的理论研究 2 1 被动辐射测量物理基础 2 1 i 纛体誓射理论 根据普朗克定律可知，当物体内的电子发生能级跃迁时，该物体就会吸收或 者向外辐射一定波长的能量因而，处于绝对零度以上的一切自然物体都会向外 辐射电磁波与此同时，物体还会反射和吸收周围其他物体辐射的电磁波。物体 发射的辐射功率与入射的总功率之比定义为物体表面的发射率；物体吸收的辐射 功率与入射的总功率之比定义为物体的吸收率 理想中的黑体定义为在任何温度下对所有波长的入射辐射能量完全吸收且 不发生任何反射的物体因而，黑体的吸收率为1 ，反射率为0 它既是一种理想 的完全吸收体，也是一个完全的发射体根据基尔霍夫定律可知，若一个物体处 于热力学平衡条件下，那么该物体在某一温度及某一波长下的谱发射率与吸收率 的比值，与黑体在同一温度和波长下的谱发射率的比值相同，这里的光谱发射率 定义为为从物体单位表面积向上半空间辐射的谱功率因此，已知黑体的谱发射 率时，通过测出实际物体的吸收率，就可以推算得出实际物体辐射的谱发射率。 根据黑体辐射的发射率与其亮度的关系，得到黑体的谱亮度鼬为： 2 等瓦1 ( 2 1 ) 其中，乃绝对温度； 觳波尔兹曼常数； c ：真空中的光速； 办：普朗克常数； ，频率m z ) ； 谱亮度的单位为w ( m 2 母h z ) 。黑体的谱亮度是温度和频率的函数，在所 有方向上都是相同的，即无方向性。在频率较低时，由于p l + h ：f ，r ，可以得 浙江大学硕士学位论文 被动毫米波综合孔径成像的理论研究 到瑞利一琼斯公式： = 7 2 h p 等= 万2 k t ( 2 2 ) 对于某频段空间内的黑体寓射的总功率可以用黑体谱亮度的积分来表示： 只= 三如 鼻e 和，o ) a a ( 2 3 ) 其中锄：天线最大接收面积； r 仇d ：天线归一化辐射方向图； d q ：微面源相对于天线所在点所张的立体角； ：接收机带宽 利用瑞利琼斯公式( 2 2 ) ，可以得到： 忍畦锄v 阻等脚州m ) 由天线理论争，e ( 9 ，p ) 掘= 1 ，则式( 2 4 ) 可以简化为： 只= 七蟛 ( 2 5 ) 由式( 2 5 ) 可以得到，天线接收功率与热力学温度之间成线性关系，因此，在 毫米波辐射测量中接收天线接收的功率大小可以用温度表示 2 1 2 毫米i 乞射测量基础 定义在实际温度为l 带宽为鲈时的黑体亮度为： 色：鲈：等可 ( 2 6 ) 在自然界中，绝对黑体是不存在的我们将实际物体称之为灰体灰体总是 存在吸收和反射能量，根据能量守恒定律，在温度相同时，灰体的辐射亮度固积d 比同温的黑体的亮度蹦卜，并且其亮度具有方向性 我们可以通过等效黑体的辐射亮度来表述实际物体的亮温如果物体是均匀 分布且各向同性，当它们具有相同的温度，则把发射率定义为灰体亮度与相同温 度上黑体亮度最之比，即： 浙江大学硬士学位论文被动毫米波综合孔径成像的理论研究 咖= 掣= 型t 其中，乃沏回为灰体的亮度温度 类比于黑体亮度的定义，则灰体亮度可以表示如下： b ( 9 ，p ) - 2 a k 。tz 口( 9 ，8 ) 鲈= p ( 9 ，d ，2 k t a ：2 a f ( 2 8 ) 被动毫米波探测技术利用了物体问发射率的差异，从而通过不同的辐射亮度 分布来达到分辨物体的目的金属的毫米波发射率极其低，其亮温主要来自对周 围环境和天空温度的反射，因此，可以轻易分辨出金属目标由于被动毫米波探 测技术分辨金属的效果明显，因而在军事等领域应用广泛 天线温度可以经由天线的辐射方向图来计算，由式( 2 8 ) 可知无损天线的输出 功率为： b2 吉如v 腆妒) e ( 妒) 擒 ( 2 9 ) = 互1 掣可2 k i 一2 ：( 甲，d ) e 如，o ) d n 、 其中，m ，们为天线在观测方向仇研上的视在温度 令l = 争 i l 霉( 妒) e ( 妒) 擒 _ 乃就是得到的天线温度由天线理论可以得到 l = 石1 旺，霉如，日) c 如，o ) d n 去，霉( 9 ，日) g 如，o ) d n ( 2 1 0 ) 其中以仍d 是天线的方向性函数，g 魄d 的是天线的增益方向图 可以看出，天线温度与实际地物的亮度温度并不完全相同，而是视在温度分 布对天线的辐射方向图的加权平均得到的。当波束指向不同时，其空间照射范围 内物体亮度温度也不相同，探测得到的天线温度乃也不相同那么，场景的亮度 温度可以通过解式( 2 1 0 ) 的第一类f r e d h o l m 积分方程得到，这种通过天线温度计 算得出场景亮温分布的过程称为亮温反演 浙江大学硕士学位论文被动毫米波综合孔径成像的理论研究 2 2 被动毫米波综合孔径戍像理论 由于毫米波其特殊的频率特性及传播优势，毫米波成像技术成为最有潜力的 成像技术但是，由于对于每一个特定天线尺寸均存在衍射极限，从而使其分辨 率受到限制，这也制约了被动毫米波技术的发展对于一个焦平面系统，以弧度 表示的角分辨率a 如下式所示： a - 1 2 2 告 ( 2 i i ) 式中，a 为自由空问的成像信号波长，d 为成像透镜的有效直径。那么，为 了达到传统红外成像的角分辨率，则所需的孔径尺寸要增加到两个数量级这使 得该成像系统的应用受到严重制约 为了解决天线尺寸对成像系统角分辨率的限制，综合孔径技术被引入到被动 毫米波成像系统中被动综合孔径成像技术利用空间频率域的测量代替传统辐射 计对空间域的直接测量，是一种基于相干探测方法的干涉成像技术该方法利用 天线阵列接收场景的毫米波辐射，利用复相关接收机将两两不同位置的天线接收 的信号进行复相关运算得到视场的可视度函数，其与场景的亮温分布成傅利叶变 换对关系当采用多天线接收信号时，复相关结果即为对可视度函数的采样，再 对它进行傅利叶逆变换即可得到场景的亮温分布图像。 圈2 i 二元天线接收信号示意圈 图2 1 显示了两个不同位置天线接收辐射源信号的示意图，由此可以推出两 个天线接收信号的复相干函数。 设分布源中的面积元峦辐射的幅度为局，则在 l l 黝和锄扰，而) 的探测器 1 4 浙江大学硬士学位论文被动毫米波综合孔径成像的理论研究 接收的电场为： 施( m ，z o ) = 岛等掣 赶( 恐，儿，z o ) = e oe x p ( - r j k r d ( 2 1 3 ) 其中：，i = 厄i 再石而，吃= 厄j 矿五巧再哥 则两个探测器接收的复相干为： h i , 2 - e ( 砌，z o ) ，f ( 枞，z o ) ) = 蹦y ) 巫警趔搬 其中施，y ) 是辐射源的强度或者亮度在o ，y ) 的时间平均值 我们对整个分布源积分，可以得到1 f 4 - 探t i l 器的互相干函数： h i , 1 - - n ，z 落= p ，y ，) 望掣程 ( 2 1 5 ) 在这里假设辐射源的不同位置辐射的场是两两不相关的 因为，被动毫米波探测多为远场探测，源平面讵离探测器平面较远，则可以 有如下近似： 粤，掣“吃去z o二z q 。 z ； ，；一吃三掣+ 垦垒二2 堑掣 并做如下的变量变换： 材= 去c 屯一舢v = 去c 儿一m a = 丢，卢= 丢 则，式( 2 1 5 ) 可以写为： y ( 材，叻= j j b ，j 5 i ) e x p - j 2 x ( u a + v p ) c l a d 3 ( 2 1 6 ) 这里6 = 七( 砰一霹+ 订- y 1 ) 2 z o 是由于探测器平面与源平面的距离不是无 限远产生的相移可见，任意两根天线之问进行复相关得到的可视度函数附，功 与视场的亮温弛，膨成了一对傅里叶变换对 浙江大学硕士学位论文被动毫米波综合孔径成像的理论研究 理论上，可以通过对测量得到的可视度函数进行傅里叶反变换获得视场的亮 温分布： 舻砑1 附，v ) e x p j 2 万+ 印黼 ( 2 1 7 ) 在综合孔径成像系统中，每一个天线对的接收实际上等同于在“d 空问频 率域对可视度函数的采样采样的可视度函数是可视度函数在一系列离散空闻频 率上的分布如果采用理想天线在他v ) 平面上对图像进行均匀的采样，并且有 效避免采样混叠，从理论上则可以通过高散傅里叶变换来重建视场： 台 ，卢) = y ( ，矗) e 印卜2 万( 口+ 卢) ( 2 1 8 ) 空间频率平面 圈2 2 等合孔径成t 过程 归结起来，其综合孔径成像过程可以用图2 2 表示如图说示，孔径阵列对 源分布的亮温进行采样，通过复相关器完成复相关运算，这一过程相当于从空间 与到空间频率域的傅里叶变换然而，天线阵列的排列决定了空间频率的采样， 即( 越，d 覆盖，这一采样的分布直接关系到能否重建视场以及成像后的质量最 后需要一次的傅里叶反变换，从可视度函数中恢复出源分布的亮温，得到所需韵 图像 2 3 基于电光调翻的被动毫米溲综合孔径戍像理论分析 在被动毫米波成像系统中，天线接收的是视场目标辐射及反射信号，因此其 信号功率很微弱，需要将其调制至更适合的频率进行传输和后续处理，因而，如 何合理的传输及进行成像处理是被动毫米波成像技术的关键技术之一目前，存 在两种实现方法：一是将其下变频至中频信号，通过同轴电缆传输，由复相关器 进行两两复相关后，经图像恢复算法完成成像另一种传输处理方式是将目标辐 射信号经上变频至光载波频率，由光纤传输，在光纤末端进行相应的光学处理得 1 6 浙江大学硕士学位论文被动毫米波综合孔径成像的理论研究 到图像。此系统采用光纤传输信号，较于电缆传输具有光纤传输高带宽，低衰减 和抗电磁干扰等优点。此外，携带毫米波信号信息的光信号在光纤末端形成阵列， 可采用光学综合孔径成像技术直接在光域实现成像。与传统的综合孔径成像系统 相比，避免了采用大量的复相关器，简化了成像系统，使得成本较低，同时可以 实现实时成像，提高了系统效率。因此，基于电光调制的被动综合孔径成像技术 是近年来被动毫米波成像的主要研究方向。 2 3 1 基于电光调制的被动毫米波综合孔径成像理论基础 聚焦透镜 镜光学滤波 ；i 测器矩阵 图2 3 基于电光调制的被动综合孔径成像系统示意圈 基于电光调制的被动毫米波综合孔径成像示意图如图2 3 所示。激光器发出 的单频光信号通过一个1 n 的光束分离器，分成n 束相干的光信号，这些光信号 作为载波信号被分别耦合进n 个电光调制器。每个电光调制器均通过射频波导和 一个毫米波天线连通。n 个小孔径天线依据最小冗余空间频率覆盖、最佳成像质 量等规则排列成稀疏孔径阵列。毫米波天线阵列接收的毫米波信号，经波导传输 送入电光调制器中实现幅度调制上变频至光域。经过调制的信号通过准直透镜阵 列，进入光纤传输，在光纤末端形成阵列，之后可以进行光载波抑制或者边带滤 波等光信号处理。经过处理的光束经透镜聚焦，最后在探测器阵列上成像。图中 d 是毫米波天线的间距，d 是准直透镜之间的距离。为了保证把毫米波信号信息 能准确地转换到光信号上，光纤阵列必须按照一定的缩放比例与毫米波天线阵 1 7 浙江大学硬士学位论文 被动毫米波综合孔径成像的理论研究 列的排列相一致 卢= - k b - 7 k 其中掀毫米波的波长，如提光载波的波长 基于电光调制成像探测系统的一条链路的上变频及光学滤波过程如图2 4 所 示： m 2 4 毫米波的电光羹稍以及光学奠泌示意圈 设激光器输出的光波为单粳岛，为光波电场振幅；如为光波电场的初始相 位，天线接收信号的输出为屁产j 邑：f c o s ( 删彩，该毫米波信号对光波进行幅度调 制，其数学过程如下： = ( + 4 ) = c o s ( f + 九) + 马c o s ( f + 妒) s ( h 九) ( 2 2 0 ) = 4 c o s ( t + 九) + 目 c o s ( 一) f + 九一咖 + i ( 国叩+ ) 九+ 9 i 可见，调制后的信号的光载频信号中不包含任何毫米波信号的信患；调制后 的光波的两个边带中包含了毫米波信号的幅度和相位信患如果利用单边带调制 或光学滤波器，则可以得到包含毫米波信号幅度和相位信息的单