基于频率分集加性处理的主动非相干毫米波成像技术研究

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Frequency-Diverse Additive Processing for Active Incoherent Millimeter-Wave Imaging

本文针对稀疏接收阵列在傅里叶域成像中空间频率采样不足的问题，提出了一种频率分集加性处理技术。研究人员通过多频段测量改变接收阵列的电尺寸，显著增加了空间频率采样点数量。实验结果表明，该方法能将采样点数量提高3.24倍，结构相似性指数(SSIM)提升最高达41.65%，有效降低了伪影并改善了图像重建质量，为毫米波成像系统提供了一种低成本、高性能的解决方案。

　　

在毫米波感知应用领域，成像系统一直面临着关键的技术挑战。传统被动毫米波成像系统虽然能够利用物体自身的热辐射进行探测，但由于毫米波波段的热辐射信号极其微弱，需要高增益接收器和长积分时间，导致系统复杂、成本高昂且成像速度缓慢。主动成像系统通过发射信号照亮场景，虽然提高了信噪比(SNR)，但通常需要密集孔径阵列（如相控阵）来实现高分辨率，这又带来了体积、重量和功耗方面的限制。

主动非相干毫米波(AIM)成像技术应运而生，它通过发射时空非相干的噪声波形来照亮场景，既保持了傅里叶域图像重建所需的非相干特性，又显著提高了信噪比。然而，傅里叶域成像的质量严重依赖于接收阵列获取的空间频率采样点数量。稀疏阵列的采样函数有限，当观测复杂物体时，采样不足会导致图像质量下降。增加采样点的传统方法是使用宽带硬件，但这往往成本高昂且对基带数字化要求高。

为了解决这一难题，密歇根州立大学电气与计算机工程系的Jorge R. Colon-Berrios和Jeffrey A. Nanzer在《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》上发表了他们的研究成果。他们创新性地提出了频率分集加性处理技术，在不增加接收通道的情况下，通过改变照明和接收系统的频率来改善空间频率采样。

本研究主要采用了以下几个关键技术方法：首先，利用频率分集原理，在37-40 GHz范围内以1 GHz为步进改变载波频率，从而改变天线对的电长度，获得新的空间频率采样点。其次，采用加性处理技术，将不同频段采集的可见度函数(visibility)在空间傅里叶域进行叠加。第三，使用24元件圆形接收阵列(O阵)和4元件噪声发射器组成的AIM成像系统，圆形阵列相比传统的Y形阵列能减少基线冗余，提供更多独特的空间频率采样。第四，通过结构相似性指数(SSIM)和空间非相干比(SIR)定量评估图像质量改善效果。

成像系统与实验设置

研究人员构建了一套K_a波段AIM成像系统，包含四个独立的噪声发射器和二十四个接收器。发射器放置在比接收器更宽的基线上，确保入射到场景的信号在比接收器更细的空间分辨率上解相关。每个发射器使用独立的基带噪声源(10-1600 MHz)，通过放大和上变频到毫米波载波频率。接收阵列采用圆形布局，半径为101 mm，元件间距15°，这种布局能最大化空间频率采样多样性。

采样函数与点扩散函数分析

研究发现，单个频段的采样函数包含289个(37 GHz、38 GHz和40 GHz)或281个(39 GHz)独特采样点，而加性采样函数能提供935个独特空间频率采样点，增加了3.24倍。点扩散函数(PSF)分析表明，加性处理后的PSF旁瓣水平明显低于单频情况，且分辨率与最高频率(40 GHz)保持一致。

图像质量仿真分析

通过四种测试场景(S1-S4)的仿真分析，评估了加性技术对图像质量的改善效果。S1是低空间频率图像，S2是包含指数减小尺寸正方形的分形图像，S3是线性减小尺寸正方形图像，S4是密歇根州立大学斯巴达头盔标志图像。计算了35-45 GHz范围内每个频段及加性重建图像的结构相似性指数(SSIM)。

35 GHz

36 GHz

37 GHz

38 GHz

39 GHz

40 GHz

41 GHz

42 GHz

43 GHz

44 GHz

45 GHz

Added

Increase*

S1

0.714

0.695

0.711 0.711

0.711

0.734

0.713

0.730

0.748

0.748

0.710

0.698

0.863

16.65%

S2

0.182

0.183 0.183

0.197

0.199

0.212

0.207

0.210

0.216

0.220

0.202

0.193

0.346

41.65%

S3

0.194

0.168

0.183

0.183

0.198

0.191

0.198

0.204

0.207

0.190

0.178

0.278

31.53%

S4

0.367

0.339

0.364

0.362

0.379

0.369

0.374

0.388

0.391

0.361

0.343

0.522

29.69%

加性方法在所有情况下均提高了SSIM，改善幅度从16.65%到41.65%不等。特别是对于包含高中低空间频率内容的复杂场景(S3和S4)，改善效果尤为显著，说明加性技术在中高空间频率区域的改善效果最好。

实验成像结果

实验部分评估了两个场景的成像效果：四个金属球组成的L形阵列和两个覆盖铜箔的圆柱体。单个频段重建图像中出现了目标缺失和伪影等问题，而加性重建图像则能准确显示所有目标位置，且伪影和旁瓣显著减少。

空间非相干性分析

通过分析相干矩阵和计算空间非相干比(SIR)，研究发现加性技术能提高接收信号的非相干性。单个频段的平均SIR为2.82，而加性情况下的SIR达到3.76，表明多频段信号叠加能增强整体解相关效果，这与通过频率跳变增加瞬时带宽的预期行为一致。

本研究通过理论分析、仿真和实验验证，充分证明了频率分集加性处理技术在主动非相干毫米波成像中的有效性。与被动傅里叶域成像系统相比，AIM成像具有在所有频段控制传输的优势，能在各频段获得更好的信噪比，从而实现更可靠的测量叠加。该方法仅需改变本振(LO)频率，无需其他硬件改动即可测量不同子带，为傅里叶域毫米波成像应用提供了一种低成本、易实现的图像质量改善方案。未来通过优化阵列布局，有望进一步减少冗余并增加空间频率采样，推动毫米波成像技术在安检、医疗成像和遥感等领域的应用发展。