毫米波全息成像中的散斑模型

封面文章|经文,江舸,成彬彬,张健. 毫米波全息成像中的部分发育散斑模型[J]. 光学学报, 2019, 39(5): 0509001

毫米波全息成像技术是一种利用毫米波雷达记录目标全息数据的相干成像技术,在公共场所人体安检上有重要的应用价值。2018年青岛上合组织峰会应用的全新人体安检门——毫米波全息成像人体安全检查仪,不需要接触旅客就能准确识别旅客所带物品,这种新型安检方式将改变传统的“只查金属+全面人工搜身”的人体安检模式,一步跨越到“全面查验+自动报警辅助搜身”的人体安检2.0时代,旅客的安检舒适度大大提高,同时确保了各类武器、爆炸物、不明液体等异常物品无法携带进入车厢。


图1 毫米波全息成像人体安全检查仪检查示意图

由于人体皮肤、衣物以及隐藏目标表面的粗糙度将不可忽略,毫米波全息成像结果中将呈现出散斑效应,极大影响了隐藏目标的检测与识别。

毫米波全息成像的散斑图样,是粗糙目标散射和成像处理过程共同作用的结果,包含了目标表面结构丰富的特征信息,对散斑模型的清晰认识对粗糙纹理感知、图像信息解译和目标识别有重要意义。图2给出了针对随机粗糙面的毫米波全息成像示意图。


2 随机粗糙面毫米波全息成像示意图

中国工程物理研究院电子工程研究所张健研究员课题组针对毫米波全息成像中的散斑建模问题,分析了基于有限个相位非均匀的等幅矢量和的传统部分发育散斑模型在中心极限定理不满足的条件下模型失效的原因,利用成像的卷积过程推导了镜面照射条件下高斯粗糙面毫米波全息散斑统计特征量的随机积分表达式,指出利用随机积分计算散斑强度二阶矩时面临八重积分,存在数值计算困难的问题。

该课题组将有限个相位非均匀的等幅矢量和的幅度与强度的矩与基于随机积分的散斑统计相结合,推导了散斑对比度、粗糙面均方根高度、相关长度以及成像系统分辨率之间显示表达式,建立了一种镜面照射条件下,不需要等效“散射中心”个数很多条件的部分发育散斑模型。

研究表明:散斑图样的散斑对比度随着均方根高度的增加从0增加至1,在均方根高度比较小时,散斑对比度还随着相关长度的增大而先增后减,存在峰值。在相关长度远远小于成像分辨率时,提高成像分辨率能够降低散斑对比度,但相关长度与成像分辨率接近时,却会起到反效果。

研究人员利用基于近场物理光学法的蒙特卡率仿真实验验证了模型的正确性。图3为利用蒙特卡洛法生成的三种不同相关长度高斯粗糙面及其毫米波全息散斑成像模拟结果。需要指出的是,该模型是基于高斯粗糙面散斑对比度的有效近似,对其他类型的粗糙面目标散斑统计仍有待进一步的研究 。


(a)kl=0.15λ           (b)kl=λ             (c)kl=2.5λ

图3  选取三种不同相关长度随机粗糙面生成的散斑图样(kδ=0.8,L≈2.51λ)

研究人员表示,在后续的工作中,将进一步探究基于散斑统计模型的毫米波全息成像模拟方法、散斑抑制方法,进一步改善毫米波人体安检全息成像中的目标检测和识别性能,推动主动式毫米波全息成像技术的发展。