新型材料透鏡的毫米波成像研究

何佳霖　李洋

摘 要：本文將新型材料透鏡用于毫米波成像系統(tǒng)，并對(duì)金屬物體進(jìn)行成像測(cè)試。毫米波成像系統(tǒng)主要由毫米波照射源、聚焦透鏡、探測(cè)器以及信號(hào)處理系統(tǒng)四部分構(gòu)成。通過(guò)所獲得的清晰毫米波圖像，進(jìn)而驗(yàn)證了這種新型材料透鏡應(yīng)用于毫米波成像的可行性。

關(guān)鍵詞：毫米波成像；新型材料；聚焦透鏡

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.222

1 引言

毫米波與紅外、可見(jiàn)光相比在煙霧、雨雪以及沙塵暴等復(fù)雜天氣下衰減要小很多，同時(shí)它也具有穿透衣物、絲綢等材料的能力，可以用來(lái)探測(cè)藏于這些材料下的隱匿物品。因此，憑借著這些優(yōu)點(diǎn)，毫米波成像技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，比如：飛機(jī)在煙霧中飛行及降落、射電天文、危險(xiǎn)品檢查、醫(yī)用檢查、軍事，掩埋物探測(cè)等方面[1]。與機(jī)械掃描、合成孔徑等毫米波成像方式相比，利用介質(zhì)透鏡的毫米波焦平面成像技術(shù)具有實(shí)時(shí)成像及成像速度快等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外廣泛研究[2]。目前，用于該技術(shù)的介質(zhì)透鏡材料主要以高分子材料為主，所獲得毫米波成像質(zhì)量仍有待于提高。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 成像系統(tǒng)

與被動(dòng)式毫米波成像系統(tǒng)相比，主動(dòng)式毫米波成像系統(tǒng)，需外加毫米波照射源，這樣成像環(huán)境不受限制，同時(shí)也可形成寬波段掃描以提高成像質(zhì)量?；谶@樣的考慮，本文選用主動(dòng)式毫米波焦平面成像系統(tǒng)。文中毫米波成像系統(tǒng)主要包括四部分：毫米波照射源、聚焦透鏡、探測(cè)器以及信號(hào)處理系統(tǒng)。毫米波照明源是一個(gè)角錐形喇叭，可輻射35 GHz 連續(xù)毫米波，它被固定在距離被測(cè)物一定距離以便于照射整個(gè)被測(cè)物。經(jīng)被測(cè)物反射的毫米波信號(hào)，通過(guò)聚焦透鏡聚焦在其焦平面，并由放置于焦平面上的探測(cè)器探測(cè)。之后，由信號(hào)處理系統(tǒng)采集處理成灰度圖像。為了獲取二維毫米波圖像，探測(cè)器被固定在平移臺(tái)上并由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行二維掃描。

2.2 成像測(cè)試

成像測(cè)試主要分為兩部分：透鏡聚焦特性測(cè)試和金屬物體成像測(cè)試。透鏡聚焦特性測(cè)試主要內(nèi)容為：在未放置透鏡和關(guān)閉毫米波照射源的情況下，使探測(cè)器進(jìn)行二維掃描，獲取本底噪聲信號(hào)分布，同時(shí)也可測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性；在未放置透鏡和打開(kāi)毫米波照射源的情況下，使探測(cè)器進(jìn)行二維掃描，獲取未經(jīng)透鏡聚焦的毫米波信號(hào)分布；在放置透鏡和打開(kāi)毫米波照射源的情況下，使探測(cè)器進(jìn)行二維掃描，獲取經(jīng)透鏡聚焦后的毫米波信號(hào)分布。在完成透鏡聚焦特性測(cè)試之后，緊接著進(jìn)行金屬物體成像測(cè)試。由于錫箔材料對(duì)于35 GHz毫米波具有高反射率，因此文中測(cè)試對(duì)象為由錫箔材料制作成的金屬條。利用上述提到的主動(dòng)式毫米波焦平面成像系統(tǒng)對(duì)金屬條進(jìn)行成像測(cè)試。

3 分析及討論

透鏡聚焦特性測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出：在未放置透鏡和關(guān)閉照射源的情況下，本底噪聲信號(hào)強(qiáng)度分布均勻，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程基本上不變，說(shuō)明整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在無(wú)照射源的情況下穩(wěn)定性較好；在未放置透鏡和打開(kāi)照射源的情況下，探測(cè)器所探測(cè)到毫米波信號(hào)分布基本上也處于均勻分布，也進(jìn)一步說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)在有照射源的情況下仍能穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)果也表明了新型材料透鏡對(duì)于毫米波信號(hào)具有會(huì)聚增強(qiáng)效應(yīng)以及此材料透鏡具有良好的聚焦特性。

金屬物體成像測(cè)試結(jié)果如圖2所示，其中圖2（A）為金屬條光學(xué)圖像，圖2（B）為金屬條毫米波圖像。金屬條后面覆蓋著錐形電磁波屏蔽材料（藍(lán)色部分），這樣一方面可以減少本底噪聲信號(hào)干擾，另一方面也可以減少二次反射，削弱外界環(huán)境對(duì)于成像測(cè)試的影響。

對(duì)比圖2（A）和圖2（B）的毫米波像與光學(xué)像在輪廓上相近，證明了此新型材料透鏡用于毫米波成像系統(tǒng)的可行性。在圖2（B）中，顏色越深的部分表明此處信號(hào)強(qiáng)度越小，顏色越亮的部分表明此處信號(hào)強(qiáng)度越大，圖中黑色部分代表著本底噪聲的強(qiáng)度。從圖2（B）中可以看出，金屬條邊界與本底的反差比較大，表明金屬條的毫米波像具有很好的清晰度?？傮w來(lái)講，金屬條的毫米圖像清晰度良好，此測(cè)量系統(tǒng)在探測(cè)金屬物體方面具有一定的可行性。

4 結(jié)論

本文對(duì)新型材料透鏡進(jìn)行了聚焦特性測(cè)試以及將其運(yùn)用于主動(dòng)式毫米波焦平面成像系統(tǒng)，并且對(duì)錫箔金屬物體進(jìn)行成像測(cè)試。從新型材料透鏡聚焦特性測(cè)試結(jié)果可以看出，此透鏡對(duì)于毫米波具有良好的聚焦增強(qiáng)特性。同時(shí)也進(jìn)行成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明此成像系統(tǒng)在有、無(wú)毫米波照射源的情況下，均能穩(wěn)定、平穩(wěn)地運(yùn)行工作。另外，錫箔金屬條清晰的毫米波圖像證明了此新型材料透鏡應(yīng)用于毫米波成像領(lǐng)域的可行性以及此成像系統(tǒng)具有良好的探測(cè)金屬物體的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]張一聰，張濤.仿真分子材料及其微波折射行為研究[EB/OL].北京：中國(guó)科技論文在線.

[2]張濤.用于毫米波波段的復(fù)合透鏡研究[EB/OL].北京：中國(guó)科技論文在線.

作者簡(jiǎn)介：何佳霖（1988-），男，吉林通化人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：儀表調(diào)試 。