不同于傳統(tǒng)的單站成像模式，基于多通道陣列的多站成像模式可以測(cè)量寬角度內(nèi)的目標(biāo)散射場(chǎng)，獲得更豐富的目標(biāo)散射特征用于反演成像。本文搭建了單發(fā)多收結(jié)構(gòu)的多站陣列測(cè)量系統(tǒng)用于目標(biāo)的近場(chǎng)轉(zhuǎn)臺(tái)成像。為了實(shí)現(xiàn)多路接收通道的測(cè)量，將開(kāi)關(guān)矩陣OSP120連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA24的接收端口及12路接收天線，通過(guò)開(kāi)關(guān)切換功能實(shí)現(xiàn)了12路收發(fā)對(duì)的分時(shí)測(cè)量功能。利用開(kāi)關(guān)矩陣顯著降低了多通道測(cè)試的系統(tǒng)復(fù)雜度，并提升了測(cè)量可靠性。

Abstract: In contrast to traditional monostatic imaging, multistatic measurements based on multi-channel receivers can be used for acquiring scattered EM field in a wide angular range. The measured data includes various scattering characteristics of the target which can be used for accurate imaging and reconstruction. In this paper, a multistatic imaging system with single-input-multiple-output array is constructed for near-field rotation imaging. In order to realize multi-channel measurements, the receiving channel of the applied vector network analyzer (VNA, ZVA24 from R&S) is connected to twelve receiver antennas via a switch matrix (OSP120 from R&S). Therefore, the measurement is completed in different time blocks by switching through different transceiver pairs. By taking advantage of the switch matrix, the complexity of the multi-channel system is greatly simplified while improving the reliability of the acquisition.

Key words: Near-field imaging; Multistatic array; OSP120; ZVA24

1. 引言

微波及毫米波成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)領(lǐng)域，特別是近年來(lái)安防領(lǐng)域的迫切需求使得微波及毫米波近場(chǎng)成像技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究。在安檢中通常需要對(duì)人體進(jìn)行三維成像以判斷被檢測(cè)者攜帶的各類物品中是否存在違禁或危爆物。由電磁成像理論可知，為了獲得高分辨圖像，需要形成大規(guī)模的測(cè)量陣列。因此在安檢領(lǐng)域，通常采用圓柱掃描[1]或多通道平面陣列 [2,3] 進(jìn)行三維成像。

一般來(lái)說(shuō)，采用圓柱掃描形式時(shí)對(duì)環(huán)繞人體的各個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，可獲得較為完整的360o人體圖像，而采用平面陣列的結(jié)構(gòu)時(shí)，只能對(duì)人體在平面陣列上的投影方向進(jìn)行有效的成像。但是，安檢測(cè)量距離多處在人體目標(biāo)的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，此時(shí)人體表現(xiàn)出復(fù)雜的散射特性，特別是在單一入射源照射下，散射場(chǎng)在不同方向存在不同的特性。因此，無(wú)論是單站結(jié)構(gòu)的圓柱掃描方式還是單方向的平面陣列測(cè)量都不足以獲取完備的目標(biāo)散射特性以用于反演成像。

為了提升安檢中對(duì)人體測(cè)量的精度和反演成像的準(zhǔn)確性，可以將圓柱掃描成像中的單站測(cè)量天線轉(zhuǎn)換為多站陣列形式，在每個(gè)測(cè)量角度下獲取大范圍的散射場(chǎng)信息。由于單站向多站的拓展在圓柱的橫截面向，因此本文開(kāi)展了二維平面內(nèi)圓周掃描方式的多通道陣列成像測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中信號(hào)的收發(fā)通過(guò)R&S公司的ZVA24矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接天線實(shí)現(xiàn)，由于實(shí)際實(shí)現(xiàn)多通道陣列需要較多數(shù)目的接收通道，因此本文選用R&S公司的OSP120開(kāi)關(guān)矩陣連接矢網(wǎng)和接收天線陣列，通過(guò)開(kāi)關(guān)切換完成不同接收天線回波的測(cè)量工作。

2. 多站陣列實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為整體測(cè)試場(chǎng)景照片。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 測(cè)試場(chǎng)景

天線陣列為13單元等間隔排布的超寬帶Vivaldi天線[4]，用以滿足超寬頻段的測(cè)試需求。其中正中間的天線作為發(fā)射單元，直接用線纜與矢網(wǎng)的1端口連接，兩側(cè)各6個(gè)一共12個(gè)天線作為接收單元連接至開(kāi)關(guān)矩陣OSP120。為了實(shí)現(xiàn)12路接收通道的切換，選用了OSP120中的一個(gè)1分2開(kāi)關(guān) (SPDT)和兩個(gè)1分6開(kāi)關(guān) (SP6T) 進(jìn)行級(jí)聯(lián)，再分別連接至12個(gè)接收天線。矢網(wǎng)的2端口作為總接收端口連接至1分2開(kāi)關(guān)的輸入口。通過(guò)上位機(jī)控制矢網(wǎng)與開(kāi)關(guān)矩陣即可實(shí)現(xiàn)1發(fā)13收 (發(fā)射天線的S11及12路接收天線的S21) 的多站測(cè)量。被測(cè)物體擺放在機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的中央測(cè)量平面上，被測(cè)物體與轉(zhuǎn)臺(tái)之間放置泡沫以減低金屬轉(zhuǎn)臺(tái)表面反射對(duì)測(cè)試的影響。轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)上位機(jī)連接步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)控制轉(zhuǎn)臺(tái)均勻旋轉(zhuǎn)，可以等效實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的圓周測(cè)量。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的控制由一臺(tái)筆記本電腦作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，控制命令在matlab中編寫，參考ZVA24和OSP120的遠(yuǎn)程控制指令。整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試流程為：

1) 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至角度m，m=0～360o，矢網(wǎng)測(cè)量S11參數(shù)。

2) 開(kāi)關(guān)切換至通道n，n=1-12。

3) 矢網(wǎng)測(cè)量S21參數(shù)。

4) 測(cè)量完成后返回步驟2，若全部陣列通道測(cè)量完成則返回步驟1，若角度測(cè)量完畢則測(cè)試結(jié)束

3. 測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)與測(cè)量結(jié)果

在使用矢網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試前，首先需要進(jìn)行校準(zhǔn)工作。在利用矢網(wǎng)測(cè)試S參數(shù)的情況下，通常需要用線纜連接矢網(wǎng)與被測(cè)物件。此時(shí)應(yīng)當(dāng)選取連接測(cè)試器的線纜端口進(jìn)行校準(zhǔn)，以盡量消除線纜本身對(duì)測(cè)試的影響。在成像測(cè)試中，由于成像算法的基礎(chǔ)原理都是補(bǔ)償信號(hào)傳播相位后進(jìn)行聚焦，因此更需要對(duì)各通道進(jìn)行校準(zhǔn)以消除信號(hào)在線纜及其他部件中傳播帶來(lái)的相位。

多通道成像實(shí)驗(yàn)中，理論上需要對(duì)所有接收通道進(jìn)行校準(zhǔn)，這是非常繁瑣的。由于多通道校準(zhǔn)與矢網(wǎng)兩端口校準(zhǔn)的差異主要由開(kāi)關(guān)矩陣及其連接的相關(guān)線纜造成，因此對(duì)開(kāi)關(guān)矩陣及其線纜整體的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。首先對(duì)矢網(wǎng)進(jìn)行兩端口校準(zhǔn)，校準(zhǔn)端口為連接發(fā)射天線的線纜口及連接開(kāi)關(guān)矩陣的線纜口，之后將線纜連接至OSP120，逐個(gè)連通發(fā)射端口與各個(gè)連接接收天線的線纜口，得到整個(gè)收發(fā)通道鏈路的帶內(nèi)響應(yīng)，如圖3所示，選用的測(cè)量頻段為4-24 GHz。

圖3 開(kāi)關(guān)矩陣 (包括線纜) 測(cè)試頻段內(nèi)響應(yīng)：

(a) 12通道幅度響應(yīng)，

(b) 12通道相位響應(yīng)，低頻段 (4-6 GHz)，

(c)12通道相位響應(yīng)，高頻段 (22-24 GHz)，

(d) 12通道帶內(nèi)等效脈沖延時(shí)

圖3(a) 給出了12通道的幅度響應(yīng)測(cè)量結(jié)果，在整個(gè)測(cè)試頻段通道間一致性較好，但可以看到在8-10 GHz頻段響應(yīng)曲線呈現(xiàn)明顯的差異，曲線分成兩簇，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)1分6開(kāi)關(guān)。這可能是由于第一級(jí)1分2開(kāi)關(guān)的兩路響應(yīng)存在差異造成的。另一方面，OSP120標(biāo)稱的最高使用頻段是18 GHz，在超過(guò)18GHz后出現(xiàn)了多個(gè)明顯的諧振頻點(diǎn)。但總體而言，各通道的幅度響應(yīng)一致性較好，符合成像要求。

成像測(cè)試中最重要的是相位信息，因此重點(diǎn)關(guān)注各通道的相位響應(yīng)。圖3(b) 和 (c) 分別畫(huà)出了12通道低頻段（4-6 GHz）和高頻段（22-24 GHz）內(nèi)的相位特性。為了便于比較，圖片畫(huà)成了二維圖的形式。可以看到多數(shù)通道的頻率響應(yīng)線性度很好，但仍有個(gè)別通道相位出現(xiàn)了偏移。為了考察相位偏移的影響，將通道響應(yīng)變換至?xí)r域，如圖3(d) 所示?？梢钥闯龅刃r(shí)域脈沖的最大偏移不超過(guò)6 mm。由于此誤差不超過(guò)一個(gè)分辨單元大小，因此不會(huì)對(duì)成像造成大的影響。此外，通過(guò)后續(xù)的校準(zhǔn)處理也可部分消除此誤差的影響。

由于多路接收通道的響應(yīng)線性度較好，在后續(xù)處理中僅需要補(bǔ)償各通道引入的額外傳播距離，因此可僅對(duì)矢網(wǎng)進(jìn)行兩端口校準(zhǔn)即可開(kāi)展成像實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)校準(zhǔn)效果和成像聚焦性能，首先對(duì)雙球目標(biāo)進(jìn)行多站陣列圓周掃描成像，球目標(biāo)聚焦后可證實(shí)系統(tǒng)測(cè)試性能良好。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和成像結(jié)果如圖4所示，其中給出的是一個(gè)收發(fā)對(duì)的圓周掃描和成像結(jié)果，信號(hào)和圖像的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置為30 dB：圖4(b) 為背景對(duì)消和距離門濾波后的時(shí)域回波信號(hào)?？梢钥闯觯m然進(jìn)行了矢網(wǎng)校準(zhǔn)，但測(cè)量中仍需要進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn)處理。圖4(c) 給出了校準(zhǔn)后的時(shí)域回波信號(hào)，可以看到時(shí)域信號(hào)在校準(zhǔn)后呈現(xiàn)出了良好的脈沖特性。圖4(d) 是最終的成像結(jié)果，圖中可以明顯看出雙球的外輪廓及半徑，且可看出球之間的相互遮擋效果。

完成系統(tǒng)校準(zhǔn)和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)球目標(biāo)成像后，即可開(kāi)展對(duì)一般目標(biāo)的成像測(cè)試。圖5給出了金屬扳手的一路收發(fā)對(duì)圓周成像結(jié)果，圖像動(dòng)態(tài)范圍為30 dB。

從成像結(jié)果可以看出，由于扳手的回波較弱，圖像中出現(xiàn)了部分背景雜波的影響，但普遍低于最高電平-20 dB以下，不影響目標(biāo)的判斷。本次實(shí)驗(yàn)中發(fā)射功率設(shè)為0 dBm，這一結(jié)果對(duì)真實(shí)目標(biāo)測(cè)量的功率設(shè)置具有參考價(jià)值。

圖4 雙球目標(biāo)測(cè)試，(a)測(cè)試場(chǎng)景，(b)未校準(zhǔn)時(shí)域回波，(c) 校準(zhǔn)后時(shí)域回波，(d)成像結(jié)果

圖5 金屬扳手圓周掃描成像結(jié)果，(a)扳手照片，(b)成像結(jié)果

4. 結(jié)束語(yǔ)

本文搭建了一套近場(chǎng)多站陣列成像系統(tǒng)，利用R&S公司的OSP120開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)了多路接收通道的切換，結(jié)合ZVA24矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成了多站陣列測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量成像功能，本文對(duì)開(kāi)關(guān)矩陣的相位特性及系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了分析和討論，在完成系統(tǒng)校準(zhǔn)后完成了對(duì)一般目標(biāo)的成像。測(cè)試過(guò)程中矢網(wǎng)和開(kāi)關(guān)矩陣保持了良好的穩(wěn)定性，且開(kāi)關(guān)矩陣的相位線性特性確保了較理想的近場(chǎng)目標(biāo)成像質(zhì)量。