光学研究：使用交叉圆偏振抑制毫米波成像的伪影

文 | 泛述

人员安检是维护公共场所人员和社会安全的一个重要手段，X射线成像被广泛用于行李安检，但由于隐私和安全问题，用于人体安检是不恰当的。

目前，最常见的安检系统是基于电磁相互作用的金属探测器，它通常具有较高的误报率，不能检测出非金属的隐藏物体。

由于对许多非金属材料的穿透能力，毫米波传感被广泛应用于雷达探测、人员安检、环境感知等方面。

主动毫米波（AMMW）成像已成为人员安全检查最有前途的方法，因为与X射线成像相比，它没有电离辐射。

近年来，许多AMMW成像系统被开发出来，甚至被商业化地应用于机场、火车站、大型活动场所和其他公共场所。

图像重建是AMMW成像的一个关键任务。传统的成像算法将目标看作是一团独立的散射点，因此假设接收器接收到的毫米波散射回波只被目标散射一次。

这种近似方法可以导致更简单和快速的图像重建。然而，它不能考虑手臂和腿部周围的多重散射。

在重建的图像中会出现高阶散射的多路径伪影，这对实际安全检查应用中隐藏物体的检测有负面影响。

做一些特定的姿势，如张开双腿和举起双手，对减少多径伪影很有帮助。但是这些姿势会增加每个人的通过时间，并导致在交通流量大的检查站的极大不便。

此外，很难直接通过图像后处理算法来消除伪影。为了抑制多径伪影，以前的一些工作是在图像重建阶段进行的，双静态/多静态成像可以有效地抑制凹陷物体的高阶伪影。

对于单静态配置，射出射线和反弹射线方法的概念被用来建立一个更精确的分析前向模型，这有助于产生没有强高阶散射的精确图像。固定相位法和圆偏振测量法被用来修正二面体结构的边缘图像变形。

上述处理方法是有效的，同时，它们通常是复杂的、耗时的或需要高的硬件成本。

对于实际的安全检查场景，多路径伪影主要发生在腿和胳膊周围的区域，等效结构不是二面体结构，而是两个间隔的圆柱体或椭圆体。

以前关于神器抑制的工作集中在Ka波段以下的AMMW成像（26.5～40 GHz），很少有关于W波段（75 ～110 GHz）的研究报道。

现有的系统通常有一个共线偏振收发器。使用多偏振成像可以获得更多的观测场景信息。

在本报告中，提出了一种交叉极化方法来抑制W波段AMMW成像的两个间隔圆柱体之间的多径伪影。

通过分析两个间隔圆柱体之间的偏振毫米波反射，解释了多径伪影的产生机制，揭示了共极化和交叉极化成像的物理机制。

在中心频率为100GHz（97～103GHz）的情况下进行了模拟和测量成像实验，以验证所提出的方法。

毫米波反射验证

全息成像是AMMW成像的主要模式。

首先接收散落在物体上的毫米波信号；然后通过外差混合测量相位信息；最后根据强度和相位信息反演场景图像。

毫米波直接全息成像系统的发射和接收天线（TX和RX）的位置是相邻的，由发射天线发射的球面波exp (-ikr)/r（其中r为距离）被传送到人体，然后散射回接收天线。

人体表面的每一点都会散射毫米波信号，而接收天线则接收物体表面不同位置的散射信号的叠加值。

在各向同性散射的Born一次散射近似假设下，接收天线接收到的后向散射毫米波可以表示为：

其中，s（x0，y0，ω）是点（x0，y0）的采样数据，角频率为ω，f（x，y，z）代表观察对象在位置（x，y）的复数反射系数，r=[（x-x0）2+（y-y0）2+z2）]1/2代表天线与人体某点（（x，y））的距离，k为文数。

通过扫描整个光圈，可以得到人体表面信息的全息图，然后用相应的图像重建算法来反映f（x，y，z）的图像。

图1

如图1B所示，图1A中腿和胳膊周围的区域可以相当于两个具有一定间距的圆柱体或椭圆体，二次散射后返回的毫米波能量在两个圆柱体之间产生等效的伪影。

在公式1的表达中，收发器天线和物体之间的距离是由毫米波反射的光路决定的。对于一次散射近似，二次散射后的毫米波反射将被认为是以相同的光路散射一次。

图2

换句话说，神器是在一个以收发器天线相位为中心、以半光路为半径的圆上，在传统算法重建的图像中，一个虚拟物体（即与真实物体相似的高亮区域）将出现在多径神器的同等位置。

各种实验方法及分析

1.模拟实验

为了初步验证交叉圆偏振成像的应用，我们在Altair FEKO计算的基础上进行了模拟实验。

如图3A所示，两个间隔的铝制圆柱体被用来模拟安检时产生多径伪影的身体、手臂和腿，每个圆柱体的半径为0.05米，高度为0.04米，两个圆柱体的中心距离为0.12米，计算频率设置为100GHz。

图3

我们进行了两次模拟，以比较证明所提出的交叉偏振成像方法，一个是交叉圆极化成像，另一个是传统的共线极化成像。

仿真的天线阵列是100×100的正方形矩阵阵列形式。天线阵的边长为0.5米，成像距离为1米，沿两个方向（两种情况）放置天线阵进行观察比较。

(1) 观察方向为沿y轴，天线阵列平面与xoz平面平行。

(2) 观察方向是沿z轴，天线阵列平面垂直于z轴。这种情况与实际人员安全检查的情况一致。

图3B-E显示了两个间隔的铝圆柱体的模拟成像结果。

共线偏振成像（常规成像）结果显示在图3B、D中，交叉圆偏振成像结果显示在图3C、E中。

因为在第一种情况下几乎没有多重散射，所以在图3B、C中几乎没有多径伪影出现，共线和交叉圆偏振系统的重建图像相似。

注意，这种情况只是用来说明平面物体的无伪影现象，如图3D、E所示，由于接收天线主要接收后向散射波，两个圆柱体物体在AMMW图像中形成两个亮带，两个圆柱体的其他表面向其他方向散射波。

图3D中两个圆柱体之间有明显的多径伪影，这是传统共线偏振成像的结果。

通过使用跨圆偏振收发器，图3E中大多数多径伪影被有效抑制，除了单次和二次散射外，发射器发射的大部分能量通过两个圆柱体之间的空间穿透。

换句话说，由于圆柱体的结构和一定的间距，超过二阶散射产生的背向散射波的能量确实非常小。

2.测量实验

为了进一步验证交叉圆极化方法的有效性，我们进行了两个间隔的铝圆柱体的测量实验。

VNA用于毫米波的生成和数据采集，调频模块起到信号放大和频率转换的作用，圆极化天线由一个圆形喇叭、一个圆极化波导、一个正模变换器（OMT）、一个匹配的负载和一个与辐射计连接的矩形波导组成。

图4

由于OMT的技术限制，我们的圆极化天线的带宽为6GHz（97～103GHz）。

共线偏振成像的天线是两个标准的方形喇叭，为了便于扫描成像，在扫描平台上放置了两个间隔的铝制圆柱体，以形成与收发机的相对运动。

平台的平面扫描可以等同于图1A中收发器的扫描。

图4B-E显示了两个间隔的铝圆柱体的测量成像结果，有许多杂波是由机械扫描平台造成的，其中包括扫描柱和支撑台。

如图4B所示，两个间隔的圆柱体之间存在着明显的多径伪影，两个圆柱体物体在AMMW图像中形成两个亮带。

相反，在图4C中，多径伪影被正交圆极化滤波明显抑制。

为了验证神器抑制的能量分布，已经进行了共圆偏振成像，图像如图4D所示，图像中间的亮带表示偶数阶散射产生的等效伪影。

为了更直观地比较伪影抑制的效果，沿着图4B-D中的黄色虚线的像素已经被提取出来，并在图4E中描述。

沿黄色虚线的一定宽度的数据的平均值被计算出来，以减少单线的随机性带来的误判。每个数据都已被归一化。

从图4E来看，两个间隔的圆柱体之间的伪影峰被交叉圆偏振滤波明显抑制。

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