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，并對金屬物體進行成像測試。毫米波成像系統主要由毫米波照射源、聚焦透鏡、探測器以及信號處理系統四部分構成。通過所獲得的清晰毫米波圖像，進而驗證了這種新型材料透鏡應用于毫米波成像的可行性。

關鍵詞：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、可見光相比在煙霧、雨雪以及沙塵暴等復雜天氣下衰減要小很多，同時它也具有穿透衣物、絲綢等材料的能力，可以用來探測藏于這些材料下的隱匿物品。因此，憑借著這些優點，毫米波成像技術已經廣泛地應用于各個行業，比如：飛機在煙霧中飛行及降落、射電天文、危險品檢查、醫用檢查、軍事，掩埋物探測等方面[1]。與機械掃描、合成孔徑等毫米波成像方式相比，利用介質透鏡的毫米波焦平面成像技術具有實時成像及成像速度快等優勢，已經受到國內外廣泛研究[2]。目前，用于該技術的介質透鏡材料主要以高分子材料為主，所獲得毫米波成像質量仍有待于提高。

2 實驗

2.1 成像系統

與被動式毫米波成像系統相比，主動式毫米波成像系統，需外加毫米波照射源，這樣成像環境不受限制，同時也可形成寬波段掃描以提高成像質量。基于這樣的考慮，本文選用主動式毫米波焦平面成像系統。文中毫米波成像系統主要包括四部分：毫米波照射源、聚焦透鏡、探測器以及信號處理系統。毫米波照明源是一個角錐形喇叭，可輻射35 GHz 連續毫米波，它被固定在距離被測物一定距離以便于照射整個被測物。經被測物反射的毫米波信號，通過聚焦透鏡聚焦在其焦平面，并由放置于焦平面上的探測器探測。之后，由信號處理系統采集處理成灰度圖像。為了獲取二維毫米波圖像，探測器被固定在平移臺上并由步進電機驅動進行二維掃描。

2.2 成像測試

成像測試主要分為兩部分：透鏡聚焦特性測試和金屬物體成像測試。透鏡聚焦特性測試主要內容為：在未放置透鏡和關閉毫米波照射源的情況下，使探測器進行二維掃描，獲取本底噪聲信號分布，同時也可測試系統穩定性；在未放置透鏡和打開毫米波照射源的情況下，使探測器進行二維掃描，獲取未經透鏡聚焦的毫米波信號分布；在放置透鏡和打開毫米波照射源的情況下，使探測器進行二維掃描，獲取經透鏡聚焦后的毫米波信號分布。在完成透鏡聚焦特性測試之后，緊接著進行金屬物體成像測試。由于錫箔材料對于35 GHz毫米波具有高反射率，因此文中測試對象為由錫箔材料制作成的金屬條。利用上述提到的主動式毫米波焦平面成像系統對金屬條進行成像測試。

3 分析及討論

透鏡聚焦特性測試結果如圖1所示。從圖1中可以看出：在未放置透鏡和關閉照射源的情況下，本底噪聲信號強度分布均勻，在整個測量過程基本上不變，說明整個測量系統在無照射源的情況下穩定性較好；在未放置透鏡和打開照射源的情況下，探測器所探測到毫米波信號分布基本上也處于均勻分布，也進一步說明測量系統在有照射源的情況下仍能穩定運行。結果也表明了新型材料透鏡對于毫米波信號具有會聚增強效應以及此材料透鏡具有良好的聚焦特性。

金屬物體成像測試結果如圖2所示，其中圖2（A）為金屬條光學圖像，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（藍色部分），這樣一方面可以減少本底噪聲信號干擾，另一方面也可以減少二次反射，削弱外界環境對于成像測試的影響。

對比圖2（A）和圖2（B）的毫米波像與光學像在輪廓上相近，證明了此新型材料透鏡用于毫米波成像系統的可行性。在圖2（B）中，顏色越深的部分表明此處信號強度越小，顏色越亮的部分表明此處信號強度越大，圖中黑色部分代表著本底噪聲的強度。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。總體來講，金屬條的毫米圖像清晰度良好，此測量系統在探測金屬物體方面具有一定的可行性。

4 結論

本文對新型材料透鏡進行了聚焦特性測試以及將其運用于主動式毫米波焦平面成像系統，并且對錫箔金屬物體進行成像測試。從新型材料透鏡聚焦特性測試結果可以看出，此透鏡對于毫米波具有良好的聚焦增強特性。同時也進行成像系統的穩定性實驗，結果表明此成像系統在有、無毫米波照射源的情況下，均能穩定、平穩地運行工作。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用于毫米波成像領域的可行性以及此成像系統具有良好的探測金屬物體的能力。

參考文獻：

[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：中國科技論文在線.

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

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