近程微波全息成像关键技术研究

摘要

作为光全息术一类延伸技术，微波全息术由于能够有效获得目标微波图像，因此，成为当前全息显示技术领域一个重要组成部分。目前，微波全息技术已经广泛应用于雷达成像、全息天线、安检门和介质无损检测等领域，并受到人们的普遍关注。随着科学技术的发展，现有的微波全息术已经不能满足人们的需求，因此，引入新的成像算法是微波全息术发展中需要考虑的首要问题。
　　本文以近程微波全息成像关键技术为主要研究对象，结合电磁波散射原理，以电磁仿真软件为主要手段，探讨了近程微波全息成像算法的实现方案。在此基础上研究了二维近程微波全息成像技术的成像分辨率、成像质量和实际应用中的主要影响因素，以及三维近程微波全息成像方法。本文还研究了去除不规则扫描等引起的混叠效应的方法，以提高目标成像质量。最后研究了近程微波全息成像实验系统方案。本文的主要研究成果概括如下：
　　针对近程微波全息成像算法，本文提出了一个详细的实现方案，实现了成像算法的模拟，进而获取了目标散射波、入射场和格林函数数据，再经过算法流程重构目标图像，仿真结果验证了方案的正确性，得出二维近程微波全息成像方位分辨率低于3mm，图像信噪比相比单频毫米波全息成像提高了7.34dB。为了保证后续成像系统的成功研制，本文研究了实际应用中可能存在的影响因素，如发射频率、采样间隔、孔径大小、天线位置等影响因素，并给出了相应仿真结论，供实际应用作参考。通过不同实验模型仿真验证了三维近程微波全息成像方法的正确性。
　　近程微波全息成像采用的扫描方式是连续光栅扫描，扫描过程中，对目标散射波信号进行采样。但在实际应用中，由于受天线系统噪声、外界干扰源、扫描平台自身故障等影响，导致采样无法满足采样定理，当直接使用这些数据进行成像时，图像将出现畸变，即混叠效应。因此，本文提出了基于卷积核网格化图像质量提高方法，先将卷积核函数与采样数据进行卷积运算，然后使用Shah函数对卷积结果进行重采样即网格化。经过卷积核网格化后，数据能够整齐的排列在一个矩形网格上，使其满足空间采样定理，同时对旁瓣进行了压制，最终消除了混叠。仿真结果分析得出球谐函数是一种最优的卷积核函数，旁瓣压制能力最强，抗混叠性能达60.05dB。
　　根据近程微波全息成像原理，确立了近程微波全息成像实验系统的设计指标和主要参数，提出了一个近程微波全息成像实验系统方案。介绍了成像实验系统总体设计方案，主要组成包括扫描平台、2个喇叭天线、扫描控制硬件系统、数据采集控制软件和矢量网络分析仪。结合近程微波全息成像结构，设计并实现了一个扫描平台，具备x和y方向扫描功能，最高扫描精度为0.01mm，扫描速度范围为1~10mm/s。为了控制扫描平台和完成数据采集，设计了一款数据采集控制软件。最后，介绍了二维和三维近程微波全息成像实验方法，供用户反复实验作参考。

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第一章 绪论

§1.1 课题研究背景

§1.2 微波全息技术综述

§1.3 国内外研究现状

§1.4 研究意义及应用

§1.5 本文的主要工作和内容结构

第二章 微波全息成像原理

§2.1 微波的传播特性

§2.2 微波全息理论

§2.3 微波全息术的应用

§2.4 本章小结

第三章 近程微波全息成像算法

§3.1 二维近程微波全息成像算法

§3.2 三维近程微波全息成像算法

§3.3 算法实现

§3.4 仿真结果及分析

§3.5 本章小结

第四章 基于卷积核网格化图像质量提高

§4.1 概述

§4.2 近程微波全息成像扫描方式介绍

§4.3 天线扫描的影响因素和混叠效应

§4.4 卷积核网格化方法

§4.5 仿真结果和分析

§4.6 本章小结

第五章 近程微波全息成像实验系统方案设计

§5.1概述

§5.2 近程微波全息成像实验系统设计指标

§5.3 近程微波全息成像实验系统设计

§5.4 近程微波全息成像数据采集控制软件

§5.5 近程微波全息成像实验方法

§5.6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果