關于多端口開關矩陣的近場多站陣列成像驗證的分析和介紹

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量寬角度內(nèi)的目標散射場，獲得更豐富的目標散射特征用于反演成像。本文搭建了單發(fā)多收結(jié)構的多站陣列測量系統(tǒng)用于目標的近場轉(zhuǎn)臺成像。為了實現(xiàn)多路接收通道的測量，將開關矩陣OSP120連接矢量網(wǎng)絡分析儀ZVA24的接收端口及12路接收天線，通過開關切換功能實現(xiàn)了12路收發(fā)對的分時測量功能。利用開關矩陣顯著降低了多通道測試的系統(tǒng)復雜度，并提升了測量可靠性。

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被廣泛應用于各項領域，特別是近年來安防領域的迫切需求使得微波及毫米波近場成像技術得到了廣泛的關注和研究。在安檢中通常需要對人體進行三維成像以判斷被檢測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)模的測量陣列。因此在安檢領域，通常采用圓柱掃描[1]或多通道平面陣列 [2,3] 進行三維成像。

一般來說，采用圓柱掃描形式時對環(huán)繞人體的各個方向進行測量，可獲得較為完整的360o人體圖像，而采用平面陣列的結(jié)構時，只能對人體在平面陣列上的投影方向進行有效的成像。但是，安檢測量距離多處在人體目標的近場區(qū)內(nèi)，此時人體表現(xiàn)出復雜的散射特性，特別是在單一入射源照射下，散射場在不同方向存在不同的特性。因此，無論是單站結(jié)構的圓柱掃描方式還是單方向的平面陣列測量都不足以獲取完備的目標散射特性以用于反演成像。

為了提升安檢中對人體測量的精度和反演成像的準確性，可以將圓柱掃描成像中的單站測量天線轉(zhuǎn)換為多站陣列形式，在每個測量角度下獲取大范圍的散射場信息。由于單站向多站的拓展在圓柱的橫截面向，因此本文開展了二維平面內(nèi)圓周掃描方式的多通道陣列成像測試實驗。實驗中信號的收發(fā)通過R&S公司的ZVA24矢量網(wǎng)絡分析儀連接天線實現(xiàn)，由于實際實現(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開關矩陣連接矢網(wǎng)和接收天線陣列，通過開關切換完成不同接收天線回波的測量工作。

2. 多站陣列實驗測試系統(tǒng)結(jié)構

本文設計的測試系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示，圖2為整體測試場景照片。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構

圖2 測試場景

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個一共12個天線作為接收單元連接至開關矩陣OSP120。為了實現(xiàn)12路接收通道的切換，選用了OSP120中的一個1分2開關 (SPDT)和兩個1分6開關 (SP6T) 進行級聯(lián)，再分別連接至12個接收天線。矢網(wǎng)的2端口作為總接收端口連接至1分2開關的輸入口。通過上位機控制矢網(wǎng)與開關矩陣即可實現(xiàn)1發(fā)13收 (發(fā)射天線的S11及12路接收天線的S21) 的多站測量。被測物體擺放在機械轉(zhuǎn)臺的中央測量平面上，被測物體與轉(zhuǎn)臺之間放置泡沫以減低金屬轉(zhuǎn)臺表面反射對測試的影響。轉(zhuǎn)臺通過上位機連接步進電機進行控制，通過控制轉(zhuǎn)臺均勻旋轉(zhuǎn)，可以等效實現(xiàn)對被測物體的圓周測量。

整個實驗測試系統(tǒng)的控制由一臺筆記本電腦作為上位機實現(xiàn)，控制命令在matlab中編寫，參考ZVA24和OSP120的遠程控制指令。整個系統(tǒng)的測試流程為：

1) 轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至角度m，m=0～360o，矢網(wǎng)測量S11參數(shù)。

2) 開關切換至通道n，n=1-12。

3) 矢網(wǎng)測量S21參數(shù)。

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

3. 測試系統(tǒng)校準與測量結(jié)果

在使用矢網(wǎng)進行測試前，首先需要進行校準工作。在利用矢網(wǎng)測試S參數(shù)的情況下，通常需要用線纜連接矢網(wǎng)與被測物件。此時應當選取連接測試器的線纜端口進行校準，以盡量消除線纜本身對測試的影響。在成像測試中，由于成像算法的基礎原理都是補償信號傳播相位后進行聚焦，因此更需要對各通道進行校準以消除信號在線纜及其他部件中傳播帶來的相位。

多通道成像實驗中，理論上需要對所有接收通道進行校準，這是非常繁瑣的。由于多通道校準與矢網(wǎng)兩端口校準的差異主要由開關矩陣及其連接的相關線纜造成，因此對開關矩陣及其線纜整體的響應進行測試。首先對矢網(wǎng)進行兩端口校準，校準端口為連接發(fā)射天線的線纜口及連接開關矩陣的線纜口，之后將線纜連接至OSP120，逐個連通發(fā)射端口與各個連接接收天線的線纜口，得到整個收發(fā)通道鏈路的帶內(nèi)響應，如圖3所示，選用的測量頻段為4-24 GHz。

圖3 開關矩陣 (包括線纜) 測試頻段內(nèi)響應：

(a) 12通道幅度響應，

(b) 12通道相位響應，低頻段 (4-6 GHz)，

(c)12通道相位響應，高頻段 (22-24 GHz)，

(d) 12通道帶內(nèi)等效脈沖延時

圖3(a) 給出了12通道的幅度響應測量結(jié)果，在整個測試頻段通道間一致性較好，但可以看到在8-10 GHz頻段響應曲線呈現(xiàn)明顯的差異，曲線分成兩簇，分別對應兩個1分6開關。這可能是由于第一級1分2開關的兩路響應存在差異造成的。另一方面，OSP120標稱的最高使用頻段是18 GHz，在超過18GHz后出現(xiàn)了多個明顯的諧振頻點。但總體而言，各通道的幅度響應一致性較好，符合成像要求。

成像測試中最重要的是相位信息，因此重點關注各通道的相位響應。圖3(b) 和 (c) 分別畫出了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，圖片畫成了二維圖的形式?？梢钥吹蕉鄶?shù)通道的頻率響應線性度很好，但仍有個別通道相位出現(xiàn)了偏移。為了考察相位偏移的影響，將通道響應變換至時域，如圖3(d) 所示。可以看出等效時域脈沖的最大偏移不超過6 mm。由于此誤差不超過一個分辨單元大小，因此不會對成像造成大的影響。此外，通過后續(xù)的校準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線性度較好，在后續(xù)處理中僅需要補償各通道引入的額外傳播距離，因此可僅對矢網(wǎng)進行兩端口校準即可開展成像實驗。為了驗證系統(tǒng)校準效果和成像聚焦性能，首先對雙球目標進行多站陣列圓周掃描成像，球目標聚焦后可證實系統(tǒng)測試性能良好。實驗場景和成像結(jié)果如圖4所示，其中給出的是一個收發(fā)對的圓周掃描和成像結(jié)果，信號和圖像的動態(tài)范圍設置為30 dB：圖4(b) 為背景對消和距離門濾波后的時域回波信號?？梢钥闯?，雖然進行了矢網(wǎng)校準，但測量中仍需要進行進一步校準處理。圖4(c) 給出了校準后的時域回波信號，可以看到時域信號在校準后呈現(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)校準和對標準球目標成像后，即可開展對一般目標的成像測試。圖5給出了金屬扳手的一路收發(fā)對圓周成像結(jié)果，圖像動態(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，不影響目標的判斷。本次實驗中發(fā)射功率設為0 dBm，這一結(jié)果對真實目標測量的功率設置具有參考價值。

圖4 雙球目標測試，(a)測試場景，(b)未校準時域回波，(c) 校準后時域回波，(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

本文搭建了一套近場多站陣列成像系統(tǒng)，利用R&S公司的OSP120開關矩陣實現(xiàn)了多路接收通道的切換，結(jié)合ZVA24矢量網(wǎng)絡分析儀完成了多站陣列測量。為了實現(xiàn)測量成像功能，本文對開關矩陣的相位特性及系統(tǒng)的校準方法進行了分析和討論，在完成系統(tǒng)校準后完成了對一般目標的成像。測試過程中矢網(wǎng)和開關矩陣保持了良好的穩(wěn)定性，且開關矩陣的相位線性特性確保了較理想的近場目標成像質(zhì)量。