[发明专利]一种全息微波成像系统及其成像方法

摘要

本发明涉及一种全息微波成像系统及其成像方法，成像系统包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号控制单元、信号与图像转换单元以及图像显示单元；信号发生单元将微波信号通过信号发射单元发射至待测物，待测物周围形成散射电场；信号接收单元测量散射电场，以及待测物内部和周围电场信息的变化，并将测量结果传输至信号控制单元；信号控制单元获取待测物的散射电场可见度分布，并传输至信号与图像转换单元；信号与图像转换单元构建得到待测物的四维图像，并传输至图像显示单元进行显示。成像方法包括向待测物发射单频域微波信号；接收散射场；获取振幅和相位延迟信息；实现四维图像重构。

主权项

1.一种全息微波成像方法，其特征在于：包括：设置一包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号控制单元、信号与图像转换单元以及图像显示单元的全息微波成像系统；信号发生单元分别与信号发射单元和信号控制单元连接，信号发射单元与信号接收单元进行无线通信，信号控制单元通过信号与图像转换单元与图像显示单元连接；将目标物设置在距离信号发射单元和信号接收单元远超过一个波长的位置；信号发生单元通过信号发射单元向目标物发射单频域微波信号；在单频域微波信号的作用下，目标物周围形成散射电场，信号接收单元对散射电场进行接收，并将接收到的散射电场传输至信号控制单元；信号控制单元获取振幅和相位延迟信息，并传输至信号与图像转换单元；信号与图像转换单元根据连续检测到的散射电场分布信息，实现四维图像重构；根据连续检测到的散射电场分布信息实现目标物的二维图像重构；基于重构的二维图像，对信号接收单元中的接收天线进行上下移动扫描，获取目标物的介质在不同深度下的强度分布，实现三维图像重构；基于重构的三维图像，在一定时域内的不同时间点采集不同的三维图像，比较各三维图像的差异，获取目标物的时间信息，实现四维图像重构；二维图像的重构方法为：假设某一点P(x,y,z)位于目标物中，该点P(x,y,z)到信号接收单元中的两个位于r_i和r_g的接收天线的散射电场可见度为：式(1)中，E_scat(r_i)表示位于r_i的接收天线的散射电场，表示位于r_g的接收天线的散射电场的共轭，<>表示平均时间，r_i表示目标区域目标物中任意点到第i个接收天线的距离矢量，r_g表示目标区域目标物中任意点到第g个接收天线的距离矢量；在远场条件下,散射电场表示为：式(2)中，k₀＝2π/λ₀表示自由空间的波数；k_b＝2π/λ_b表示背景媒介质的波数，λ₀表示自由空间的波长,λ_b表示背景媒介质的波长，ε(s)表示目标物的复杂相对介电常数分布，ε_b表示背景介质的复杂相对介电常数分布,r表示目标区域目标物中任意点到接收天线的距离矢量，E_T(s)表示目标物在方向矢量s上任意一点的入射电场与散射电场的总电场之和，V表示目标物的体积；将式(2)代入式(1)中，得到：式(3)中，R表示点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离，R＝|r_i‑s|；R'表示目标物内不同于点P(x,y,z)的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_i的距离，R'＝|r_g‑s'|，s'表示目标物内点P'(x',y',z')到坐标原点的距离；V'表示围绕点P'(x',y',z')的目标物的体积；在远场区，点P(x,y,z)到接收天线r_i的距离远远大于接收天线r_i的大小，即R＞＞|r_i|，得到：式(4)中“.”表示向量之间的点积，表示单位矢量；同理得到，目标区域内的另一点P'(x',y',z')到接收天线r_g的距离为：由式(4)和式(5)得到：将式(6)带入式(3)中，得到目标区域目标物的可见度函数为：定义s位置的目标物的强度方程为：将式(8)带入式(7)中，则可见度函数方程变换为：式(9)中，u_ig＝(x_g‑x_i)/λ_b，v_ig＝(y_g‑y_i)/λ_b，w_ig＝(z_g‑z_i)/λ_b，l＝sinθcosφ，m＝sinθsinφ，D_ig表示接收天线r_i与接收天线r_g之间的基线，(l,m,n)表示球坐标系中的坐标；如果所有的接收天线均在同一高度排列,沿径向坐标p的线积分为:利用式(10)对式(9)表示的可见度函数方程进行二维傅里叶变换，得到：对式(11)进行傅里叶逆变换，得到目标物的二维图像，即：