关于多端口开关矩阵的近场多站阵列成像验证的分析和介绍

不同于传统的单站成像模式，基于多通道阵列的多站成像模式可以测量宽角度内的目标散射场，获得更丰富的目标散射特征用于反演成像。本文搭建了单发多收结构的多站阵列测量系统用于目标的近场转台成像。为了实现多路接收通道的测量，将开关矩阵OSP120连接矢量网络分析仪ZVA24的接收端口及12路接收天线，通过开关切换功能实现了12路收发对的分时测量功能。利用开关矩阵显著降低了多通道测试的系统复杂度，并提升了测量可靠性。

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术被广泛应用于各项领域，特别是近年来安防领域的迫切需求使得微波及毫米波近场成像技术得到了广泛的关注和研究。在安检中通常需要对人体进行三维成像以判断被检测者携带的各类物品中是否存在违禁或危爆物。由电磁成像理论可知，为了获得高分辨图像，需要形成大规模的测量阵列。因此在安检领域，通常采用圆柱扫描[1]或多通道平面阵列 [2,3] 进行三维成像。

一般来说，采用圆柱扫描形式时对环绕人体的各个方向进行测量，可获得较为完整的360o人体图像，而采用平面阵列的结构时，只能对人体在平面阵列上的投影方向进行有效的成像。但是，安检测量距离多处在人体目标的近场区内，此时人体表现出复杂的散射特性，特别是在单一入射源照射下，散射场在不同方向存在不同的特性。因此，无论是单站结构的圆柱扫描方式还是单方向的平面阵列测量都不足以获取完备的目标散射特性以用于反演成像。

为了提升安检中对人体测量的精度和反演成像的准确性，可以将圆柱扫描成像中的单站测量天线转换为多站阵列形式，在每个测量角度下获取大范围的散射场信息。由于单站向多站的拓展在圆柱的横截面向，因此本文开展了二维平面内圆周扫描方式的多通道阵列成像测试实验。实验中信号的收发通过R&S公司的ZVA24矢量网络分析仪连接天线实现，由于实际实现多通道阵列需要较多数目的接收通道，因此本文选用R&S公司的OSP120开关矩阵连接矢网和接收天线阵列，通过开关切换完成不同接收天线回波的测量工作。

2. 多站阵列实验测试系统结构

本文设计的测试系统结构如图1所示，图2为整体测试场景照片。

图1 测试系统结构

图2 测试场景

天线阵列为13单元等间隔排布的超宽带Vivaldi天线[4]，用以满足超宽频段的测试需求。其中正中间的天线作为发射单元，直接用线缆与矢网的1端口连接，两侧各6个一共12个天线作为接收单元连接至开关矩阵OSP120。为了实现12路接收通道的切换，选用了OSP120中的一个1分2开关 (SPDT)和两个1分6开关 (SP6T) 进行级联，再分别连接至12个接收天线。矢网的2端口作为总接收端口连接至1分2开关的输入口。通过上位机控制矢网与开关矩阵即可实现1发13收 (发射天线的S11及12路接收天线的S21) 的多站测量。被测物体摆放在机械转台的中央测量平面上，被测物体与转台之间放置泡沫以减低金属转台表面反射对测试的影响。转台通过上位机连接步进电机进行控制，通过控制转台均匀旋转，可以等效实现对被测物体的圆周测量。

整个实验测试系统的控制由一台笔记本电脑作为上位机实现，控制命令在matlab中编写，参考ZVA24和OSP120的远程控制指令。整个系统的测试流程为：

1) 转台旋转至角度m，m=0～360o，矢网测量S11参数。

2) 开关切换至通道n，n=1-12。

3) 矢网测量S21参数。

4) 测量完成后返回步骤2，若全部阵列通道测量完成则返回步骤1，若角度测量完毕则测试结束

3. 测试系统校准与测量结果

在使用矢网进行测试前，首先需要进行校准工作。在利用矢网测试S参数的情况下，通常需要用线缆连接矢网与被测物件。此时应当选取连接测试器的线缆端口进行校准，以尽量消除线缆本身对测试的影响。在成像测试中，由于成像算法的基础原理都是补偿信号传播相位后进行聚焦，因此更需要对各通道进行校准以消除信号在线缆及其他部件中传播带来的相位。

多通道成像实验中，理论上需要对所有接收通道进行校准，这是非常繁琐的。由于多通道校准与矢网两端口校准的差异主要由开关矩阵及其连接的相关线缆造成，因此对开关矩阵及其线缆整体的响应进行测试。首先对矢网进行两端口校准，校准端口为连接发射天线的线缆口及连接开关矩阵的线缆口，之后将线缆连接至OSP120，逐个连通发射端口与各个连接接收天线的线缆口，得到整个收发通道链路的带内响应，如图3所示，选用的测量频段为4-24 GHz。

图3 开关矩阵 (包括线缆) 测试频段内响应：

(a) 12通道幅度响应，

(b) 12通道相位响应，低频段 (4-6 GHz)，

(c)12通道相位响应，高频段 (22-24 GHz)，

(d) 12通道带内等效脉冲延时

图3(a) 给出了12通道的幅度响应测量结果，在整个测试频段通道间一致性较好，但可以看到在8-10 GHz频段响应曲线呈现明显的差异，曲线分成两簇，分别对应两个1分6开关。这可能是由于第一级1分2开关的两路响应存在差异造成的。另一方面，OSP120标称的最高使用频段是18 GHz，在超过18GHz后出现了多个明显的谐振频点。但总体而言，各通道的幅度响应一致性较好，符合成像要求。

成像测试中最重要的是相位信息，因此重点关注各通道的相位响应。图3(b) 和 (c) 分别画出了12通道低频段（4-6 GHz）和高频段（22-24 GHz）内的相位特性。为了便于比较，图片画成了二维图的形式。可以看到多数通道的频率响应线性度很好，但仍有个别通道相位出现了偏移。为了考察相位偏移的影响，将通道响应变换至时域，如图3(d) 所示。可以看出等效时域脉冲的最大偏移不超过6 mm。由于此误差不超过一个分辨单元大小，因此不会对成像造成大的影响。此外，通过后续的校准处理也可部分消除此误差的影响。

由于多路接收通道的响应线性度较好，在后续处理中仅需要补偿各通道引入的额外传播距离，因此可仅对矢网进行两端口校准即可开展成像实验。为了验证系统校准效果和成像聚焦性能，首先对双球目标进行多站阵列圆周扫描成像，球目标聚焦后可证实系统测试性能良好。实验场景和成像结果如图4所示，其中给出的是一个收发对的圆周扫描和成像结果，信号和图像的动态范围设置为30 dB：图4(b) 为背景对消和距离门滤波后的时域回波信号。可以看出，虽然进行了矢网校准，但测量中仍需要进行进一步校准处理。图4(c) 给出了校准后的时域回波信号，可以看到时域信号在校准后呈现出了良好的脉冲特性。图4(d) 是最终的成像结果，图中可以明显看出双球的外轮廓及半径，且可看出球之间的相互遮挡效果。

完成系统校准和对标准球目标成像后，即可开展对一般目标的成像测试。图5给出了金属扳手的一路收发对圆周成像结果，图像动态范围为30 dB。

从成像结果可以看出，由于扳手的回波较弱，图像中出现了部分背景杂波的影响，但普遍低于最高电平-20 dB以下，不影响目标的判断。本次实验中发射功率设为0 dBm，这一结果对真实目标测量的功率设置具有参考价值。

图4 双球目标测试，(a)测试场景，(b)未校准时域回波，(c) 校准后时域回波，(d)成像结果

图5 金属扳手圆周扫描成像结果，(a)扳手照片，(b)成像结果

4. 结束语

本文搭建了一套近场多站阵列成像系统，利用R&S公司的OSP120开关矩阵实现了多路接收通道的切换，结合ZVA24矢量网络分析仪完成了多站阵列测量。为了实现测量成像功能，本文对开关矩阵的相位特性及系统的校准方法进行了分析和讨论，在完成系统校准后完成了对一般目标的成像。测试过程中矢网和开关矩阵保持了良好的稳定性，且开关矩阵的相位线性特性确保了较理想的近场目标成像质量。