1 概述
隨著國內(nèi)外反恐形勢的不斷惡化，對于人體安全檢查技術(shù)的研究變得日趨重要。機(jī)場、車站等安檢關(guān)口不僅要求能夠檢測出槍支、管制刀具等金屬物體，還要求能夠檢測出炸藥等非金屬隱匿物體。對人體整體成像，并從中提取異于正常人體的物體信息，X射線和毫米波是最常見的兩種方式�；谥鲃咏鼒鑫⒉ǔ上裨淼某上裣到y(tǒng)能在提供高分辨率圖像的同時(shí)，不產(chǎn)生對人體有害的電離輻射，是安全有效的人體安檢技術(shù)。
在微波毫米波波段（3-300GHz），人體尺寸相對波長是一個(gè)不規(guī)則彎曲表面的電大尺寸目標(biāo)。同時(shí)由于人體皮膚富含水分，在此波段的電導(dǎo)率很大，因此在仿真時(shí)，可以用金屬完全電導(dǎo)體（PEC）近似模擬人體表面材料。當(dāng)前主流的成像系統(tǒng)采用的是平板掃描和圓柱掃描兩種方式。多發(fā)多收陣列和傳統(tǒng)的單發(fā)單收陣列相比，成像效果更好，所需陣元數(shù)更少，是成像系統(tǒng)優(yōu)化的熱門研究方向。
本文以FEKO軟件Suite 7.0版本為例，分別介紹平板單發(fā)多收陣列和十字交叉多發(fā)多收陣列的近場散射場仿真方法。人體目標(biāo)建�？梢杂脦缀慰ㄍＰ徒铺娲�。
2 單發(fā)多收陣列的仿真
首先在CADFEKO中建立目標(biāo)物體的模型。本文以大小兩個(gè)不等高的PEC圓柱模擬人體目標(biāo)。也可以從外部導(dǎo)入網(wǎng)格模型。圓柱中心位于1米高的位置。發(fā)射天線設(shè)置為z極化的單一電偶極子，高度1米，距離圓柱中線1米。接收天線為平行于xOz平面的陣列，x方向和z方向各有100和50個(gè)，總計(jì)5000個(gè)接收天線，求近場值，具體設(shè)置如圖1所示。
圖1 單發(fā)多收陣列的近場求解陣元設(shè)置
圖2 (a)目標(biāo)物體表面求解方式設(shè)置；(b)近場求解輸出文件設(shè)置
選擇目標(biāo)物體表面，求解方式設(shè)置為大面元PO，全射線追蹤法。近場設(shè)置高級選項(xiàng)中，選中電場，勾選輸出到ASCII文件（.efe）。必須勾選最后一項(xiàng)只計(jì)算場值的散射部分。具體操作如圖2所示。對目標(biāo)表面進(jìn)行網(wǎng)格剖分。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行。
3 十字交叉多發(fā)多收陣列的仿真
圖3 十字交叉多發(fā)多收陣列的近場求解陣元設(shè)置
在十字交叉多發(fā)多收陣列的仿真中，我們用水平排列的100個(gè)接收一維線陣代替原來的二維面陣接收天線，發(fā)射天線用垂直排列的50個(gè)發(fā)射一維線陣代替原來的單一點(diǎn)源。FEKO通常的操作是設(shè)置單一的激勵源或是多個(gè)激勵源同時(shí)工作，然而如果我們想實(shí)現(xiàn)多個(gè)激勵源依次獨(dú)立工作，就需要借助EDITFEKO模塊對激勵源位置進(jìn)行設(shè)置。在CADFEKO的設(shè)置中，只對近場接收的位置設(shè)置做出修改，而單一激勵源保持不變。設(shè)置如圖3所示。
圖4 (a)EDITFEKO修改之前代碼；(b)EDITFEKO修改之后代碼，注意for循環(huán)變量設(shè)置
完成CADFEKO中的設(shè)置后，保存，運(yùn)行EDITFEKO。會呈現(xiàn)出一個(gè)代碼界面。找到代表設(shè)置激勵源的位置（** Sources），根據(jù)向?qū)砑覨OR循環(huán)語句，在彈出的表單框中依次填寫循環(huán)變量名、起始值、結(jié)束值和遞進(jìn)步長。修改前后的代碼如圖4所示。for循環(huán)起始語為“!!for”，結(jié)束語為“!!next”。注意循環(huán)變量名前要加“#”。把原A5卡中代表z坐標(biāo)位置的倒數(shù)第3個(gè)格的“1”改成相應(yīng)的循環(huán)變量名。for循環(huán)結(jié)束語搬到文件結(jié)尾符“EN”之前，保證對頻率的掃描和對接收點(diǎn)的掃描都包含在for循環(huán)體內(nèi)部。
運(yùn)行“PREFEKO”，沒有報(bào)錯繼續(xù)運(yùn)行“FEKO solver”，即可實(shí)現(xiàn)對所有發(fā)射點(diǎn)位置的依次掃描。
4 成像結(jié)果
仿真結(jié)束后，散射場數(shù)據(jù)存儲在.efe文件中。在文本文件中提取接收位置三維信息，將其中對應(yīng)的與發(fā)射同極化方向的電場值的實(shí)部虛部值組合成復(fù)數(shù)形式的近場散射場值，代入后向傳播微波成像代碼，生成三維圖像數(shù)值矩陣。通過擬合出彎曲表面，如圖5中藍(lán)色區(qū)域所示，黃色區(qū)域?yàn)槌跏寄繕?biāo)物體模型。
圖5 (a)單發(fā)多收陣列成像結(jié)果；(b)十字交叉多發(fā)多收陣列成像結(jié)果
可以看出兩種陣列的成像結(jié)果大致相當(dāng)，重建的圖像曲面都與原始物體表面貼合。而十字交叉陣列用更少的總陣元數(shù)實(shí)現(xiàn)了相對更好的成像效果。改變FEKO仿真參數(shù)，可以靈活便捷地優(yōu)化成像效果，將研究者從繁瑣的代碼調(diào)試中解脫出來，更專注于參數(shù)的選擇上。
5 結(jié)論
本文在現(xiàn)有文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，研究了基于人體尺度目標(biāo)的微波成像的散射近場的仿真問題。使用FEKO軟件對模擬人體目標(biāo)進(jìn)行建模，選用合適的高頻近似求解PO算法，通過得到的散射近場數(shù)據(jù)對圖像進(jìn)行重建成像，擬合的彎曲表面與真實(shí)的目標(biāo)物體基本一致，驗(yàn)證了本文提供的仿真方法的正確性，也表明了FEKO軟件在多發(fā)多收雷達(dá)布局下仿真電大尺寸物體問題的優(yōu)勢。
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本文標(biāo)題：FEKO在人體目標(biāo)成像陣列設(shè)計(jì)和仿真中的應(yīng)用
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