用于安全检查和微波成像的可重配置超表面孔径

本文择译自 2017 SPIE Reconfigurable metasurface aperture for security screening and microwave imaging
微波成像系统在过去的几十年里在安检和空间观测方面吸引了大家的注意。然而，这种目的的常用的硬件结构几十年都没有很大的改变。随着超材料的到来，利用超表面孔径来实现微波成像是一个机会。最近将动态可调节直接应用到孔径层面，从物理层面提供了强的能力和简便性。从这种动态超表面形成的波形适合于合成孔径雷达（SAR）和计算成像。在这里，我们研究了一种用于K波段的微波成像的动态超表面。这里的孔径是平面的，无需昂贵的制造过程，可通过印制电路板技术制备。这种特性可由动态超表面的可调节特性进一步扩展，这使得它可以产生不同场模式，从单一束波导一系列不相关的辐射模式。这里使用电调的超表面孔径从实验上演示了成像。同时演示了孔径在实时测量和体积SAR成像中的应用。这里详细讨论了这个原型的功能和通用动态超表面孔径的未来的应用。

介绍

超表面孔径最近成为很多毫米波和射频应用的天线结构。传统的用于卫星通讯和安检的天线平台是成功的，但他们通常体积庞大、价格昂贵，还有一些不利因素。尽管有这些缺点，电扫阵列（相控阵列，主动和被动）和机械扫描系统占据了这些方面的应用。图1中显示了这些随处可见的系统，这是由于大的、相关的孔径的需要。随着这些增长，现代安检和卫星的成像系统任然使用SAR技术。从这个方面来说，具有大的物理孔径的SAR系统使必需的。然而，除了合成有效孔径方面的大量工作，物理孔径层也可以提供明显的提高。无论是使用静态系统的应用还是采取SAR技术，天线平台都扮演重要角色。

将超材料单元应用于天线于超材料概念的提出是同时的，超表面孔径也引起了特殊的注意。与利用超材料单元作为反射阵列或寄生单元相反，超表面孔径直接与可灵活单元相集成，作为辐射元件。这种孔径通常以波导或腔体的形式存在，集合流入波，将超材料 集成到结构中可以将局域波的能量耦合到自由空间中。这种器件首次是在压缩成像方案中应用，后面发现它在安检、合成孔径雷达和卫星通讯中也能应用。

大量超表面孔径实现在很多应用中被演示出来。流入波有不同形式，如准静态1维微带线上的TEM波，闭合的2维平行片波导来形成印制腔体和3维局域立方腔体。很多研究旨在从带宽、效率和可弯折性方面优化辐射超材料单元。超材料辐射单元中可调节特性的加入让其辐射模式具有动态可调节特性。这种设计有较小的设计弹性，当然，远比相控阵列要容易，调节特性包含灰度调节（使共振峰偏移）或二值调节（使元件开或关）。这些动态超表面孔径每个包含有独立地址，通常以半导体或液晶的形式表现，这样每个辐射器的响应都可以独立调节。利用这种平台，有方向的波束和一些不相关的模式都能展示出来。虽然两者的波前都有宽的用处，后者对于计算成像项目有着巨大的吸引力。

计算成像是采集图像数据和重建图像的一种新方法。其研究范围包含整个电磁波谱，还有声学。计算图像学的基本思想是将成像从繁重的硬件转移到计算的后期处理。这种方法缓解了天线结构中的很过顾虑，给了物理层的设计空间。在微波段，可以使用一个简单的天线层产生的一系列不相关的辐射模式来照射一个场景来实现。现已在不同平台上研究了这种不寻常的模式的产生，但超表面孔径实例有着特殊的吸引力。这是由于他们的简单的制造工艺、平面化组成形式以及在产生可调节辐射模式时的多样性。

很多超表面孔径设计依赖于超材料的色散特性使得波前可以随着输入频率而变化。虽然可以做到，但这种方法会导致低SRN（因为强色散会带来高损耗）和需要一个宽带宽（产生很多可区分的辐射模式）。其他方式在流入波中引入色散来实现这个目标，但超宽的带宽也是实现效果所必需的。与这类频率分布成像设计不同的是，动态超表面孔径采用重配置的不相关模式来避免这类问题。在这里，我们将展示一个计算成像框架中的重配置超表面，同时显示它也能适用于SAR系统的物理层。第二部分简要介绍这种动态超表面孔径的基础和成像框架。第三部分给出利用这种技术的实验结果的展示，包含静态的成像结果和SAR方法得到的体积像的重构。

孔径设计和图像框架

动态超表面孔径

超表面孔径一般包含一个波导结构，上载有大量辐射超材料单元。然而，载深入到超表面孔径前，与和它接近相关概念的泄露波天线（LWAs）和相控阵进行对比是自然的。图2中的超表面孔径，与ESA和LWA有着很大的不同，它的超材料单元有着自己的相位和幅值，可以由导波的场和各自单元的响应来决定。而ESA是对于独立的天线单元的相位（有时是幅值）的独立控制。LWA则一般由导波的相位和单元的周期来确定单元的复幅值。当然，有些LWA使用锥型来改变波导方向单元的相位，有些设计也有对独立辐射单元的可调节组件，但超材料设计例子大大延伸了这种设计概念。超表面天线依靠共振辐射器，具有动态特性，可调组件和独立地址。这些特点使得超表面具有LWA不具有的特性。

成像框架

如第一部分的讨论，孔径在计算框架里被应用，我们也会探索它在SAR设置中的应用。由文献31有下面的矩阵形式

g=Hf

这个矩阵形式采用了一级Born近似，在微波和毫米波成像中被广泛使用。这里，场景被分离成N个元素矢量f，测量是M个元素的矩阵g，矩阵H有N×N个元素，与测量得到的反射率相关。将一个具体的测量展开可以写成如下更详细的形式：

gi=∑jHijfj=∑j[ETi(rj)⋅ERi(rj)]fj

其中ERi(T)(rj)是发射（接收）天线在第j个场景位置产生的电场。下表i表示辐射模式的任何变化，包含频率、调节模式、天线位置等。孔径的采样模式数，即H矩阵的一部分，在图3中有表示，同时，包含像素的有效区域也标示了出来。一旦建立了矩阵，场景可以通过匹配滤波方法fest=H+g或者迭代的最小平方法估算出来。
由于辐射场与成像能力直接相关，我们也研究了不同方式的辐射模式的影响。除了图3中标示的随机模式外，我们也采取了具有sinc形状的直射波束。这些模式的详细产生方法在文献14中有叙述，这里我们简单认为不同的调节状态和频率产生波束可以简单包含在下标i里。

结果

本文研究所用的动态超表面如图4所示。其中微带线作为波导，有填充的电子LC振荡器(cELC)蚀刻在上面。三个流入孔可以让传输波导入微带线：两端各一个，中间一个。当波传输到每个元件上时，部分能量经辐射耦合到自由空间中。在给定的特定尺寸下，cELC可以认为是被导波的磁场所激发的磁偶极子。共振频率为18.0GHz和19.5GHz的两个单元（图4）在微带线上排布，使得带宽更宽，孔径采样点足够密集区获取所需的辐射模式。共有112个元件蚀刻在波导上，这使得总孔径约为 40 cm，25个波长。为了具有调节特性，每个单元上有两个PIN二极管，通过cELC的中间导体可以施加偏置电压。每个cELC是独立可调的，通过简单的背板的电路可以控制，如文献3的描述。PIN二极管可以是电感或电容特性，与施加电压相关，这样使得每个元件可以开或关。在我们的实验中，我们使用MACOMMADP-000907-14020W PIN二极管，通过Arduino微控制器控制电压。

为了产生和接收RF信号，这里使用了Agilent E8346C 矢量网络分析仪。在下面的结果中，使用了简单的打开-结束波导作为接收天线。在上式中，这个天线可以当做一个偶极子。在静态成像实验中，使用了3个这样的天线来获得合理的分辨率。

静态成像

首先看到的是没有移动部分的静态成像系统，这种系统是在安检应用中的场景。为了获取高分辨率，大的发射孔径和接收孔径是必需的。接收单元在X平面的一条线上，让系统可以有距离分辨（由于有带宽）和方位分辨（由于电尺寸和随机模式的多像素）。重构的图像为2D图像。
开始，使用一对不在轴线上的圆柱物体，它们之间间隔 5 cm，与孔径面的距离为 90 cm，它们的直径为 1 cm，作为点散射体，它们的轴向与成像平面正交。所成的像如图5所示在一条线上，可以看到没有背景噪音。在这组数据里，使用了40个调节状态与3个接收器和31个频率点相结合，共实现了3720组测量。在文献3中，减少调节状态数和频点数可以减少数据获取时间。
为了看到孔径模式的动态调节对成像的影响，研究了相同的场景但减少频点数的情形。实际上，我们将频率变为单频，重构了图像。这种情况下不再有距离维信息，重构出来是一条线。单频点的重构图如图5b所示，其中给出了和带宽为 2.7 GHz的对比。这表明方位向的分辨率归结于孔径的动态调节，基本与带宽无关。在有些应用中，如亚表面成像，这种情况是满足的，无需带宽。
减少频点数和调节状态数就可以利用这种孔径在短时间内成像。为了验证这种能力，我们将圆柱在场景内移动，追踪它的位置并成像。除了常见的空中图像重建，同时给出了当物体移走时的最大反射率。这种追踪数据在图6中给出，可以在图中看到物体在 2 分钟内一直可以追踪到，直达移出场景范围。

SAR

现在将动态超表面应用到SAR例子中，即孔径在测量时会沿一条路径移动。如前面的实验，这里的辐射模式依然是随机的，具有很低的相关度。两种传统方法，机载和星载SAR，分别需要条带波束和聚焦波束，都有孔径来控制形成。在条带波束中，波束总是指向同一个方向，在聚焦波束中，波束同时指向场景中的一个感兴趣的点。另外，孔径必须保持这样的形状在带宽范围内，即我们需要用不同的调节状态来使波束指向同一位置（为了克服传播波内在的色散性）。
文献14的研究表明可以在带宽内满足这样的要求。在条带波束例子中，波束只指向侧面，方向性波束可以有±23∘的方向调节来形成聚焦波束。为了满足这种条件，可以从微带中间引入波，更多波束方向性控制的文献可以参考14和18。由于我们要将孔径移动来合成一个大的虚孔径，我们减少了接收探针的数量，仅保留中间的1个。这两个天线，即动态超表面作为发射而波导作为接收，沿着双轨道移动了 60 cm，步长设定为 1.5 cm。

首先展示的是他们发射条带波束和聚焦波束成像的功能。从图7中可以看到，两个球体的的条带成像和聚焦成像。可以看到，两个物体在条带模式下都很清晰，一个物体在聚焦模式下有变形。这是因为聚焦波束不能覆盖场景中的每一个物体。另一方面，聚焦孔径的有效孔径要大，因为它不受窄带宽的影响。这是一个内在的已知的折中——分辨率和测量范围——在方向SAR成像系统中，当降低SNR时可以克服。

上述例子的另一种替代方法是使用上一节中使用的分布式、随机的光束，文献14有着重讨论。当这种方法易于降低SNR时，它即不是分辨率的问题，也不是测量范围的问题。从图7中可以看到，分布式模式可以测量一个大的区域（明显大于聚焦波束），与聚焦模式的分辨率相同。而三种技术的SNR折中是目标和特殊应用（文献35），但总的来说，分布式模式可以由更多兼容性。注意到设计复杂度、计算需求和数据获取速度都是有差别的，应该根据具体应用来选择模式。事实上，可以用同一个动态超表面来实现这三种模式，操作者可以在这三种模式中根据意愿切换。

体积上的SAR成像

最后展示孔径的功能时，我们移动的路径与孔径长度方向垂直。这种方法让我们可以实现体积成像：一维是频率谱宽度，另一维来自于机械运动，最后一维来自于电尺寸和孔径的可调节特性。这种方式的成像结果如图8所示，文献14给出了更详细的讨论。如果加入额外的孔径的运动，使天线在沿垂直方向运动时还沿长度方向运动，得到的图像分辨率会更好。因此，可以得到一个 2D 合成孔径，多像素模式可以允许有更大的步长。这里可以使用分布模式成像。可以期待，这种设计下高质量的成像是可以得到的。

结论

结合的成像结果表明，动态超表明是适合于静态和SAR成像的天线。当根据具体的场景设计时，它的灵活性使它能够适应更过应用。这种有利的形成形式和简单的设计让它成本低廉、适合大规模应用，极具吸引力。