微波成像

微波成像是指以微波作為信息載體的一種成像手段，實質屬於電磁逆散射問題。由於它既用被成像目標散射的幅度信息，也用它的相位信息，因此也稱為微波全息成像。

其原理是用微波照射被測物體，然後通過物體外部散射場的測量值來重構物體的形狀或（復）介電常數分布。

基本介紹

• 中文名：微波成像
• 外文名：microwave imaging
• 專業：成像手段

背景及發展情況

國外微波成像發展情況

• 貝爾實驗室大約在1954年開始了微波成像的研究及套用，第一個掃描微波輻射計工作在8.5mm。
  
• 六十年代，海軍武器中心研製出了33.6GHz的機載成像微波輻射計。
  
• 1972年瑞士貝爾尼大學研製出92GHz輻射計成像系統。
  
• 1980年宇宙公司報導了220GHz機載成像實驗結果，1983年又分別報導了喬治亞技術學院研製的92/183GHz
  
• 和140/220GHz機載微波輻射計。
  

國內微波成像研製情況

• 我國微波成像的研究開始於1973年。中科院長春物理所，北京大學，中科院大氣物理所，山東大學，航天部504所等單位先後研製成功微波輻射成像系統。
  
• 1987年研製出8mm輻射成像系統，採用全功率輻射計，該系統的不足之處在於圖像質量不高。
  
• 1992年和2000年研製出兩套改進的8mm輻射成像系統，採用Diche輻射計，一體化微機控制天線掃描，數據採集，實時成像。
  
• 1995年，1997年分別研製出兩套機載8mm輻射成像系統。
  

原理

微波是頻率在300MHz～300GHz，相應波長為1m～1mm的電磁波。與無線電波相比，微波具有頻率高、頻頻寬、信息容量大、波長短、能穿透電離層和方向性好等特點，

微波成像是指以微波作為信息載體的一種成像手段，其原理是用微波照射被測物體，然後通過物體外部散射場的測量值來重構物體的形狀或(復)介電常數分布。由於介電常數大小與生物組織含水量密切相關，故微波成像非常適合對生物組織成像，當大的不連續性限制了超音波成像的效率，生物組織的低密度限制了X射線的使用時，微波卻可以發揮獨特的作用，獲得其它成像手段無法獲得的信息。微波成像具有安全、成本低、理論上可對溫度成像等特點

成像是個逆散射的問題，其根據散射的回波信號反演提取目標特徵信息。為人們所熟知的X光、雷射、聲波、微波、毫米波等多種成像技術，只是選擇的信息載體與目標的相互作用不同而已。而微波成像是依賴電磁波與目標的相互作用，從散射回波信號中挖掘、提取目標信息，重構目標特徵。

其主要困難在於微波波長與被測生物體尺寸接近，衍射作用明顯，不能使用類似於X射線的投影成像方法，只能採用更加複雜的基於逆散射的反演算法

性能參數

空間解析度

微波成像的空間解析度，是指能夠分辨彼此相鄰很近的兩個相同輻射體的能力。它提供區分物體的細節，從而確定其形狀的能力。

在微波成像系統中，天線可以看做接收信號的第一級，任何天線由於其有一定的波束寬度、旁瓣電平和能量損耗，都 無法完全地傳遞所有待測地物分部信息。待測地物的空間分布通過天線掃描速率可以變換為待測信號的時間分布，由於這種空間與時間的互換性，導致了天線功率方向圖的空間頻率低通濾波效應可以變換為待測信號的時間頻率低通濾波效應。

採樣間隔

一個波束內採樣點數必須大於兩個，才能將空間頻率的信號特徵採集完全。因此，從離散採樣數據中恢復相應連續數據的最高空間解析度為一倍天線半功率波束寬度。

溫度解析度

溫度解析度是指檢測物體最小溫差的能力，能檢測的溫差越小，意味著溫度解析度越高，它的優劣主要由接收機性能所決定。溫度解析度即是微波成像系統的靈敏度。

積分時間

微波成像系統要具有高靈敏度，必須要求接收機低噪聲溫度、大頻寬和長積分時間。積分時間的選取取決於套用的要求，要和靈敏度、掃描速度做適當的配合。

分類

微波層析成像

微波層析成像方法是將低功率微波射向被測物體，在微波的激勵下，被測物產生一個散射場，該散射場與被測物內部的復介電常數分布有關。通過對散射場的測量，得到被測物的相對介電常數及電導率(即復介電常數) 的分布，進行相應的信息處理後就可獲得被測物內部目標的微波層析圖像。

微波熱聲成像

微波熱聲成像是微波脈衝對生物體進行照射，部分微波能量迅速被組織吸收並轉換成熱量，組織內部溫度升高，相對組織表面形成溫度梯度。由於電磁波傳播速度遠大於聲波的傳播速度，可以認為微波照射導致的熱膨脹在瞬間發生。生物組織產生應變力，從而向外傳播熱聲波。熱聲成像其實質就是由熱聲波信號逆向計算出熱聲源或微波吸收率的空間分布，

微波熱聲成像技術兩個最基本的條件:一個是足夠的成像解析度;另一個是足夠的穿透深度。

算法

微波成像的算法很多，但由於散射場和散射體之間的非線性關係，以及電磁逆散射問題的解具有非唯一性和不穩定性的特徵，人們很難得到電磁逆散射問題的解析解；絕大多數情況下只能通過數值方法求解，而且只能從諸多解中選擇一個最優的解作為最終解。

微波成像的各種算法層出不窮，包括早期的X射線透射層析法，特徵線法，波前追蹤法，量子力學方法，散射層析法，伯恩疊代法等等。

上述算法主要集中在頻域處理範圍內，隨著時域微波成像的不斷完善、時域脈衝源技術的不斷發展，時域成像技術發展迅速，成為熱門的研究方向。

根據微波成像的固有特點：非唯一性、不穩定性、非線性關係，許多學者開始引入處理全域最佳化問題的最有力的數值方法——遺傳算法，來處理微波成像問題。

套用

微波成像是一種不可或缺的遙感技術，它在農林監測、海洋監測、測繪製圖、軍事偵察等領域有著廣泛的套用。

微波CT

微波成像過程中廣泛使用最初是套用於醫學上CT圖像重建的一種方法,時域緊縮場微波成像算法與此類似,其原理是:將成像區域內的每一個分辨單元視為一個輻射點,首先得到某輻射點在各角度下的輻射功率,將這些功率相加即可得到該輻射點的總輻射強度。求出該目標成像區域內所有輻射點的輻射功率強度,對這些功率歸一化後逐個描點,即可得到成像區域的灰度圖。

從發射出來的微波作用到生物體，將有(1)直射穿過生物組織的波，又稱為透射波；(2)經生物體衍射和反射從斜偏方向入射來的波；(3)投射到生物體內部的微波激勵生物組織，發出屬於微波範圍的電磁波。以上三種方式的電磁波都將在接收天線上反映出來， 並被信號檢測裝置檢測出來，用以構成不同形式的微波CT。基於(1)工作原理的微波CT稱為透射型CT，基於(2)工作原理的微波CT稱為衍射型CT，以上兩種又統稱為主動型CT。基於(3)工作原理的CT稱為被動型CT。

微波CT的硬體系統所發射出的微波作用到生物體之後，使生物體的電學參數如介電常數和電導率發生了變化，數據採集部件把這些表示電學參數變化的電信號進行捕捉、放大、數位化後存入計算機，此後的工作就是計算機採用一定的算法，建立相應的數學模型對這些數據進行分析、處理，進而進行圖像重建，顯示生物體內的圖像。建立怎樣的數學模型，採取什麼樣的算法才能更好地重建圖像，是從事微波CT 研究的一個焦點問題。

微波CT與X射線CT、核磁共振CT、超聲CT相比有著以下的優點: (1)由於微波的吸收主要取決於組織的電導率，為此，同X線CT相比，微波CT對軟組織中的肌肉、脂肪之類電導率明顯不同的組織更具識別能力; (2)由於癌組織與正常組織的微波衰減常數之差遠遠大於X射線吸收係數之差，微波CT與X射線CT相比更容易分辨出癌組織; (3)與超聲CT相比，因為超音波在空氣多的組織中衰減很大，一般不能獲得肺內部圖像，而微波在空氣中的衰減很小，容易獲得肺內部圖像; (4)微波成像其技術源於通訊技術，採用低功率探測輻射，屬於非電離輻射，不像X射線那樣具有較強的損傷性，屬於無損成像，具有較高的安全性; (5)與核磁共振相比，除具有無損成像的安全性之外，它的造價低廉，容易推廣

SAR技術

微波成像偵察主要手段是合成孔徑雷達SAR，它是自五十年代後期發展起來的一種微波成像雷達。

雷達成像的一般原理是利用寬頻信號技術來獲得目標散射中心在距離上的高解析度,然後利用運動目標的都卜勒信息,獲得散射中心在橫向距離上的高解析度。兩者相結合就可以獲得對目標的二維或三維解析度,從而使目標的多維高解析度成像得以實現。

空間微波成像雷達有真實孔徑成像雷達與合成孔徑成像雷達之分,二者均為側視雷達。真實孔徑的空間解析度較低(約為1km～2km 量級) ,但是比較簡單和經濟,對於一些大規模自然現象的觀測(例如冰山定位,海冰分布和海面風場測量,熱帶氣旋和水下地震引起的海嘯探測等)也是有效的。合成孔徑成像雷達則有高得多的空間解析度(可達數米以下) ,是一種全天候、全天時的高解析度微波遙感成像雷達。SAR是運動的雷達對固定的目標和地表成像，ISAR通常是指地面雷達對空中運動的目標成像。