FEKO在人体目标成像阵列设计和仿真中的应用

1 概述

    随着国内外反恐形势的不断恶化，对于人体安全检查技术的研究变得日趋重要。机场、车站等安检关口不仅要求能够检测出枪支、管制刀具等金属物体，还要求能够检测出炸药等非金属隐匿物体。对人体整体成像，并从中提取异于正常人体的物体信息，X射线和毫米波是最常见的两种方式。基于主动近场微波成像原理的成像系统能在提供高分辨率图像的同时，不产生对人体有害的电离辐射，是安全有效的人体安检技术。

    在微波毫米波波段（3-300GHz），人体尺寸相对波长是一个不规则弯曲表面的电大尺寸目标。同时由于人体皮肤富含水分，在此波段的电导率很大，因此在仿真时，可以用金属完全电导体（PEC）近似模拟人体表面材料。当前主流的成像系统采用的是平板扫描和圆柱扫描两种方式。多发多收阵列和传统的单发单收阵列相比，成像效果更好，所需阵元数更少，是成像系统优化的热门研究方向。

    本文以FEKO软件Suite 7.0版本为例，分别介绍平板单发多收阵列和十字交叉多发多收阵列的近场散射场仿真方法。人体目标建模可以用几何卡通模型近似替代。

2 单发多收阵列的仿真

    首先在CADFEKO中建立目标物体的模型。本文以大小两个不等高的PEC圆柱模拟人体目标。也可以从外部导入网格模型。圆柱中心位于1米高的位置。发射天线设置为z极化的单一电偶极子，高度1米，距离圆柱中线1米。接收天线为平行于xOz平面的阵列，x方向和z方向各有100和50个，总计5000个接收天线，求近场值，具体设置如图1所示。

图1 单发多收阵列的近场求解阵元设置

图2 (a)目标物体表面求解方式设置；(b)近场求解输出文件设置

    选择目标物体表面，求解方式设置为大面元PO，全射线追踪法。近场设置高级选项中，选中电场，勾选输出到ASCII文件（.efe）。必须勾选最后一项只计算场值的散射部分。具体操作如图2所示。对目标表面进行网格剖分。设置完成后，点击运行。

3 十字交叉多发多收阵列的仿真

图3 十字交叉多发多收阵列的近场求解阵元设置

    在十字交叉多发多收阵列的仿真中，我们用水平排列的100个接收一维线阵代替原来的二维面阵接收天线，发射天线用垂直排列的50个发射一维线阵代替原来的单一点源。FEKO通常的操作是设置单一的激励源或是多个激励源同时工作，然而如果我们想实现多个激励源依次独立工作，就需要借助EDITFEKO模块对激励源位置进行设置。在CADFEKO的设置中，只对近场接收的位置设置做出修改，而单一激励源保持不变。设置如图3所示。

图4 (a)EDITFEKO修改之前代码；(b)EDITFEKO修改之后代码，注意for循环变量设置

    完成CADFEKO中的设置后，保存，运行EDITFEKO。会呈现出一个代码界面。找到代表设置激励源的位置（** Sources），根据向导添加FOR循环语句，在弹出的表单框中依次填写循环变量名、起始值、结束值和递进步长。修改前后的代码如图4所示。for循环起始语为“!!for”，结束语为“!!next”。注意循环变量名前要加“#”。把原A5卡中代表z坐标位置的倒数第3个格的“1”改成相应的循环变量名。for循环结束语搬到文件结尾符“EN”之前，保证对频率的扫描和对接收点的扫描都包含在for循环体内部。

    运行“PREFEKO”，没有报错继续运行“FEKO solver”，即可实现对所有发射点位置的依次扫描。

4 成像结果

    仿真结束后，散射场数据存储在.efe文件中。在文本文件中提取接收位置三维信息，将其中对应的与发射同极化方向的电场值的实部虚部值组合成复数形式的近场散射场值，代入后向传播微波成像代码，生成三维图像数值矩阵。通过拟合出弯曲表面，如图5中蓝色区域所示，黄色区域为初始目标物体模型。

图5 (a)单发多收阵列成像结果；(b)十字交叉多发多收阵列成像结果

    可以看出两种阵列的成像结果大致相当，重建的图像曲面都与原始物体表面贴合。而十字交叉阵列用更少的总阵元数实现了相对更好的成像效果。改变FEKO仿真参数，可以灵活便捷地优化成像效果，将研究者从繁琐的代码调试中解脱出来，更专注于参数的选择上。

5 结论

    本文在现有文献基础上，研究了基于人体尺度目标的微波成像的散射近场的仿真问题。使用FEKO软件对模拟人体目标进行建模，选用合适的高频近似求解PO算法，通过得到的散射近场数据对图像进行重建成像，拟合的弯曲表面与真实的目标物体基本一致，验证了本文提供的仿真方法的正确性，也表明了FEKO软件在多发多收雷达布局下仿真电大尺寸物体问题的优势。