前言

计算机成像作为一种新的毫米波雷达技术，最近受到了极大的关注。一种独特的计算成像技术，称为频率分集，已经在几个应用中进行了研究，例如用于安全筛查的毫米波雷达和用于无损检测的超声波换能器等等。频率分集计算雷达技术依靠频率控制的准随机模式来探测成像场景和编码后向散射测量。然后可以使用各种计算技术从这些编码的测量值中重建场景信息的估计。与合成孔径雷达和相控阵等传统成像方式相比，计算频率分集毫米波雷达具有若干优势。首先，频率分集雷达系统显示全电子操作。这表明不需要任何移动设备就可以实现场景的采样。其次，频率分集雷达消除了光栅扫描成像场景的要求。相反，他们使用时空变化的准随机辐射模式对后向散射雷达测量进行编码和压缩，使信道数量大大减少。频率分集雷达的这一优势大大减少了硬件限制。第三，尽管提供全电子操作，但频率分集雷达不依赖复杂的相移电路来实现波束合成。这是频率分集雷达相对于相控阵雷达的一个显著优势。系统硬件层的这些优势是以频率多样的计算成像的更复杂的信号处理层为代价的。然而，随着当今计算系统计算能力的提高，正如本文稍后将展示的那样，这一挑战是可以克服的。

研究内容

贝尔法斯特女王大学的工作解决了频率分集技术的一个主要限制，它在历史上仅限于静态和准静态场景。作为一个特殊的应用实例，该技术应用于工作在77-81 GHz频段的汽车雷达。在数据采集过程中，当场景动态变化时，需要对传感矩阵应用补偿技术来成功地恢复场景信息。他们展示了一个示例成像场景，包括一个与汽车平台集成的频率分集雷达，以每小时30英里(mph)或每小时48公里(km/h)的速度向成像场景移动。给出了有无修正传感矩阵时雷达的点扩展函数模式，并证明了在没有补偿的情况下，重构图像严重失真。

实验方法

频率分集是一种计算成像技术，它依赖于将场景信息编码到一组由简单频率扫描控制的空间变化辐射模式上。利用这一原理的计算雷达可以用不同频率的天线合成。使用频率分集的概念，以由天线的品质因数控制的特定间隔对工作频带进行采样，以准随机场模式照亮场景并收集反向散射信号。

对于产生M种测量模式来对由N个体素组成的场景进行成像的频率分集雷达，感测矩阵的大小为M×N。这表明，在最一般的情况下，没有精确的逆矩阵。为了解决反问题和检索场景信息的估计，可以使用几种方法，例如单次匹配滤波或基于最小二乘技术的迭代算法。在这项工作中，他们使用了匹配滤波器方法，该方法由应用于反向散射测量的传感矩阵上的伴随运算组成。

SFCW雷达单啁啾的描述。

xy平面中示例频率分集感测矩阵的描述。

静态场景重建PSF模式。

根据距离变化重建碎片图像

结论

科学家们提出了一个概念验证研究，用于计算频率分集的汽车雷达方案，以检测W波段频率的碎片。已经提出，对于成像问题，场景特征在SFCW数据采集周期期间改变，因此计算雷达的感测矩阵需要补偿这种变化以实现成像。他们已经成功地在用于碎片探测的计算频率不同的汽车雷达的环境中演示了这种补偿技术，并且验证了所提出的雷达技术能够重建没有与运动相关的伪影的图像。通过分析PSF模式进一步研究了频率分集雷达的成像特性，并表明所提出的应用于传感矩阵的运动补偿对于从雷达中恢复高保真PSF模式是至关重要的。虽然显示的是W波段，但所提出的技术可以扩展到其他频率，并在生物医学成像、无损评估和光谱学中找到应用，其中目标函数具有动态特性，并且可能在数据采集周期中变化。

DOI：10.1109/JSEN.2020.3004065。