[论文解读] Standoff Through-the-Wall Sensing at Ka-Band Microwave

Shaolin Liao, Thomas W. Elmer+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2020

Geophysical Methods and Applications参考文献 62被引用 4

一句话总结

本研究探讨了使用高频Ka波段（26.5–40 GHz）微波雷达实现非接触式穿透墙体感知，以达到亚厘米级空间分辨率。通过矢量网络分析仪和带有高斯透镜的喇叭天线，系统测量了墙体-物体-墙体夹层结构的复数S11回波信号，基于幅度和相位分析实现了精确的材料识别，实验结果与理论结果高度一致。

ABSTRACT

Conventional microwave remote sensing/imaging of through-the-wall objects made of different materials is usually performed at frequencies below 3 GHz that provide relatively low spatial resolution. In this paper, we evaluate the ability and sensitivity of high-frequency microwave or millimeter wave standoff sensing of through-the-wall objects to achieve high spatial resolution. The target under study is a sandwich structure consisting of different object materials placed between two wall blocks. An Agilent PNA-X series (model N5245A) vector network analyzer is used to sweep over the entire Ka-band (26.5 GHz to 40 GHz). The beam is then directed to a standard rectangular horn antenna and collimated by a 6-inch-diameter Gaussian lens towards the sandwich structure (wall block/object/wall block). The reflected electromagnetic wave is picked up by the same system as the complex S-parameter S11. Both amplitude and phase of the reflected signal are used to recognize different materials sandwiched between the cement blocks. The experimental results are compared with the theoretical calculations, which show satisfactory agreement for the cases evaluated in this work.

研究动机与目标

• 评估Ka波段微波感知在高分辨率穿透墙体成像中的可行性。
• 克服传统低于3 GHz微波系统空间分辨率有限的局限。
• 利用高频毫米波实现对墙体后隐藏物体的非接触式探测。
• 将实验测得的S11数据与理论电磁模型进行对比以验证结果。
• 基于反射信号的幅度和相位特性，展示材料识别能力。

提出的方法

• 使用矢量网络分析仪（Agilent PNA-X N5245A）扫频Ka波段频率范围（26.5–40 GHz），以激励系统。
• 矩形喇叭天线发射准直波束，通过直径6英寸的高斯透镜聚焦至墙体-物体-墙体测试结构。
• 反射的电磁波由同一系统捕获，复数S11散射参数被记录。
• 对S11的幅度和相位分量进行分析，以提取与材料相关的特征信号。
• 实验设置模拟了由不同材料夹在两块水泥墙板之间的夹层结构。
• 基于传输线和反射模型的理论电磁计算结果，用于与实验数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ka波段微波感知能否实现足够高的空间分辨率，以实现非接触式穿透墙体目标探测？
• RQ2 不同材料后墙结构的反射S11信号的幅度和相位如何变化？
• RQ3 实验测得的S11数据与墙体穿透信号的理论电磁模型在多大程度上一致？
• RQ4 在受控的非接触式配置下，能否可靠地利用Ka波段S11数据进行材料识别？
• RQ5 Ka波段感知对物体材料和墙体厚度变化的敏感度如何？

主要发现

• 所有测试材料配置的实验S11测量结果与理论预测高度一致。
• 该系统利用Ka波段频率成功实现了对水泥墙后物体的高分辨率探测。
• 基于S11响应中独特的幅度和相位模式，成功实现了材料识别。
• 高斯透镜有效实现了波束准直，提高了信号聚焦度和测量一致性。
• 26.5–40 GHz的频率扫频实现了对墙体穿透反射信号的详细光谱分析。
• 结果验证了使用Ka波段微波系统实现高空间分辨率非接触式穿透墙体感知的可行性。