Epäsuora holografinen kuvaus millimetriaaltoalueella

Abstract

Tässä diplomityössä käsitellään radioaaltoihin perustuvaa kuvausta. Erilaisiin kuvausmenetelmiin tutustutaan työn kirjallisuuskatsauksessa. Työ käsittelee erityisesti epäsuoraa holografista kuvausta, johon tutustutaan työn teoreettisessa ja kokeellisessa osuudessa. Työssä on toteutettu epäsuoraan holografiseen kuvaukseen soveltuva laitteisto, jonka tuottamat millimetriaaltokuvat esitellään.

Työn ensimmäisessä osassa tehdään jako aktiivisiin ja passiivisiin kuvausmenetelmiin. Eri kuvausmenetelmien ominaisuuksia arvioidaan ja vertaillaan keskenään. Painopiste on sellaisissa kuvausmenetelmissä, jotka soveltuvat turvallisuuteen liittyvään kuvaamiseen, kuten turvatarkastuksiin lentokentillä. Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi eri menetelmiin perustuvaa aiempaa kokeellista työtä, ja saatujen radioaaltokuvien perusteella arvioidaan eri kuvausmenetelmien suorituskykyä.

Työn toisessa osassa käsitellään aktiivisen, epäsuoran holografisen kuvauksen teoriaa. Kuvauksen laskennalliseen osuuteen liittyvät tasoaaltospektri ja kompleksisen kentän palautus johdetaan käytäntöön soveltuville diskreeteille suureille. Holografisen kuvauksen perusteoriasta johdetaan kuvauslaitteistolta vaaditut ominaisuudet: apertuurin koko, kentän näytteistysväli apertuurilla ja referenssikentän tulokulma. Kuvauslaitteiston geometriasta saadaan teoreettinen erotuskyky ja näkökenttä. Lisäksi esitellään laajakaistaisen epäsuoran holografisen kuvauksen periaate ja arvioidaan erilaisten referenssikenttien soveltuvuutta epäsuoraan holografiseen kuvaukseen.

Työn kokeellisessa osuudessa epäsuora holografinen kuvaus toteutettiin 310 GHz:llä pystypolarisaatiolla. Referenssikenttänä käytettiin sekä tasoaaltoa että Gaussin keilaa. Kuvaus toteutettiin vertailun vuoksi myös suoralla holografisella menetelmällä. Eri kohteista saatuja millimetriaaltokuvia arvioitiin. Paras suorituskyky saatiin 40 x 40 cm2:n apertuurilla käytettäessä Gaussin keilaa referenssikenttänä, jolloin saavutettu erotuskyky 1,5 m:n päässä kohteesta on noin 2 mm. Myös tasoaaltoreferenssi soveltuu epäsuoraan holografiseen kuvaukseen. Käytettäessä 14 x 14 cm2 apertuuria ja tasoaaltoreferenssiä millimetriaaltokuvassa voitiin erottaa alle 1 cm:n kokoisia yksityiskohtia.

Lisäksi käsitellään erilaisia keinoja parantaa saatujen kuvien laatua ja helpottaa holografiseen kuvaukseen liittyviä laitteistovaatimuksia. Lopuksi saatuja tuloksia verrataan työn ensimmäisessä osassa käsiteltyjen kuvausmenetelmien tuloksiin.

In this Master's Thesis, imaging based on radiowaves is studied. Different methods of radiowave imaging are familiarized in the literature review of the thesis. The emphasis of the thesis is in indirect holographic imaging, which is discussed in the theoretical and empirical part of the thesis. An equipment for indirect holographic imaging is developed and the resulting millimeter-wave images are presented.

In the first part of the thesis, radiowave imaging methods are divided into passive and active methods. The properties of different methods are evaluated and compared with each other. The emphasis of the thesis is especially in imaging methods suitable for security-related applications, such as passenger control at airports. In the literature review, the previous experimental work based on different imaging methods is discussed and the performance of each method is assessed based on the results reported.

In the second part of the thesis, the theory of active, indirect holographic imaging is introduced. The discretized form of the plane wave spectrum and the complex field retrieval related to the computational phase of indirect holographic imaging are derived. Starting from the basic theory of holographic imaging, the required properties of the imaging equipment are derived. The properties include the size of the aperture, sample spacing in the aperture and the incidence angle of the reference field. The theoretical resolution and the field of view are given by the geometry of the imaging equipment. In addition, the principle of wide-band holographic imaging is presented and suitability of different reference fields for indirect holographic imaging is evaluated.

An indirect holographic imaging at 310 GHz at vertical polarization is realized in the experimental part of the thesis. Both plane wave and Gaussian beam were used as the reference field in the experiment. For comparison, the holographic imaging was also realized with directly measure complex field. Millimeter-wave images of different objects are evaluated. The best performance was achieved with an aperture sized 40 x 40 cm2 with a Gaussian beam as the reference field. The resolution is about 2 mm at 1.5 m distance from the aperture. A planar reference wave is also suitable for holographic imaging and with a 14 x 14 cm2 aperture, details smaller than 1 cm are discernable.

In addition, different means to enhance the quality of the millimeter-wave images and to ease the requirements for indirect holographic imaging are discussed. Finally, the results of the experimental part of the thesis are compered to those reported in literature.