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毫米波的穿透性和低辐射性使得毫米波近场成像在人体隐匿目标检测等安全领域发挥了重要作用,毫米波近场成像系统已经在机场等公共场合进行使用,具有重要的理论研究价值和商业应用价值。毫米波成像系统包括被动成像系统和主动成像系统,主动成像系统因其成像能力强、受环境影响小等优点成为更加主流的毫米波近场隐匿目标成像方式。为获得目标更多的信息量,提高后续的检测识别能力,近场三维成像技术的研究受到越来越多的关注。本文以近场隐匿目标成像为背景,以提高近场三维成像能力为目标,分析了毫米波近场成像系统的设计,并搭建了毫米波近场成像实验平台,基于该实验平台,从波数域近场三维成像、空间域近场三维成像、基于扰动的近场三维成像以及基于稀疏的近场三维成像这几个方面深入研究了毫米波近场三维成像的理论和方法。第一章论述了论文的研究背景和意义,总结归纳了毫米波近场三维成像的研究现状和发展方向,以及近场三维成像需要进一步研究的问题,并介绍本文的主要工作。第二章研究了近场三维成像的基本理论,分析了近场成像系统的参数设计,并详细介绍了所搭建的平面阵列毫米波近场三维成像实验平台,该平台能够为近场三维成像的研究提供真实有效的实测数据,并利用实测数据验证了传统的基于插值和傅里叶变换的近场三维成像算法的有效性,为后续章节研究毫米波近场三维成像提供理论和数据基础。第三章研究了波数域毫米波近场三维成像方法,分析了波数域近场三维数据的非均匀性,以及由此而产生的对成像的影响,为提高波数域非均匀数据三维成像的能力,引入非均匀傅里叶变换(NUFFT),提出了基于快速高斯格点非均匀傅里叶变换(FGG-NUFFT)的近场三维成像算法,并将其与传统插值傅里叶变换方法进行比较,仿真和实测数据实验说明,在充分采样数据量很大的情况下,两种方法成像效果近似,但是在降采样率情况下所提FGG-NUFFT方法体现了优势,该方法能较好保持原采样情况下的成像性能,而传统插值方法的成像性能会下降严重,因此所提成像方法对于降低三维成像采样数据量有重要意义,有利于三维成像系统的实用化。第四章研究了空间域毫米波近场三维成像方法,空间域成像方法避免了波数域三维成像中不可避免的数据非均匀性问题。首先推导了直接三维积分的成像方程,为了降低直接积分成像的运算量,提出了基于降维积分的近场三维成像方法,该方法是一种对成像精度和效率的折中处理,丰富了空间域近场三维成像的理论,为近场三维成像算法的选择提供一定借鉴意义。第五章研究了基于扰动的毫米波近场三维成像技术。对近场三维成像的研究通常都是基于解决不均匀空间谱的求和问题展开,把成像过程当成一个求和问题,对空间谱数据做出各种处理,以平衡成像精度和效率。本章从扰动的角度出发,把成像当成一个数据扰动的过程来处理,利用一阶泰勒展开,把成像过程分解为多个傅里叶变换的求和来实现,形式简单,既避免了插值,又利用了傅里叶变换的高效性,是一种新的成像思路。仿真和实测数据验证了所提扰动方法的有效性,是一种可供选择的近场三维成像方法,丰富了毫米波近场三维成像理论。第六章研究了基于稀疏性的毫米波近场三维成像方法,为减少近场三维数据采集的压力,将压缩感知方法引入近场成像,对近场压缩感知成像方法进行了初步探讨,提出了两种近场压缩感知成像方法,分别是基于插值算子的压缩感知成像方法和基于扰动的压缩感知成像方法,并利用仿真数据和实测数据对这两种方法进行验证,结果表明这两种近场压缩感知成像方法都能利用少量测量数据有效重构出目标三维像,说明压缩感知用于缓解近场三维成像的数据采集压力是可行的,其中基于扰动的近场压缩感知成像方法运算效率更高,在近场稀疏成像方面具有实际应用的潜力。最后对全文进行了总结,并展望下一步的研究工作。