微波全息照相技术：原理、实现与前沿应用

全息照相的本质，是记录由一束参考电磁波与目标散射的电磁波相互叠加后形成的干涉条纹。与传统照相只记录光强不同，全息技术捕捉了波的全部信息——幅度和相位。要实现有效的干涉，入射波与散射波必须拥有极高的相干性，即频率相同、相位关系恒定。这构成了微波全息技术的基础。

从数学物理的角度看，我们可以将参考波（假定为平面波）标记为 E₁，目标散射波标记为 E₂。在任意一个 x-y 平面上，干涉图样的强度 I(x,y) 分布可以描述为：

I(x,y) = (E₁ + E₂)(E₁ + E₂)* = |E₁|² + |E₂|² + E₁E₂* + E₁*E₂

此式中，/* 代表共轭复数。这个公式是理解全息成像的关键。其中，|E₁|² 和 |E₂|² 这两项，分别代表参考波和物光波自身的强度，它们在图像重建中构成零阶散射项，通常被视为背景噪声。而真正携带目标三维信息的，是最后两项——E₁E₂* 和 E₁*E₂，它们包含了波的相对相位，是重建图像的根基。

当记录下的干涉图（全息图）被第三束平面波 E₃ 照射时，会产生一束新的调制波 E₄：

E₄ = E₃E₁E₂* + E₃E₁*E₂

图1 盖伯全息照相原理示意图

由于 E₁ 和 E₃ 均为平面波，乘积项 E₃E₁ 和 E₃E₁* 可视为常量。因此，上式清晰地表明，原始的目标散射波 E₂ 和其共轭复数 E₂* 都被成功重建。这在物理世界中表现为目标的一个虚像和一个实像同时被复现出来。

从光学到微波：原理的延伸与挑战

光全息照相技术相对成熟，其工作原理可通过图1所示的点光源系统来理解。在记录阶段（图1a），同心圆衍射板（一种简化的全息图）的透明圆环允许能够有效汇聚的能量通过，而不透明环则阻挡了会形成干扰的能量。在重建阶段（图1b），当激光照射全息图时，衍射效应会产生一束会聚波，在焦点 F 处形成一个光点的实像；同时，还会形成一束发散波，对于观察者而言，这束波似乎来自共轭焦点 F_c，从而形成一个虚像。

微波在微波全息照相中的角色，就如同激光在光全息中的角色一样。微波全息图记录的是目标散射的微波与一束相干参考微波形成的干涉图样。早期的微波全息图制作设备如图2所示，其核心思路是让入射波与参考波在扫描平面上形成干涉场。

图2 微波全息图的早期制作设备示意图

一个带有小氖灯的小型偶极子天线在干涉场中进行扫描，接收到的信号经过峰值检测和放大后，驱动氖灯发光，其亮度与该点的微波强度成正比。一台照相机通过长时间曝光，便记录下整个扫描平面的光强分布，最终形成微波全息图。

然而，这种直接记录的方式面临几个技术瓶颈。其一，寻找对微波足够敏感的“照相底板”一直是个难题。其二，将微波干涉图转化为可见光图像，无论是通过微波液晶显示还是热成像技术，都存在各自的局限性。

技术演进：非辐射参考波与电子合成

为了绕开上述难题，一种更为灵活和强大的技术路径被开发出来。该方法不再依赖物理空间中辐射的参考波，而是在信号检测端，通过电子学方法将一个本机产生的参考信号（Local Oscillator, LO）与来自目标的探测信号进行合成。这种方法适用于从300MHz到300GHz的广阔微波频段。

图3 采用本机产生的非辐射参考波进行微波全息照相

如图3所示，通过对本机参考信号 R 的相位进行编程，可以模拟出各种形态的参考波。

• 模拟平面波：只需让参考信号的相位随着探头的空间位移呈线性变化。这通过将探头的机械运动与一个相移器的旋转联动即可轻松实现。
• 模拟球面波：在菲涅尔近似下，让相位随位置作正交变化即可满足要求。
• 模拟更复杂的波：这种相位编程能力开启了巨大的可能性。例如，可以模拟在介电常数大于真空的环境中传播的慢波，或者模拟一个相位按特定函数 F(x,y) 变化的类噪声参考波。

这种可编程参考波的优势是显而易见的：

1. 仪器化更简单：省去了庞大而复杂的参考波辐射天线系统。
2. 灵活性极高：可以轻松生成各种复杂的调制方案。
3. 性能更优：通过精确控制参考波，能够有效移动目标信号的频谱，避免与零阶项的频谱重叠，从而在重建时更干净地分离出实像和虚像。

信号处理的革命：乘法检测与复数全息图

技术的探索并未止步。为了进一步提升信噪比和图像质量，研究人员将目光投向了检测器本身。传统的平方律检测器记录的是总强度，包含了无用的直流分量。而一种被称为乘法检测器（或相关器）的装置，则从根本上改变了游戏规则。

图4 全息图的乘法记录法

如图4所示，乘法检测器将参考信号 R 和目标信号 S 作为输入，经过相乘和低通滤波后，其输出为 Re(R/*S)——这恰好是全息记录中最有价值的干涉项之一。这种记录方式被称为“乘法全息图”。它的巨大优势在于，在检测阶段就已经将不需要的 |R|² 和 |S|² 项滤除，从而避免了它们的频谱与有用信号频谱发生重叠，根除了图像失真的一个主要来源。

更进一步，既然在微波频段同时记录幅度和相位相对容易，那么我们可以构建一个“复数全息图”。通过使用两个乘法检测器，一个用于关联 R 和 S，另一个用于关联 R 的90°相移版本（jR）和 S，我们便能同时得到 R/*S 的实部和虚部，即 H₁(x,y) = Re(R/*S) 和 H₂(x,y) = Im(R/*S)。

拥有了复数全息图，在图像重建时，我们只需将记录的 H₁ 和 H₂ 分别乘以 R 和 jR 再相加，便能精确地、无失真地恢复出原始的目标信号 S。与强度全息图相比，这种方法只产生一个没有共轭像干扰的、清晰的虚像。要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对信号处理、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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微波与毫米波全息照相的独特优势

相较于光全息，微波与毫米波全息照相展现出几大不可替代的优点：

1. 卓越的穿透性：微波能够穿透烟、雾、沙尘以及其他光学上不透明的介电材料，实现“透视”成像。
2. 灵活的电子处理：由于信号是以电子形式获取的，因此可以运用各种成熟的信号处理算法进行图像增强、分离和分析，重建性极佳。
3. 较低的信息容量：相比于光波，微波的波长更长，这意味着在达到同等分辨率时所需的信息容量远小于光全息图，为实时成像系统创造了可能。

应用实例

微波全息照相的独特能力使其在多个领域找到了用武之地。

1. 隐藏武器检测 在机场安检等场景，微波全息成像系统大显身手。一项实验中，使用 70 GHz (λ = 4.3 mm) 的连续波照射藏匿的枪支，通过扫描接收天线记录散射波的相位分布，并进行图像重建。结果成功生成了枪支的清晰轮廓图像，其边缘被有效增强，在 1 mm 距离上的线性分辨率可达 10 mm。

2. 机场跑道全天候精准目视 在恶劣天气下，保障飞机安全着陆是一项挑战。微波全息系统为此提供了解决方案。通过在跑道两侧按一定间隔布设反射器，飞机上的成像系统发射两束微波（一束为毫米波段的成像波束，另一束为波长较长的参考波束）来照射跑道。毫米波的短波长足以分辨跑道上的反射器阵列，而较长波长的参考波束则降低了对机载接收天线阵列的位置精度要求。在一个实际系统中，使用 3 mm 的成像波长和 6 m 间隔的反射器，能够在长达 3 km 的作用距离上分辨出 1.5 m 间距的相邻反射器，为飞行员提供了清晰的跑道“虚拟视像”。