Hajautettu keilanohjaus millimetriaalloilla kuvantamiseen ja lokalisointiin

The challenge of current millimeter-wave and submillimeter-wave imaging systems is the scalability of the imaging technology. At millimeter wavelengths, dense detector arrays are either bulky in size or require cryogenic temperatures to operate. Lack of detectors or transceivers is often compensated by use of electronic or mechanical scanning system, increasing cost and complexity. Computational imaging methods with frequency-diverse antennas present a method where a single transceiver can be used to image a scene effectively without moving parts, as the system complexity shifts from the hardware to software. In this master's thesis, a dual-band, frequency-diverse, phase hologram for millimeter-wave imaging system applications is designed and measured. The hologram is designed to operate at frequencies of 60 and 250 GHz with emphasis on enhancing efficiency and frequency diversity. First, a literature review of conventional beamsteering methods in millimeter-wave imaging systems is presented. In addition, computational imaging theory is studied together with previous studies of frequency-diverse antennas. The frequency-diverse phase hologram is designed using MATLAB-based physical-optics simulations. With simulations, the possibility of dual-band operation is studied. Furthermore, a thorough analysis of the effects of different hologram design parameters to efficiency, frequency diversity, and manufacturability is carried out. Based on the simulation results, two holograms are chosen for manufacturing, one with optimal results and one sub-optimal for comparison. To validate the performance of manufactured holograms, a quasi-optical measurement setup is built for millimeter-wave measurements at 50-75 GHz and 220-330 GHz. The optimal version of the manufactured holograms achieved efficiency of 20-40% at 50-75 GHz and 40-50% at 220-330 GHz. Although less than predicted by the simulations, the measured efficiency is sufficient for imaging. The measured frequency diversity of both holograms exceeded what was predicted in simulations. Results indicate that the hologram performs well as a frequency-diverse element in millimeter-wave imaging system at both frequency bands. Future work includes imaging experiments of simple targets using the hologram with trained deep-neural-network backend.Nykyisten millimetri- ja alimillimetriaaltokuvantamisjärjestelmien haasteena on tekniikan skaalautuvuus. Millimetriaallonpituuksilla tiheät ilmaisinryhmät muodostuvat joko kookkaiksi tai vaativat toimiakseen kryoalueen lämpötiloja. Ilmaisimien tai lähetinvastaanottimien pieni määrä johtaa elektronisten tai mekaanisten skannausjärjestelmien käyttöön, mikä lisää kustannuksia ja monimutkaisuutta. Laskennalliset kuvantamistekniikat yhdessä taajuusmonimuotoisten antennien kanssa tarjoavat keinon kuvata yhdellä lähetinvastaanottimella tehokkaasti ilman liikkuvia osia, järjestelmän monimutkaisuuden siirtyessä laitteistosta ohjelmistopuolelle. Tässä diplomityössä on suunniteltu ja mitattu kaksikaistainen taajuusmonimuotoinen vaihehologrammi millimetriaaltokuvantamisjärjestelmään. Hologrammi on suunniteltu toimimaan 60:n ja 250:n GHz:n taajuuskaistoilla, suunnittelun painopisteen ollessa hyötysuhteen sekä taajuusmonimuotoisuuden tehostamisessa. Alkuun esitetään kirjallisuuskatsaus tavallisimmista keilanohjaustekniikoista millimetriaaltokuvantamisjärjestelmissä. Lisäksi tutkitaan laskennallisen kuvantamisen teoriaa sekä aiempia tutkimuksia taajuusmonimuotoisista antenneista. Taajuusmonimuotoinen vaihehologrammi suunniteltiin käyttäen MATLAB-pohjaista aalto-optiikkasimulaatiota. Simulaatioiden avulla tutkittiin mahdollisuutta käyttää hologrammia kahdella taajuuskaistalla. Lisäksi toteutettiin syvällinen analyysi hologrammin suunnitteluparametrien vaikutuksesta hologrammin hyötysuhteeseen, taajuusmonimuotoisuuteen ja valmistettavuuteen. Tulosten perusteella valmistettiin kaksi hologrammia, simulaatioiden perusteella optimaalisin ja yksi verrokkikappale. Valmistettujen hologrammien suorituskyvyn todentamiseksi rakennettiin kvasioptinen mittausjärjestelmä millimetriaaltomittauksille taajuuksilla 50-75 GHz ja 220-330 GHz. Optimaalisen hologrammin hyötysuhteeksi saatiin mittauksissa 20-40% kaistalla 50-75 GHz ja 40-50% kaistalla 220-330 GHz. Mitattu hyötysuhde oli heikompi kuin simulaatioissa, mutta kuvantamistarkoituksiin riittävä. Molempien hologrammien mitattu taajuusmonimuotoisuus oli simulaatiotuloksia parempi. Tulokset viittaavat hologrammin toimivan hyvin molemmilla kaistoilla taajuusmonimuotoisena elementtinä millimetriaaltokuvantamisjärjestelmässä. Tutkimusta jatketaan yksinkertaisten kohteiden kuvantamiskokeilla yhdistettynä tietoa käsittelevään koulutettuun syvään neuroverkkoon