CN101788665A - 一种被动毫米波焦平面成像装置 - Google Patents

Abstract

一种被动毫米波焦平面成像装置，属于被动毫米波成像领域，解决现有成像系统存在的像素数有限、成像分辨率较低的问题。本发明包括N个馈源和N路毫米波辐射计通道，N个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，每路毫米波辐射计通道由射频放大器、射频滤波器、混频器和模数转换器依次串联构成，N路中频数字信号送入计算机进行自相关和互相关处理，计算得到天线温度T_Ai和干涉测量亮温T_cij，计算机再对天线温度T_Ai处理得到像素值T_i，将干涉测量亮温T_cij插入像素值T_i和T_j之间，共同构成焦平面图像。本发明将相干成像和非相干成像进行有效结合，增加了图像的像素，进而提高了成像的空间分辨率。

Description

一种被动毫米波焦平面成像装置

技术领域

本发明属于被动毫米波成像领域，具体涉及一种被动毫米波焦平面成像装置。

背景技术

被动毫米波(Passive Millimeter-wave，PMMW)成像系统具有全天时、全天候的工作能力，并且因为不发射电磁波，具有很高的隐蔽性和抗干扰性，对人体安全，在反恐斗争、场景监控、安全检查、军事侦察等领域具有广阔的应用前景。早期的被动毫米波成像系统由于毫米波器件不成熟，都是采用单通道机械扫描结构，随着毫米波器件的不断进步以及被动毫米波技术应用范围的日益扩大，这类系统的一个自然发展是采用多通道并行扫描以提高数据率及成像速度，最终的目标是构建大型焦平面阵列凝视场景成像，即被动毫米波焦平面成像系统。

被动毫米波焦平面成像与红外焦平面成像原理上类似，属于非相干的直接成像，其原理是将多个接收单元以一定的阵列排列在聚焦天线的焦平面上，利用各馈源的偏焦不同产生不同指向的波束覆盖视域，每一波束对应场景中的一个像点，相应接收单元的输出信号即对应着该像点的亮度温度。

目前，被动毫米波焦平面成像系统在国外已走向样机阶段，如美国TRW空间与电子设备集团已研制成功W波段焦平面PMMW实时成像仪，其系统频率为89GHz，空间分辨率为0.5度，视场角为15°×10°，接收机阵列数量达到1040，图像像素数为26×40，接收机采用单片集成MMIC的直接检波式接收机；Lockheed Martin公司的PMMW成像仪样机接收天线采用卡塞格伦天线，水平方向线形排列34个接收机，垂直方向机械扫描，角分辨率为0.5°，最终可获得34×44个像素，帧频为10Hz；Millivision手持式PMMW扫描成像仪采用可旋转镜片实现扫描成像，频率94GHz，视域26°×26°，空间分辨率5cm(1.6m远处)，像素数为26×40，帧频为10Hz。这些样机都采用基于非相干测量的常规被动毫米波焦平面成像，即一个馈源输出对应一个像素，所形成的像素数有限，成像的分辨率还比较低。

发明内容

本发明提供一种被动毫米波焦平面成像装置，解决现有被动毫米波焦平面成像系统存在的像素数有限、成像分辨率较低的问题，将相干成像和非相干成像进行有效结合，获得比基于非相干测量技术的常规焦平面成像方法更多的像素，进而提高成像的分辨率。

本发明的一种被动毫米波焦平面成像装置，包括N个馈源和N路毫米波辐射计通道，N个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，每路毫米波辐射计通道由射频放大器、射频滤波器、混频器和模数转换器依次串联构成，N路毫米波辐射计通道输出的N路中频数字信号X_i(n)送入计算机进行自相关处理，得到自相关输出值V_i：Q为每路中频数字信号X_i(n)的采样个数，i＝1～N，N＝2～2000，其特征在于：

计算机对所述N路中频数字信号X_i(n)中每相邻两路进行互相关处理，得到互相关输出值Г_ij： ${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{Q}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^Q{X}_i\left(n\right)X_j\left(n\right);$

然后，计算机对自相关输出值V_i和互相关输出值Γ_ij进行处理，得到天线温度T_Ai和干涉测量亮温T_cij：

$T_{\mathrm{Ai}}=\frac{V_i}{\mathrm{Gk\Δf}},$ 其中k为波尔兹曼常量，Δf为系统带宽，G为通道增益，

$T_{\mathrm{cij}}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}}}{S},$ $S=\underset{{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cij}}}{\∫\∫}\frac{\sqrt{D_i{D}_j}}{4\mathrm{\π}}{f}_{\mathrm{ni}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})f_{\mathrm{nj}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔS}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})}{\mathrm{\λ}}\right)\mathrm{d\Ω},$ 其中，f_ni(θ，φ)与f_nj(θ，φ)分别为馈源i和馈源j的归一化场强方向图；D_i与D_j分别为馈源i和馈源j的最大方向性；ΔS(θ，φ)为同一物点的毫米波辐射进入两馈源的路程差；λ为接收机工作频率所对应的波长，Ωc_ij为第i号和j号馈源波束重叠部分的立体角，θ、φ分别为物点在球坐标系中与Z轴和X轴的夹角；

最后，计算机根据干涉测量亮温T_cij对天线温度T_Ai进行处理，得到像素值T_i：

$T_i=\frac{T_{\mathrm{Ai}}{\mathrm{\Ω}}_i-\mathrm{\Σ}{T}_{\mathrm{cij}}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cij}}}{{\mathrm{\Ω}}_i-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cij}}},$

其中干涉测量亮温T_cij＝T_cji；Ω_i为第i号馈源波束的立体角，Ω_cij为第i号和j号馈源波束重叠部分的立体角，Ω_cij＝Ω_cji；

将干涉测量亮温T_cij插入像素值T_i和T_j之间，以N个像素值T_i和N-1个干涉测量亮温T_cij共同构成焦平面图像。

所述的被动毫米波焦平面成像装置，所述每路毫米波辐射计通道中，混频器和模数转换器之间，可以依次串联中频滤波器和中频放大器。

如图1所示，馈源5排列在焦平面4上，其中相邻排列的馈源i和馈源j通过透镜3聚焦，存在波束交叉区域2，馈源i和馈源j的波束分别指向物平面1上的AC区以及BC区，则物平面1上C区的辐射会同时进入两个馈源，两馈源的输出进行相关后得到的结果将只包括C区的亮温信息。由于馈源波束足够窄，可将相邻波束重叠部分对应的场景亮温当成一定值。

根据辐射测量原理，自相关输出值V_i与馈源接收到的来自场景的毫米波辐射功率成正比，即V_i＝GP_i，G为通道增益(射频放大器增益或者射频放大器和中频放大器增益之和)，功率P_i可表示为P_i＝kT_AiΔf，其中k为波尔兹曼常量，Δf为系统带宽，T_Ai为天线温度，它是视在亮温分布按天线功率方向图加权得到的，可见自相关输出值V_i与天线温度T_Ai成正比，根据自相关输出值V_i可以得到天线温度T_Ai

由于不同物点的毫米波辐射互不相关，对相邻两个馈源的输出信号进行互相关处理，互相关输出值Г_ij只包含来自两馈源波束重叠或交叉部分的辐射亮温信息。

根据干涉测量理论，对来自相邻馈源的信号进行互相关处理，其结果可表示为：

其中T_cij为待测的波束重叠部分的亮温，T_cij＝T_cji；f_ni(θ，φ)与f_nj(θ，φ)分别为馈源i和馈源j的归一化场强方向图；D_i与D_j分别为馈源i和馈源j的最大方向性；ΔS(θ，φ)为同一物点的毫米波辐射进入两馈源的路程差；λ为接收机工作频率所对应的波长。

上式的积分项为一定值，设为参数S，即Г_ij＝ST_cij，则互相关输出和待测的波束重叠部分的亮温成线性关系，即可由互相关输出Γ_ij得到干涉测量亮温T_cij。

本发明的工作过程为：

(1)N个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，利用各馈源的偏焦不同产生不同指向的波束覆盖视域，接收场景的毫米波辐射；第i个馈源接收毫米波辐射输出的信号为U_i(t)，

其中i＝1，2，...，N，N为大于1的整数，t为时间变量；

(2)将每路馈源输出的信号分别经放大滤波以及混频处理后，得到中频信号Y_i(t)，i＝1，2，...，N，对中频模拟信号Y_i(t)进行采样得到中频数字信号X_i(n)，i＝1，2，...，N，输入计算机进行存储；

(3)计算机将中频数字信号X_i(n)进行自相关处理，得到一路自相关输出值V_i，

同时，计算机对每两路来自相邻馈源的中频数字信号进行互相关处理得到一组互相关输出Г_ij，其中i、j表示两相邻馈源的编号，Г_ij表示来自第i号和j号馈源的信号相关的结果，Г_ij＝Г_ji；互相关输出Г_ij与波束重叠部分的亮温成线性关系，

(4)自相关输出值V_i通过定标得到一路天线温度T_Ai，i＝1，2，...，N；以天线温度作为一个像素的度量值，共有N个像素度量值；

互相关输出Г_ij通过定标得到干涉测量亮温T_cij；

(5)用干涉测量亮温T_cij，修正步骤(4)得到的N个像素度量值，作为像素值T_i：

$T_i=\frac{T_{\mathrm{Ai}}{\mathrm{\Ω}}_i-{\mathrm{\ΣT}}_{\mathrm{cij}}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cij}}}{{\mathrm{\Ω}}_i-{\mathrm{\Σ\Ω}}_{\mathrm{cij}}},$

其中干涉测量亮温T_cij＝T_cji；Ω_i为第i号馈源波束的立体角，Ω_cij为第i号和j号馈源波束重叠部分的立体角，Ω_cij＝Ω_cji；

(6)以干涉测量亮温T_cij作为新生成像素值，将其插入到第i号及第j号馈源对应的像素值之间；

以步骤(5)得到的N个像素值和步骤(4)的N-1个新生成像素值共同构成焦平面图像。

若需扩大成像视场范围，则以0.5倍半功率波束宽度为步长转动波束指向进行扫描，扫描的方向根据馈源排列的形式确定。

本发明利用排列在聚焦天线焦平面上的馈源接收场景的被动毫米波辐射，通过对相邻馈源波束存在的重叠区域，采用互相关处理产生新的像素信息，将其融合到传统的焦平面图像中，增加了图像的像素；并且利用获得的相邻波束重叠部分的亮温值对常规焦平面成像中的天线温度进行修正，修正后的天线温度对应的场景测量区域小于原来非相干测量的区域，提高了成像的空间分辨率。

附图说明

图1为被动毫米波焦平面成像示意图；

图2为本发明实施例的结构示意图；

图3为本发明实施例中的计算机处理过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，本发明包括2个馈源和2路毫米波辐射计通道，2个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，在垂直于阵列排列方向上结合扫描进行成像，每路毫米波辐射计通道由射频放大器、射频滤波器、混频器和模数转换器依次串联构成，2路毫米波辐射计通道输出的2路中频数字信号送入计算机进行自相关和互相关处理，最终得到毫米波图像。

所述每路毫米波辐射计通道中，混频器和模数转换器之间，可以依次串联中频滤波器和中频放大器。

聚焦天线反射面采用抛物柱面，馈源选用矩形喇叭，其半功率波束宽度为18度，两馈源间隔5.2cm；

毫米波辐射计通道中，射频放大器中心频率为36.4GHz、增益为55dB，射频滤波器带宽＞100MHz，混频器中的本振频率为36.52GHz，中频滤波器带宽＞100MHz，中频放大器增益为47dB；模数转换器采用双通道8bit高速AD卡，采样频率为250MHz，最大存储深度为8Mbytes。

图3为本发明实施例中的计算机处理过程示意图。

(1)聚焦天线反射面采用抛物柱面，馈源选用矩形喇叭，其半功率波束宽度为18度，两馈源间隔5.2cm，接收场景的毫米波辐射；馈源接收毫米波辐射输出的信号分别为U₁(t)，U₂(t)；

(2)高频前端模块中的射频放大器的中心频率为36.4GHz，增益为55dB，系统带宽100MHz，混频器中的本振频率为36.52GHz，中频放大器增益为47dB，高频前端的净增益为102dB，则信号U₁(t)，U₂(t)分别经高频前端后，得到中频信号Y₁(t)，Y₂(t)，其中心频率为120MHz；

(3)用8bit高速AD卡对中频信号Y₁(t)，Y₂(t)进行采样存储，AD卡的采样频率为250MHz，最大存储深度为8Mbytes，采样后得到的数字信号为X₁(n)，X₂(n)，n＝1，2，...，Q；

(4)分别对数字信号X₁(n)，X₂(n)平方(相当于平方律检波器)，然后对Q个平方的数据求平均得到输出值V₁，V₂，

又V₁＝GkT_A1Δf，V₂＝GkT_A2Δf，G为通道增益，在这里为102dB，k为波尔兹曼常量，Δf为系统带宽，在这里为100MHz，由此可以得到天线温度T_A1，T_A2，以此2个天线温度作为2个像素的度量值。

(5)对数字信号X₁(n)，X₂(n)进行互相关处理得到输出Г₁₂，其中Г₁₂表示来自第1号和第2号馈源的信号相关的结果，Г_c21＝Γ_c12；

又Г₁₂＝ST_c12，在这里参数S＝1.34，由此通过互相关输出Г₁₂得到干涉测量亮温T_c12；

(6)用干涉测量亮温T_c12，修正步骤(4)得到的像素度量值，作为像素值T₁，T₂：

$T_1=\frac{T_{A1}{\mathrm{\Ω}}_1-T_{c12}{\mathrm{\Ω}}_{c12}}{{\mathrm{\Ω}}_1-{\mathrm{\Ω}}_{c12}},$ $T_2=\frac{T_{A2}{\mathrm{\Ω}}_2-T_{c21}{\mathrm{\Ω}}_{c21}}{{\mathrm{\Ω}}_2-{\mathrm{\Ω}}_{c21}}$

其中干涉测量亮温T_c12＝T_c21；Ω₁为第1号馈源波束的立体角，Ω₂为第2号馈源波束的立体角，均为18度；Ω_c12为第1号和第2号馈源波束重叠部分的立体角，为9度；Ω_c12＝Ω_c21；

(7)用像素值T₁，T₂和干涉测量亮温值T_c12构成新的毫米波图像；

若需扩大成像视场范围，则以0.5倍半功率波束宽度为步长转动波束指向进行扫描，扫描的方向根据馈源排列的形式确定。

Claims (2)

1.一种被动毫米波焦平面成像装置，包括N个馈源和N路毫米波辐射计通道，N个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，每路毫米波辐射计通道由射频放大器、射频滤波器、混频器和模数转换器依次串联构成，N路毫米波辐射计通道输出的N路中频数字信号X_i(n)送入计算机进行自相关处理，得到自相关输出值V_i：

Q为每路中频数字信号X_i(n)的采样个数，i＝1～N，N＝2～2000，其特征在于：

计算机对所述N路中频数字信号X_i(n)中每相邻两路进行互相关处理，得到互相关输出值Г_ij：

然后，计算机对自相关输出值V_i和互相关输出值Г_ij进行处理，得到天线温度T_Ai和干涉测量亮温T_cij：

其中k为波尔兹曼常量，Δf为系统带宽，G为通道增益，

$T_{\mathrm{cij}}=\frac{{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{ij}}}{S},$ $S=\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}\underset{\mathrm{cij}}{\∫}\frac{\sqrt{D_i{D}_j}}{4\mathrm{\π}}{f}_{\mathrm{ni}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})f_{\mathrm{nj}}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\cos \left(\frac{2\mathrm{\π\ΔS}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})}{\mathrm{\λ}}\right)\mathrm{d\Ω},$ 其中，f_ni(θ，φ)与f_nj(θ，φ)分别为馈源i和馈源j的归一化场强方向图；D_i与D_j分别为馈源i和馈源j的最大方向性；ΔS(θ，φ)为同一物点的毫米波辐射进入两馈源的路程差；λ为接收机工作频率所对应的波长，Ω_cij为第i号和j号馈源波束重叠部分的立体角，θ、φ分别为物点在球坐标系中与Z轴和X轴的夹角；

最后，计算机根据干涉测量亮温T_cij对天线温度T_Ai进行处理，得到像素值T_i：

$T_i=\frac{T_{\mathrm{Ai}}{\mathrm{\Ω}}_i-\mathrm{\Σ}{T}_{\mathrm{cij}}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cij}}}{{\mathrm{\Ω}}_i-\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cij}}},$

其中干涉测量亮温T_cij＝T_cji；Ω_i为第i号馈源波束的立体角，Ω_cij为第i号和j号馈源波束重叠部分的立体角，Ω_cij＝Ω_cji；

将干涉测量亮温T_cij插入像素值T_i和T_j之间，以N个像素值T_i和N-1个干涉测量亮温T_cij共同构成焦平面图像。

2.如权利要求1所述的被动毫米波焦平面成像装置，其特征在于：

所述每路毫米波辐射计通道中，混频器和模数转换器之间，依次串联中频滤波器和中频放大器。

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