CN102135610B - 一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法，校准系统包括：开关阵列、天线阵、金属校准线、幅相一致性校准模块、相对时延校准模块。本发明通过天线阵测量参考信号，幅相一致性校准模块校准幅度、相位一致性，相对时延校准模块校准相对时延完成一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法。本方法采用金属线对成像系统进行近场校准，金属校准线结构对天线阵辐射场扰动小，因此校准重复性好，能保证校准精度。校准方法只需要对空目标区进行一次测量就能完成校准，无需摆放校准反射体，校准时间少于成像测量时间，可在系统工作间隙随时进行实时校准。

Description

一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法

技术领域

本发明涉及一种近场实时校准方法，特别是一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法。

背景技术

现有的主动式毫米波人体成像安检系统，简称成像系统，由图像采集处理装置，机械扫描和电扫描混合扫描装置，毫米波发射接收机，直线式天线阵列和开关阵列等部分组成。成像系统用毫米波照射人体成像。成像系统发射宽带步进调频信号进行测量，并且在水平和垂直方向进行二维扫描以获得目标三维测量信息。成像系统采用机械扫描和电扫描混合扫描方式，其中机械扫描装置负责扫描水平方向，电扫描装置负责扫描垂直方向；或者机械扫描装置扫描垂直方向，电扫描装置扫描水平方向。电扫描装置由直线式天线阵列和开关阵列两部分组成。成像系统发射接收通道由电子开关切换至不同的天线单元，每次只有一副发射接收天线单元工作。成像系统发射的毫米波信号通过开关阵列输入到发射天线单元馈电端口，并通过天线发射至被测目标。被测目标的反射信号通过接收天线单元并经过另一开关阵列传输到接收机，由接收机解调后存入信号处理单元生成图像。

为了保证最终生成清晰的图像，成像系统要求所有射频通道的幅度、相位特性保持一致，还要求不同频率的时延特性保持一致。因此成像系统工作时必须随时对射频通道进行校准。成像系统射频通道包括毫米波发射接收机、发射开关阵列、发射天线、接收天线、接收开关阵列以及相互连接的馈线等部分。由于系统只有一台发射接收机，收发通道接入开关阵列后才产生多路分支，因此只有开关阵列和天线阵需要校准。

现有的成像系统校准方法是通过测量标准反射体的反射信号进行校准。常用的标准反射体包括金属板、金属球、角反射器等。系统校准时，标准反射体被放置在成像目标区，测量并保存标准反射体的反射信号作为校准信号，根据校准信号修正系统正常工作时的测量值。这种校准方法有以下缺点：

1.难以对多通道校准。若采用金属板进行校准，金属板尺寸必须大于天线阵所有天线单元的波束覆盖区域，而成像系统中无法摆放大尺寸金属板。若采用金属球、角反射器等小尺寸反射体，由于电扫描天线阵尺寸远大于反射体尺寸，只能通过移动反射体的方法校准多个通道，因此校准速度慢、精度差。

2.难以实时校准。在具体工作过程中，成像系统各部分参数会随工作时间延长不断变化，因此系统每隔一段时间就需要校准一次。校准方法必须保证校准工作能随时进行。采用标准反射体校准时必须中断安检工作，在目标区摆放标准反射体后才能进行校准，无法进行实时校准。

3.校准重复性差。采用标准反射体校准时，校准精度易受摆放位置影响。若成像系统在工作一段时间后需要校准，就要在目标区重新摆放标准反射体后才能进行校准。每次重新摆放时很难保证标准反射体处在相同位置和姿态，因此校准重复性差。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法，解决以往方法难以对多通道校准、难以实时校准、校准重复性差的问题。

一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法的具体步骤是：

第一步组建校准系统

校准系统包括：开关阵列、天线阵、金属校准线、幅相一致性校准模块、相对时延校准模块。

开关阵列和天线阵馈线连接。金属校准线置于天线阵的初始位置正前方区域，金属校准线安装角度与地面垂直，金属线与天线阵距离小于等于10厘米。

幅相一致性校准模块的功能为校准开关阵列和天线阵的幅度、相位一致性。

相对时延校准模块的功能为校准开关阵列和天线阵的相对时延。

第二步天线阵测量参考信号

在每次扫描启动时，天线阵正对金属校准线。对天线阵电扫描一次，测量金属校准线上产生的反射信号，所记录的测量信号为校准信号。天线阵对空目标区进行一次扫描以测量校准信号，记录空目标区背景信号。在天线阵远离初始启动位置记录的信号为背景信号。用校准信号减去背景信号作为参考信号。

第三步幅相一致性校准模块校准幅度、相位一致性

幅相一致性校准模块在天线阵中选定一路收发通道作为参考通道，选择位于天线阵中心的收发通道。设天线阵共有N路收发通道，参考通道测量的参考信号是a₀，其他收发通道测量的参考信号是a₁、a₂、...、a_N-1，将其他通道相对于参考通道归一化，计算系统校准值c_j：

c_j＝a_j/a₀(1)

在公式(1)中，c_j为系统校准值，j＝1，2，...，N-1。保存系统校准值，完成收发通道幅度、相位一致性校准。

第四步相对时延校准模块校准相对时延

幅相一致性校准模块完成校准后，相对时延校准模块校准参考通道的相对时延。根据天线阵与成像中心的距离确定信号传播时延理论值T₁。设天线阵与成像中心的距离为d₁，则成像中心相对时延的理论值：

T₁＝2d₁/c(2)

在公式(2)中，c为自由空间光速。

根据天线阵与金属校准线的距离确定传播路径时延理论值T₂。设天线阵中心与金属校准线的距离为d₂，天线阵的发射、接收天线中心距离为d₃，则金属校准线相对时延的理论值为：

$T_2=\sqrt{d_2^2+{\left(\frac{d_3}{2}\right)}^2}/c---\left(3\right)$

设天线阵辐射出的宽带步进调频信号共有M个离散频点。参考通道测量的参考信号为B₀(f_i)，i＝0，1，2，...，M-1。对B₀(f_i)进行反傅立叶变换，得到信号随时间变化的函数b₀(t_i)，i＝0，1，2，...，M-1。以信号最强反射点的位置作为校准线反射信号时间位置的测量值T₃，即求出b₀(t_i)最大值处的时间位置：

$T_3=\mathrm{\Δt}\underset{i=\mathrm{0,1},...,M-1}{\arg \max }\left[b_0\left(t_i\right)\right]---\left(4\right)$

在公式(4)中，Δt是时间步长，Δt＝1/W，W是测量信号带宽。

天线阵到成像中心的实际相对时延T₄为：

T₄＝T₃-T₂+T₁(5)

相对时延对宽带步进调频信号不同频率分量将产生不同的相位修正值。在进行成像测量时，由相对时延测量值T₄计算相位修正值c_T：

c_T＝exp(j2πT₄f_i)，i＝0，1，2，...，M-1(6)

在公式(6)中，f_i为步进调频信号的频率点，i＝0，1，2，...，M-1。至此，完成一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法。

本方法采用金属线对成像系统进行近场校准。校准过程包括两部分：首先对收发通道幅度、相位一致性进行实时校准，其次对收发通道不同频段的时延特性进行实时校准。由于金属校准线对于天线阵所有单元反射系数都相同，所以能直接校准所有通道的幅度、相位一致性。金属校准线结构对天线阵辐射场扰动小，因此校准重复性好，能保证校准精度。校准方法只需要对空目标区进行一次测量就能完成校准，无需摆放校准反射体，校准时间少于成像测量时间，可在系统工作间隙随时进行实时校准。因此与采用标准反射体的校准方法相比，本发明提出的近场实时校准方法能解决成像系统多通道校准和实时校准的问题，校准重复性好。

具体实施方式

一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法的具体步骤是：

第一步组建校准系统

校准系统包括：开关阵列、天线阵、金属校准线、幅相一致性校准模块、相对时延校准模块。

开关阵列和天线阵馈线连接。金属校准线置于天线阵的初始位置正前方区域，金属校准线安装角度与地面垂直，金属线与天线阵距离10厘米。

幅相一致性校准模块的功能为校准开关阵列和天线阵的幅度、相位一致性。

相对时延校准模块的功能为校准开关阵列和天线阵的相对时延。

第二步天线阵测量参考信号

在每次扫描启动时，天线阵正对金属校准线。对天线阵电扫描一次，测量金属校准线上产生的反射信号，所记录的测量信号为校准信号。天线阵对空目标区进行一次扫描以测量校准信号，记录空目标区背景信号。在天线阵远离初始启动位置记录的信号为背景信号。用校准信号减去背景信号作为参考信号。

第三步幅相一致性校准模块校准幅度、相位一致性

幅相一致性校准模块在天线阵中选定一路收发通道作为参考通道，选择位于天线阵中心的收发通道。设天线阵共有N路收发通道，参考通道测量的参考信号是a₀，其他收发通道测量的参考信号是a₁、a₂、...、a_N-1，将其他通道相对于参考通道归一化，计算系统校准值c_j：

c_j＝a_j/a₀(1)

在公式(1)中，c_j为系统校准值，j＝1，2，...，N-1。保存系统校准值，完成收发通道幅度、相位一致性校准。

第四步相对时延校准模块校准相对时延

幅相一致性校准模块完成校准后，相对时延校准模块校准参考通道的相对时延。根据天线阵与成像中心的距离确定信号传播时延理论值T₁。设天线阵与成像中心的距离为d₁，则成像中心相对时延的理论值：

T₁＝2d₁/c(2)

在公式(2)中，c为自由空间光速。

根据天线阵与金属校准线的距离确定传播路径时延理论值T₂。设天线阵中心与金属校准线的距离为d₂，天线阵的发射、接收天线中心距离为d₃，则金属校准线相对时延的理论值为：

$T_2=\sqrt{d_2^2+{\left(\frac{d_3}{2}\right)}^2}/c---\left(3\right)$

设天线阵辐射出的宽带步进调频信号共有M个离散频点。参考通道测量的参考信号为B₀(f_i)，i＝0，1，2，...，M-1。对B₀(f_i)进行反傅立叶变换，得到信号随时间变化的函数b₀(t_i)，i＝0，1，2，...，M-1。以信号最强反射点的位置作为校准线反射信号时间位置的测量值T₃，即求出b₀(t_i)最大值处的时间位置：

$T_3=\mathrm{\Δt}\underset{i=\mathrm{0,1},...,M-1}{\arg \max }\left[b_0\left(t_i\right)\right]---\left(4\right)$

在公式(4)中，Δt是时间步长，Δt＝1/W，W是测量信号带宽。

天线阵到成像中心的实际相对时延T₄为：

T₄＝T₃-T₂+T₁(5)

相对时延对宽带步进调频信号不同频率分量将产生不同的相位修正值。在进行成像测量时，由相对时延测量值T₄计算相位修正值c_T：

c_T＝exp(j2πT₄f_i)，i＝0，1，2，...，M-1(6)

在公式(6)中，f_i为步进调频信号的频率点，i＝0，1，2，...，M-1。至此，完成一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法。

Claims (1)

1.一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

第一步组建校准系统

校准系统包括：开关阵列、天线阵、金属校准线、幅相一致性校准模块、相对时延校准模块；

开关阵列和天线阵馈线连接；金属校准线置于天线阵的初始位置正前方区域，金属校准线安装角度与地面垂直，金属线与天线阵距离小于等于10厘米；

幅相一致性校准模块的功能为校准开关阵列和天线阵的幅度、相位一致性；

相对时延校准模块的功能为校准开关阵列和天线阵的相对时延；

第二步天线阵测量参考信号

在每次扫描启动时，天线阵正对金属校准线；对天线阵电扫描一次，测量金属校准线上产生的反射信号，所记录的测量信号为校准信号；天线阵对空目标区进行一次扫描以测量校准信号，记录空目标区背景信号；在天线阵远离初始启动位置记录的信号为背景信号；用校准信号减去背景信号作为参考信号；

第三步幅相一致性校准模块校准幅度、相位一致性

幅相一致性校准模块在天线阵中选定一路收发通道作为参考通道，选择位于天线阵中心的收发通道；设天线阵共有N路收发通道，参考通道测量的参考信号是a₀，其他收发通道测量的参考信号是a₁、a₂、...、a_N-1，将其他通道相对于参考通道归一化，计算系统校准值c_j：

c_j＝a_j/a₀(1)

在公式(1)中，c_j为系统校准值，j＝1，2，...，N-1；保存系统校准值，完成收发通道幅度、相位一致性校准；

第四步相对时延校准模块校准相对时延

幅相一致性校准模块完成校准后，相对时延校准模块校准参考通道的相对时延；根据天线阵与成像中心的距离确定信号传播时延理论值T₁；设天线阵与成像中心的距离为d₁，则成像中心相对时延的理论值：

T₁＝2d₁/c(2)

在公式(2)中，c为自由空间光速；

根据天线阵与金属校准线的距离确定传播路径时延理论值T₂；设天线阵中心与金属校准线的距离为d₂，天线阵的发射、接收天线中心距离为d₃，则金属校准线相对时延的理论值为：

$T_2=\sqrt{d_2^2+{\left(\frac{d_3}{2}\right)}^2}/c---\left(3\right)$

设天线阵辐射出的宽带步进调频信号共有M个离散频点；参考通道测量的参考信号为B₀(f_i)，i＝0，1，2，...，M-1；对B₀(f_i)进行反傅立叶变换，得到信号随时间变化的函数b₀(t_i)，i＝0，1，2，...，M-1；以信号最强反射点的位置作为校准线反射信号时间位置的测量值T₃，即求出b₀(t_i)最大值处的时间位置：

$T_3=\mathrm{\Δt}\underset{i=\mathrm{0,1},...,M-1}{\arg \max }\left[b_0\left(t_i\right)\right]---\left(4\right)$

在公式(4)中，Δt是时间步长，Δt＝1/W，W是测量信号带宽；

天线阵到成像中心的实际相对时延T₄为：

T₄＝T₃-T₂+T₁(5)

相对时延对宽带步进调频信号不同频率分量将产生不同的相位修正值；在进行成像测量时，由相对时延测量值T₄计算相位修正值c_T：

c_T＝exp(j2πT₄f_i)，i＝0，1，2，...，M-1(6)

在公式(6)中，f_i为步进调频信号的频率点，i＝0，1，2，...，M-1；至此，完成一种用于人体毫米波成像安检系统的近场实时校准方法。