CN102288959A - 一种毫米波焦平面被动成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波焦平面被动成像系统及方法。系统包括天线、辐射计接收机、系统控制模块、数据采集装置、阵列信号调理电路、数据处理与成像模块和电源模块。天线包括抛物面天线以及焦面上由多个馈源天线组成的阵列。先进行整体定标，之后对待测目标进行扫描，获得目标辐射能量数据。辐射计接收机对所接收的数据进行放大、检波后，送入阵列信号调理电路进行电压调节；经电压调节后的数据送入数据采集装置中进行A/D转换，再按照定标方程将每一路接收机输出的电压数据转换成辐射温度值。最后，将其转换成灰度值图像。本发明极大提高了辐射计的温度灵敏度和成像的数据率，具有高精度、高空间分辨率的综合指标优势。

Description

一种毫米波焦平面被动成像系统及方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波焦平面被动成像系统及方法，用于测量获取诸如建筑、道路、车辆等目标的毫米波辐射图像，为目标观测、发现与识别提供依据，属于被动微波成像技术领域。 

背景技术

毫米波段位于红外与微波之间，除具有红外和微波的共同特征外，还具备其自身特有的性能。与红外相比，毫米波遭受更少的大气衰减，区别金属目标和周围环境的能力强；与微波相比，毫米波的指向性好、抗干扰能力强、探测性能好。因此，毫米波辐射探测在恶劣天气或扬沙烟尘等条件下比光电探测更为有效。它具有良好的烟尘、云雾、沙暴和雨雪的穿透能力，能适应恶劣的外部环境，全天候、全天时工作，这对环境遥感探测、侦察等应用是十分重要和有益的。 

毫米波成像分为主动成像和被动成像两种。主动成像就是通常所说的毫米波雷达成像。而被动成像是指依靠毫米波的大气传播窗口，接收(地面或空中)物体及背景的热辐射能量来探测物体的特性并产生高分辨率图像，这种图像能够产生反映出景物各部分温差和辐射能力的差异，以用来观察和分析景物的特性。相对于主动成像，被动成像具有其固有的优点： 

其一，被动式图像是通过检测物体辐射的能量得到的，在毫米波段与可见光段的原理是一样的，因而被动毫米波图像与可见光图像很相近，有利于物体辨认，而主动系统如雷达，其成像要受闪烁效应等影响难以直接显现物体的自然形状； 

其二，被动式成像不发射电磁波，因而没有电磁污染，比主动式更适于隐匿工作。此外，理论分析还表明，各种涂层隐身材料对雷达的隐身性能越好，就越容易被被动探测系统发现； 

其三，就探测金属目标而言，被动毫米波成像还有一个显著的优点：金属目标的发射率很低，它仅仅是反射天空的辐射，而天空温度在一定时空范围内 基本不变，因而金属目标的毫米波特征很稳定，昼夜变化及车辆行止等对被动毫米波系统的成像品质影响都不大。 

由于被动毫米波成像的突出特点，它的应用范围不断扩大，其发展对巩固国防和发展国民经济都有重大意义。 

近三十年来，世界上技术先进的国家都对毫米波辐射计成像技术给予了极大的关注，使其得到了飞速的发展。由于机载、弹载、星载等应用场合的积分时间短而又要求辐射计系统具有较高的温度灵敏度，自上世纪八十年代以来，随着毫米波集成电路(MMIC)的日趋成熟、高速VISI器件以及信号处理新方法的不断涌现，被动毫米波成像技术正令人瞩目地由过去的机械扫描成像朝高性能的多波束成像方向发展。 

毫米波多波束成像技术目前主要有三种实现途径：单孔二维机械扫描成像、合成孔径成像、焦平面阵列成像。其中，焦平面成像体制已成为被动毫米波成像的主要体制。 

发明内容

本发明的目的是为了提高毫米波被动成像系统的实时性，提出一种毫米波焦平面被动成像系统及方法。 

其基本原理是：通过构建一维并扫线阵焦平面被动成像系统，将多元单片式探测器阵列置于较大口径的抛物反射面或者透镜天线(统称为聚焦天线))的焦面，利用馈源阵列的偏焦，把收集到的目标、背景的毫米波辐射能量聚焦于馈源阵列上。这样，可以产生多个不同指向的高增益固定波束覆盖视场，实现在同一时间内比较多个波束接收能量的差异，从而极大提高了辐射计的温度灵敏度和成像的数据率。 

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下： 

一种毫米波焦平面被动成像系统，包括天线、辐射计接收机、系统控制模块、数据采集装置、阵列信号调理电路、数据处理与成像模块和电源模块。 

一、天线模块 

该模块用于接收目标发出的毫米波热辐射能量，包括焦平面阵列馈源喇叭天线和焦平面阵列抛物面天线。 

所述焦平面阵列抛物面天线用于获取多个不同指向的窄天线波束。该天线 包括抛物面天线以及焦面上由多个馈源天线组成的阵列。馈源天线用于在有限的天线口径内获得较高天线增益。 

特别的，本发明所述系统的馈源天线在焦平面区域偏移排布为横向偏焦。优选的，由于横向偏焦会引起波束变形、增益下降，因此需要考虑所能允许的最大波束偏移角。焦径比与增益之间的关系为： 

$x=\frac{N_{\max }{(D/f)}^2}{1+0.02{(D/f)}^2}$

其中，x为对应天线增益下降的数值，N_max为单侧偏馈扫描的最大半功率波瓣数，f为抛物面天线焦距，D为抛物面天线口径。 

例如，对于横向偏焦在1dB增益损失(Rayleigh限制)情况下，针对10dB锥削照射，单侧偏馈扫描的最大半功率波瓣数N_max为： 

N_max＝0.44+22(f/D)²

其中，f为抛物面天线焦距，D为抛物面天线口径。 

特别的，当采用旋转对称抛物面天线时，为了获得高空间分辨率，旋转抛物面口径D满足： 

${\mathrm{\θ}}_{3\mathrm{dB}}\≈1.22\frac{\mathrm{\λ}}{D}$

其中θ_3dB对应空间分辨率，λ为波长。 

由于相邻馈源间隔决定了在俯仰方向的空间分辨率，为了满足当处于中间的馈源天线输出最大值时，两侧的馈源天线也能有明显输出，要求按照相邻天线波束在3dB处相交。相邻馈源口面中心距离X₀为： 

$X_0\≈1.22\mathrm{\λ}\frac{f}{D}$

当在有限空间内需要排布较多的馈源天线时，要采用二维线性偏移排列，即将馈源天线呈品字形排列。由于品字排列带来的不同天线方向图在水平方向存在的角度偏移，可通过后续方向图测量找出差异角度，并在后续数据处理时通过错位来弥补。 

二、辐射计接收机 

用于对天线接收的信号进行低噪声放大，并进行检波处理。 

三、系统控制模块 

用于在对目标视场进行探测时，控制天线、接收机、数据采集模块等按照预设的参数工作，并实时存储方位、俯仰角度、原始采集数据等。 

四、数据采集装置 

用于将被测目标的各种参量通过传感器作适当转换后，经信号采样、量化、编码与传输，送至数据处理与成像模块进行存储、分析和处理。该采集装置所拥有的通道数要求不低于馈源天线个数，基于在一个波束宽度内至少采集两点并实现0.56°空间分辨率。 

五、阵列信号调理电路 

为保证辐射计接收机输出的信号不超出数据采集装置的输入电压范围，要在辐射计的视频放大部分加入直流偏置调节功能，采用阵列信号调理电路实现。 

六、数据处理与成像模块 

该模块负责根据原始采集数据，按照定标方程将每一路接收机输出的电压数据转换成辐射温度值，最后将其转换成灰度值图像并保存。 

特别的，当系统选用旋转对称抛物面天线且馈源天线呈品字形排列情况下，要首先对原始采集数据进行错位补偿。 

七、电源模块 

电源模块负责给上述各组成部分提供满足要求的直流电源。 

为便于辐射计接收机和阵列信号调理电路与电源以及数据采集装置的连接，电源模块中包括一块转接板，用于保证每一路辐射计接收机具有符合要求的实际供电电压。辐射计接收机通过连接器与转接板连接。稳压电源通过连接器和单芯屏蔽导线与转接板连接。在转接板上对供电电源进行分路，分别为辐射计接收机和阵列信号调理电路供电。 

由直流稳压稳流电源至辐射计接收机的供电电缆长度较长，在供电线缆上会存在一定的压降，依靠直流稳压稳流电源输出电压指示不能真实反映每一路辐射计接收机的实际供电电压。利用转接板上的焊点可检测每一路辐射计接收机的实际供电电压。 

此外，由于单路辐射计接收机和阵列信号调理电路的供电与输出有多根连线，在转接板上设计连接器插座，便于安装、调试、故障检测及维修等过程中 每一路电源的插拔。 

上述组成部分的连接关系为： 

天线通过波导口与辐射计接收机相连。辐射计接收机与阵列信号调理电路相连。阵列信号调理电路与数据采集装置相连。数据采集装置与据处理与成像模块。系统控制模块与天线、辐射计接收机分别相连。电源模块与辐射计接收机、系统控制模块、数据采集装置、阵列信号调理电路、数据处理与成像模块分别相连。 

一种使用上述系统进行毫米波焦平面被动成像的方法： 

首先，启用电源。然后，采用整体定标方式对噪声辐射源进行定标。定标时，要改变噪声辐射源的辐射量，得到输入天线温度与输出电压指示值的定量关系式： 

V_out＝a(T_A+b) 

其中，T_A为天线温度，V_out为输出电压指示值，a和b为常数，其数值由定标过程确定。 

之后，系统控制模块根据设定参数，控制天线对待测目标进行扫描，获得目标辐射能量数据，并将其送入辐射计接收机中进行处理。

辐射计接收机对所接收的数据进行放大、检波后，送入阵列信号调理电路进行电压调节，保证输出的信号不超出数据采集装置的输入电压范围。 

之后，经电压调节后的数据送入数据采集装置中进行A/D转换，数据处理与成像模块将转换后的数据按照定标方程将每一路接收机输出的电压数据转换成辐射温度值。特别的，如果系统中采用的馈源天线呈二维线性偏移排列，则首先对转换后的数据进行错位补偿。 

最后，将其转换成灰度值图像并保存。 

有益效果 

本发明方法通过采用焦平面结合一维扫描的被动毫米波成像方式，实现了24通道焦平面成像，空间分辨率达到0.56°，温度分辨率达到0.2K。对比现有技术，具有高精度、高空间分辨率的综合指标优势。 

附图说明

图1为毫米波焦平面被动成像系统组成图； 

图2为馈源天线品字形排布图； 

图3为阵列信号调理电路具体实例图； 

其中，1-电源、2-辐射计接收机、3-系统控制模块、4-数据采集装置、5-阵列信号调理电路、6-数据处理与成像模块、7-电源模块 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式做详细说明。 

一种毫米波焦平面被动成像系统，包括天线1、辐射计接收机2、系统控制模块3、数据采集装置4、阵列信号调理电路5、数据处理与成像模块6和电源模块7。 

一、天线模块1 

该模块用于接收目标发出的毫米波热辐射能量，包括焦平面阵列馈源喇叭天线和焦平面阵列抛物面天线。 

所述焦平面阵列抛物面天线用于获取多个不同指向的窄天线波束。该天线包括抛物面天线以及焦面上由多个馈源天线组成的阵列。其中，抛物面天线可选用旋转对称抛物面天线、偏置抛物面天线、卡赛格伦天线等，优选采用旋转对称抛物面天线。馈源天线用于在有限的天线口径内获得较高天线增益，可选用喇叭天线、渐变缝隙天线等，优选采用中国专利申请(申请号：200910243115.2)所述天线。 

特别的，本发明所述系统的馈源天线在焦平面区域偏移排布为横向偏焦。由于横向偏焦会引起波束变形、增益下降，因此需要考虑所能允许的最大波束偏移角。焦径比与增益之间的关系为： 

$x=\frac{N_{\max }{(D/f)}^2}{1+0.02{(D/f)}^2}$

其中，x为对应天线增益下降的数值，N_max为单侧偏馈扫描的最大半功率波瓣数，f为抛物面天线焦距，D为抛物面天线口径。例如，对于横向偏焦在1dB增益损失(Rayleigh限制)情况下，针对10dB锥削照射，单侧偏馈扫描的最大半功率波瓣数N_max为： 

N_max＝0.44+22(f/D)²

其中，f为抛物面天线焦距，D为抛物面天线口径。假设要满足24阵元，需选用一维横向偏焦馈源，f/D＝1，则单侧偏馈扫描的最大半功率波瓣数为22。特别的，当采用旋转对称抛物面天线时，为了获得高空间分辨率(本系统中要求空间分辨率＜0.56°)，旋转抛物面口径D满足： 

${\mathrm{\θ}}_{3\mathrm{dB}}\≈1.22\frac{\mathrm{\λ}}{D}$

其中θ_3dB对应空间分辨率，λ为波长。可以得到D＝1m，f＝1m。 

由于相邻馈源间隔决定了在俯仰方向的空间分辨率，为了满足当处于中间的馈源天线输出最大值时，两侧的馈源天线也能有明显输出，要求按照相邻天线波束在3dB处相交，则相邻馈源口面中心的夹角θ为： 

相邻馈源口面中心距离X₀为： 

$X_0\≈1.22\mathrm{\λ}\frac{f}{D}=10\mathrm{mm}$

在实际安装中，由于受限于接收机尺寸，不能满足相邻馈源天线口面中心距离为10mm。因此，当在有限空间内需要排布较多的馈源天线时，要采用二维线性偏移排列，即将馈源天线呈品字形排列，如图2所示，同一侧馈源A、C间隔为20mm，另外一侧的馈源B安装到A、C之间。由于品字排列带来的B和A、C之间的方向图在水平方向存在角度偏移，可通过后续方向图测量找出差异角度，并在后续数据处理时通过错位来弥补。 

二、辐射计接收机2 

用于对天线模块1接收的信号进行低噪声放大，并进行检波处理。为达到理想效果，本发明采用直放式毫米波辐射计接收机。为满足系统灵敏度要求，所采用的接收机接收增益要不低于50dB。 

三、系统控制模块3 

用于在对目标视场进行探测时，控制天线模块1、辐射计接收机2、数据采集装置4等按照预设的参数工作，并实时存储方位、俯仰角度、原始采集数据等。 

四、数据采集装置4 

用于将被测目标的各种参量通过传感器作适当转换后，经信号采样、量化、 编码与传输，送至数据处理与成像模块6进行存储、分析和处理。该采集装置所拥有的通道数要求不低于24个，输入电压范围要在±5V之间。基于在一个波束宽度内至少采集两点并实现0.56°空间分辨率，特别的，当转台转速为2°每秒时，A/D转换时间不得大于0.14秒。基于系统需求，要实现0.2K温度分辨率，模拟信号输入A/D分辩率不小于11bit。 

具体可采用PCI型采集卡等(如AMPCI-9110型采集卡) 

五、阵列信号调理电路5 

为保证辐射计接收机2输出的信号不超出数据采集装置4的输入电压范围，要在辐射计接收机2的视频放大部分加入直流偏置调节功能，采用阵列信号调理电路实现。 

阵列信号调理电路5的一个具体实例如图3所示，通过调节可变电阻R2大小可以改变输出直流偏置电平大小。 

六、数据处理与成像模块6 

该模块负责根据原始采集数据，按照定标方程将每一路接收机输出的电压数据转换成辐射温度值，最后将其转换成灰度值图像并保存。 

特别的，当系统选用旋转对称抛物面天线且馈源天线呈品字形排列情况下，要首先对数据进行错位补偿。 

七、电源模块7 

电源模块7负责给上述各组成部分提供满足要求的直流电源。 

为便于辐射计接收机2和阵列信号调理电路5与电源以及数据采集装置4的连接，电源模块7中包括一块转接板，辐射计接收机6通过连接器与转接板连接。外部的稳压电源通过连接器和单芯屏蔽导线与转接板连接。在转接板上对供电电源进行分路，分别为辐射计接收机2和阵列信号调理电路5供电。 

由于直流稳压稳流电源至辐射计接收机2的供电电缆长度较长，在供电线缆上会存在一定的压降，依靠直流稳压稳流电源输出电压指示不能真实反映每一路辐射计接收机的实际供电电压。利用转接板上的焊点可检测每一路辐射计接收机的实际供电电压。此外，在转接板上设计连接器插座，便于安装、调试、故障检测及维修等过程中每一路电源的插拔。 

上述组成部分的连接关系为： 

天线模块1通过波导口与辐射计接收机2相连。辐射计接收机2与阵列信 号调理电路5相连。阵列信号调理电路5与数据采集装置4相连。数据采集装置4与数据处理与成像模块6连接。系统控制模块3与天线模块1、辐射计接收机2分别相连。电源模块7与辐射计接收机2、系统控制模块3、数据采集装置4、阵列信号调理电路5、数据处理与成像模块6分别相连。 

一种使用上述系统进行毫米波焦平面被动成像的方法： 

首先，启用电源模块7。然后，采用整体定标方式对噪声辐射源进行定标。定标时，要改变噪声辐射源的辐射量，得到输入天线温度与输出电压指示值的定量关系式： 

V_out＝a(T_A+b) 

其中，T_A为天线温度，V_out为输出电压指示值，a和b为常数，其数值由定标过程确定。 

之后，系统控制模块3根据设定参数，控制天线模块1对待测目标进行扫描，获得目标辐射能量数据，并将其送入辐射计接收机2中进行处理。 

辐射计接收机2对所接收的数据进行放大、检波后，送入阵列信号调理电路5进行电压调节，保证输出的信号不超出数据采集装置4的输入电压范围。 

之后，经电压调节后的数据送入数据采集装置5中进行A/D转换，数据处理与成像模块6将转换后的数据按照定标方程将每一路接收机输出的电压数据转换成辐射温度值。特别的，如果系统中采用的馈源天线呈二维线性偏移排列，则首先对转换后的数据进行错位补偿。 

最后，将其转换成灰度值图像并保存。 

Claims (4)

1.一种毫米波焦平面被动成像系统，包括天线模块(1)、辐射计接收机(2)、系统控制模块(3)、数据采集装置(4)、阵列信号调理电路(5)、数据处理与成像模块(6)和电源模块(7)；

其特征在于：

一、天线模块(1)

该模块用于接收目标发出的毫米波热辐射能量，包括焦平面阵列馈源喇叭天线和焦平面阵列抛物面天线；

所述焦平面阵列抛物面天线用于获取多个不同指向的窄天线波束，该天线包括抛物面天线以及焦面上由多个馈源天线组成的阵列；馈源天线用于在有限的天线口径内获得较高天线增益；

所述馈源天线在焦平面区域偏移排布为横向偏焦；同时，要求相邻馈源天线波束在3dB处相交；

二、辐射计接收机(2)

用于对天线模块(1)接收的信号进行低噪声放大，并进行检波处理；

三、系统控制模块(3)

用于在对目标视场进行探测时，控制天线模块(1)、辐射计接收机(2)、数据采集装置(4)等按照预设的参数工作，并实时存储方位、俯仰角度、原始采集数据等；

四、数据采集装置(4)

用于将被测目标的各种参量通过传感器作适当转换后，经信号采样、量化、编码与传输，送至数据处理与成像模块(6)进行存储、分析和处理；该采集装置所拥有的通道数要求不低于馈源天线个数，基于在一个波束宽度内至少采集两点并实现0.56°空间分辨率；

五、阵列信号调理电路(5)

要求具备直流偏置调节能力，保证辐射计接收机(2)输出的信号不超出数据采集装置(4)的输入电压范围；

六、数据处理与成像模块(6)

该模块负责根据原始采集数据，按照定标方程将每一路接收机输出的电压数据转换成辐射温度值，最后将其转换成灰度值图像并保存；

七、电源模块(7) 

电源模块(7)负责给上述各组成部分提供满足要求的直流电源；

为便于辐射计接收机(2)和阵列信号调理电路(5)与电源模块(7)以及数据采集装置(4)的连接，电源模块(7)中包括一块转接板，用于保证每一路辐射计接收机具有符合要求的实际供电电压；辐射计接收机(2)通过连接器与转接板连接；稳压电源通过连接器和单芯屏蔽导线与转接板连接；在转接板上对供电电源进行分路，分别为辐射计接收机(2)和阵列信号调理电路(5)供电；

上述组成部分的连接关系为：

天线模块(1)通过波导口与辐射计接收机(2)相连；辐射计接收机(2)与阵列信号调理电路(5)相连；阵列信号调理电路(5)与数据采集装置(4)相连；数据采集装置(4)与数据处理与成像模块相连(6)；系统控制模块(3)与天线模块(1)、辐射计接收机(2)分别相连；电源模块(7)与辐射计接收机(2)、系统控制模块(3)、数据采集装置(4)、阵列信号调理电路(5)、数据处理与成像模块(6)分别相连；

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述天线模块(1)中采用旋转对称抛物面天线，且旋转抛物面口径D满足：

其中θ_3dB对应空间分辨率，λ为波长，D为抛物面天线口径。

3.如权利要求1所述系统，其特征在于，当在有限空间内排布较多的馈源天线时，采用二维线性偏移排列；同时，在系统成像过程中，数据处理与成像模块(6)首先对转换后的数据进行错位补偿。

4.一种使用权利要求1所述毫米波焦平面被动成像系统进行毫米波焦平面被动成像的方法，其特征在于：

首先，启用电源模块(7)；然后，采用整体定标方式对噪声辐射源进行定标；定标时，要改变噪声辐射源的辐射量，得到输入天线温度与输出电压指示值的定量关系式：

V_out＝a(T_A+b)

其中，T_A为天线温度，V_out为输出电压指示值，a和b为常数，其数值由定标过程确定； 

之后，系统控制模块(3)根据设定参数，控制天线模块(1)对待测目标进行扫描，获得目标辐射能量数据，并将其送入辐射计接收机(2)中进行处理；

辐射计接收机(2)对所接收的数据进行放大、检波后，送入阵列信号调理电路(5)进行电压调节，保证输出的信号不超出数据采集装置(4)的输入电压范围；

之后，经电压调节后的数据送入数据采集装置(4)中进行A/D转换，数据处理与成像模块(6)将转换后的数据，按照定标方程将每一路接收机输出的电压数据转换成辐射温度值；

最后，将其转换成灰度值图像并保存。 

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