CN102540186B - 一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统，包括：天线阵列圆盘支架、伺服控制模块、频率合成模块、发射模块、2个发射天线阵列、2个接收天线阵列、接收模块、延时模块、信号处理模块和显控模块，其中伺服控制模块控制电机的驱动轴以正弦曲线的速率转动并且控制和检测天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从0到M度顺时针旋转，100≤M≤170度，发射天线阵列辐射射频信号到目标的表面并经其反射被接收天线阵列接收，经接收模块对回波信号处理以形成中频回波信号且发给信号处理模块，以由其进行三维成像处理，获取目标的三维图像数据并将其传输到显控模块。其有益效果：设计简单、成本低、图像质量高、分辨率高且成像时间短。

Description

一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统

技术领域

本发明涉及毫米波成像技术领域，特别是涉及一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统。

背景技术

当今，随着毫米波技术和成像技术的发展，产生了许多这两种技术相结合的应用。毫米波成像技术在许多领域都有成熟的应用，比如地图遥感、军事探测、毫米波合成孔径雷达成像，远距离探测地面、海面以及空中目标等。随着科学技术的发展，毫米波器件在国内外基本成熟，可以进行大规模低成本应用。

随着毫米波成像技术的发展，其在各行各业的应用逐渐成熟，应用于近距离成像探测基本成熟，可实现物体表面、人体表面以及其他表面散射特性探测。

目前，在近距离成像方面，有多种成像方法，如可见光、红外以及激光成像等，但是这些成像都有自身的缺陷。可见光无法看到某些隐蔽物下的东西；而红外的成像分辨率和可靠识别性存在一定的问题；激光成像的应用领域比较窄。而毫米波近距离成像可以穿透某些隐蔽物，对隐蔽物下面的东西进行高精度的成像，通过图像检测识别的方法可实现某些特殊东西的甄别。

采用现有的毫米波近距离成像方法成像的图像质量差、分辨率低、成像时间长，采用现有的毫米波近距离成像方法的毫米波成像系统的设计复杂、成本高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统，其包括：天线阵列圆盘支架、伺服控制模块、频率合成模块、发射模块、2个发射天线阵列、2个接收天线阵列、接收模块、延时模块、信号处理模块和显控模块，其中：

天线阵列圆盘支架包括可旋转的中心轴和由该中心轴带动旋转的金属圆形盘；

伺服控制模块用于控制交流伺服电机的驱动轴以正弦曲线的速率转动并且控制和检测天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从0到M度顺时针旋转,100≤M≤170度，其包括：伺服机构、测量反馈机构和伺服控制器，其中：

伺服机构包括交流伺服电机（1）、电机驱动器（2）、电源适配器（3）、减速器（4）和皮带轮（5）；交流伺服电机主轴通过法兰盘连接减速器，减速器驱动皮带轮运动，皮带轮同天线阵列圆盘支架相连，驱动安检门天线阵列圆盘支架完成各种功能运动，交流伺服电机由电机驱动器直接控制，电机驱动器连接电源适配器实现交直流转换为电机系统提供电源并实现保护功能；

测量反馈机构包括光栅尺（7）、光电开关（8），光栅尺（7）安装于天线阵列圆盘支架主轴上，光栅尺（7）读数头固定于天线阵列圆盘支架并随框架转动产生编码信号脉冲从而测量天线阵列圆盘支架旋转的角度信息，光电开关（8）安装于天线阵列圆盘支架（6）顶部与角度指示圆盘相接触，可实现中心零位和极限位置的指示；

伺服控制器包括：交互通信模块、信号采集模块、自检校正控制模块以及伺服机构的扫描曲线控制模块；交互通信模块分为两部分：一部分完成同信号处理分机的通信，接收其下发的指令信号并反馈当前伺服系统状态信息；另一部分完成与电机驱动器的通信，对伺服执行机构实施控制；其中，信号采集模块处理光栅的正交编码脉冲信号以及光电开关信号；自检校正控制模块完成信号处理分机下发的自检校正指令；扫描曲线控制模块完成信号处理分机下发的扫描工组指令；

频率合成模块用于产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、和接收信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本振信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本振信号发送给延时模块，其包括用于产生宽带发射信号的高速直接频率合成器、用于将宽带发射信号倍频到所需频段的倍频器、用于产生射频本振信号的混频器、用于产生基准时钟的晶振；

发射模块用于对来自频率合成模块的宽带发射信号进行功率放大和波形调制，并将其发送给发射天线阵列，其包括用于功率放大的固态功率放大器和用于波形调制的发射波形调制器；

发射天线阵列，用于辐射射频信号，每一个发射天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，每一个天线阵列有N路电开关以控制发射通道的分时工作，即开通和关断，其中64≤N≤256；

接收天线阵列，用于接收回波信号，每一个接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，每一个天线阵列有N路电开关以控制接收通道的分时工作，即开通和关断，其中64≤N≤256；

延时模块用于对接收到的射频本振信号进行精确延时以使其相位与从目标的中心表面反射的射频回波信号的相位一致，并将延时的射频本振信号发送给接收模块；

接收模块包括用于功率放大的低噪声功率放大器、用于滤波的滤波器和用于将射频回波信号变换到中频回波信号的混频器，其中低噪声功率放大器将接收到的射频回波信号的功率放大至与接收到的射频本振信号的功率近似相等或者在同一数量级，该滤波器对经功率放大的射频回波信号进行滤波，混频器将经过功率放大和滤波的射频回波信号和接收到的射频本振信号进行混频以将该射频回波信号变换到中频回波信号并将其传输给信号处理模块；

信号处理模块用于产生指示频率合成模块产生各种信号的控制命令、根据基准时钟产生成像装置的工作时序、对中频回波信号进行采样和数字下变频，进行三维成像处理，获取目标的三维图像数据并将其传输到显控模块，其包括：用于对中频回波信号进行采样的高速模数转换器、用于对采样后的数字中频回波信号进行下变频的可编程逻辑器件、用于对经数字下变频的回波数据进行三维成像处理的数字信号处理器、存储器、用于将三维图像数据高速发送给显控模块的光电转换器；

显控模块用于将接收到的三维图像数据实时显示成三维图像。

本发明的有益效果是：

本发明的毫米波成像系统在距离目标物体的表面1米范围内进行毫米波扫描成像，其结构设计简单、成本低、图像质量高、分辨率可高达厘米级且成像时间短，可实现目标物体表面的不同角度的多幅三维立体图像。

附图说明

图1是本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统的结构立体示意图；

图2是本发明的天线阵列形式的示意图；

图3是本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统的结构框图；

图4是本发明的毫米波成像装置的工作时序图；

图5是伺服控制器模块框图。

其中：1-交流伺服电机，2-电机驱动器，3-电源适配器，4-减速器，5-皮带轮，6-天线阵列圆盘支架，7-光栅尺，8-光电开关，9-伺服控制器，10-信号采集模块，11-自检校正控制模块，12-扫描曲线控制模块，13-交互通信模块，14-信号处理分机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细描述。

本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统包括：2个发射天线阵列、2个接收天线阵列、天线阵列圆盘支架、发射模块、接收模块、伺服控制模块、频率合成模块、延时模块、信号处理模块和显控模块；其中：

天线阵列圆盘支架包括可旋转的中心轴和由该中心轴带动旋转的金属圆形盘。该圆形盘的半径在0.5-2米之间。

在天线阵列圆盘的边缘以螺钉形式固定2组发射天线阵列和接收天线阵列对，其中每一组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是0.5-5cm，优选间隔是2cm，更优选间隔是1cm。该2组发射天线阵列和接收天线阵列对以相对且在一条直线上的方式安装在天线阵列圆盘支架的边缘两端，每个天线阵列是以竖直方式固定在圆盘的边缘上，如图1所示。另外，每一组发射天线阵列和接收天线阵列对是等长的，如图2所示。

伺服控制模块用于控制交流伺服电机的驱动轴以一种正弦曲线的速率转动和控制和检测天线阵列圆盘支架的旋转角度，以使其可以正反旋转100度，或者100度-170度之间的任意角度，如140度。

该伺服控制模块包括伺服机构、测量反馈机构和伺服控制器，其中：

伺服机构由交流伺服电机1、电机驱动器2、电源适配器3、减速器4和皮带轮5构成。交流伺服电机1作为控制动力的出处，带动传动机构以及天线阵列圆盘支架运动。电机驱动器2接收伺服控制器的运动指令信号并转化为交流伺服电机1的控制脉冲并结合交流伺服电机1轴端配置的编码器信号直接控制电机运动的速度和位置，使得该电机的驱动轴以一种正弦曲线的速率转动。本发明所使用的是GV6驱动器及其配套的N0系列的交流伺服电机1，具有控制参数可调节、速度位置易规划等特点。电源适配器3将交流电源转换为直流电源并具备整流功能，为电机及驱动器实现电源供给且可实现过压保护功能，其连续输出功率300W，最大输出功率为9KW。电机的输出轴经过减速器及皮带轮构成的传动机构带动天线阵列圆盘支架运动，系统总的减速比为86.2367。

测量反馈机构由光栅尺7、光电开关8构成。光栅尺7安装于天线阵列圆盘支架6的中心轴上，其绝对零位处于天线阵列圆盘支架6运行范围的中心位置，光栅尺7读数头固定于天线阵列圆盘支架6并随支架转动产生正交编码脉冲信号解算角度信息。本发明使用的光栅尺7为RESD系列的增量式圆光栅，增量式光栅尺7较绝对式光栅尺7系统连线少、接口简单，其刻线数为32768，系统精度能达到1.08角秒，适高速系统及精度要求很高的测量场合。该伺服控制模块配备两个光电开关8，配合角度限位及运行中心指示圆盘使用，安装于天线阵列圆盘支架6的顶部，可指示极限位置以及粗精度的中心位置。光电开关8具有无触点、无机械碰撞、响应速度快的特点，可以满足本发明中设计的限位功能应用。

伺服控制器9的结构框图如图5所示，伺服控制器9包括交互通信模块13、信号采集模块10、自检校正控制模块11以及伺服机构的扫描曲线控制模块12，伺服控制器9采用TI公司的TMS320F2812作为主控芯片处理整个控制流程。

交互通信模块13包括同信号处理分机14进行工作指令及工作状态的交互，以及同电机驱动器2运动曲线规划控制指令的交互。此模块可通过RS422/RS232实现串口通信，同信号处理分机14的通信协议包括帧头、指令字、状态字、帧计数以及校验位信息；同电机驱动器2的通信协议满足驱动器的设计要求。

信号采集模块10需处理光栅的正交编码脉冲信号以及光电开关8信号。光栅信号通过光栅尺7读数头连接器同伺服控制器相连接，经正交编码脉冲计数器芯片处理后与DSP通过并口进行数据通信，DSP定时采集计数器芯片的计数值。光电开关8信号经电平转换后连接到DSP上，供主控芯片采集。

自检校正控制模块11完成信号处理分机下发的自检校正指令，实现天线阵列圆盘支架精准回零，并为扫描工作指令做准备。

扫描曲线控制模块12完成信号处理分机下发的扫描工作指令，最终实现天线阵列圆盘支架按照扫描曲线运行。

伺服控制器按照两种模式进行：

第一模式：完成自检校正，自检校正工作过程中由伺服控制器9采集光栅尺7读数头信号计算出负载位置并控制电机进行回零运动，完成校正后，将伺服状态信息上报信号处理分机等待下发工作指令，具体工作如下：

控制器收到自检校正指令后，驱动电机运动15度停止，系统采集运动过程中经过的总线数，以及相邻两个Z脉冲处的线数值。根据上述算法计算运动过程中经过第一个Z脉冲处的绝对线数，由此可计算出负载当前的绝对线数。根据绝对位置换算控制电机使天线阵列圆盘支架6运行至零位处完成回零工作。为准备执行扫描工作，控制天线阵列圆盘支架6运行至+55度位置处，并上传信号处理分机完成自检校正。

第二模式：完成扫描工作，扫描工作过程中由伺服控制器9按照预定的扫描运动曲线计算参数并装订电机驱动器2使天线阵列圆盘支架6进行扫描运动。其工作过程为：

通过中心指示光电开关8信号判断天线阵列圆盘支架6当前相对零位的方向，并控制天线阵列圆盘支架6进行扫描运动，运行结束后发送扫描完成状态字。由于自检校正指令或每次扫描工作结束后电机已经运行至工作准备角度处，且扫描工作每次运行的角度以及规划曲线固定不变，因此仅需判断零位方向来确定下次扫描运动的方向，并控制天线阵列圆盘支架6按预定曲线运动。

发射天线阵列用于辐射射频信号，发射天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，天线阵列有N路电开关以控制发射通道的分时工作，即开通和关断。在本发明中，N在64-256之间，优选208个。两个天线单元之间间隔大小为一个波长λ。

接收天线阵列用于接收射频回波信号，接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，天线阵列有N路电开关以控制接收通道的分时工作，即开通和关断。在本发明中，N在64-256之间，优选208个。两个天线单元之间间隔大小为一个波长λ。

发射和接收天线单元的形式有多种，可以是微带天线、波导缝隙天线、偶极子以及喇叭口天线等。发射和接收天线单元的大小可以是长和宽均为一个波长λ，天线单元的波束宽度是30-120度，优选60度。

频率合成模块用于产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、和接收信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本振信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本振信号发送给延时模块。其包括：用于产生宽带发射信号的高速直接频率合成器（简称：高速DDS）、用于将宽带发射信号倍频到所需频段的倍频器、用于产生射频本振信号的混频器、用于产生基准时钟的晶振等。在本发明中，该高速DDS产生的宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽τ为10us。倍频器将高速DDS产生的宽带发射信号倍频到20GHz到40GHz之间或者90GHz到110GHz之间。基准时钟为60MHz。

延时模块用于对接收到的射频本振信号进行精确延时以使其相位与从目标的中心表面反射的射频回波信号的相位一致，并将延时的射频本振信号发送给接收模块。

发射模块用于对来自频率合成模块的宽带发射信号进行功率放大和波形调制，并将其发送给发射天线阵列，其包括用于功率放大的固态功率放大器和用于波形调制的发射波形调制器。

接收模块用于对接收到的射频回波信号进行功率放大、滤波、混频等处理，实现将射频回波信号变换到中频回波信号，其包括用于功率放大的低噪声功率放大器、用于滤波的滤波器和用于将射频回波信号变换到中频回波信号的混频器等。

具体过程是：低噪声功率放大器将接收到的射频回波信号的功率放大至与接收到的射频本振信号的功率近似相等或者在同一数量级即可，接着该滤波器对经功率放大的射频回波信号进行滤波，然后混频器将经过功率放大和滤波的射频回波信号和接收到的射频本振信号进行混频以将该射频回波信号变换到中频回波信号并将其传输给信号处理模块。

信号处理模块用于产生指示频率合成模块产生各种信号的控制命令、根据基准时钟产生成像装置的工作时序、对中频回波信号进行采样和数字下变频，进行三维成像处理，获取目标的三维图像数据并将其传输到显控模块。其包括：用于对中频回波信号进行采样的高速模数转换器、用于对采样后的数字中频回波信号进行下变频的可编程逻辑器件、用于对经数字下变频的回波数据进行三维成像处理的数字信号处理器、存储器、用于将三维图像数据高速发送给显控模块的光电转换器等。工作时序图可以如图4所示。

显控模块用于将接收到的三维图像数据实时显示成三维图像。还可以通过显控模块的人机交互界面向伺服控制模块和信号处理模块输入工作参数和发出控制指令。例如，该显控模块可以是一台带有显示屏幕的计算机。

图3是本实用新型的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像系统的结构框图。

下面介绍一下本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统的工作过程：

首先在系统上电启动后，各模块进行初始化设置和自检，并进行成像系统中的发射天线阵列和接收天线阵列的收发通道以及辐相特性校正；接着伺服控制模块开始控制电机的驱动轴以一种正弦曲线的速率转动，从而带动天线阵列圆盘支架旋转，并且伺服控制模块控制和测量天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从0到140度正向（顺时针）旋转，在此过程中，频率合成模块产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、接收到信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本振信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本振信号发送给延时模块，该发射模块将宽带发射信号进行功率放大和波形调制并发送给发射天线阵列；信号处理模块接收到基准时钟后产生一个工作时序，由此控制发射和接收天线阵列的N个天线单元中的第i（1≤i≤N）个发射和接收通道开启以及其余的发射和接收通道关断，由发射天线阵列的第i个天线单元向外辐射宽带发射信号，该宽带发射信号到达目标的表面并反射到接收天线阵列并由其第i个天线单元接收到该射频回波信号并将其发送给接收模块，而延时模块将接收到的射频本振信号进行精确延时以使其相位与从目标的中心表面反射的射频回波信号的相位一致，然后将该延时的射频本振信号发送给接收模块，该接收模块中的低噪声功率放大器将接收到的射频回波信号的功率放大至与接收到的射频本振信号的功率相等或者近似相等或者在同一数量级即可，接着该接收模块中的滤波器对经功率放大的射频回波信号进行滤波，然后混频器将经过功率放大和滤波的射频回波信号和接收到的射频本振信号进行混频以将该射频回波信号变换到中频回波信号，该中频回波信号的中心频率优选是60MHz，最后再将该中频回波信号传输给信号处理模块；该信号处理模块中的高速模数转换器对输入的中频回波信号进行采样，将其转换为数字回波信号并发送给可编程逻辑器件，该可编程逻辑器件将数字回波信号下变频到基带信号并将其保存到存储器中；……，以此方式，将N个通道的经下变频的数字回波数据保存到存储器中，此时保存的回波数据仅仅是天线阵列圆盘支架在0度位置时通过天线阵列扫描得到的回波数据。

可以以任意设定的角度间隔进行扫描来获得回波数据，例如角度间隔为0.2-1度。优选地，天线阵列圆盘支架每旋转0.1度，天线阵列扫描一次目标物体，当然也可以是每旋转1度扫描一次。

当天线阵列圆盘支架旋转到140度并且所有回波数据都保存到存储器中后，此时数字信号处理器从存储器中读取所有回波数据并进行三维成像处理，其中采用公知的图像处理算法来处理回波数据，如BP算法，得到毫米波三维图像数据；再通过光电转换器将该毫米波三维图像数据发送给显控模块。该显控模块将毫米波三维图像显示在屏幕上。另外，工作人员也可以通过显控模块的人机交互界面向伺服控制模块和信号处理模块输入工作参数和发出控制指令。

上述工作过程完成了对一个目标物体的三维成像，此时天线阵列圆盘支架正向旋转140度。本领域的技术人员都知道，也可以将天线阵列圆盘支架正向旋转120、160度或170度等来完成对目标物体的扫描和三维成像。

上述自检的目的主要获取收发通道的初始幅度和相位的信息，利用该信息进行的收发通道以及辐相特性的校正，使得每个收发通道的辐相特性一致。

当开始对下一个目标物体进行扫描成像时，天线阵列圆盘支架刚好可以反向旋转如140度来完成整个三维成像过程。当然，本领域的技术人员都知道，也可以先执行反向旋转对一个目标物体进行扫描成像，再执行正向旋转对下一个目标物体进行扫描成像。

下面介绍一下本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统的成像方法：

第一步：成像系统上电，各模块进行初始化设置和自检，并进行发射天线阵列和接收天线阵列的收发通道以及辐相特性校正。

自检的目的主要获取收发通道的初始幅度和相位的信息，利用该信息进行的收发通道以及辐相特性的校正，使得每个收发通道的辐相特性一致。

第二步：伺服控制模块开始控制电机的驱动轴以一种正弦曲线的速率转动，从而带动天线阵列圆盘支架旋转，并且伺服控制模块控制和测量天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从0到M度顺时针旋转,100≤M≤170度。

第三步：频率合成模块产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、接收到信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本振信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本振信号发送给延时模块。

第四步：发射模块将宽带发射信号进行功率放大和波形调制并发送给发射天线阵列。

第五步：信号处理模块接收到基准时钟后产生一个工作时序，由此控制发射和接收天线阵列的N个天线单元中的第i（1≤i≤N）个发射和接收通道开启以及其余的发射和接收通道关断，由发射天线阵列的第i个天线单元向外辐射宽带发射信号。

第六步：该宽带发射信号到达目标的表面并反射到接收天线阵列并由其第i个天线单元接收到该射频回波信号并将其发送给接收模块。

第七步：延时模块将接收到的射频本振信号进行精确延时以使其相位与从目标的中心表面反射的射频回波信号的相位一致，然后将该延时的射频本振信号发送给接收模块。

第八步：接收模块中将接收到的射频回波信号的功率放大至与接收到的射频本振信号的功率相等或近似相等或者在同一数量级，接着该接收模块中的滤波器对经功率放大的射频回波信号进行滤波，然后混频器将经过功率放大和滤波的射频回波信号与接收到的射频本振信号进行混频以将该射频回波信号变换到中频回波信号，最后再将该中频回波信号传输给信号处理模块。

第九步：该信号处理模块中的高速模数转换器对输入的中频回波信号进行采样，将其转换为数字回波信号并发送给可编程逻辑器件，可编程逻辑器件将数字回波信号下变频到基带信号并将其保存到存储器中。

第十步：重复步骤三至步骤九，直到将N个通道的经下变频的数字回波数据保存到存储器中，由此完成天线阵列圆盘支架在0度位置时通过天线阵列扫描得到的回波数据。

第十一步：天线阵列圆盘支架每旋转0.2度至1度之间的任一角度，天线阵列扫描一次目标物体，重复步骤三至步骤十，……直到天线阵列圆盘支架旋转到M度，可编程逻辑器件将扫描得到的N个通道的数字回波信号下变频到基带信号并将其保存到存储器中。

第十二步：数字信号处理器从存储器中读取所有回波数据并进行三维成像处理，其中采用公知的图像处理方法来处理回波数据，得到毫米波三维图像数据。

公知的图像处理方法可以是RD方法、BP方法、CS方法、wk方法和后向散射方法等。本发明优选采用BP方法来处理回波数据。

第十三步：数字信号处理器将该毫米波三维图像数据发送给光电转换器，由此将电信号转换为光信号，并且以光信号的方式将毫米波三维图像数据发送给显控模块。

第十四步：该显控模块将毫米波三维图像显示在屏幕上。

优选的，M为120度、140度或160度。

优选的，N为在64-256之间的值，优选的，N=208。

优选的，宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽τ为10us。

优选的，基准时钟为60MHz。

优选的，中频回波信号的中心频率是60MHz。

优选的，天线阵列圆盘支架每旋转0.5度，天线阵列扫描一次目标物体。

本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统及成像方法的优点：

（1）该成像系统采用了基于高速DDS的信号产生方案，使得控制电路设计简单，通过倍频可实现大带宽，并且不需要进行频率线性校正，系统复杂度降低，成本低。

（2）该成像系统为全相参体制，有利于回波信号的相参积累，可获得高质量的图像，降低了对系统成像补偿的要求。

（3）该成像系统采用将回波信号数字下变频到基带信号的方案，避免了模拟下变频带来的通道不一致性对成像质量带来的不利影响。

（4）该成像系统及其成像方法能够对目标物体表面成像，获取厘米级的高分辨率的毫米波三维立体图像，并且三维成像的实时性可以高达1秒，特别适用于安全检查领域。

Claims (10)

1.一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统，其包括：天线阵列圆盘支架、伺服控制模块、频率合成模块、发射模块、2个发射天线阵列、2个接收天线阵列、接收模块、延时模块、信号处理模块和显控模块，其中：

天线阵列圆盘支架包括可旋转的中心轴和由该中心轴带动旋转的金属圆形盘；

伺服控制模块用于控制交流伺服电机的驱动轴以正弦曲线的速率转动并且控制和检测天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从0到M度顺时针旋转,100≤M≤170度，其包括：伺服机构、测量反馈机构和伺服控制器，其中：

伺服机构包括交流伺服电机（1）、电机驱动器（2）、电源适配器（3）、减速器（4）和皮带轮（5）；交流伺服电机主轴通过法兰盘连接减速器，减速器驱动皮带轮运动，皮带轮同天线阵列圆盘支架相连，驱动安检门天线阵列圆盘支架完成各种功能运动，交流伺服电机由电机驱动器直接控制，电机驱动器连接电源适配器实现交直流转换为电机系统提供电源并实现保护功能；

测量反馈机构包括光栅尺（7）、光电开关（8），光栅尺（7）安装于天线阵列圆盘支架主轴上，光栅尺（7）读数头固定于天线阵列圆盘支架并随框架转动产生编码信号脉冲从而测量天线阵列圆盘支架旋转的角度信息，光电开关（8）安装于天线阵列圆盘支架（6）顶部与角度指示圆盘相接触，可实现中心零位和极限位置的指示；

伺服控制器包括：交互通信模块、信号采集模块、自检校正控制模块以及伺服机构的扫描曲线控制模块；交互通信模块分为两部分：一部分完成同信号处理分机的通信，接收其下发的指令信号并反馈当前伺服系统状态信息；另一部分完成与电机驱动器的通信，对伺服执行机构实施控制；其中，信号采集模块处理光栅的正交编码脉冲信号以及光电开关信号；自检校正控制模块完成信号处理分机下发的自检校正指令；扫描曲线控制模块完成信号处理分机下发的扫描工组指令；

频率合成模块用于产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、和接收信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本振信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本振信号发送给延时模块，其包括用于产生宽带发射信号的高速直接频率合成器、用于将宽带发射信号倍频到所需频段的倍频器、用于产生射频本振信号的混频器、用于产生基准时钟的晶振；

发射模块用于对来自频率合成模块的宽带发射信号进行功率放大和波形调制，并将其发送给发射天线阵列，其包括用于功率放大的固态功率放大器和用于波形调制的发射波形调制器；

发射天线阵列，用于辐射射频信号，每一个发射天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，每一个天线阵列有N路电开关以控制发射通道的分时工作，即开通和关断，其中64≤N≤256；

接收天线阵列，用于接收回波信号，每一个接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，每一个天线阵列有N路电开关以控制接收通道的分时工作，即开通和关断，其中64≤N≤256；

延时模块用于对接收到的射频本振信号进行精确延时以使其相位与从目标的中心表面反射的射频回波信号的相位一致，并将延时的射频本振信号发送给接收模块；

接收模块包括用于功率放大的低噪声功率放大器、用于滤波的滤波器和用于将射频回波信号变换到中频回波信号的混频器，其中低噪声功率放大器将接收到的射频回波信号的功率放大至与接收到的射频本振信号的功率近似相等或者在同一数量级，该滤波器对经功率放大的射频回波信号进行滤波，混频器将经过功率放大和滤波的射频回波信号和接收到的射频本振信号进行混频以将该射频回波信号变换到中频回波信号并将其传输给信号处理模块；

信号处理模块用于产生指示频率合成模块产生各种信号的控制命令、根据基准时钟产生成像装置的工作时序、对中频回波信号进行采样和数字下变频，进行三维成像处理，获取目标的三维图像数据并将其传输到显控模块，其包括：用于对中频回波信号进行采样的高速模数转换器、用于对采样后的数字中频回波信号进行下变频的可编程逻辑器件、用于对经数字下变频的回波数据进行三维成像处理的数字信号处理器、存储器、用于将三维图像数据高速发送给显控模块的光电转换器；

显控模块用于将接收到的三维图像数据实时显示成三维图像。

2.根据权利要求1的毫米波成像系统，其中每一个发射天线阵列和每一个接收天线阵列形成一对，用螺钉形式将其固定在天线阵列圆盘的边缘上，其中每一组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是0.5-5cm，该2组发射天线阵列和接收天线阵列对以相对且在一条直线上的方式安装在天线阵列圆盘的边缘两端，每个天线阵列以竖直方式固定在天线阵列圆盘的边缘上。

3.根据权利要求1的毫米波成像系统，其中发射和接收天线单元是微带天线、波导缝隙天线、偶极子或者喇叭口天线，发射和接收天线单元的大小是长和宽均为一个波长λ，波束宽度是30-120度。

4.根据权利要求1的毫米波成像系统，其中宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽τ为10us，基准时钟为60MHz，倍频器将高速直接频率合成器产生的宽带发射信号倍频到20GHz到40GHz之间或者90GHz到110GHz之间。

5.根据权利要求1的毫米波成像系统，其中中频回波信号的中心频率是60MHz。

6.根据权利要求1的毫米波成像系统，其中天线阵列圆盘支架每旋转0.5度，天线阵列扫描一次目标。

7.根据权利要求1的毫米波成像系统，其中N=208个，两个天线单元之间间隔大小为一个波长λ。

8.根据权利要求2的毫米波成像系统，其中每一组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是1cm。

9.根据权利要求3的毫米波成像系统，其中所述波束宽度是60度。

10.根据权利要求1的毫米波成像系统，其中所述伺服控制器按照以下模式进行工作：

第一模式：完成自检校正，自检校正工作过程中由伺服控制器（9）采集光栅尺（7）读数头信号计算出负载位置并控制电机进行回零运动，完成校正后，将伺服状态信息上报信号处理分机等待下发扫描工作指令；

第二模式：完成扫描工作，扫描工作过程中由伺服控制器（9）按照设定的扫描运动曲线计算参数并控制电机驱动器（2）使伺服系统天线阵列圆盘支架（6）进行扫描运动。

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