CN103018738B - 基于旋转天线阵列的微波三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，涉及微波成像技术，信号发射模块产生电磁波信号；机械扫描模块携带直线或曲线排布的天线阵列模块旋转，同时，开关阵列模块控制天线阵列模块发射电磁波信号，由回波接收模块接收从观测目标反射回的信号；模数转换模块将反射信号转为数字信号，作为相应天线阵列阵元位置采集的回波数据；由数据处理模块对回波数据进行成像处理，得到观测目标三维复图像；经显示模块显示观测目标的三维复图像。本发明的成像方法用于人体表面微波图像获取与安全检测、人体体型三维数据获取与量体裁衣、无损检测及雷达目标成像诊断等应用领域。

Description

基于旋转天线阵列的微波三维成像方法

技术领域

本发明涉及微波成像技术领域，特别是一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，通过旋转天线阵列获取观测目标的三维微波图像。

背景技术

基于旋转天线阵列的微波三维成像方法能够实现对近距离观测目标的三维分辨成像，获取观测目标的微波三维图像，进而获取观测目标的三维微波散射特性、表面信息和形体数据。该方法不仅可以用于人体表面信息及三维形体数据获取，而且能够用于雷达目标诊断，获取目标的三维空间散射特性分布信息。与可见光、红外和X射线等技术相比，在人体表面信息及三维形体数据获取方面，微波具有穿透衣物等重要优势，同时采用非电离辐射，且功率低，不对人体造成伤害。在雷达目标诊断方面，微波三维成像是进行高精度目标诊断的重要发展趋势，由于常规的微波暗室数据获取时间长，很难在短时间(＜1分钟)内进行数据的获取，因此，需要一种快速的微波三维成像系统进行数据获取。

美国专利(专利号5557283，“Real-time Wideband HolographicSurveillance System”，1996)描述了一种用于人体安全检测的成像系统，但该系统采用一个线性天线阵列沿直线运动进行数据获取；信号发射模块中的信号产生采用压控振荡器，但在快速信号产生中，信号频率的精度受到限制，此外，该系统也只采用步进扫频连续波信号；天线阵列采用线性天线阵列；成像处理主要采用针对线性天线阵列沿直线运动形成平面合成孔径的三维成像算法。

美国专利(专利号5859609，“Real-time Wideband CylindricalHolographic Surveillance System”，1999)描述了一种用于人体安全检测的成像系统，该系统采用一个线性天线阵列沿圆周运动进行数据获取；信号发射模块中的信号产生采用压控振荡器，但在快速信号产生中，信号频率的精度受到限制，此外，该系统也只采用步进扫频连续波信号；信号接收采用差频；天线阵列采用线性天线阵列；成像处理主要采用针对线性天线阵列沿圆周运动形成柱面合成孔径的三维成像算法。

欧洲专利(专利号EP 0925517B1，“Real-time Wideband CylindricalHolographic Surveillance System”，2001)针对线性天线阵列沿圆周运动形成柱面合成孔径的三维成像算法以及图像连续显示进行了描述。美国专利(专利号6507309B2，“Interrogation of an Object for Dimensional andTopographical Information”，2003)针对人体体型测量描述了一种成像系统，其基本组成和实现方法同美国专利5859609类似。系统通过发射和接收200MHz至1THz的电磁波信号获取目标表面信息，而且采用一组或多组线性天线阵列围绕目标进行旋转的方式获取数据，获取目标不同视角的信息。

美国专利(专利号6703964B2，“Interrogation of an Object forDimensional and Topographical Information”，2004)在美国专利6507309B2的基础上描述了如何进行人体形体数据获取和对比。首先对待检测人体进行微波照射，获取其形体数据，然后将该形体数据与已有的信息进行对比，并针对一种或多种特征进行分析，判断这些特征是否相符合。

美国专利(专利号2006/0066469A1，“Three-Dimensional Surface/Contour Processing Based on Electromagnetic Radiation Interrogation”，2006)针对数据获取和如何进行表示观测目标表面的形体进行了描述。该发明通过发射和接收电磁波信号，获得观测目标的三维图像数据；建立目标表面的点云信息描述；并对部分或全部目标点的点云描述进行曲线拟合处理，从而获得观测目标局部或整体的三维图像。

文献“谭维贤，林赟，洪文，王彦平，吴一戎.基于圆柱几何的人体微波三维成像处理算法研究，2008年第十届全国雷达学术年会.”针对线性天线阵列沿圆周运动形成柱面合成孔径的成像算法开展了计算机仿真实验，给出了相应的成像处理步骤，但尚未涉及系统组成及数据获取方式。

上述专利和文章主要针对阵元线性排列的天线阵列沿直线/圆周运动形成平面/柱面合成孔径的数据获取获取系统进行了成像处理方法及其后续处理描述，而对于阵元曲线排列的天线阵列沿圆周运动形成曲面合成孔径尚未涉及；信号发射模块中的信号产生主要采用压控振荡器的方式，而尚未采用直接数字频率合成的方式，因此其频点精度低，建立时间慢；成像处理尚未涉及与曲面合成孔径下的成像算法，且尚未针对发射信号为调频连续波和调频脉冲的情况。基于旋转天线阵列的微波三维成像方法不仅可以采用阵元线性排列的天线阵列沿圆周运动，而且可以采用阵元非直线排列的天线阵列沿圆周运动；信号发射模块中采用直接数字频率合成的方式，发射信号可以为扫频连续波、调频连续波或调频脉冲信号；信号接收采用零中频进行接收；成像处理中既能处理针对线性天线阵列沿圆周运动形成柱面合成孔径或球面合成孔径时的数据，也能处理非线性天线阵列沿圆周运动形成曲面合成孔径时的数据。

现有的微波三维成像系统数据获取和成像处理方法存在下列问题：

●以采用线性天线阵列运动为主，数据获取方式有限；

●发射信号频率的精度受限，信号形式单一，且数据获取效率不高；

●成像处理单一，不能处理非直线或非圆周运动的三维成像数据；

●不能够处理非线性天线阵列沿圆周运动所获取的三维成像数据。

发明内容

本发明的目的是给出一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，以解决现有技术存在的问题，其天线阵列可以曲线排列，也可以直线排列，信号形式不限于扫频连续波信号，且成像处理方法能够适用于不同工作模式。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其包括步骤：

步骤S1：系统初始化，操作员通过计算机初始化系统工作状态，并确认系统组成部分能够工作正常，包括初始化信号发射模块、回波接收模块、机械扫描模块、天线阵列模块、开关阵列模块、模数转换模块、数据处理模块和显示模块，若初始化系统正常，则执行下一步，否则，退出系统；

步骤S2：系统参数设置，操作员通过计算机设置数据采集参数，包括设置信号发射模块的频点数和信号持续时间、设置机械扫描模块的扫描时间和触发信号发射模块的次数、设置开关阵列模块的开关切换时序、数据处理模块的成像处理参数和显示模块的显示方法；

步骤S3：启动机械扫描模块携带直线或曲线排布的天线阵列模块进行旋转，同时，通过开关阵列模块控制天线阵列模块发射电磁波信号，并由信号接收模块接收从观测目标反射回来的信号；

步骤S4：成像数据采集，启动微波三维成像系统，通过局域网、串口或无线发送数据采集指令，完成数据采集，并通过局域网或串口将采集到的回波数据传输到数据处理模块；

步骤S5：三维成像处理，将传输到数据处理模块的数据进行三维成像处理，得到观测目标的三维复图像数据，并存储在计算机硬盘上；

步骤S6：图像处理与显示，根据设定的显示方法，显示模块对观测目标的三维复图像数据进行显示。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述步骤S3，是指直线或曲线排布的天线阵列在机械扫描模块的控制下进行中心轴对称旋转，旋转的角度大于0°，且小于等于360°；中心轴对称旋转过程中，天线阵列旋转经过指定待扫描位置时，机械扫描模块触发信号发射模块，此时开关阵列模块逻辑控制器控制电磁波信号经由开关阵列模块和天线阵列中的发射天线阵元发射出去，同时开关阵列模块逻辑控制器控制电磁波信号经由开关阵列模块和天线阵列中的接收天线阵元接收观测目标反射回来的信号，并传输至信号接收模块。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述步骤S5中，数据处理模块对回波信号进行成像处理，得到观测目标的三维复图像，步骤为：

步骤S5-1：确定待成像区域观测目标三维复图像的坐标系及其图像点数N；

步骤S5-2：

a)如果信号发射模块产生电磁波信号为调频脉冲信号，则对回波信号进行斜距向傅里叶变换，再进行斜距向0参考点匹配滤波，获得信号

其中，K_ω＝2πf/c为波数，f为信号的发射频率，c为光速，为天线采集数据的位置坐标；

b)如果信号发射模块产生电磁波信号为扫频连续波信号，回波信号表示为

直接进入步骤S5-3；

c)如果信号发射模块产生电磁波信号为调频连续波信号，进行距离向逆傅里叶变换，并进行去斜和剩余视频相位(RVP)项补偿，补偿后的信号仍表示为

进入步骤S5-3；

步骤S5-3：产生对应于成像区域的第n(n＜N)个坐标点

的滤波函数H_ω；

将步骤S5-2的输出信号

与滤波函数H₀相乘，沿K_w积分后，再沿

方向叠加，输出信号

步骤S5-4：重复步骤S5-3，对成像区域的所有坐标点进行成像处理，得到对观测目标成像后的三维复图像。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述步骤S5中，成像处理的步骤是在三维直角坐标系中进行，或在圆柱坐标系中进行，即所得到的三维复图像位于三维直角坐标系，或位于圆柱坐标系。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述步骤S6中，显示模块显示观测目标的三维复图像的步骤为：

步骤S6-1：若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿波传播方向获取最大值，而后将数据投影至二维平面，而后采用灰度或RGB显示；

步骤S6-2：若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维剖面图像，则设置需要实现的观测目标剖面，而后提取相应距离剖面上的数据，取数据的幅度值，而后采用灰度或RGB显示；

步骤S6-3：若三维复图像位于柱面坐标系，且需要显示观测目标的柱面投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿极径方向获取最大值，而后将数据投影至指定半径的柱面上，而后采用灰度或RGB显示，或将数据转换到三维直角坐标系中，按照步骤S6-1进行投影图像显示。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述信号发射模块产生电磁波信号的频率，为100MHz到1000GHz，电磁波信号为扫频连续波信号、调频连续波信号或调频脉冲信号其中之一，电磁波信号的带宽大于100MHz，且小于等于100GHz。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述模数转换模块将反射回来的信号转换为数字信号，量化位数为8bit、12bit或14bit，数字信号到数据处理模块的传输采用电缆、光缆或无线传输其中之一。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述信号发射模块、回波接收模块、天线阵列模块、开关阵列模块和模数转换模块的实现方式有两种：

a)通过微波组合连接信号发射模块、回波接收模块、天线阵列模块、开关阵列模块、模数转换模块完成信号收发功能；

b)采用数字化，天线阵列模块每组天线阵元的后端连接信号发射、回波接收、模数转换模块，形成数字化收发模块完成信号收发功能。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述直线或曲线排布的天线阵列模块中的天线阵列，其天线等效相位中心之间的间隔小于天线阵元沿阵列方向的尺寸，每个天线阵元性能一致，为喇叭天线、微带天线、双极化天线或圆极化天线其中之一；开关阵列模块通过收发通道组合，实现天线阵列模块多个等效相位中心的形成。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述数据处理模块，为计算机和成像处理软件、DSP成像处理器或FPGA成像处理器其中之一。

所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述扫频连续波信号的产生方式，包括采用压控振荡器(VCO)直接产生；采用高稳定高精度本振源经多次放大、倍频、滤波后产生；采用基带脉冲信号经上变频的方式产生。

本发明方法的有益效果：

采用的天线阵列不限于线性天线阵列，可以为圆形阵列天线，还可以为曲线天线阵列，增加了系统获取数据的灵活性。

采用晶振、锁相环和DDS方式产生信号，频率准确度高，且速率高，每个频点的建立时间可以达到ns级，能够提高数据获取的效率。

采用的三维成像处理方法，既能够对线性天线阵列和半圆形天线阵列运动所获取的数据进行精确地成像处理，还能对曲线天线阵列运动所获取的三维成像数据进行精确地成像处理。

本发明方法使用的系统结构更加灵活，每个模块功能明确，可生产性强，特别是对天线阵列的构型没有限制。

本发明方法通过直线或曲线的天线阵列，围绕观测目标进行旋转实现旋转曲面孔径，并在旋转曲面孔径上进行信号收发，从而可以更快速地获取观测目标的三维微波复图像(包含幅度和相位信息)，不仅可用于人体表面微波图像获取与安全检测、人体体型三维数据获取与量体裁衣，还能用于无损检测及雷达目标成像诊断等应用领域。

附图说明

图1为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法使用的系统总体结构框图；

图2为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法使用的系统总体结构示意图；

图3为本发明方法使用的旋转天线阵列微波三维成像系统机械结构示意图；

图4为本发明基于旋转天线阵列的微波三维成像方法的数据处理步骤框图；

图5为本发明基于旋转天线阵列的微波三维成像方法使用的信号发射模块框图；

图6为本发明基于旋转天线阵列的微波三维成像方法使用的回波接收模块框图；

图7为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法实施例1；

图8为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法实施例2；

图9为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法实施例3。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明基于旋转天线阵列的微波三维成像方法中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明方法的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法所使用的系统由信号发射模块、机械扫描模块、天线阵列模块、回波接收模块、开关阵列模块、模数转换模块、数据处理模块和显示模块组成。系统总体结构框图如图1所示，系统总体结构示意图如图2所示，机械扫描模块携带直线或曲线排布的天线阵列模块进行旋转，同时控制开关阵列模块完成曲面孔径的合成，并通过天线阵列模块向观测空间中发射电磁波信号；通过天线阵列和回波接收模块接收从观测目标反射回来的信号，通过模数转换模块将信号转换为数字信号，将其作为相应天线阵列阵元位置采集到的回波信号；通过数据处理模块对回波信号进行成像处理，得到观测目标的三维复图像；通过显示模块显示观测目标的三维复图像。

本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法的流程如下，

步骤S1：系统初始化。操作员通过计算机初始化系统工作状态，并确认系统组成部分能够工作正常，包括初始化信号发射模块、回波接收模块、机械扫描模块、天线阵列模块、开关阵列模块、模数转换模块、数据处理模块和显示模块，若初始化系统正常，则执行下一步，否则，退出系统；

步骤S2：系统参数设置。操作员通过计算机设置数据采集参数，包括设置信号发射模块的频点数、频率范围、频率间隔和信号持续时间、设置机械扫描模块的扫描时间和触发信号发射模块的次数、设置开关阵列模块的开关切换时序、数据处理模块的成像处理参数和显示模块的显示方法；

步骤S3：成像数据采集。启动微波三维成像系统，通过局域网、串口或无线方式向机械扫描模块、信号发射模块及回波接收模块发送数据采集指令；机械扫描模块接收到指令后，围绕观测目标进行旋转扫描，并在特定的扫描位置处向信号收发模块发送同步信号；信号发射模块收到信号后，开始发送电磁波信号，信号经过开关阵列传输到各个天线阵元；开关阵列通过切换控制使电磁波信号依次通过各个天线阵元照射到观测目标区域；每个天线阵元发射信号时，开关阵列通过切换控制使观测目标反射后的回波信号进入与发射天线阵元相邻的天线阵元，即通过与发射天线阵元相邻的天线阵元接收回波信号；接收天线阵元收到的回波信号通过开关阵列传输到回波接收模块中；然后回波接收模块将回波信号传输到模数转换模块，模数转换模块将信号转换为回波数据，并通过局域网或串口传输到数据处理模块；

步骤S4：三维成像处理。将传输到数据处理模块的数据进行三维成像处理，得到观测目标的三维复图像数据，并存储在计算机硬盘上；

步骤S5：图像处理与显示。根据设定的显示方法对三维复图像数据进行显示。

信号发射模块产生电磁波信号的频率可以为100MHz到1000GHz，电磁波信号可以为扫频连续波信号、调频连续波信号或调频脉冲信号，电磁波信号的带宽大于100MHz，且小于等于100GHz。

本发明的方法通过机械扫描模块携带直线或曲线排布的天线阵列模块进行旋转，与此同时，通过开关阵列模块控制天线阵列模块发射电磁波信号，并由信号接收模块接收从观测目标反射回来的信号，是指直线或曲线排布的天线阵列在机械扫描模块的控制下进行中心轴对称旋转，旋转的角度大于0°，且小于等于360°，中心轴对称旋转过程中，天线阵列旋转经过指定待扫描位置时，机械扫描模块触发信号发射模块，此时开关阵列模块逻辑控制器控制电磁波信号经由开关阵列模块和天线阵列中的发射天线阵元发射出去，同时开关阵列模块逻辑控制器控制电磁波信号经由开关阵列模块和天线阵列中的接收天线阵元接收观测目标反射回来的信号并传输至信号接收模块。

机械扫描模块如图3所示，由驱动器、支架、转盘和底层平台组成。第一种方案，驱动器安装在支架上方，并驱动转盘旋转，转盘悬挂天线阵列，从而携带天线阵列一起围绕y轴进行中心轴对称旋转，底层平台固定，用于放置观测目标；第二种方案，驱动器安装在底层平台下方，转盘安装在转动器和底层平台之间，驱动器驱动转盘旋转，转盘上安装天线阵列，从而携带天线阵列一起围绕y轴进行中心轴对称旋转，底层平台固定，用于放置观测目标。

外部软件设定开关切换顺序，通过开关阵列模块逻辑控制器完成对开关阵列模块的控制，完成天线阵列中不同阵元之间的收发组合。

模数转换模块将反射回来的信号转换为数字信号，量化位数可以为8bit、12bit或14bit，数据信号到数据处理模块的传输采用电缆、光缆或无线。

本发明方法中数据处理模块对回波信号进行成像处理，得到观测目标的三维数据的步骤为：

步骤S5-1：确定待成像区域观测目标三维复图像的坐标系及其图像点数N。

步骤S5-2：如果信号发射模块产生电磁波信号为调频脉冲信号，则对回波信号进行斜距向傅里叶变换，然后进行斜距向0参考点匹配滤波，获得信号

其表达式为：

$E(K_{\mathrm{\ω}},{\stackrel{\→}{r}}_a)=\mathrm{FT}\left[E_c(t,{\stackrel{\→}{r}}_a)\right]\·\mathrm{FT}\left[p\left(t\right)\right]~{\∫}_{V}I\left({\stackrel{\→}{r}}_o\right)\exp (-j2K_{\mathrm{\ω}}R)\mathrm{dV}---\left(1\right)$

其中，K_ω＝2πf/c为波数，f为信号的发射频率，c为光速，

为天线采集数据的位置坐标，符号FT表示傅里叶变换，

为发射信号是调频脉冲信号的情况下的回波信号，其表达式为：

$E_c(t,{\stackrel{\→}{r}}_a)={\∫}_{V}I\left({\stackrel{\→}{r}}_o\right)p(t-2R/c)\mathrm{dV}---\left(2\right)$

t为快时间，p(t)为发射的调频脉冲信号，为观测目标区域的散射系数方程，为观测目标的位置坐标，符号∫_VdV表示对观测目标区域进行体积积分，R为观测目标到天线的距离，表达式为：

$R=|{\stackrel{\→}{r}}_a-{\stackrel{\→}{r}}_o|---\left(3\right)$

如果信号发射模块产生电磁波信号为扫频连续波信号，回波信号表示为

直接进入步骤S5-3。

如果信号发射模块产生电磁波信号为调频连续波信号，进行距离向逆傅里叶变换，并进行去斜和剩余视频相位(RVP)项补偿，补偿后的信号仍表示为

进入步骤S5-3。

步骤S5-3：产生对应于成像区域的第n(n＜N)个坐标点

的滤波函数H₀，其表达式为：

$H_0\left({\stackrel{\→}{r}}_a\right)=\exp \left(j2K_{\mathrm{\ω}}\right|{\stackrel{\→}{r}}_a-{\stackrel{\→}{r}}_n\left|\right)---\left(4\right)$

将步骤S5-2的输出信号

与滤波函数H₀相乘，沿K_w积分后，再沿

方向叠加，输出信号

其表达式为：

$S\left({\stackrel{\→}{r}}_n\right)=\underset{{\stackrel{\→}{r}}_a}{\mathrm{\Σ}}\underset{K_w}{\∫}E(K_{\mathrm{\ω}},{\stackrel{\→}{r}}_a)\×H_0\left({\stackrel{\→}{r}}_a\right){\mathrm{dK}}_w---\left(5\right)$

步骤S5-4：重复S5-3，对成像区域的所有坐标点进行成像处理，就可以得到对观测目标成像后的三维复图像。

以上成像处理的步骤如图4所示，该步骤可以在三维直角坐标系进行，也可以在圆柱坐标系中进行，即所得到的三维数据可以位于三维直角坐标系，也可以位于圆柱坐标系。

本发明方法中显示模块显示观测目标的三维复图像的步骤为：

步骤S6-1：若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿波传播方向获取最大值，而后将数据投影至二维平面，而后采用灰度或RGB显示。

步骤S6-2：若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维剖面图像，则设置需要实现的观测目标剖面，而后提取相应距离剖面上的数据，取数据的幅度值，而后采用灰度或RGB显示。

步骤S6-3：若三维复图像位于柱面坐标系，且需要显示观测目标的柱面投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿极径方向获取最大值，而后将数据投影至指定半径的柱面上，而后采用灰度或RGB显示，也可以将数据转换到三维直角坐标系中，按照步骤S6-1进行投影图像显示。

本发明方法中，信号发射模块、回波接收模块、天线阵列模块、开关阵列模块和模数转换模块的实现方式有两种，可以通过微波组合连接信号发射模块、回波接收模块、天线阵列模块、开关阵列模块和模数转换模块完成信号收发功能；也可以采用数字化，天线阵列模块每组天线阵元的后端连接信号发射、回波接收和模数转换，形成数字化收发模块完成信号收发功能。

本发明方法中，扫频连续波信号的产生有多种方式，可以采用压控振荡器(VCO)直接产生；可以采用高稳定高精度本振源经多次放大、倍频、滤波后产生；可以采用基带脉冲信号经上变频的方式产生。发射通道由内置本振源经多次放大、倍频、滤波后产生本振信号，本振信号经过放大器和功分器后，一路输出经过可调衰减器和放大器发射出去，另一路输出为两路接收通道提供本振信号，信号发射模块框图如图5所示，其中锁相环(Phase Locking Loop，PLL)由高性能VCO与低噪声鉴相器以及高稳定度晶振等器件组成，直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)时钟可达1GHz，其输出频率可达400MHz，经6次倍频、滤波和放大后产生25.6GHz的信号，具有自动扫频功能，每个频点的建立时间可以达到ns级；接收天线阵列接收到的信号分别经过低噪声放大器、数控衰减器和功率放大器与本振信号进行混频，产生两路正交的中频信号输出I、Q，回波接收模块框图如图6所示，其中，本振信号与图5中的本振信号完全相同。

本发明方法中，直线或曲线排布的天线阵列模块中的天线阵列由两列天线组成，天线等效相位中心之间的间隔小于天线阵元沿阵列方向的尺寸，每个天线阵元性能一致，可以为喇叭天线、微带天线、双极化天线或圆极化天线。天线阵列中阵元不同的排列方式决定不同的旋转曲面孔径，如图3所示，天线阵元沿任意曲线形成天线阵列，在扫描时形成不同的旋转曲面孔径，如图7所示；特殊地，当天线沿直线形成线性天线阵列时，旋转曲面孔径为圆柱面，基于旋转天线阵列的微波三维成像系统构型如图8所示；当天线沿半圆形成半圆形天线阵列或部分弧形天线阵列时，旋转曲面孔径为球面，基于旋转天线阵列的微波三维成像系统构型如图9所示。

本发明方法中，开关阵列模块通过收发通道组合，实现天线阵列模块多个等效相位中心的形成。开关阵列模块可以由单刀双掷、单刀四掷或单刀八掷开关组成，可以进行信号单发多收或多发多收，从而形成多个等效相位中心。

本发明方法中，数据处理模块可以为计算机和成像处理软件、DSP成像处理器或FPGA成像处理器。

Claims (9)

1.一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，包括步骤：

步骤S1：系统初始化，操作员通过计算机初始化系统工作状态，并确认系统组成部分能够工作正常，包括初始化信号发射模块、回波接收模块、机械扫描模块、天线阵列模块、开关阵列模块、模数转换模块、数据处理模块和显示模块，若初始化系统正常，则执行下一步，否则，退出系统；

步骤S2：系统参数设置，操作员通过计算机设置数据采集参数，包括设置信号发射模块的频点数和信号持续时间、设置机械扫描模块的扫描时间和触发信号发射模块的次数、设置开关阵列模块的开关切换时序、数据处理模块的成像处理参数和显示模块的显示方法；

步骤S3：启动机械扫描模块携带直线或曲线排布的天线阵列模块进行旋转，同时，通过开关阵列模块控制天线阵列模块发射电磁波信号，并由信号接收模块接收从观测目标反射回来的信号；

步骤S4：成像数据采集，启动微波三维成像系统，通过局域网、串口或无线发送数据采集指令，完成数据采集，并通过局域网或串口将采集到的回波数据传输到数据处理模块；

步骤S5：三维成像处理，将传输到数据处理模块的数据进行三维成像处理，得到观测目标的三维复图像数据，并存储在计算机硬盘上；

步骤S6：图像处理与显示，根据设定的显示方法，显示模块对观测目标的三维复图像数据进行显示；

其中，所述步骤S5中，数据处理模块对回波信号进行成像处理，得到观测目标的三维复图像，步骤为：

步骤S5-1：确定待成像区域观测目标三维复图像的坐标系及其图像点数N；

步骤S5-2：

a)如果信号发射模块产生电磁波信号为调频脉冲信号，则对回波信号进行斜距向傅里叶变换，再进行斜距向0参考点匹配滤波，获得信号

其中，Kω＝2πf/c为波数，f为信号的发射频率，c为光速，

为天线采集数据的位置坐标；

b)如果信号发射模块产生电磁波信号为扫频连续波信号，回波信号表示为

直接进入步骤S5-3；

c)如果信号发射模块产生电磁波信号为调频连续波信号，进行距离向逆傅里叶变换，并进行去斜和剩余视频相位项补偿，补偿后的信号仍表示为

进入步骤S5-3；

步骤S5-3：产生对应于成像区域的第n个坐标点

的滤波函数H₀，其中n<N；

步骤S5-4：将步骤S5-2的输出信号

与滤波函数H₀相乘，沿K_ω积分后，再沿

方向叠加，输出信号

步骤S5-5：重复步骤S5-4，对成像区域的所有坐标点进行成像处理，得到对观测目标成像后的三维复图像；

所述步骤S6中，显示模块显示观测目标的三维复图像的步骤为：

步骤S6-1：若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿波传播方向获取最大值，而后将数据投影至二维平面，而后采用灰度或RGB显示；

步骤S6-2：若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维剖面图像，则设置需要实现的观测目标剖面，而后提取相应距离剖面上的数据，取数据的幅度值，而后采用灰度或RGB显示；

步骤S6-3：若三维复图像位于柱面坐标系，且需要显示观测目标的柱面投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿极径方向获取最大值，而后将数据投影至指定半径的柱面上，而后采用灰度或RGB显示，或将数据转换到三维直角坐标系中，按照步骤S6-1进行投影图像显示。

2.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述步骤S3，是指直线或曲线排布的天线阵列在机械扫描模块的控制下进行中心轴对称旋转，旋转的角度大于0°，且小于等于360°；中心轴对称旋转过程中，天线阵列旋转经过指定待扫描位置时，机械扫描模块触发信号发射模块，此时开关阵列模块逻辑控制器控制电磁波信号经由开关阵列模块和天线阵列中的发射天线阵元发射出去，同时开关阵列模块逻辑控制器控制电磁波信号经由开关阵列模块和天线阵列中的接收天线阵元接收观测目标反射回来的信号，并传输至信号接收模块。

3.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述步骤S5中，成像处理的步骤是在三维直角坐标系中进行，或在圆柱坐标系中进行，即所得到的三维复图像位于三维直角坐标系，或位于圆柱坐标系。

4.根据权利要求1或2所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述信号发射模块产生电磁波信号的频率，为100MHz到1000GHz，电磁波信号为扫频连续波信号、调频连续波信号或调频脉冲信号其中之一，电磁波信号的带宽大于100MHz，且小于等于100GHz。

5.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述模数转换模块将反射回来的信号转换为数字信号，量化位数为8bit、12bit或14bit，数字信号到数据处理模块的传输采用电缆、光缆或无线传输其中之一。

6.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述信号发射模块、回波接收模块、天线阵列模块、开关阵列模块和模数转换模块的实现方式有两种：

a)通过微波组合连接信号发射模块、回波接收模块、天线阵列模块、开关阵列模块、模数转换模块完成信号收发功能；

b)采用数字化，天线阵列模块每组天线阵元的后端连接信号发射、回波接收、模数转换模块，形成数字化收发模块完成信号收发功能。

7.根据权利要求1或2所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述直线或曲线排布的天线阵列模块中的天线阵列，其天线等效相位中心之间的间隔小于天线阵元沿阵列方向的尺寸，每个天线阵元性能一致，为喇叭天线、微带天线、双极化天线或圆极化天线其中之一；开关阵列模块通过收发通道组合，实现天线阵列模块多个等效相位中心的形成。

8.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述数据处理模块，为计算机和成像处理软件、DSP成像处理器或FPGA成像处理器其中之一。

9.根据权利要求4所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述扫频连续波信号的产生方式，包括采用压控振荡器直接产生；采用高稳定高精度本振源经多次放大、倍频、滤波后产生；采用基带脉冲信号经上变频的方式产生。

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