CN104914432A - 基于FMCW体制的THz扫描成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于FMCW体制的THz扫描成像系统，包括：数据采集处理子系统、毫米波FMCW收发模块、扫描架子系统及主控计算机；所述毫米波FMCW收发模块在系统的控制下，根据设定的起始、终止频率和扫描速率，扫频源产生微波扫描信号并送到毫米波前端模块中；所述主控计算机控制扫描架子系统在扫描平面内按照预设规则进行扫描，得到整个扫描平面上各个不同位置处的目标回波数据；系统软件通过补偿、处理运算，得到目标的三维像，完成测试过程。本发明将FMCW体制三维成像扩展到170GHz-220GHz频率范围，具有更好的成像分辨率，同时可以有效解决微波成像测量精度问题。

Description

基于FMCW体制的THz扫描成像系统及方法

技术领域

本发明涉及微波领域，特别涉及一种THz扫描成像系统，还涉及一种THz扫描成像方法。

背景技术

微波三维成像技术通过不同位置微波扫描特定目标并进行响应处理实现三维成像。对于微波成像，频率以及频段宽度将影响成像分辨率。在现有的10G-40G条件下，分辨率难以实现高精度，步进扫描也制约着扫描速度。

太赫兹(THz)波处于红外和毫米波之间，具备独特的辐射特性，高频率宽频段使得高分辨率成为可能，其成像技术被作为一种新型的成像方式正随着材料科学、反隐身、高技术攻防、信息对抗、自动导航、目标搜索及跟踪等技术的快速发展而日益被重视，目前已成为世界研究的热点。

研究表明，THz电磁辐射，具有穿透深度大，对人体组织无辐射损伤，成像分辨率高，成像对比度和均匀性好，敏感陶瓷、塑料、多种无机非金属材料、动物骨质、牙齿、泡沫材料、油墨、介电材料、毒品、化学和生物制剂等，能有效鉴别多种常规手段所无法识别的伪装、隐身和欺骗性措施，非接触和破坏式的快速成像诊断和检测，识别由金属或无机材料制成的隐藏物或埋藏物等的良好特性。

三维成像装置频率一般在10G-40G，通过在不同位置对目标进行扫频测量获取目标回波数据，通过一定算法获取被测目标三维微波像。数据获取方式一般有FMCW体制以及步进扫描体制。如图1和图2所示，FMCW体制扫描一般通过扫描架或天线阵列完成平面内扫频测量，通过测量回波及本振耦合后中频数据，通过成像算法完成目标微波像。

传统步进扫描与FMCW体制相比扫描时间过长，实际应用中存在较大缺陷。为保证扫描速度，需采用调频连续波(FMCW)模式，而现有FMCW体制扫描频段较窄，并不能满足高分辨率的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FMCW体制的THz扫描成像系统及方法，在近场条件下完成170GHz-220GHz频率范围内的高分辨率三维成像测试。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于FMCW体制的THz扫描成像系统，包括：

数据采集处理子系统、毫米波FMCW收发模块、扫描架子系统及主控计算机；

所述毫米波FMCW收发模块在系统的控制下，根据设定的起始、终止频率和扫描速率，扫频源产生微波扫描信号并送到毫米波前端模块中；在毫米波前端模块，微波信号被分为2个部分，一部分经倍频放大滤波链路处理后形成毫米波信号，并通过天线发射出去，另一部分同样经过倍频放大滤波链路后作为混频器的本振信号，同接收信号进行混频；混频后的中频信号经放大后被送入数据采集处理子系统，经过采样处理后得到待测目标的回波信息；

所述主控计算机控制扫描架子系统在扫描平面内按照预设规则进行扫描，得到整个扫描平面上各个不同位置处的目标回波数据；系统软件通过补偿、处理运算，得到目标的三维像，完成测试过程。

可选地，整个扫描及采集过程采用硬件外触发的模式，所述主控计算机根据系统测试的需求和相关参数要求，完成对毫米波FMCW收发模块和扫描架子系统及数据采集处理子系统相关参数的设置；所述扫描架子系统根据参数要求移动至起始位置，并发送到位脉冲，所述到位脉冲被送到毫米波FMCW收发模块中；毫米波FMCW收发模块接到触发脉冲后启动一次FMCW信号的扫描，同时产生一个触发输出信号送到数据采集处理子系统；数据采集处理子系统接到代表射频信号发射的触发脉冲后开始一次数据采集，并将采集结果存储下来，完成一次完整的过程；采集完成后，毫米波FMCW收发模块产生触发输出，提供给扫描架子系统，扫描架子系统根据该触发信号步进到下一个点，开始一个新的处理周期。

可选地，所述毫米波FMCW收发模块包括电源板和信号处理电路板，信号处理电路板包括信号产生部分和信号接收部分。

可选地，所述信号处理电路板的信号产生部分通过RS232接口电路同主控计算机串行通信，主控计算机通过所述RS232接口电路进行电路的控制；

所述信号处理电路板包括2片DDS芯片，用于同步产生2路线性调频信号，并对输出的2路线性调频信号进行滤波处理，后经倍频产生射频FMCW信号并送出；

所述信号处理电路板还包括FPGA，对DDS芯片送入的信号进行处理，经锁相后将该信号送出；

所述信号处理电路板的信号接收部分对送入的参考射频信号进行倍频、放大、滤波后，作为混频器2的本振信号；对送入的通道1射频信号进行放大滤波，送到混频器2的RF端口；两路信号在混频器2内部经混频后产生低频信号，经滤波、低频运算放大后送出。

基于上述THz扫描成像系统，本发明还提供了一种基于FMCW体制的THz扫描成像方法，包括以下步骤：

步骤(a)，根据设定的起始、终止频率和扫描速率，扫频源产生微波扫描信号并送到毫米波前端模块中；

步骤(b)，在毫米波前端模块，微波信号被分为2个部分，一部分经倍频放大滤波链路处理后形成毫米波信号，并通过天线发射出去，另一部分同样经过倍频放大滤波链路后作为混频器的本振信号，同接收信号进行混频；混频后的中频信号经放大后被送入数据采集处理子系统，经过采样处理后得到待测目标的回波信息；

步骤(c)，主控计算机控制扫描架子系统在扫描平面内按照预设规则进行扫描，得到整个扫描平面上各个不同位置处的目标回波数据；

步骤(d)，系统软件通过补偿、处理运算，得到目标的三维像，完成测试过程。

可选地，整个扫描及采集过程采用硬件外触发的模式，首先，所述主控计算机根据系统测试的需求和相关参数要求，完成对毫米波FMCW收发模块和扫描架子系统及数据采集处理子系统相关参数的设置；

然后，所述扫描架子系统根据参数要求移动至起始位置，并发送到位脉冲， 所述到位脉冲被送到毫米波FMCW收发模块中；

再然后，毫米波FMCW收发模块接到触发脉冲后启动一次FMCW信号的扫描，同时产生一个触发输出信号送到数据采集处理子系统；

接下来，数据采集处理子系统接到代表射频信号发射的触发脉冲后开始一次数据采集，并将采集结果存储下来，完成一次完整的过程；

采集完成后，毫米波FMCW收发模块产生触发输出，提供给扫描架子系统，扫描架子系统根据该触发信号步进到下一个点，开始一个新的处理周期。

可选地，所述毫米波FMCW收发模块包括电源板和信号处理电路板，所述信号处理电路板的信号产生部分通过RS232接口电路同主控计算机串行通信，主控计算机通过所述RS232接口电路进行电路的控制；

所述信号处理电路板包括2片DDS芯片，用于同步产生2路线性调频信号，并对输出的2路线性调频信号进行滤波处理，后经倍频产生射频FMCW信号并送出；

所述信号处理电路板还包括FPGA，对DDS芯片送入的信号进行处理，经锁相后将该信号送出；

所述信号处理电路板的信号接收部分对送入的参考射频信号进行倍频、放大、滤波后，作为混频器2的本振信号；对送入的通道1射频信号进行放大滤波，送到混频器2的RF端口；两路信号在混频器2内部经混频后产生低频信号，经滤波、低频运算放大后送出。

本发明的有益效果是：

(1)将FMCW体制三维成像扩展到170GHz-220GHz频率范围，具有更好的成像分辨率；

(2)有效解决微波成像测量精度问题，与步进扫描相比具有更高扫描速度，在微波三维成像领域具有很好的推广和使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为FMCW系统原理图；

图2为调频连续波SAR发射及接收信号、回波差频信号原理图，其中，(a)为调频连续波SAR发射及接收信号原理图，(b)为调频连续波SAR回波差频信号原理图；

图3为本发明的基于FMCW体制的THz扫描成像系统原理图；

图4为毫米波FMCW收发模块原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统步进扫描与FMCW体制相比扫描时间过长，为保证扫描速度，采用调频连续波(FMCW)模式，而现有FMCW体制扫描频段较窄，并不能满足高分辨率的需求。

本发明提出了一种基于FMCW体制的THz扫描成像系统，利用1mm波段(170GHz-220GHz)带宽，系统输出功率相对较大，动态范围高，配合二维扫描架组成一套高分辨率毫米波三维成像系统。该系统具有测量速度快、精度高、智能化程度高等特点，适合于开展各种损伤检测、材料特性分析等研究工作。

如图3所示，本发明的基于FMCW体制的THz扫描成像系统包括数据采集处理子系统、毫米波FMCW收发模块、扫描架子系统及主控计算机。装置工作原理为：在系统的控制下，根据设定的起始、终止频率和扫描速率，扫频源产生微波扫描信号并送到毫米波前端模块中；在毫米波前端模块，微波信号被分为2个部分，一部分经倍频放大滤波链路处理后形成毫米波信号，并通过天线发射出去，另一部分同样经过倍频放大滤波链路后作为混频器的本振信号，同接收信号进行混频；混频后的中频信号经放大后被送入数据采集处理子系统，并被采样处理后得到待测目标的回波信息；主控计算机控制扫描架子系统在扫 描平面内按照一定的规则进行扫描，可以得到整个扫描平面上各个不同位置处的目标回波数据；系统软件通过一系列的补偿、处理等运算，得到目标的三维像，完成测试过程。

为了提高系统扫描速度，体现出本发明成像系统快速的特点，成像系统整个扫描及采集过程采用硬件外触发的模式，通过最小化的人工干预和软件控制干预，提高系统的效率。系统的触发过程为：主控计算机首先根据系统测试的需求和相关参数要求，完成对毫米波FMCW收发模块和扫描架子系统及数据采集处理子系统相关参数的设置；然后扫描架根据参数要求移动至起始位置，并发送到位脉冲，该到位脉冲被送到毫米波FMCW收发模块中；毫米波FMCW收发模块接到触发脉冲后启动一次FMCW信号的扫描，同时产生一个触发输出信号送到数据采集处理子系统；数据采集处理子系统接到代表射频信号发射的触发脉冲后开始一次数据采集，并将采集结果存储下来，完成一次完整的过程；采集完成后，毫米波FMCW收发模块产生触发输出，提供给扫描架子系统，扫描架子系统根据该触发信号步进到下一个点，开始一个新的处理周期。

硬件方面，毫米波FMCW收发模块是本发明的关键部分，包括电源板和信号处理电路板，信号处理电路板是系统信号产生和接收以及同外部接口控制的核心。信号处理电路板包括信号产生和信号接收2个部分。下面结合图4对毫米波FMCW收发模块进行详细说明。

如图4所示，信号处理电路板的信号产生部分通过RS232接口电路同计算机串行通信，主控计算机可以通过该接口进行DDS等电路的控制；信号处理电路板包括2片DDS芯片，用于同步产生2路线性调频信号，频率范围200-286MHz，由于DDS芯片输出信号包含了丰富的频谱信息，因此还需要对输出的2路信号进行滤波处理，后经倍频，产生射频FMCW并送出；信号处理电路板的FPGA对DDS芯片送入的信号进行处理，经锁相后产生10MHz的信号送出，并且处理接口通信、触发、AD9858的控制等。信号处理电路板的信号接收部分对送入的参考射频信号REF IF进行倍频、放大、滤波后，作为混频器2的本振信号；对送入的通道1射频信号IF1进行放大滤波，送到混频器2的RF端口；两路信号在混频器2内部经混频后产生低频信号，经滤波、低频运算放大后送出。

本发明将FMCW体制三维成像扩展到170GHz-220GHz频率范围，具有更好的成像分辨率，同时可以有效解决微波成像测量精度问题，与步进扫描相比具有更高扫描速度，在微波三维成像领域具有很好的推广和使用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FMCW体制的THz扫描成像系统，其特征在于，包括：

数据采集处理子系统、毫米波FMCW收发模块、扫描架子系统及主控计算机；

所述毫米波FMCW收发模块在系统的控制下，根据设定的起始、终止频率和扫描速率，扫频源产生微波扫描信号并送到毫米波前端模块中；在毫米波前端模块，微波信号被分为2个部分，一部分经倍频放大滤波链路处理后形成毫米波信号，并通过天线发射出去，另一部分同样经过倍频放大滤波链路后作为混频器的本振信号，同接收信号进行混频；混频后的中频信号经放大后被送入数据采集处理子系统，经过采样处理后得到待测目标的回波信息；

所述主控计算机控制扫描架子系统在扫描平面内按照预设规则进行扫描，得到整个扫描平面上各个不同位置处的目标回波数据；系统软件通过补偿、处理运算，得到目标的三维像，完成测试过程。

2.如权利要求1所述的基于FMCW体制的THz扫描成像系统，其特征在于，整个扫描及采集过程采用硬件外触发的模式，所述主控计算机根据系统测试的需求和相关参数要求，完成对毫米波FMCW收发模块和扫描架子系统及数据采集处理子系统相关参数的设置；所述扫描架子系统根据参数要求移动至起始位置，并发送到位脉冲，所述到位脉冲被送到毫米波FMCW收发模块中；毫米波FMCW收发模块接到触发脉冲后启动一次FMCW信号的扫描，同时产生一个触发输出信号送到数据采集处理子系统；数据采集处理子系统接到代表射频信号发射的触发脉冲后开始一次数据采集，并将采集结果存储下来，完成一次完整的过程；采集完成后，毫米波FMCW收发模块产生触发输出，提供给扫描架子系统，扫描架子系统根据该触发信号步进到下一个点，开始一个新的处理周期。

3.如权利要求1所述的基于FMCW体制的THz扫描成像系统，其特征在于，所述毫米波FMCW收发模块包括电源板和信号处理电路板，信号处理电路板包括信号产生部分和信号接收部分。

4.如权利要求3所述的基于FMCW体制的THz扫描成像系统，其特征在于，

所述信号处理电路板的信号产生部分通过RS232接口电路同主控计算机串行通信，主控计算机通过所述RS232接口电路进行电路的控制；

所述信号处理电路板包括2片DDS芯片，用于同步产生2路线性调频信号，并对输出的2路线性调频信号进行滤波处理，后经倍频产生射频FMCW信号并送出；

所述信号处理电路板还包括FPGA，对DDS芯片送入的信号进行处理，经锁相后将该信号送出；

所述信号处理电路板的信号接收部分对送入的参考射频信号进行倍频、放大、滤波后，作为混频器2的本振信号；对送入的通道1射频信号进行放大滤波，送到混频器2的RF端口；两路信号在混频器2内部经混频后产生低频信号，经滤波、低频运算放大后送出。

5.一种基于FMCW体制的THz扫描成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)，根据设定的起始、终止频率和扫描速率，扫频源产生微波扫描信号并送到毫米波前端模块中；

步骤(b)，在毫米波前端模块，微波信号被分为2个部分，一部分经倍频放大滤波链路处理后形成毫米波信号，并通过天线发射出去，另一部分同样经过倍频放大滤波链路后作为混频器的本振信号，同接收信号进行混频；混频后的中频信号经放大后被送入数据采集处理子系统，经过采样处理后得到待测目标的回波信息；

步骤(c)，主控计算机控制扫描架子系统在扫描平面内按照预设规则进行扫描，得到整个扫描平面上各个不同位置处的目标回波数据；

步骤(d)，系统软件通过补偿、处理运算，得到目标的三维像，完成测试过程。

6.如权利要求5所述的基于FMCW体制的THz扫描成像方法，其特征在于，整个扫描及采集过程采用硬件外触发的模式，首先，所述主控计算机根据系统测试的需求和相关参数要求，完成对毫米波FMCW收发模块和扫描架子系统及数据采集处理子系统相关参数的设置；

然后，所述扫描架子系统根据参数要求移动至起始位置，并发送到位脉冲，所述到位脉冲被送到毫米波FMCW收发模块中；

再然后，毫米波FMCW收发模块接到触发脉冲后启动一次FMCW信号的扫描，同时产生一个触发输出信号送到数据采集处理子系统；

接下来，数据采集处理子系统接到代表射频信号发射的触发脉冲后开始一次数据采集，并将采集结果存储下来，完成一次完整的过程；

采集完成后，毫米波FMCW收发模块产生触发输出，提供给扫描架子系统，扫描架子系统根据该触发信号步进到下一个点，开始一个新的处理周期。

7.如权利要求5所述的基于FMCW体制的THz扫描成像系统，其特征在于，所述毫米波FMCW收发模块包括电源板和信号处理电路板，所述信号处理电路板的信号产生部分通过RS232接口电路同主控计算机串行通信，主控计算机通过所述RS232接口电路进行电路的控制；

所述信号处理电路板包括2片DDS芯片，用于同步产生2路线性调频信号，并对输出的2路线性调频信号进行滤波处理，后经倍频产生射频FMCW信号并送出；

所述信号处理电路板还包括FPGA，对DDS芯片送入的信号进行处理，经锁相后将该信号送出；

所述信号处理电路板的信号接收部分对送入的参考射频信号进行倍频、放大、滤波后，作为混频器2的本振信号；对送入的通道1射频信号进行放大滤波，送到混频器2的RF端口；两路信号在混频器2内部经混频后产生低频信号，经滤波、低频运算放大后送出。