CN105164554A - 毫米波扫描成像系统 - Google Patents

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CN105164554A
CN105164554A CN201480022784.6A CN201480022784A CN105164554A CN 105164554 A CN105164554 A CN 105164554A CN 201480022784 A CN201480022784 A CN 201480022784A CN 105164554 A CN105164554 A CN 105164554A
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D·尼布勒
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    • G—PHYSICS
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
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Abstract

一种用于扫描物体的毫米波扫描成像系统，包括用于在第一方向上运送物体的运送装置、毫米波测量系统和扫描系统。毫米波测量系统包括耦合到第一天线的发射器和耦合到第二天线的接收器，第一和第二天线被布置成彼此远离并形成间隙，物体可以被运送通过该间隙。扫描系统产生第一天线和第二天线的同步的沿弧形的移动。来自发射器的信号被从Hi0模式转换成H11模式，并且以H11模式经由旋转接头耦合到第一天线，从而在旋转过程中相对于运送装置维持信号的方向和偏振恒定。

Description

毫米波扫描成像系统
技术领域
本发明涉及通过使用波长在毫米范围中的电磁波用于生成物体图像的毫米波扫描成像系统。
背景技术
在DE102009047300A1中公开了使用电磁RF辐射的食物扫描设备。其具有用于生成RF辐射并且将该辐射引导到食物物品的源。反射的辐射被接收器接收并分析，以获取关于食物的成分的信息。
在US2002/0044276A1公开了使用毫米波的扫描成像系统。这里，扫描反射器被用来扫过周期扫描模式，以将毫米波能量从目标物体重新引导到检测器。
发明内容
本发明待解决的问题是提供用于连续扫描物体的毫米波扫描器。进一步的目的是实现具有低失真的高分辨率扫描。此外，一个目的是提供相对简单、有成本效益的和免维护的扫描器。本发明的另一目的是提供旋转扫描部分，该部分以恒定的且独立于扫描角度的偏振来传递和接收电磁波。
在独立权利要求中描述了该问题的解决方案。而从属权利要求涉及本发明的进一步改进。
在第一个实施例中，扫描成像系统使用电磁波，优选地使用射频能量(或信号)，来扫描物体。优选地，电磁波的波长在毫米范围内。优选的频率范围是在30GHz和300GHz之间。本文公开的实施例还可以用于厘米波(3GHz到30GHz)或者亚毫米波(300GHz到3THz)。光也可以用于扫描。
待扫描的物体优选为通过运送装置在第一方向上移动或者运送，所述运送装置优选为输送带。可以使用其他运送装置，如小车或滑块。这里，输送带是优选的，因为其以预定和恒定的速度提供该物体的运送，并且其具有恒定的物体吞吐量。至少一个用于发射和/或接收电磁波的天线在第二方向上移动，该第二方向相对于第一方向大约成直角。移动也可以在曲线轨迹上进行。优选具有独立的第一发射天线和第二接收天线。也可以具有多个发射天线和/或接收天线。此外，优选地在天线之间具有间隙，物体可以移动通过该间隙。这允许物体的传送测量。在备选实施例中，两根天线可以布置在物体的一侧，以允许反射测量。可替代地，可以有用于发射和接收信号的公共天线。为了获得发射和接收天线的连续移动，天线优选被布置在旋转体上。该旋转体优选为盘形。其可以是保持天线中的至少一个的盘。其可以保持和/或支撑如位置传感器或平衡配重的其他部件。如果有两个旋转体，旋转体进一步优选地同步旋转，并且将发射天线和接收天线保持彼此相对。旋转体可以由皮带或齿轮驱动。如果旋转体具有流体支承件，其进一步优选地为空气支承件或者液体支承件，或者可替代地为磁性支承件。这样无摩擦的支承件允许相对高的旋转速度，从而允许高的扫描速度。
发射天线被连接到发射器系统，而接收天线被连接到接收器系统。发射器系统传递RF能量，而接收器系统接收该能量并且生成待在图像处理单元中使用以生成图像的信号。优选地，图像处理单元评估被接收天线接收的信号的幅值和/或相位，并且最优选地将其与被发射天线发射的信号作比较。此外，可以评估偏振的变化。优选地，发射器系统和/或接收器系统是静止的且不旋转，因为这减少旋转的质量并且因此增加旋转速度和扫描速度。为了将RF能量(或者本文也指电磁波或者信号)从发射器系统传输到发射天线，第一波导系统被提供。该第一波导系统具有至少第一旋转接头，以在静止部分和旋转部分之间耦合。优选有用于将电磁波从接收天线耦合到接收器的第二波导系统。还优选地，该波导系统具有第二旋转接头，以在旋转和静止部分之间耦合电磁波。
发射和接收天线用弧形的移动从一侧到另一侧跨过输送带。优选地，该移动在输送带的中心处具有垂直于输送带的移动方向的切线。一般而言，该弧形的移动大致代表垂直于(或者成直角)输送带的移动方向的移动。
在优选实施例中，波导系统在旋转过程中至少跨输送带上的扫描移动的弧形部分，保持电磁场的方向或者电磁波的偏振恒定。这通过使用来自发射器系统的具有H11模式的波来完成。发射器系统可以具有发射器，其直接在圆形波导中生成具有H11模式的波。替代的方式可以是通过模式转换器将来自发射器的可以以H10模式由矩形波导引导的电磁波转换为具有H11模式的波。这样的模式转换器可以是具有在两种波导类型之间连续转换的波导。其还可以集成到OMT(正交模耦合器)中。也可以在发射器和接收器之间的信号路径中的任何其他位置有OMT。该H11模式被在第一静止圆形波导中引导，该第一静止圆形波导与第一旋转接头相连。第一静止圆形波导可以是一段非常短的波导，其可以集成到模式转换器或者第一旋转接头。该第一旋转接头是用于在两端连接使用H11模式的圆形波导的旋转接头。最优选地，其为具有用于电学地闭合旋转部分之间的间隙的至少一个λ/4变换器(transformer)的圆形波导。这也可以叫做λ/4扼流圈(choke)。第一旋转接头的旋转侧被耦合到第一旋转圆形波导，以将电磁波传输到第一天线。优选地，第一天线是圆形的、圆锥形的或者指数型角状天线。一般而言，尽管角状天线是优选的，但是这里使用的天线可以是适于发射和接收毫米波信号的任何种类的天线。优选地，角状天线具有圆形横截面，并且还可以被称作圆形横截面天线或者角状物。它们可以进一步具有圆锥形或者指数型形状。
通过使用之前提到的旋转接头和圆形波导，电场的方向(和偏振)相对于静止部分在旋转过程中保持恒定。这帮助改善扫描质量和分辨率。这里，术语“圆形波导”和“圆形天线”涉及具有大约圆形横截面的波导和天线。这样的天线可以进一步有圆锥形形状。
优选地，在第二侧为用于接收信号并连接到接收器系统的第二天线提供相似的布置。在这里，接收器系统也可以包括从圆形波导直接接收H11模式的信号的接收器，或者转换器被提供用于将这样的H11模式的信号转换成在矩形波导内的H10模式。
在备选实施例中，最先进的旋转接头被用来将信号从作为接收天线的第二天线传输到接收器。这样的旋转接头一般可以具有作为使用H10模式的矩形波导的输入和输出。由于接收天线系统(包括旋转接头)的偏振的旋转，可能会有一些信号的衰减，该信号衰减可以通过计算来补偿。尽管前述实施例涉及使用H11模式的圆形波导，但是可以有具有相似性质并且可以用作备选方式的其他模式。这样的模式为在脊形或波纹状的圆形波导或者涂覆有电介质的圆形波导中的HE11模式。其他的实施例可以将HE11模式用于电介质波导。这样的电介质波导也可以是光纤。
另一实施例涉及用于操作具有耦合到旋转圆形天线的静止发射器的扫描成像系统的方法。来自发射器的信号以H10模式经由第一静止矩形波导传输，经由用于将H10模式的信号转换成H11模式的信号的模式转换器，该信号进一步被经由第一静止圆形波导耦合，该第一静止圆形波导将该H11信号携带到第一旋转接头，以将H11模式的信号耦合进入到第一旋转圆形波导，该第一圆形波导还将该信号耦合到天线。该方法可以与这里公开的所有其他实施例结合。
附图说明
以下，在不限制总的发明构思的情况下，将参考附图以示例的方式描述本发明的实施例的示例。
图1以侧视图示出了透射扫描成像系统的第一实施例。
图2以俯视图示出了扫描成像系统的第一实施例。
图3以侧视图示出了反射扫描成像系统的第二实施例。
图4详细示出扫描过程。
图5示出发射器和接收器之间的信号路径。
图6示出使用标准旋转接头的备选实施例。
图7以俯视图示出了由第一圆形天线发射的电磁波的方向。
图8以俯视图示出了由第一矩形天线发射的电磁波的方向。
图9示出非旋转电场对扫描的影响。
图10示出旋转电场对扫描的影响。
具体实施方式
在图1中，以侧视图示出了透射扫描成像系统的第一实施例。待扫描的物体12、13被输送带10在方向11上运送。为了生成这些物体的图像，电磁波由发射器39生成，在传播方向25上通过第一天线31辐射到物体并被第二天线41接收，并且被转发到接收器49。图像处理单元29连同其他信号(如发射器39的同步信号)一起接收接收器49的信号，并且计算物体的图像。图像处理单元29可以向发射器39和/或接收器49和/或扫描器的其他部件传递同步和/或控制信号。为了在物体的表面上进行扫描，物体被输送带在第一方向上移动，而第一天线31和/或第二天线41在相对于输送带的移动方向大约成直角的方向上移动。更精确地，如以下将进一步描述的，它们在该运动的特定部分执行跨所述输送带的旋转移动。为了这一目的，至少提供第一旋转基座30。该第一旋转基座30被设计为至少保持第一天线31。可以有其他部件附连到第一旋转基座，如辅助部件38，其至少可以包括用于静止地和/或动态地平衡旋转基座的一个平衡配重。旋转基座30可以围绕旋转轴20旋转。优选地，其至少被一个支承件(未在此处示出)支撑。为了将第一天线31耦合到发射器39，第一旋转波导32被连接到天线31。其被进一步连接到第一旋转接头33，该第一旋转接头33在其静止侧再经由第一静止圆形波导34连接到模式转换器35。在发射器系统的示例性实施例中，发射器39经由第一静止矩形波导36连接到所述模式转换器。在接收部分中，具有对应于第一旋转基座30的第二旋转基座40。这两个旋转基座同步地旋转，以使得在第一旋转基座30处的第一天线31和在第二旋转基座40处的第二天线41在旋转期间相对于彼此处于固定的位置。在第二旋转基座处可以有其他辅助部件48，如电子部件或平衡配重。第二天线41经由第二旋转圆形波导42、第二旋转接头43和第二静止圆形波导44连接到接收器系统，该接收器系统包括接收器49，其可以从圆形波导直接接收H11模式的信号。
在图2中，以俯视图示出了扫描成像系统的第一实施例。这里，示出了第一旋转基座30的旋转方向21。第一旋转基座也可以在相反的方向上旋转。
在图3中，以侧视图示出了使用反射模式的第二实施例。这里，只在第一旋转基座处提供第一天线31。该天线被用于发射和接收电磁波。为了经由第一静止矩形波导36和第二静止矩形波导46将相同的天线耦合到发射器39和接收器49，方向选择耦合设备37被提供。其可以例如是方向耦合器或魔T(magic-T)。其被进一步经由矩形波导45耦合到模式转换器35。此外，在输送带下可以有吸收器15，以吸收未反射的辐射。在扫描期间，信号被从发射器39经由第一静止矩形波导36和方向选择耦合设备37、波导45、模式转换器35、第一静止圆形波导34、旋转接头33和第一旋转圆形波导32发送到第一天线31。该天线在方向26上发射信号，该信号被反射回来并且被相同的第一天线31接收。从这里，该信号被如上所述的部件引导回方向选择耦合设备37，其引导该反射的信号经由第二静止矩形波导46到接收器49。
在图4中，详细示出了区域80的扫描。所扫描的区域80可以是输送带11的表面，其上置有一些物体12、13。第一天线31和第二天线41执行圆形移动，从而导致弓形的轨迹81、82、83、84、85和86。通过将这些弓形的轨迹放置得彼此邻近，则整个表面可以被扫描。
在图5中，详细示出了发射器39和接收器49之间的信号路径。电磁波通过包括发射器39、第一静止矩形波导36和模式转换器35的发射器系统生成。具体而言，电磁波通过发射器39生成并且借助于第一静止矩形波导36耦合到模式转换器35。在该图中，每个波导的横截面与优选的发射模式被一起示出。因此，第一静止矩形波导36具有矩形横截面，且其优选的传播模式为H10。模式转换器35将由矩形波导接收的H10模式转换到第一静止圆形波导34中的H11模式。该来自圆形波导的处于H11模式的信号被通过第一旋转接头33耦合到第一旋转圆形波导32中的另一H11模式。传播通过第一旋转圆形波导32的信号被第一天线31在发射方向25上发射。被第二天线41接收的信号由第二旋转圆形波导42以H11模式传导，并且被第二旋转接头43以H11模式传输进入到接收器系统51。接收器系统包括第二静止圆形波导44和接收器49。
在图6中，示出了使用标准旋转接头的备选实施例。该实施例基于标准技术，使用优选的矩形波导用于运送处于H10模式中的信号。在市场上有许多用于H10模式信号的具有矩形波导连接器的旋转接头。这样的标准旋转接头69、79包括用于将矩形波导的进入的H10模式转换到圆形波导66、76的外出的E01模式的第一和第二模式转换器67、77。该信号通过圆形旋转接头65、75进一步被耦合到运送相同E01模式的另一圆形波导64、74。最后，其被第二模式转换器63、73转换回矩形波导中的H10模式。本文描述的标准旋转接头69、79可以在所示的方向上或者相反的方向上操作。从而，该系统使用发射器39产生以H10模式进入第一静止矩形波导36的信号，该第一静止矩形波导36跨标准旋转接头69以H10模式经由第一旋转矩形波导62将该信号耦合到矩形发射天线61。该信号在方向25上被辐射到第二矩形天线71。从那里，该信号再通过使用H10模式的第二旋转矩形波导72，经由标准旋转接头79，被使用H10模式的第二静止矩形波导78耦合到接收器49。
在图7中，以俯视图示出了由第一圆形天线31所发射的电磁波的方向。该图涉及图5中所示的第一实施例。箭头示出了不同位置处的圆形天线31、41的横截面91、92、93、94中的E场(电场)的方向，这些不同位置彼此成大约90度的角度。E场的方向不随着天线的旋转而改变，因为该电场通过圆形波导32、34和圆形旋转接头33以及圆形天线31不旋转地耦合。
在图8中，在俯视图中示出了由第一矩形横截面天线发射的电磁波的方向。该图涉及如图6中所描述的实施例。由于标准旋转接头69和79维持电场的方向，该电场相对于旋转的基座总是恒定的并且相对于扫描区域80随着旋转基座的旋转而移动。这可以由用在不同位置的矩形横截面天线61、71的横截面96、97、98、99中的箭头所示的E场来表示，这些不同位置彼此成大约90度的角度。这里，E场保持从旋转基座的外侧到旋转中心的方向。一般而言，术语“矩形横截面的天线”应当意为具有矩形横截面的任何天线，如棱形角状物或扇形角状物。
在图9中，示出了非旋转电场对扫描的影响。当在扫描区域80上扫描时，如由E场的箭头所示的，尽管电场的方向相对于旋转基座30改变，但是该方向相对于被扫描的区域保持恒定。具有恒定的场的方向并因此具有恒定的偏振允许检测物体的偏振更改(偏振化)属性。这进一步帮助改进扫描精度和分辨率。
在图10中，示出了旋转电场对扫描的影响。当在扫描区域80上扫描时，如由E场的箭头所示的，电场的方向相对于旋转基座30保持恒定并相对于扫描区域80旋转。
附图标记列表
10输送带
11移动方向
12,13物体
20旋转轴
21旋转方向
25电磁波的传播
26反射信号的方向
29图像处理单元
30第一旋转基座
31第一天线
32第一圆形波导
33第一旋转接头
34第一静止圆形波导
35模式转换器
36第一静止矩形波导
37方向选择耦合设备
38第一辅助部件
39发射器
40第二旋转基座
41第二天线
42第二圆形波导
43第二旋转接头
44第二静止圆形波导
45矩形波导
46第二静止矩形波导
48第二辅助部件
49接收器
50发射器系统
51接收器系统
61第一矩形天线
62第一旋转矩形波导
63第一旋转模式转换器
64第一旋转圆形波导
65第一旋转接头
66第一静止圆形波导
67第一静止模式转换器
69标准旋转接头
71第二矩形天线
72第二旋转矩形波导
73第二旋转模式转换器
74第二旋转圆形波导
75第二旋转接头
76第二静止圆形波导
77第二静止模式转换器
78第二静止矩形波导
79标准旋转接头
80扫描区域
81-86被扫描的片段
91-94圆形天线31、41的电场
96-99矩形天线61、71的电场

Claims (13)

1.一种用于扫描物体(12、13)的毫米波扫描成像系统，包括：
-运送装置(10)，用于在第一方向(11)上运送物体(12、13)，
-毫米波测量系统，至少包括耦合到第一天线(31)的发射器系统(50)，以及耦合到第二天线(41)的接收器系统(51)，所述第一天线(31)和所述第二天线(41)被布置成彼此远离并形成间隙，所述物体(12、13)能够被运送通过该间隙，
-扫描系统，用于在相对于所述第一方向大约成直角的方向上沿弧形移动所述第一天线(31)和所述第二天线(41)，
其中，所述第一天线(31)和所述第二天线(41)能够彼此同步地旋转，
所述发射器系统(50)生成H11模式的信号，所述H11模式的信号被经由第一静止圆形波导(34)耦合，所述第一静止圆形波导(34)将所述H11信号携带到第一旋转接头(33)，以将所述H11模式的信号耦合进入第一旋转圆形波导(32)，所述第一旋转圆形波导(32)进一步将所述信号耦合到所述第一天线(31)，所述第一天线(31)是圆形和/或圆锥形天线。
2.一种用于扫描物体(12、13)的毫米波扫描成像系统，包括：
-运送装置(10)，用于在第一方向(11)上运送物体(12、13)，
-毫米波测量系统，至少包括耦合到天线(31)的发射器系统(50)，以及耦合到所述天线(31)的接收器系统(51)，所述天线(31)被布置成远离所述运送装置并形成间隙，所述物体(12、13)能够被运送通过所述间隙，
-扫描系统，用于在相对于所述第一方向大约成直角的方向上沿弧形移动所述天线(31)，
其中，所述发射器系统(50)生成H11模式的信号，所述H11模式的信号被经由第一静止圆形波导(34)耦合，所述第一静止圆形波导(34)将所述H11信号携带到旋转接头(33)，以将所述H11模式的信号耦合进入第一旋转圆形波导(32)，所述第一旋转圆形波导(32)进一步将所述信号耦合到所述天线(31)，所述天线(31)是圆形天线，
所述天线(31)发射信号(26)，该信号(26)能够至少部分地被所述物体(12、13)中的至少一个反射，并且被所述天线(41)再次接收，
所接收的信号被以H11模式转发通过所述第一旋转圆形波导(32)、所述旋转接头(33)和所述第一静止圆形波导(34)，到达所述接收器系统(51)。
3.根据前述权利要求任意之一所述的扫描成像系统，其特征在于
所述发射器系统(50)包括发射器(39)，所述发射器(39)用于生成以H10模式传播通过第一静止矩形波导(36)并经由用于将H10模式信号转换成H11模式信号的模式转换器(35)的信号。
4.根据权利要求1或2所述的扫描成像系统，其特征在于
所述发射器系统(50)包括用于生成H11模式的信号的发射器(39)。
5.根据前述权利要求任意之一所述的扫描成像系统，其特征在于
所述接收器系统(51)包括接收器(49)，所述接收器(49)用于接收经由用于将H11模式的信号转换成H10模式的信号的模式转换器并以H10模式传播通过第一静止矩形波导的信号。
6.根据权利要求1或2所述的扫描成像系统，其特征在于
所述接收器系统(51)包括用于接收H11模式的信号的接收器(49)。
7.根据权利要求1所述的扫描成像系统，其特征在于
所述第二天线(41)经由旋转接头(43)耦合到所述接收器(49)。
8.根据权利要求7所述的扫描成像系统，其特征在于
所述第二天线(41)是圆形横截面的天线，将处于H11模式的信号通过第二旋转圆形波导(42)和第二旋转接头(43)并且进一步通过第二静止圆形波导(44)耦合到所述接收器(49)。
9.根据权利要求7所述的扫描成像系统，其特征在于
所述第二天线是矩形横截面的天线(71)，通过矩形波导(72)、用于矩形波导的旋转接头(79)和另一个矩形波导(78)连接到所述接收器(49)。
10.根据前述权利要求任意之一所述的扫描成像系统，其特征在于
所述第一运送装置(10)是输送带。
11.根据前述权利要求任意之一所述的扫描成像系统，其特征在于
耦合到所述接收器(49)和/或所述发射器(39)的图像处理单元(29)被提供了。
12.根据前述权利要求任意之一所述的扫描成像系统，其特征在于
模式转换器(35)生成和/或接收圆形偏振的H11模式的信号。
13.一种用于操作具有静止部分和旋转部分的扫描成像系统的方法，所述静止部分包括耦合到旋转圆形和/或圆锥形天线(31)的静止发射器(39)，其特征在于
来自所述发射器的信号被以H10模式经由第一静止矩形波导(36)传输，并经由用于将H10模式的信号转换成H11模式的信号的模式转换器(35)，该H11模式的信号被进一步经由第一静止圆形波导(34)耦合，所述第一静止圆形波导(34)将所述H11信号携带到第一旋转接头(33)，以将所述H11模式的信号耦合进入第一旋转圆形波导(32)，所述第一旋转圆形波导(32)进一步将所述信号耦合到所述天线(31)，从而在相对于所述静止部分旋转的过程中保持所述信号的偏振恒定。
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