具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
毫米波成像体制主要分为毫米波主动成像和毫米波被动成像。这种被动毫米波成像系统的优点为结构比较简单,实现成本也较低,缺点就是成像时间太长,较差的成像分辨率。随着毫米波器件水平的提高和毫米波器件技术的发展,毫米波主动成像开始受到越来越多的重视。在毫米波主动成像中,主动合成孔径成像和主动全息成像是主要的成像体制。毫米波全息成像的方法是源于光学全息的方法,毫米波全息成像利用电磁波的相干原理,首先发射机要将发射高稳定的毫米波信号,接收机接受目标上每个点的发射信号并将回波信号与高度相干的参考信号进行相干处理,提取出回波信号的幅度和相位信息,从而得到目标点上的发射特性,最后在通过数据和图像处理的方法就可以得到场景中的目标毫米波图像。毫米波主动全息成像得到的毫米波图像分辨率好,在与机械扫描相配合可大大缩短成像时间,可实现工程化,所以毫米波全息成像特别适合毫米波近程主动成像。
以下参照附图详细描述本发明的实施例。
图1是本发明的舰船无损检测系统的组成框图。图2是本发明的舰船无损检测系统的结构性示意图。
如图1所示,本发明的舰船无损检测系统包括:发射天线14,用于向被测舰船发送毫米波发射信号;接收天线15,用于接收从被测舰船返回的回波信号;毫米波收发模块11,用于生成发送给被测舰船的毫米波发射信号并接收和处理来自接收天线15的回波信号;扫描装置10,用于固定并移动毫米波收发模块11、发射天线14和接收天线15;数据采集和处理模块12,用于采集和处理从毫米波收发模块11输出的回波信号以生成被测舰船的三维图像;以及图像显示单元13,用于显示由数据采集和处理模块12生成的三维图像。
如图2所示,扫描装置10由垂直方向导轨21、电机(例如,步进电机)22和平面检测面板23组成。具体来说,扫描装置10包括两块平面检测面板23来支撑毫米波收发模块11、发射天线14和接收天线15,被测舰船24置于两块平面检测面板23之间。扫描装置10还包括两对导轨21,分别设置在每块平面检测面板23的两侧,毫米波收发模块11、发射天线14和接收天线15沿导轨21上下移动。扫描装置10还包括位于检测面板23旁的控制电机22,其用于控制毫米波收发模块11、发射天线14和接收天线15沿导轨21的上下移动,从而对被测舰船24进行上下扫描。
进一步如图2所示,在每块平面检测面板23上设置N个毫米波收发模块11、N个发射天线14和N个接收天线15,每一个毫米波收发模块11对应一个发射天线14和一个接收天线15,N个毫米波收发模块11并排设置以形成一排毫米波收发系统,N个发射天线14并排设置以形成发射天线阵列,以及N个接收天线15并排设置以形成接收天线阵列,其中N是大于等于2的整数。
此外,按照时序控制N个毫米波收发模块11来逐个进行毫米波的发射和接收,从而完成对被测舰船的水平扫描。例如,对N个毫米波收发模块11的控制可以通过单刀多掷开关来实现,当然也可以采用本领域已知的任何时序控制装置。
此外,被测舰船也可以移动来提高成像速度。
还需要注意,一排毫米波收发系统所包括毫米波收发模块11以及对应的发射天线14和接收天线15的数量可以根据平面检测面板23的宽度以及所要实现的成像速度等参数来设置,而平面检测面板23的宽度又可以根据被测舰船24的尺寸来确定。此外,平面检测面板23与被测舰船24之间的距离可以根据天线参数等指标来确定。上面提及的尺寸的设置对于本领域技术人员来说是显而易见的,因此不再进行详细描述。
例如,1排毫米波收发系统可以包括64个毫米波收发模块11以及128个天线,其中1-64个发射天线组成发射天线阵列14,用于将64个毫米波收发模块11产生的线性调频连续波辐射到被测目标24上,而65-128个接收天线组成接收天线阵列15,用于接收由被测舰船反射回的信号并传输至64个毫米波收发模块11。每个发射天线对应一个接收天线,发射天线1、2、3、…、63和64分别对应接收天线65、66、67、…、127和128。如上所述,这64个毫米波收发模块11并非同时工作,而是例如通过两层单刀多掷开关来控制,使它们逐个地进行发射和接收,
图3是本发明的舰船无损检测系统中的毫米波收发模块的电路图。
如图3所示,毫米波收发模块11包括:发射链路,由信号源301、定向耦合器302、功率放大器303、二倍频器304组成,用于生成发送给被测舰船24的毫米波发射信号;以及接收链路,由信号源307、定向耦合器309、混频器310、312、313、功率放大器311、314、二倍频器312、315以及低噪声放大器317组成,用于接收被测舰船24返回的回波信号并对回波信号进行处理以发送给数据采集和处理模块12。
具体来说,信号源301是工作频率在一定频率范围(例如,13.5GHz-16.5GHz)的调频信号源,可以表示为:
其中,A1表示为初始幅值,f1为初始扫描频率13.5GHz,t为时间,为信号源301的初始相位值,B为调频信号带宽,T为调频周期。
此外,信号源307是工作频率在一固定频率(例如,35MHz)的单频率连续波信号源,可以表示为:
其初始幅值和相位分别为A2和频率为f2。
注意,上述信号源301的频率范围和信号源307的频率可以根据分辨率要求等来选择,这对于本领域技术人员来说是共知的,此处不再进行描述。
定向耦合器302是一个三端口器件,其输入端接收信号源301的输出信号,直通端连接至功率放大器303,从而使发射链路的功率达到二倍频器304安全输入功率范围。在经过二倍频器304后,发射链路的频率倍频至第二频率范围(在信号源301的频率范围为13.5GHz-16.5GHz的情况下,此处的频率范围为27GHz-33GHz),最终由一个发射天线辐射到空间中到达被测舰船。此处,发射信号可以表示为:
其中,A1′是发射信号的幅值。
第二信号源307的输出信号连接至定向耦合器309的输入端。混频器310是一个三端口器件,其中中频IF端连接定向耦合器309的直通端以输入例如35MHz的中频信号,射频RF端连接定向耦合器302的耦合端以输入例如13.5GHz-16.5GHz的调频信号,本振LO端则输出RF和IF端输入的信号的差频信号来提高给功率放大器311。功率放大器311使该信号功率放大到二倍频器312的安全工作范围内。此时,二倍频器312的输出信号为两信号源混频、然后再二倍频后的信号,可以表示为:
混频器313是一个三端口器件,其中本振LO端连接二倍频器312的输出信号S(t),射频RF端得到接收天线15所接收的从被测舰船反射的回波信号。此时的回波信号可以表示为:
其中,α为回波信号衰减系数,τ=2R/c为被测物体产生的回波延时,c为电磁波在空间的传播速度。
混频器313的中频IF端则输出本振LO与射频RF端接收的信号的超外差信号,其中该信号中带有一定的空间目标信息,可以表示为:
从(6)式中可以看出两个信号源的非相干性,为了得到相干信号,引入混频器316。混频器316输出带有目标信息的相干的超外差信号,其射频端输入来自混频器313的首次下变频信号SIF(t),本振端输入由信号源307经过定向耦合器309耦合端、功率放大器314以及二倍频器315输出的例如70MHz的连续波信号,即:
其中,A2′为信号幅值。
混频器316中频IF端则输出带有目标信息的第二次下变频信号SIF(t),即:
从公式(8)可以看出,采用该方法消除了非相干双信号源引入的相位不同步。
低噪声放大器317能够使经过两次下变频的微弱中频信号进行放大,提高输出信号的信噪比、探测灵敏度,其输出信号被送入数据采集和处理模块12。
图4是本发明的舰船无损检测系统的数据采集和处理模块中进行的全息三维成像算法的流程图。
如图4所示,数据采集和处理模块12将采集得到的信号首先进行回波信息的采集(401),将其与空间位置信号联系在一起。然后利用傅里叶变换进行几何特性的傅里叶变换(402),化简变形后进行傅里叶逆变换(403),最终得到目标三维像(404),结合空间域位置信息进行最终数据的获取。
图5是本发明的舰船无损检测系统的三维目标成像原理图。
如图5所示,毫米波经过目标502的位置点(x,y,z)处的散射后,位置为(X,Y,Z0)的接收天线501开始接收散射后的宽带回波信号。天线将接收到的信号送入毫米波电路和高度相干的本振信号进行下变频,再通过低噪声放大器317。设得到的信号为E(X,Y,ω),其中ω是发射源的瞬时角频率,E(X,Y,ω)是关于ω的函数,其表达式为:
其中,是天线与目标点之间的距离,为电磁波波束,指数部分表示目标散射的球面波信号,对目标三维散射成像起重要作用。且:
E(X,Y,ω)为时域信号,它是对时间维信号E(X,Y,t)进行傅里叶变换后的表达式,即:
E(X,Y,ω)=FT[E(X,Y,t)](11)
将式(10)带入式(9),将式(9)的矢量运算简化成标量运算,从物理意义上理解,可以看成把一个球面波展开,表示成平面波的叠加,得到:
式(12)中使用了三维傅里叶变换,即:
也是一个逆傅里叶变换,即:
式(13)中忽略了常数项,把(13)式代入(12)式可以得到:
对式(15)进行逆变换,可以得到最终的宽带毫米波全息成像公式为:
从式(16)中可以看出,只要得到各个频率点的回波信号的电磁信息,就可以通过一系列反演得到f(x,y,z),最后得到成像目标的三维毫米波全息图像。
图6是本发明的舰船无损检测方法的流程图。
如图6所述,利用上述舰船无损检测系统进行被测舰船的毫米波全息三维成像检测方法包括以下步骤:扫描装置移动毫米波收发模块、发射天线和接收天线来扫描被测舰船;毫米波收发模块生成毫米波发射信号;发射天线将毫米波收发模块生成的毫米波发射信号发射给被测舰船;接收天线接收被测舰船返回的回波信号并将回波信号发送给毫米波收发模块;毫米波收发模块对回波信号进行处理并发送给数据采集和处理模块;数据采集和处理模块对来自毫米波收发模块的信号进行处理以生成被测舰船的三维图像;以及图像显示单元显示由数据采集和处理模块生成的三维图像。
本发明通过采用上述舰船无损检测系统和方法,与现有的毫米波成像仪器相比,具有以下突出的优点:
(1)价格低廉:本发明利用驱动电机使一维阵列天线实现面阵列的扫描效果,极大地降低了成本。
(2)结构简单,易集成:本发明例如采用单刀多掷开关等控制毫米波收发模块通道的工作顺序,并且采用调频信号源及毫米波器件进行系统的搭建,大大降低了系统的复杂度,同时也提高了系统的集成度。
(3)分辨率高:本发明采用调频连续波技术、超外差技术以及全息成像技术,提高了三维图像平面和深度的分辨率。
(4)成像时间快:本发明采用电机带动收发天线上下移动的同时也可以让被测舰船以一定的速度向前运动,大大提高了成像速度。
(5)视场增加:与现有的50厘米以下的视场相比,本发明的实施例可以达到几米,甚至几十米的视场。
(6)信噪比高:系统采用主动式毫米波成像,通过控制各个毫米波器件的输出功率范围来提高天线的发射功率,当然,发射功率在安全辐射范围之内,使得回波信号信噪比远远高于被动式毫米波成像系统接收信号的信噪比,进而获得更高的成像质量。
(7)用途广泛:利用毫米波成像技术高分辨率及结构简单等优点,除了进行舰船无损检测之外,还可以进行各类大型仪器外层损伤的检测,也适用于违禁品的检测。
需要说明的是,以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围,本领域的普通技术人员应当理解,在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换,均应涵盖在本发明的范围之内。此外,除上下文另有所指外,以单数形式出现的词包括复数形式,反之亦然。另外,除非特别说明,那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。