CN105929395A - 一种使用斜入射波的电磁成像系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用斜入射波的电磁成像系统与方法。散射体固定于转台上，散射体的周围沿圆周间隔均布有多根接收天线，所有接收天线均连接到微波开关网络通过微波开关网络选通所需的接收天线工作，微波开关网络与矢量网络分析仪连接，矢量网络分析仪经射频功率放大器与发射天线连接；先分别获得入射场数据和每次转动角度后的总场数据，相减得到每次测量的散射场数据，将成像区域平均划分获得格林函数，建立目标函数，使用优化算法求解目标函数的最小值，获得介电常数分布。本发明克服了使用正入射波的电磁成像系统中存在的收发天线遮挡与互耦问题，收发天线位置可以灵活布置，还可根据实际情况自由的选取合适的入射角度。

Description

一种使用斜入射波的电磁成像系统与方法

技术领域

本发明涉及了一种电磁成像系统，尤其是涉及了一种使用斜入射波的电磁成像系统与方法。

背景技术

当电磁波的传播遇到与背景物质的介电常数或磁导率存在差异的物体时，电磁波会发生散射。通过探测并精确测量散射场，人们可以通过各种方法来获得散射体的位置、形状、介电常数等信息。这一技术可被广泛应用于隔墙成像、无损检测、安全检查和生物医学诊断等领域。

在传统的二维电磁成像系统中，发射天线与接收天线位于同一个平面。由于收发天线之间可能存在遮挡以及收发天线间存在互耦，这给测量的准确性和数据处理造成了不便。

发明内容

本发明为了避免传统二维电磁成像系统中存在的收发天线之间存在的遮挡以及收发天线间存在的互耦问题，提供了一种使用斜入射波的电磁成像系统与方法，可广泛应用于隔墙成像、无损检测、安全检查和生物医学诊断等领域。

本发明采用的技术方案是：

一、一种使用斜入射波的电磁成像系统：

系统包括矢量网络分析仪、射频功率放大器、微波开关网络、转台和收发天线，散射体固定于转台上，散射体的周围沿圆周间隔均布有多根接收天线，所有接收天线均连接到微波开关网络通过微波开关网络选通所需的接收天线工作，微波开关网络与矢量网络分析仪的输入端连接，矢量网络分析仪的输出端经射频功率放大器与发射天线连接，发射天线从斜上方朝向散射体辐射。

所述的矢量网络分析仪和微波开关网络均连接到计算机。

所述的矢量网络分析仪的输出端通过同轴线经过射频功率放大器连接到发射天线。

所述的微波开关网络内设有单片机，单片机连接到计算机。

所述的发射天线与接收天线不在同一个平面内。

二、一种使用斜入射波情况下的电磁成像方法：

1)采用所述系统，转台上不置有散射体，接收天线围绕形成的成像区域无散射体，通过微波开关网络依次选通每一根接收天线，测量获得发射天线与每一个接收天线之间的散射参数，作为入射场数据；

2)在转台上固定放置散射体，测量发射天线与每一个接收天线之间的散射参数，作为总场数据；

3)将转台多次转动，每次转过相同角度，每次转动重复步骤2)进行测量，依次获得所有总场数据；

4)将每次测量的总场数据与入射场数据相减，得到每次测量的散射场数据将接收天线围绕形成的成像区域平均划分为N个子区域，根据每个子区域的中心点位置获得每两个子区域中心点位置之间的格林函数以及每个子区域中心点位置和接收天线位置之间的格林函数；

5)建立目标函数使用优化算法求解目标函数的最小值，获得子区域的对比度的对角矩阵进而获得成像区域内的介电常数分布，完成对成像区域的电磁成像。

所述步骤5)中的目标函数采用以下公式：

$\begin{array}{c}f(\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}},\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\χ}}})=\underset{p=1}{\overset{N_i}{\Σ}}\left(\right||{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{G}}}_s\·({\stackrel{\‾}{I}}_p^s+{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{V}}}^n\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_p)-{\stackrel{\‾}{E}}_p^{sca}|{|}^2/\left|\right|{\stackrel{\‾}{E}}_p^{sca}|{|}^2+\\ \left|\right|({\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{V}}}^n-\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\χ}}}\·{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{G}}}_D\·{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{V}}}^n)\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_p-\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\χ}}}\·({\stackrel{\‾}{E}}_p^i+{\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{G}}}_D\·{\stackrel{\‾}{I}}_p^s)+{\stackrel{\‾}{I}}_p^s|{|}^2/|\left|{\stackrel{\‾}{I}}_p^s\right|{|}^2)\end{array}$

其中，表示函数中间变量，表示第p次测量的函数中间变量，表示第p次测量的散射场数据，表示第p次测量截断获得的等效辐射电流的确定部分，p表示测量次数的序数，N_i表示测量总次数；为子区域中心点位置与接收天线位置之间的格林函数矩阵，为每两个子区域中心点位置之间的格林函数矩阵，为截断剩余后的3N-L个右奇异向量组成的矩阵，为每个子区域处的入射场，为子区域对比度的对角矩阵，对角元素为每个子区域的对比度。

所述第p次测量获得的等效辐射电流的确定部分采用以下方式进行计算：

5.1)将子区域中心点位置与接收天线位置之间的格林函数的矩阵采用以下公式进行奇异值分解：

${\stackrel{\‾}{\stackrel{\‾}{G}}}_s\·{\stackrel{\‾}{v}}_j={\mathrm{\σ}}_j{\stackrel{\‾}{u}}_j,j=1,2,...,3N$

其中，表示第j个右奇异向量，表示第j个左奇异向量，σ_j表示第j个奇异值，j表示奇异值的序数；

5.2)选取一截断值L，L<3N，通过步骤3)获得的散射场采用以下公式计算出等效辐射电流的确定部分

${\stackrel{\&OverBar;}{I}}^s=\underset{j=1}{\overset{L}{\&Sigma;}}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_j^{*}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{E}}^{sca}}{{\mathrm{\&sigma;}}_j}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}_j$

其中，表示第j个左奇异向量的共轭转置。

所述步骤5)中的优化算法具体采用共轭梯度算法，首先使用共轭梯度算法计算获得目标函数中间变量再利用最小二乘算法计算获得子区域对比度的对角矩阵然后重复上述步骤不断迭代，直至目标函数的值小于迭代阈值，迭代计算结束，最后获得的子区域对比度的对角矩阵作为最终结果。

所述步骤3)中转台多次转动的总旋转角度大于360度。

本发明具有的有益效果是：

本发明克服了使用正入射波的电磁成像系统中存在的收发天线遮挡与互耦问题，可以显著减少系统校准的复杂度；收发天线位置可以灵活布置，还可以根据实际情况自由的选取合适的入射角度。

本发明可广泛应用于隔墙成像、无损检测、安全检查和生物医学诊断等领域。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图2为实施例利用测量数据对有机玻璃圆柱进行成像的效果图。

图中：1、转台，2、散射体，3、计算机，4、微波开关网络，5、矢量网络分析仪，6、射频功率放大器，7、发射天线，8、接收天线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括矢量网络分析仪5、射频功率放大器6、微波开关网络4、转台1和收发天线，散射体2固定于转台1上，散射体2的周围沿圆周间隔均布有多根接收天线8，所有接收天线8均连接到微波开关网络4通过微波开关网络4选通所需的接收天线8工作，微波开关网络4通过同轴线与矢量网络分析仪5的输入端连接，矢量网络分析仪5的输出端经射频功率放大器6与发射天线7连接，发射天线7从斜上方朝向散射体2辐射，矢量网络分析仪5和微波开关网络4均连接到计算机3。

微波开关网络4内设有单片机，单片机连接到计算机3，单片机接收计算机3发出控制信号使得微波开关网络选通所需的接收天线8工作，计算机3读取矢量网络分析仪5上的数据并存储。

本发明的系统中使用斜入射波，发射天线7与接收天线8不在同一个平面内。本发明的转台可以使被成像区域旋转，以获得入射波从不同方向照射成像区域时散射场的数据。

本发明的实施例如下：

如图1所示，实施例中应用于2.4GHz频段为例，介绍硬件结构及电磁成像方法。实施例利用该系统，可以对成像区域内的散射体进行成像。

矢量网络分析仪选用安捷伦8722ES型。该矢量网络分析仪可以精确测定50MHz至40GHz频带内的S参数。在实施例中，工作频段选为2.4GHz，因为这属于ISM频段，被广泛用作科学研究等领域。

射频功率放大器选用安捷伦8449B型。该放大器可以在1至26.5GHz频带内实现30dB的增益。通过放大发射信号可以有效提高接收信号的信噪比，提高测量的准确度。

开关组由射频开关芯片搭建，芯片型号为Hittite HMC321LP4。该芯片可以工作在2.4GHz，实现1对8的开关切换。开关可由电信号控制，切换速度快，从而提高了测量速度。

控制射频开关芯片的单片机型号为ATmega88。该单片机与PC机通过USB接口连接，所以可以通过PC机控制射频开关的切换。同时PC机通过GPIB接口与矢量网络分析仪相连，可以从矢量网络分析仪上读取数据并保存在PC机上。

发射天线为英联微波的LB34015CSF标准增益天线。该天线增益较高，有利于提高接收信号的信噪比。接收天线为自制的方形贴片微带天线。该天线剖面低，设计简单，制作方便，利于批量生产。在本实施例中接收天线数为24个。

本发明的实施例具体过程如下：

1)采用所述系统，转台上不置有散射体，接收天线围绕形成的成像区域无散射体，通过微波开关网络依次选通每一个接收天线，测量获得发射天线与每一个接收天线之间的散射参数，作为入射场数据；

2)在转台上固定放置散射体，测量发射天线与每一个接收天线之间的散射参数，作为总场数据；

3)将转台6次转动，每次转过相同角度60度，每次转动重复步骤2)进行测量，依次获得所有总场数据。

4)将每次测量的总场数据与入射场数据相减，得到每次测量的散射场数据将接收天线围绕形成的成像区域平均划分为40×40个子区域，根据每个子区域的中心点位置获得每两个子区域中心点位置之间的格林函数以及每个子区域中心点位置和收发天线位置之间的格林函数；

5)建立目标函数使用优化算法求解目标函数的最小值，获得子区域的对比度的对角矩阵进而获得成像区域内的介电常数分布，完成对成像区域的电磁成像。

实施例在微波暗室外进行测量。为了尽量接近实际使用的环境，测量装置周围布置有吸波材料，但没有屏蔽空间中存在的各种电磁信号。并利用实际测量的数据对介电常数为3的有机玻璃圆柱进行成像的效果如图2所示，入射角度为15度。白色虚线标出的是有机玻璃圆柱实际所在位置。λ为空气中波长，此处为12.5cm。图2(a)中圆柱置于成像区域中心。图2(b)中圆柱置于偏离成像区域中心的位置。由图2可见使用本发明技术进行成像，散射体成像位置准确，形状和介电常数基本正确，效果良好。

由此可见，本发明创新性地使用斜入射波作为入射场，克服了使用正入射波的电磁成像系统中存在的收发天线遮挡与互耦问题，技术效果显著突出，收发天线位置可以灵活布置，还可以根据实际情况自由的选取合适的入射角度。

Claims (10)

1.一种使用斜入射波的电磁成像系统，其特征在于：包括矢量网络分析仪(5)、射频功率放大器(6)、微波开关网络(4)、转台(1)和收发天线，散射体(2)固定于转台(1)上，散射体(2)的周围沿圆周间隔均布有多根接收天线(8)，所有接收天线(8)均连接到微波开关网络(4)通过微波开关网络(4)选通所需的接收天线(8)工作，微波开关网络(4)与矢量网络分析仪(5)的输入端连接，矢量网络分析仪(5)的输出端经射频功率放大器(6)与发射天线(7)连接，发射天线(7)从斜上方朝向散射体(2)辐射。

2.根据权利要求1所述的一种使用斜入射波的电磁成像系统，其特征在于：所述的矢量网络分析仪(5)和微波开关网络(4)均连接到计算机(3)。

3.根据权利要求1所述的一种使用斜入射波的电磁成像系统，其特征在于：所述的矢量网络分析仪(5)的输出端通过同轴线经过射频功率放大器(6)连接到发射天线(7)。

4.根据权利要求1所述的一种使用斜入射波的电磁成像系统，其特征在于：所述的微波开关网络(4)内设有单片机，单片机连接到计算机(3)。

5.根据权利要求1所述的一种使用斜入射波的电磁成像系统，其特征在于：所述的发射天线(7)与接收天线(8)不在同一个平面内。

6.一种使用斜入射波情况下的电磁成像方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用所述系统，转台(1)上不置有散射体(2)，接收天线(8)围绕形成的成像区域无散射体，通过微波开关网络(4)依次选通每一根接收天线(8)，测量获得发射天线(7)与每一个接收天线(8)之间的散射参数，作为入射场数据；

2)在转台(1)上固定放置散射体(2)，测量发射天线(7)与每一个接收天线(8)之间的散射参数，作为总场数据；

3)将转台(1)多次转动，每次转过相同角度，每次转动重复步骤2)进行测量，依次获得所有总场数据；

4)将每次测量的总场数据与入射场数据相减，得到每次测量的散射场数据将接收天线(8)围绕形成的成像区域平均划分为N个子区域，根据每个子区域的中心点位置获得每两个子区域中心点位置之间的格林函数以及每个子区域中心点位置和接收天线位置之间的格林函数；

5)建立目标函数使用优化算法求解目标函数的最小值，获得子区域的对比度的对角矩阵进而获得成像区域内的介电常数分布，完成对成像区域的电磁成像。

7.根据权利要求6所述的一种使用斜入射波情况下的电磁成像方法，其特征在于：所述步骤5)中的目标函数采用以下公式：

$\begin{array}{c}f(\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}},\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&chi;}}})=\underset{p=1}{\overset{N_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right||{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{G}}}_s\&CenterDot;({\stackrel{\&OverBar;}{I}}_p^s+{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{V}}}^n\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_p)-{\stackrel{\&OverBar;}{E}}_p^{sca}|{|}^2/|\left|{\stackrel{\&OverBar;}{E}}_p^{sca}\right|{|}^2+\\ \left|\right|({\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{V}}}^n-\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&chi;}}}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{G}}}_D\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{V}}}^n)\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&alpha;}}}_p-\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&chi;}}}\&CenterDot;({\stackrel{\&OverBar;}{E}}_p^i+{\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{G}}}_D\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_p^s)+{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_p^s|{|}^2/|\left|{\stackrel{\&OverBar;}{I}}_p^s\right|{|}^2)\end{array}$

其中，表示函数中间变量，表示第p次测量的函数中间变量，表示第p次测量的散射场数据，表示第p次测量截断获得的等效辐射电流的确定部分，p表示测量次数的序数，N_i表示测量总次数；为子区域中心点位置与接收天线位置之间的格林函数矩阵，为每两个子区域中心点位置之间的格林函数矩阵，为截断剩余后的3N-L个右奇异向量组成的矩阵，为每个子区域处的入射场，为子区域对比度的对角矩阵，对角元素为每个子区域的对比度。

8.根据权利要求7所述的一种使用斜入射波情况下的电磁成像方法，其特征在于：所述第p次测量获得的等效辐射电流的确定部分采用以下方式进行计算：

5.1)将子区域中心点位置与接收天线位置之间的格林函数的矩阵采用以下公式进行奇异值分解：

${\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&OverBar;}{G}}}_s\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{v}}_j={\mathrm{\&sigma;}}_j{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_j,j=1,2,...,3N$

其中，表示第j个右奇异向量，表示第j个左奇异向量，σ_j表示第j个奇异值，j表示奇异值的序数；

5.2)选取一截断值L，L<3N，通过步骤3)获得的散射场采用以下公式计算出等效辐射电流的确定部分

${\stackrel{\&OverBar;}{I}}^s=\underset{j=1}{\overset{L}{\&Sigma;}}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_j^{*}\&CenterDot;{\stackrel{\&OverBar;}{E}}^{sca}}{{\mathrm{\&sigma;}}_j}{\stackrel{\&OverBar;}{v}}_j$

其中，表示第j个左奇异向量的共轭转置。

9.根据权利要求6所述的一种使用斜入射波情况下的电磁成像方法，其特征在于：所述步骤5)中的优化算法具体采用共轭梯度算法，首先使用共轭梯度算法计算获得目标函数中间变量再利用最小二乘算法计算获得子区域对比度的对角矩阵然后重复上述步骤不断迭代，直至目标函数的值小于迭代阈值，迭代计算结束，最后获得的子区域对比度的对角矩阵作为最终结果。

10.根据权利要求6所述的一种使用斜入射波情况下的电磁成像方法，其特征在于：所述步骤3)中转台(1)多次转动的总旋转角度大于360度。