CN106054182B - 一种太赫兹成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波成像系统，该系统是一种三角波调制的太赫兹调频连续波的单通道扫描式成像系统并用于对地面的低速运动的目标成像。该系统由硬件和软件部分组成。本系统采用300GHZ的太赫兹频率、0.1W发射功率、波束角为1°的喇叭天线，单通道移动扫描方式来接收回波信号。喇叭天线置于移动平台上，移动平台由转台带动与铅直方向成30°的夹角做往复的匀速运动，对被测物体进行往复的扫描获得太赫兹回波信号，此回波信号经过放大滤波，下变频，经过采集卡采集到FPGA信号处理单元经成像算法处理获得成像的复图像数据，在显示器上成像。

Description

一种太赫兹成像系统
技术领域
本发明涉及雷达成像领域，以太赫兹波成像为研究对象，在此基础上提出了一种太赫兹波的单通道扫描成像系统。
背景技术
太赫兹波(THz)是指频率在300GHz—3000GHz之间的电磁波。太赫兹波具有能穿透一些可见光所不能穿透的材料(布料、纸张等)且对人体没有电离伤害的独特性质。目前已有的脉冲波成像雷达受到广泛的关注，但调频连续波雷达与传统的脉冲雷达相比，由于发射的是调频连续波，具有连续波没有盲区的优点，并且时宽较大，容易获得较高的带宽，并且在技术和硬件实现上较脉冲雷达容易。此外，现有的凝视成像雷达大都采用多通道的成像方式，与单通道运动扫描成像方式相比，后者较容易实现，因此，本发明提出了一种太赫兹调频连续波的单通道扫描成像系统。
发明内容
鉴于以上太赫兹波的特性和调频连续波的优点，本发明采用的技术方案为一种太赫兹成像系统，该系统是一种三角波调制的太赫兹调频连续波的单通道扫描式成像系统(系统总体结构图见说明书附图1)并用于对地面的低速运动的目标成像。该系统由硬件和软件部分组成。硬件部分由太赫兹源、环形器、放大滤波器、下变频器、采集卡、控制器、显示器、FPGA信号处理单元、伺服系统、转台、喇叭天线组成，喇叭天线的真实半径：1mm<D<5cm；软件部分由主控程序和信号处理程序组成。
太赫兹源产生300GHz的太赫兹波，环形器与喇叭天线相连接，利用环形器的单向传输特性能够同时实现喇叭天线的发送与接收；喇叭天线置于转台上。该系统由太赫兹源产生频率为300GHz的太赫兹波信号，经过环形器，环形器与发射功率为0.1W的矩形波导接口的喇叭天线连接，喇叭天线置于由转台带动的移动平台上，移动平台与铅直方向成30°的夹角，由FPGA信号处理单元的主控程序控制伺服系统控制转台的转动来带动移动平台做往复的匀速直线运动扫描被测物体获得回波信号，利用环形器的单方向传输特性使信号的发送与接收同时进行，接收到的太赫兹回波信号功率比较弱并且太赫兹的频率比较高，采集起来比较困难，因此需要经过放大滤波器进行功率放大，再进行下变频降低信号的频率，再次经过放大滤波器放大滤波，然后由FPGA信号处理单元的主控程序控制采集卡采集信号，然后经过信号处理程序、成像算法和校正算法的处理最终在显示器上成像。
由于接收到的太赫兹波比较弱，因此需要放大滤波器对接收到的弱太赫兹波进行放大滤波，太赫兹波的频率相当高，需要经过下变频降低频率，然后在经过放大滤波器进行一次放大，以便于采集卡对信号进行采集；FPGA信号处理单元通过控制器控制采集卡实时采集数据，并控制显示器成像；本发明的关键在于喇叭天线在转台上的运动扫描方式，FPGA信号处理单元通过伺服系统控制转台的连续转动带动移动平台上的喇叭天线做往复的匀速直线运动，喇叭天线与水平地面的夹角0°<θ<90°，运动方向与铅直方向成30°的夹角，这样喇叭天线与被测的物体之间存在相对运动，从而形成了喇叭天线的合成孔径，因此达到成像的目的(喇叭天线和转台移动装置图见说明书附图2.1-2.2，喇叭天线的运动扫描轨迹图如图3)。
主控程序主要控制伺服系统来控制转台带动移动平台匀速运动，实现喇叭天线对目标的扫描，此外还控制FPGA信号处理单元发指令给控制器控制采集卡实时采集获取信号，然后经过信号处理程序处理，再由FPGA信号处理单元发出指令由控制器控制显示器显示重构的灰度图像；信号处理程序主要负责对所采集的信号进行模数转换，然后经过太赫兹成像算法和校正算法处理获得目标物体的信息进行图像重构(主控程序框图见说明书附图4，信号处理程序框图见说明书附图5)。
所述的移动平台包括橡胶轨道、铝合金支架；橡胶轨道安装在铝合金支架上；其中，橡胶轨道用于放置天线模块并做匀速直线运动；铝合金支架用于支撑橡胶轨道和放置转台。
一种基于太赫兹波成像系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：太赫兹波源产生300GHZ的太赫兹波；
步骤2：太赫兹波经过环形器单方向传输给喇叭天线，把300GHz的太赫兹波发射出去；
步骤3：主控程序控制转台带动移动平台运动，实现喇叭天线对被测物体的扫描获取太赫兹回波信号；
步骤4：回波信号经过环形器单方向传输给放大滤波器，实现信号的接收；
步骤5：经过放大的回波信号进行下变频降低信号的频率，再次进行放大滤波，是信号适于采集卡采集；
步骤6：主控程序控制控制器控制采集卡实时采集信号，送给FPGA信号处理单元；
步骤7：FPGA信号处理单元通过校正算法对数据进行校正，再由成像算法从校正后的信号中获得目标物体特征的数据，重构获得复数图像；
步骤8：在显示器上显示目标图像。
附图说明
图1：系统结构图。
图2.1：转台移动装置主视图。
图2.2：转台移动装置侧视图。
图3：天线运动扫描轨迹图。
图4：主控程序框图。
图5：信号处理程序框图。
图6：扫描得到的点数据图。
具体实施方式
本发明可应用于类似于地铁通道的环境中。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明中，太赫兹的频率为300GHZ，喇叭天线的发射功率为0.1W，最远可对20m处的物体成像。喇叭天线的波束角为1°，太赫兹波的波长λ为0.1mm，根据波束角与喇叭天线尺寸D和波长λ的关系：
可以得到D＝7mm，尺寸非常小，因为实孔径雷达成像的方位向分辨率为：
σ＝R×λ/D
与被测物到天线的距离有关，很难实现高分辨率。而合成孔径雷达的方位向分辨率为：
σ＝D/2
因此方位向分辨率达到σ＝3.5mm。
距离向分辨率为：
因此距离向分辨率达到α＝0.5mm。
接下来着重介绍本发明的扫描方式。
将天线接收部分置于一个移动平台上，此平台由转台带动做匀速运动，距离此平台20m外的物体水平方向移动，移动平台载着天线模块与铅直方向成30°的夹角以3m/s速度往复移动，对物体进行扫描获取回波信号。天线运动扫描轨迹图见说明书附图3。在天线运动方向上获得的合成孔径大小关系式为：
λ为太赫兹波的波长，D为天线的真实孔径，R为天线与目标之间的斜距。
最大高度为3m的被测物以1.5m/s的速度沿着y轴方向匀速运动，在距离目标20m处放置载有喇叭天线的移动平台扫描装置，移动方向与铅直方向成30°的夹角，天线的水平分速度与被测物的移动速度相等，所以天线以3m/s的速度匀速移动。因为波束角因此可计算天线的初始位置A点距离地面的高度为H＝2.65m，此时天线就可以扫描到被测物体的最高点。当天线移动到B点时就可以扫描到被测物的最低点，计算的BE＝0.35m，从而根据三角关系可以计算出天线运动轨道的长度AB＝2.66m。因此扫描一次的时间只需用0.9s，来回往返扫描5次仅用4.5s。由于接收天线与被测物体之间存在不同运动方向上的相对运动，扫描得到的点数据如图6所示，这样形成的被测物体图像是倾斜的，因此先经过校正算法对得到的数据进行校正，然后经过成像算法的处理，得到复图像数据，在显示器成像。

Claims (4)

1.一种太赫兹成像系统，该系统是一种三角波调制的太赫兹调频连续波的单通道扫描式成像系统并用于对地面的低速运动的目标成像；其特征在于：该系统由硬件和软件部分组成；硬件部分由太赫兹源、环形器、放大滤波器、下变频器、采集卡、控制器、显示器、FPGA信号处理单元、伺服系统、转台、喇叭天线组成，喇叭天线的真实半径：1mm<D<5cm；软件部分由主控程序和信号处理程序组成；
太赫兹源产生300GHz的太赫兹波，环形器与喇叭天线相连接，利用环形器的单向传输特性能够同时实现喇叭天线的发送与接收；喇叭天线置于转台上；该系统由太赫兹源产生频率为300GHz的太赫兹波信号，经过环形器，环形器与发射功率为0.1W的矩形波导接口的喇叭天线连接，喇叭天线置于由转台带动的移动平台上，移动平台与铅直方向成30°的夹角，由FPGA信号处理单元的主控程序控制伺服系统控制转台的转动来带动移动平台做往复的匀速直线运动扫描被测物体获得回波信号，利用环形器的单方向传输特性使信号的发送与接收同时进行，接收到的太赫兹回波信号功率比较弱并且太赫兹的频率比较高，采集起来比较困难，因此需要经过放大滤波器进行功率放大，再进行下变频降低信号的频率，再次经过放大滤波器放大滤波，然后由FPGA信号处理单元的主控程序控制采集卡采集信号，然后经过信号处理程序、成像算法和校正算法的处理最终在显示器上成像；
FPGA信号处理单元通过控制器控制采集卡实时采集数据，并控制显示器成像；喇叭天线在转台上的运动扫描方式，FPGA信号处理单元通过伺服系统控制转台的连续转动带动移动平台上的喇叭天线做往复的匀速直线运动，喇叭天线与水平地面的夹角0°<θ<90°，运动方向与铅直方向成30°的夹角，这样喇叭天线与被测的物体之间存在相对运动，从而形成喇叭天线的合成孔径，达到成像目的。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹成像系统，其特征在于：主控程序控制伺服系统使转台带动移动平台匀速运动，实现喇叭天线对目标的扫描，此外还控制FPGA信号处理单元发指令给控制器控制采集卡实时采集获取信号，然后经过信号处理程序处理，再由FPGA信号处理单元发出指令由控制器控制显示器显示重构的灰度图像；信号处理程序负责对所采集的信号进行模数转换，然后经过太赫兹成像算法和校正算法处理获得目标物体的信息进行图像重构。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹成像系统，其特征是，所述的移动平台包括橡胶轨道、铝合金支架；橡胶轨道安装在铝合金支架上；其中，橡胶轨道用于放置天线模块并做匀速直线运动；铝合金支架用于支撑橡胶轨道和放置转台。
4.利用权利要求1所述系统进行的一种基于太赫兹波成像系统的工作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，
步骤1：太赫兹波源产生300GHZ的太赫兹波；
步骤2：太赫兹波经过环形器单方向传输给喇叭天线，将300GHz的太赫兹波发射出去；
步骤3：主控程序控制转台带动移动平台运动，实现喇叭天线对被测物体的扫描获取太赫兹回波信号；
步骤4：回波信号经过环形器单方向传输给放大滤波器，实现信号的接收；
步骤5：经过放大的回波信号进行下变频降低信号的频率，再次进行放大滤波，使信号适于采集卡采集；
步骤6：主控程序控制控制器控制采集卡实时采集信号，送给FPGA信号处理单元；
步骤7：FPGA信号处理单元通过校正算法对数据进行校正，再由成像算法从校正后的信号中获得目标物体特征的数据，重构获得复数图像；
步骤8：在显示器上显示目标图像。
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