CN106872975B - 一种毫米波主动式近场成像装置 - Google Patents

Abstract

一种毫米波主动式近场成像装置，采用一维发射阵列天线和一维接收阵列天线，两个阵列天线并行排列固定在一个安装板上，由计算机通过控制信号发生器产生的控制信号，控制发射机和接收机各高频信号导通和关闭，实现阵列的横向扫描；计算机控制伺服电机和机械传动装置垂直移动，带动两个阵列固联的安装板，实现阵列的垂直方向扫描。发射/接收天线阵列由基于人工电磁材料的宽带宽波束Vivaldi天线组成，在有限探测距离内有效提升了系统探测覆盖能力。该装置是一种近距离、非接触、无伤害的检测系统，适用于机场、车站等人群密集区域的安检。

Description

一种毫米波主动式近场成像装置

技术领域

本发明属于雷达成像领域，尤其是一种毫米波主动式近场成像装置。

背景技术

成像系统有多种工作频段，各个频端的性能差异很大。其中由于毫米波具有精度高、全天候工作的能力等优点，并且对病烟雾、衣物和纸张等具有一定的穿透能力，这有利于恶劣环境下目标探测或者隐匿物体探测，因而毫米波成像系统得到广泛重视。随着毫米波成像技术的发展，在医疗、导航和交管等领域得到越来越广泛的应用，产生了许多成熟的应用，比如安检系统、军事探测、人体疾病诊断和治疗、环境监测等。

毫米波成像系统可被分为被动式成像，即探测目标在毫米波频带中的自然辐射，和主动式成像，用发射机发出毫米波信号照射目标，探测目标产生的辐射。主动式成像较于被动式成像具有信号强度较强，速度快，设备体积小等优点，且被动式成像检测环境要求高。

主动式毫米波成像系统通常有一组发射天线和一组接收天线。通过电扫描或机械扫描等方式得到目标图像。

发明内容

发明目的：本发明的内容是提供一种低成本的毫米波主动式近场成像装置。与传统的X光检测仪相比，本系统具有发射功率低，无电离伤害等优点。而与被动式安检系统相比，本系统成像分辨率高，稳定性好，不易受周围环境的干扰。因此具有很高的实用价值。

发明内容：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：

一种毫米波主动式近场成像装置，该装置包括：上位机、扫描装置和传动装置；

扫描装置包括：时序控制信号发生器、频率源、发射机、发射天线阵列、接收机、接收天线阵列；发射天线阵列中的各天线单元分别与发射机的各高频发射通道输出端相连；接收天线阵列中的各天线单元分别与接收机的各高频接收通道输入端相连；时序信号发生器根据上位机发送的时序信号产生指令生成时序控制信号并发送给发射机和接收机；频率源产生宽带阶跃调频信号发送给发射机，发射机根据时序控制信号导通对应的高频发射通道，并将宽带阶跃调频信号分路馈入发射机各高频通道，通过发射天线阵列向目标物体发射毫米波信号；接收机根据时序控制信号导通对应的高频接收通道，通过接收天线阵列接收目标物体反射的回波信号，并将接收到的回波信号反馈给上位机；

传动装置与扫描装置相连，根据上位机发送的驱动指令驱动扫描装置纵向移动，扫描装置每纵向移动一次，就进行一次对目标物体所在平面的横向扫描；

上位机产生时序信号产生指令发送给时序控制信号发生器，生成驱动指令发送给传动装置，以及接收扫描装置反馈的回波信号，并根据回波信号生成目标物体的图像。驱动指令和时序控制信号应该是独立的，驱动指令每次驱动的时间间隔是时序控制信号的总时间长度。每次驱动后，运行一遍时序控制。

进一步的，所述发射天线阵列和接收天线阵列均为由单元天线等间隔分布形成的一维横向天线阵列；两天线阵列相互平行且两阵列间距为2.5个毫米波波长；发射天线阵列和接收天线阵列沿阵列排布方向相错0.5个毫米波波长。

进一步的，所述单元天线包括：介质基板，介质基板具有正反两面；介质基板的反面设有从介质基板一端的端部起，沿介质基板长度方向延伸的微带线1；微带线1延延伸方向分为均匀微带线1a和过渡微带线1b，过渡微带线1b远离均匀微带线1a的一端弯折形成一个转角，转角末端接有扇形短截线2；介质基板的正面与扇形短截线2位置相匹配处设有一段沿介质基板长度方向延伸的均匀槽线4a，均匀槽线4a靠近均匀微带线1a的一端连接一圆形槽谐振腔3，均匀槽线4a远离均匀微带线1a的一端延伸出一段开口渐变槽线4b，开口渐变槽线4b的开口口径沿其延伸方向逐渐增大；

发射机发出的毫米波信号经均匀微带线1a和过渡微带线1b传递至扇形短截线2；毫米波信号在扇形短截线2内谐振并耦合至正面均匀槽线4a，并通过圆形槽谐振腔3谐振反射后，传递至开口渐变槽线4b并向外部空间辐射。

进一步的，所述开口渐变槽线4b远离均匀槽线4a的一端设有I字型超材料单元阵列5。

进一步的，所述毫米波主动式近场成像装置还包括混频器和解调器；混频器的输入端与接收机输出端相连，混频器的输出端与解调器相连；所述频率源还用于生成相干的阶跃调频本振信号和IQ解调器参考信号，并将阶跃调频本振信号发送给混频器，将IQ解调器参考信号发送给解调器；混频器根据阶跃调频本振信号对接收机输出的回波信号进行混频，并将混频后的回波信号发送至解调器；解调器根据IQ解调器参考信号对混频后的回波信号进行解调后上传至上位机。

进一步的，所述传动装置包括伺服电机、驱动器和传动丝杆；驱动器用于接收上位机下发的驱动指令，并根据驱动指令驱动伺服电机转动；伺服电机的输出端与传动丝杆的控制端相连，在驱动器的驱动下带动传动丝杆转动，使固连传动螺母上的扫描装置沿传动丝杆长度方向移动。

有益效果：与传统的X光检测仪相比，本发明具有发射功率低，无电离伤害等优点。而与被动式安检系统相比，本发明成像分辨率高，稳定性好，不易受周围环境的干扰。因此具有很高的实用价值。

附图说明

图1是实施例的结构图；

图2是发射天线阵列和接收天线阵列的局部结构图；

图3是单元天线结构图，其中(a)为单元天线正面结构图，(b)为单元天线反面结构图；

图4是发射天线阵列和接收天线阵列的馈电端口示图；

图5是发射机发出的射毫米波信号波形图；

图6是实施例的工作原理框图。

图中：1、微带线，1a、均匀微带线，1b、过渡微带线，2、扇形短截线，3、圆形槽谐振腔，4a、均匀槽线，4b、开口渐变槽线，5、I字型超材料单元阵列。

具体实施方式

如图1所示为实施例的结构图，包括：计算机、扫描装置和传动装置；其中，

扫描装置包括：时序控制信号发生器、频率源、混频器、解调器、发射机、发射天线阵列、接收机、接收天线阵列；

发射天线阵列中的各天线单元分别与发射机的各高频发射通道输出端相连；接收天线阵列中的各天线单元分别与接收机的各高频接收通道输入端相连；

时序信号发生器根据上位机发送的时序信号产生指令生成时序控制信号并发送给发射机和接收机；

频率源产生宽带阶跃调频信号发送给发射机，以及生成相干的阶跃调频本振信号和IQ解调器参考信号，并将阶跃调频本振信号发送给混频器，将IQ解调器参考信号发送给解调器；

发射机根据时序控制信号导通对应的高频发射通道，并将宽带阶跃调频信号分路馈入发射机各高频通道，通过发射天线阵列向目标物体发射毫米波信号；接收机根据时序控制信号导通对应的高频接收通道，通过接收天线阵列接收目标物体反射的回波信号，并将接收到的回波信号发送至混频器；

混频器根据阶跃调频本振信号对接收机输出的回波信号进行混频，并将混频后的回波信号发送至解调器；

解调器根据IQ解调器参考信号对混频后的回波信号进行解调后上传至上计算机；

传动装置包括伺服电机、驱动器和传动丝杆；驱动器用于接收上位机下发的驱动指令，并根据驱动指令驱动伺服电机转动；伺服电机的输出端与传动丝杆的控制端相连，在驱动器的驱动下带动传动丝杆转动，使固连传动螺母上的扫描装置沿传动丝杆长度方向移动。传动装置与扫描装置相连，根据上位机发送的驱动指令驱动扫描装置纵向移动，扫描装置每纵向移动一次，就进行一次对目标物体所在平面的横向扫描。

上位机产生时序信号产生指令发送给时序控制信号发生器，生成驱动指令发送给传动装置，以及接收扫描装置反馈的回波信号，并根据回波信号生成目标物体的图像。驱动指令和时序控制信号应该是独立的，驱动指令每次驱动的时间间隔是时序控制信号的总时间长度。每次驱动后，运行一遍时序控制。

上述装置中，阵列天线、发射机、接收机、时序控制信号发生器、频率源、混频中放和解调器固定一个组装架上，此种结构只有2个低频传输线与计算机连接，避免采用高频传输线在垂直方向扫描移动时由于位移、弯曲带来的干扰影响图像质量。系统的工作原理如图6所示：计算机发出指令信号到伺服电机和时序控制信号发生器，伺服电机通过机械传动装置带动组装架作垂直方向移动。时序控制信号控制发射和接收机通道开关，实现信号的横向扫描。本实施例中，组装架每移动0.5mm，系统执行一次横向扫描。垂直移动2m，共需横向扫描400次，整幅图像的扫描时间T＝1.234s。

下面对上述实施例的各个工作组件进行详细说明：

(一)天线阵列

本实施例的发射和接收天线阵列采用并行排列结构，两个阵列的间距为2.5个波长，在两个阵列之间安装宽度为一个波长的吸收材料，用以提升阵列间的隔离度。该方法保证了成像条件的相位中心要求，并提高了发射和接收阵列间的隔离度。发射/接收天线阵列中的单元天线间距为一个波长，属稀疏阵列，为满足采样定律要求，发射天线阵列和接收天线阵列沿阵列排布方向错位0.5波长，并固定在安装板上，通过时序控制信号发生器发出的时序控制信号控制发射和接收通道开关，可得到阵列的等效相位中心各单元间距为0.5个波长，满足了无旁瓣及无混叠现象的成像要求。

本实施例中发射/接收天线阵列的单元天线是一种集成了人工电磁材料的宽带宽波束Vivaldi天线，其具体结构如图2所示，包括：介质基板，介质基板具有正反两面；介质基板的反面设有从介质基板一端的端部起，沿介质基板长度方向延伸的微带线1；微带线1延延伸方向分为均匀微带线1a和过渡微带线1b，过渡微带线1b远离均匀微带线1a的一端弯折形成一个转角，转角末端接有扇形短截线2；介质基板的正面与扇形短截线2位置相匹配处设有一段沿介质基板长度方向延伸的均匀槽线4a，即连接扇形短截线2的过渡微带线与介质基板正面的均匀槽线4a相互重叠；均匀槽线4a靠近均匀微带线1a的一端连接一圆形槽谐振腔3，均匀槽线4a远离均匀微带线1a的一端延伸出一段开口渐变槽线4b，开口渐变槽线4b的开口口径沿其延伸方向逐渐增大；开口渐变槽线4b远离均匀槽线4a的一端设有I字型超材料单元阵列5，I字型超材料单元阵列5即为二维人工电磁材料透镜。

发射机发出的毫米波信号经均匀微带线1a和过渡微带线1b传递至扇形短截线2；毫米波信号在扇形短截线2内谐振并耦合至正面均匀槽线4a，并通过圆形槽谐振腔3谐振反射后，传递至开口渐变槽线4b并向外部空间辐射。

上述单元天线的结构中，介质基板正面的均匀槽线4a、开口渐变槽线4b、圆形槽谐振腔3与介质基板背面的扇形短截线2相互耦合，实现宽带天线的馈电与辐射；介质基板背面的过渡微带线1b的转折端过渡至单元天线的中线位置，以方便组阵后与系统级联。根据人工电磁材料单元随其结构尺寸变化的频谱响应规律，设计将不同尺寸I型结构按特定规律排布于天线槽线空余空间，形成二维人工电磁材料透镜。该透镜在不影响天线E面波束宽度的同时，有效拓宽了天线H面波束宽度，从而满足了系统对天线大照射范围的需求。该新型单元天线具有宽频带和宽波束特性，并且制作成本低，一致性好，便于和微带电路连接等优点，是实现近距离成像的一项重要部件。

(二)发射机和接收机

发射机和接收机各高频通道对应发射天线阵列和接收天线阵列中各单元天线排列，鉴于发射/接收天线阵列的单元天线数量较大，为便于制作和组装，本实施例中设定16个天线单元为一个模块。本发明的成像系统无广角效应，根据被测目标尺寸及其波束照射区大小要求决定阵列的模块数量。

发射机和接收机的每个高频信号通道由二级毫米波低噪声放大器及偏置电路和开关驱动电路组成，利用时序控制信号发生器给出的时序TTL电平，控制通道的开或关状态。开关隔离度≥70dB。

发射机内部设有宽带网络分路器，宽带网络分路器将来自频率源的宽带阶跃调频信号分路馈入发射机各高频通道，作为毫米波主动式近场测量装置的发射信号。接收机内部设有宽带网络合成器，宽带网络合成器将回波信号合路后输入到混频器。

本实施例中的频率源采用高稳定晶振为基准源的频率合成源方法产生宽带阶跃调频信号。频率源同时产生相干的阶跃调频本振信号和IQ解调器的参考信号，保证了对目标相位信息测量的正确性。解调器输出信号经A/D变换成数字信号输入到计算机，最终由计算机完成成像计算和显示。

图4是发射天线阵列和接收天线阵列的馈电端口示图，阵列天线含128个单元天线，元间距为1cm，整个阵列长度为1.28m。利用时序控制信号控制发射机和接收机通道开关按以下关系工作：发射单元1发接收单元1收，发射单元2发接收单元1收，发射单元2发接收单元2收，……发射单元128发接收单元127收，发射单元128发接收单元128收。由此信号的发和收过程，得到系统的等效相位的元间距为0.5个波长，满足了采样定律的要求，等效元数量是N＝255个。利用伺服电机/机械传动装置带动发射机和接收机安装板进行垂直方向的扫描。在垂直方向每移动5mm，由计算机提示收/发阵列完成一次横向扫描。系统完成一幅图像即对目标照射平面1.28m×2m范围内扫描，共需横向扫描400次。

图5图5是发射机发出的射毫米波信号波形图，其中，f＝27-32GHz，B＝5GHz，Δf＝200MHz，τ＝0.4μs，T1＝10μs，T_横＝2.55ms。

本发明采用一维发射天线阵列和一维接收天线阵列，两个天线阵列并行排列固定在了安装板上，发射阵和接收阵各单元天线对应的信号通道，经计算机通过控制电路产生的时序信号进行通道的导通和关闭工作，从而实现一维横向扫描。两个天线阵的安装板固联在一个机/电装置上，由计算机按成像系统时序控制伺服电机转动和机械传动，实现发射和接收阵列在垂直方向的均匀扫描。本发明采用了一种宽带阶跃频率源，产生宽带阶跃调频发射信号、本振信号和I、Q解调参考信号，因此系统是相干的，可获得精确距离信息。利用相干宽带雷达原理，实现对目标的径向扫描。

采录按成像时序进行扫描的目标数据，由计算机进行空间频谱变换、滤波处理、傅里叶逆变换算法和背景对消处理，即可获得清晰的目标像。

以上所述仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种毫米波主动式近场成像装置，其特征在于，该装置包括：上位机、扫描装置和传动装置；

扫描装置包括：时序控制信号发生器、频率源、发射机、发射天线阵列、接收机、接收天线阵列；发射天线阵列中的各天线单元分别与发射机的各高频发射通道输出端相连；接收天线阵列中的各天线单元分别与接收机的各高频接收通道输入端相连；发射天线阵列和接收天线阵列均为由单元天线等间隔分布形成的一维横向天线阵列；两天线阵列相互平行且两阵列间距为2.5个毫米波波长；发射天线阵列和接收天线阵列沿阵列排布方向相错0.5个毫米波波长；所述单元天线包括：介质基板，介质基板具有正反两面；介质基板的反面设有从介质基板一端的端部起，沿介质基板长度方向延伸的微带线（1）；微带线（1）延延伸方向分为均匀微带线（1a）和过渡微带线（1b），过渡微带线（1b）远离均匀微带线（1a）的一端弯折形成一个转角，转角末端接有扇形短截线（2）；介质基板的正面与扇形短截线（2）位置相匹配处设有一段沿介质基板长度方向延伸的均匀槽线（4a），均匀槽线（4a）靠近均匀微带线（1a）的一端连接一圆形槽谐振腔（3），均匀槽线（4a）远离均匀微带线（1a）的一端延伸出一段开口渐变槽线（4b），开口渐变槽线（4b）的开口口径沿其延伸方向逐渐增大；发射机发出的毫米波信号经均匀微带线（1a）和过渡微带线（1b）传递至扇形短截线（2）；毫米波信号在扇形短截线（2）内谐振并耦合至正面均匀槽线（4a），并通过圆形槽谐振腔（3）谐振反射后，传递至开口渐变槽线（4b）并向外部空间辐射；

时序信号发生器根据上位机发送的时序信号产生指令生成时序控制信号并发送给发射机和接收机；频率源产生宽带阶跃调频信号发送给发射机，发射机根据时序控制信号导通对应的高频发射通道，并将宽带阶跃调频信号分路馈入发射机各高频通道，通过发射天线阵列向目标物体发射毫米波信号；接收机根据时序控制信号导通对应的高频接收通道，通过接收天线阵列接收目标物体反射的回波信号，并将接收到的回波信号反馈给上位机；

传动装置与扫描装置相连，根据上位机发送的驱动指令驱动扫描装置纵向移动, 扫描装置每纵向移动一次，就进行一次对目标物体所在平面的横向扫描；

上位机产生时序信号产生指令发送给时序控制信号发生器，生成驱动指令发送给传动装置，以及接收扫描装置反馈的回波信号，并根据回波信号生成目标物体的图像；任意两个驱动指令之间的时间间隔等于时序控制信号的周期。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波主动式近场成像装置，其特征在于，所述

开口渐变槽线（4b）远离均匀槽线（4a）的一端设有I字型超材料单元阵列（5）。

3.根据权利要求2所述的一种毫米波主动式近场成像装置，其特征在于，还包括混频器和解调器；混频器的输入端与接收机输出端相连，混频器的输出端与解调器相连；

所述频率源还用于生成相干的阶跃调频本振信号和IQ解调器参考信号，并将阶跃调频本振信号发送给混频器，将IQ解调器参考信号发送给解调器；混频器根据阶跃调频本振信号对接收机输出的回波信号进行混频，并将混频后的回波信号发送至解调器；解调器根据IQ解调器参考信号对混频后的回波信号进行解调后上传至上位机。

4.根据权利要求3所述的一种毫米波主动式近场成像装置，其特征在于，所述传动装置包括伺服电机、驱动器和传动丝杆；驱动器用于接收上位机下发的驱动指令，并根据驱动指令驱动伺服电机转动；伺服电机的输出端与传动丝杆的控制端相连，在驱动器的驱动下带动传动丝杆转动，使固连传动螺母上的扫描装置沿传动丝杆长度方向移动。