CN107102325B - 一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统 - Google Patents

Abstract

一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统，包括太赫兹天线阵列、旋转电机、太赫兹信号产生装置、太赫兹信号采集装置和主控计算机。太赫兹天线阵列、旋转电机、太赫兹信号产生装置以及太赫兹信号采集装置均与主控计算机连接。主控计算机通过旋转连通装置负责整个成像系统的协调控制和目标散射信息的成像处理，旋转连通装置安装在旋转平台的旋转圆心。本发明成像系统采用的旋转扫描方式，具有扫描速度稳定、扫描速度快、系统成本较低的优点，且避免了现有线性扫描方式加减速的过程，有利于实现实时成像。

Description

一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，更具体地说，本发明涉及一种毫米波/太赫兹安检成像系统。

背景技术

近年来，国际国内的反恐维稳形式呈现出袭击领域多、危害程度大、影响范围广的复杂态势，各国安全部门面临严峻考验。在公共安全场所对人员及物品进行安全检查是预防公共安全事件最有效手段之一。然而，目前通用的人体安检方式是金属安检门和手持式金属探测器，该方式仅能探测金属物品，无法准确辨明违禁物品，且漏检率高、效率低。

太赫兹波处在毫米波向红外可见光过渡的波段，兼具微波和红外的优势，具有成像分辨率高、帧率高、穿透能力强、对人体无伤害等特点。因此，太赫兹成像是一项新的可靠的站开式(非接触)安检技术。目前，该频段现有的成像系统主要有准光扫描、合成孔径、阵列实孔径、编码孔径等方式，其中准光扫描成像方法扫描时间长，成像速度缓慢，同时所需的快速扫描平面反射镜部件价格昂贵，若提高成像速度，需要复杂的机械结构。合成孔径成像方法下的线性扫描存在重复的往返扫描，且每次扫描均为同一起点和终点，会导致成像速度变慢。阵列实孔径成像方法虽然成像速度快，但需要大量的天线阵元，成本高昂，并且阵元的相位一致性难以保证。因此，探索太赫兹安检新体制新方法，提高安检效率，达到实时安检成像的效果，是一项亟待研究的问题。

发明内容

针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统，其通过太赫兹天线阵列的快速旋转扫描实现对人体的高精度实时成像，兼顾了太赫兹频段现有器件水平、成像速率、成像分辨率和系统成本。

本发明的技术方案是：

一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统，包括太赫兹天线阵列、旋转电机、太赫兹信号产生装置、太赫兹信号采集装置和主控计算机。

太赫兹天线阵列是由呈线性排布的N个太赫兹发射天线和M个太赫兹接收天线组成，等效为N×M个等效相位中心；太赫兹天线阵列采用多发多收体制，负责向待测人体发射太赫兹信号和接收待测人体的散射回波。

太赫兹天线阵列固定安装在旋转平台上，旋转平台由旋转电机驱动实现旋转平台上的太赫兹天线阵列的匀速旋转扫描运动。

所述旋转平台上安装有太赫兹信号产生装置和太赫兹信号采集装置。太赫兹信号产生装置用于产生成像系统所需的太赫兹信号，采用线性调频连续波体制，所产生的太赫兹信号由信号传输线输出到太赫兹天线阵列中的N个太赫兹发射天线，实现太赫兹信号的发射。受限于现有太赫兹器件水平，无法发射正交信号，仅能采用N个发射天线顺序发射太赫兹信号的方式。

太赫兹信号采集装置用于采集太赫兹天线阵列中的M个太赫兹接收天线接收到的散射回波，并通过旋转连通装置(旋转连通装置也即机械工程领域中广泛应用的滑环)向主控计算机实时传输。

太赫兹天线阵列、旋转电机、太赫兹信号产生装置以及太赫兹信号采集装置均与主控计算机连接。主控计算机通过旋转连通装置负责整个成像系统的协调控制和目标散射信息的成像处理，旋转连通装置(旋转连通装置也即机械工程领域中广泛应用的滑环)安装在旋转平台的旋转圆心，其中整个成像系统的协调控制包括旋转电机的速度控制以及太赫兹天线阵列的收发时序控制；目标散射信息的成像处理是利用后向投影算法或波数域成像算法对目标区域进行成像。

值得说明的是，在实际系统中太赫兹信号产生装置和太赫兹信号采集装置可根据旋转的平衡性稳定性调整所在位置。

组成太赫兹天线阵列的N个太赫兹发射天线和M个太赫兹接收天线分布在同一直线上。N个太赫兹发射天线和M个太赫兹接收天线之间的分布间距需保证等效后的N×M个等效相位中心的间距相等、呈均匀分布，收发天线个数N和M根据系统成本和应用场景进行确定。

本发明中线性排布的太赫兹天线阵列形成用于成像的实孔径，可降低旁瓣、提高系统信噪比、获得良好的成像效果，太赫兹天线阵列的旋转扫描运动路径形成用于成像的圆形合成孔径，保证了本发明成像的高分辨率，实孔径和合成孔径结合的方式体现了本发明成像系统优越性，即在利用少量阵元数目的基础上同时保证了成像分辨率和成像速率，提高了成像效果。

本发明中由旋转电机控制的旋转扫描运动具有旋转扫描速度稳定、旋转扫描速度快的优点，相比于目前常用的线性扫描方式，旋转扫描运动路径具有中心对称的特点，成像处理可选择从匀速旋转过程中的任意时刻开始，不限定为同一起点同一终点，且避免了线性扫描方式的加减速过程，有利于实时成像技术的实现。

本发明中成像系统高分辨率的有益效果主要体现在方位向和俯仰向的二维高分辨率以及距离向高分辨率两个方面。在太赫兹天线阵列的旋转扫描平面内，方位向和俯仰向耦合，分辨率相同，本发明中统称为方位向分辨率。根据雷达成像基本理论，本发明中成像系统的方位向分辨率ρ_a和距离向分辨率ρ_r分别为

其中，λ为太赫兹信号波长，α为旋转平台的旋转圆心与太赫兹天线阵列相对成像场景中心的夹角，c为光速，B为太赫兹信号带宽。由于太赫兹波频率高、波长短，且在太赫兹频段容易实现大带宽信号，根据公式(1)、(2)，方位向分辨率与信号波长成正比，距离向分辨率与信号带宽成反比，因此，本发明中成像系统能够获得方位向高分辨率和距离向高分辨率。

本发明中成像系统的操作步骤如下：

(1)旋转电机控制太赫兹天线阵列开始进行匀速旋转扫描运动，由主控计算机控制旋转扫描速度；

(2)待测人体进入太赫兹天线阵列辐射区域；

(3)太赫兹信号产生装置产生太赫兹信号并输入到太赫兹发射天线和太赫兹接收天线；

(4)多个太赫兹发射天线依次发射太赫兹波，多个太赫兹接收天线持续接收待测人体的散射回波，收发天线(太赫兹发射天线以及太赫兹接收天线)的时序由主控计算机控制；

(5)多个太赫兹发射天线依次发射完毕为一个发射周期，一个发射周期结束后马上进入下一个发射周期，保证整个成像系统持续发射太赫兹波和接收散射回波；

(6)主控计算机在太赫兹天线阵列旋转一圈后对接收到的散射回波进行成像处理，得到目标高分辨成像结果。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明成像系统采用的旋转扫描方式，具有扫描速度稳定、扫描速度快的优点，且避免了现有线性扫描方式加减速的过程，有利于实现实时成像。

2.由于匀速旋转扫描的稳定性和中心对称性，本发明方法中的成像处理可选择从旋转过程的任意时刻开始，不限定为同一起点同一终点，只需旋转一周，系统实现简单。

3.本发明成像系统采用多发多收线阵形式，所需阵元数少，成本较低。

附图说明

图1为本发明方法适用的成像场景与装置示意图。

图2为本发明中成像系统适用的成像几何关系图，两块阴影部分分别表示与旋转圆心距离最近的天线和最远的天线的波束覆盖指向。其中：α为旋转圆心与太赫兹天线相对成像场景中心的夹角；

图3为本发明中成像系统适用的一个太赫兹天线阵列示意图，采用多发多收雷达常用的发射阵元在两端、接收阵元在中间的布局，在1m旋转半径上设计实现的4发8收阵列，其中d＝0.03m，发射阵元间距为2d，接收阵元间距为4d，发射阵元和接收阵元间距d。

图4为图3所示太赫兹天线阵列的等效相位中心示意图，4发8收阵列可等效为32个间距为d的阵元。

图5为本发明中成像系统对点目标的成像结果图，(a)为三个间距为0.005m的目标的成像结果，(b)为(a)中成像结果的横向剖面图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统所适用的成像场景以及结构示意图。一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统，包括太赫兹天线阵列、旋转电机、太太赫兹信号产生装置、太赫兹信号采集装置和主控计算机。

参照图1，太赫兹天线阵列是由呈线性排布的多个太赫兹发射天线和多个太赫兹接收天线组成，太赫兹天线阵列采用多发多收体制，负责向待测人体发射太赫兹信号和接收待测人体的散射回波。

太赫兹天线阵列固定安装在旋转平台上，旋转平台由旋转电机驱动实现旋转平台上的太赫兹天线阵列的匀速旋转扫描运动。参照图1，本实施例中的旋转平台为一根长条形的旋转杆，旋转杆上安装有多个太赫兹发射天线和多个太赫兹接收天线，多个太赫兹发射天线和多个太赫兹接收天线分布在与旋转杆平行的同一直线上。所述旋转杆上还安装有太赫兹信号产生装置和太赫兹信号采集装置。旋转杆的中心位置即图中的O点处安装有旋转电机，太赫兹天线阵列、太赫兹信号产生装置和太赫兹信号采集装置所在旋转杆由旋转电机驱动围绕O点(旋转圆心)旋转。本实施例中，旋转杆能够在旋转电机的驱动下在与地面垂直的平面内进行360°稳定匀速旋转。

太赫兹信号产生装置用于产生成像系统所需的太赫兹信号，采用线性调频连续波体制，所产生的太赫兹信号由信号传输线输出到太赫兹天线阵列中的多个太赫兹发射天线，实现太赫兹信号的发射。

太赫兹信号采集装置用于采集太赫兹天线阵列中的多个太赫兹接收天线接收到的散射回波，并通过旋转连通装置向主控计算机实时传输。

太赫兹天线阵列、旋转电机、太赫兹信号产生装置以及太赫兹信号采集装置均与主控计算机连接。主控计算机通过旋转连通装置负责整个成像系统的协调控制和目标散射信息的成像处理，其中整个成像系统的协调控制包括旋转电机的速度控制以及太赫兹天线阵列的收发时序控制；目标散射信息的成像处理是利用后向投影算法或波数域成像算法对目标区域进行成像。

本实施例中：采用太赫兹天线阵列结构，以O为旋转圆心，在与地面垂直的平面内进行360°稳定匀速旋转，旋转过程中阵列波束持续覆盖待测人体目标，采集一个旋转周期的回波信号即可进行高精度成像，由于旋转速度快，人体安检时不需要停留。图2为本发明中成像系统适用的成像几何关系图，本图中只显示了一个旋转角度下的几何关系图，由于旋转扫描的中心对称性，其他旋转角度时的几何关系同本图是一致的。从图2中可以看出，实际实施时，需要调节每个天线波束中心指向场景中心，保证成像区域中的行人始终被波束覆盖、雷达能接收人体散射回波。

在本实施例中，设定太赫兹信号中心频率为220GHz，带宽为10GHz，对应波长约为1.4mm。如图3所示，在1m旋转半径上设计实现了4发8收阵列，采用多发多收雷达常用的发射阵元在两端、接收阵元在中间的布局，其中d＝0.03m，发射阵元间距为2d，接收阵元间距为4d，发射阵元和接收阵元间距d。图4为图3所示太赫兹天线阵列的等效相位中心示意图，4发8收阵列可等效为32个间距为d的阵元，最大阵元半径为0.96m。根据人体安检成像需求，设定成像场景大小为2m×2m，扫描平面与成像场景之间的距离为5m，由式(1)和式(2)可计算出方位向分辨率和距离向分辨率分别为

实际实施时，太赫兹信号产生装置为发射天线和接收天线输入太赫兹信号，由主控计算机控制收发天线时序，采用4个发射天线顺序发射、8个接收天线持续接收的工作方式，每一个发射周期内可接收到32个回波信号，太赫兹天线阵列保持持续的匀速旋转，对旋转一周后的回波信号进行成像处理，即可获得一幅高分辨成像结果。

最后，为验证本发明中成像系统高分辨率的优点，对点目标模型进行了成像仿真，采用的后向投影成像算法，该成像算法不受天线阵列形式的限制，能够直接对发明方法的成像模型进行雷达成像处理。图5为本发明中成像系统对点目标的成像结果图，(a)为三个间距为0.005m的目标的成像结果，(b)为(a)中成像结果的横向剖面图，说明本发明方法对间隔5mm的点目标仍具有很好的分辨能力，成像分辨率高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统，其特征在于，该成像系统包括太赫兹天线阵列、旋转电机、太赫兹信号产生装置、太赫兹信号采集装置和主控计算机；

太赫兹天线阵列是由呈线性排布的N个太赫兹发射天线和M个太赫兹接收天线组成，等效为N×M个等效相位中心；太赫兹天线阵列采用多发多收体制，负责向待测人体发射太赫兹信号和接收待测人体的散射回波；

太赫兹天线阵列固定安装在旋转平台上，旋转平台由旋转电机驱动实现旋转平台上的太赫兹天线阵列的匀速旋转扫描运动；旋转平台为一根长条形的旋转杆，旋转杆上安装有多个太赫兹发射天线和多个太赫兹接收天线，多个太赫兹发射天线和多个太赫兹接收天线分布在与旋转杆平行的同一直线上；所述旋转杆上还安装有太赫兹信号产生装置和太赫兹信号采集装置；旋转杆的中心位置O点处安装有旋转电机，太赫兹天线阵列、太赫兹信号产生装置和太赫兹信号采集装置所在旋转杆由旋转电机驱动而围绕O点旋转；所述旋转平台上安装有太赫兹信号产生装置和太赫兹信号采集装置；太赫兹信号产生装置用于产生成像系统所需的太赫兹信号，采用线性调频连续波体制，所产生的太赫兹信号由信号传输线输出到太赫兹天线阵列中的N个太赫兹发射天线，实现太赫兹信号的发射；太赫兹信号采集装置用于采集太赫兹天线阵列中的M个太赫兹接收天线接收到的散射回波，并通过旋转连通装置向主控计算机实时传输；

太赫兹天线阵列、旋转电机、太赫兹信号产生装置以及太赫兹信号采集装置均与主控计算机连接；主控计算机通过旋转连通装置负责整个成像系统的协调控制和目标散射信息的成像处理，旋转连通装置安装在旋转平台的旋转圆心，其中整个成像系统的协调控制包括旋转电机的速度控制以及太赫兹天线阵列的收发时序控制；目标散射信息的成像处理是利用后向投影算法或波数域成像算法对目标区域进行成像。

2.根据权利要求1所述的太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统，其特征在于，组成太赫兹天线阵列的N个太赫兹发射天线和M个太赫兹接收天线分布在同一直线上。

3.根据权利要求2所述的太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统，其特征在于，该成像系统的方位向分辨率ρ_a和距离向分辨率ρ_r分别为

其中，λ为太赫兹信号波长，α为旋转平台的旋转圆心与太赫兹天线阵列相对成像场景中心的夹角，c为光速，B为太赫兹信号带宽。

4.一种太赫兹频段旋转阵列扫描成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)旋转电机控制太赫兹天线阵列开始进行匀速旋转扫描运动，由主控计算机控制旋转扫描速度；

(2)待测人体进入太赫兹天线阵列辐射区域；

(3)太赫兹信号产生装置产生太赫兹信号并输入到太赫兹发射天线和太赫兹接收天线；

(4)多个太赫兹发射天线依次发射太赫兹信号，多个太赫兹接收天线持续接收待测人体的散射回波，收发天线的时序由主控计算机控制；

(5)多个太赫兹发射天线依次发射完毕为一个发射周期，一个发射周期结束后马上进入下一个发射周期，保证整个成像系统持续发射太赫兹波和接收散射回波；

(6)主控计算机在太赫兹天线阵列旋转一圈后对接收到的散射回波进行成像处理，得到目标高分辨成像结果。