CN107991672A - 一种浅表层穿透雷达成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种浅表层穿透雷达成像系统，包括：微控制器部分，发出控制信号，采集系统位置信息，并根据系统位置信息及接收到的反馈信息生成相位信息成像；发射机部分，发出可变频率的发射端高频导行波信号；天线部分，根据发射端高频导行波信号传输本地振荡信号和产生辐射向空间的平面电磁波，同时接收空间电磁波并转化为接收端高频导行波信号；接收机部分，接收本地振荡信号和接收端高频导行波信号，并将本地振荡信号和接收端高频导行波信号进行混频、滤波、电压调整、直流电平调整后作为反馈信息。与现有技术相比，本发明具有结构简单、系统集成度高、性能稳定等优点，适用于各种频段，并且该系统成像分辨率与该领域其它成像雷达的分辨率相当。

Description

一种浅表层穿透雷达成像系统
技术领域
本发明属于雷达成像领域，尤其是涉及一种浅表层穿透雷达成像系统。
背景技术
成像雷达技术(Imaging Radar)与穿墙雷达技术(Through-The-wall Radar)相结合在反恐侦测、灾害救援和地层探测等领域应用广泛，运用电磁波实现对墙体、泥土、塑料等介质层的穿透探测，获取回波并通过数字信号处理技术分析信号携带的信息，实现介质层下的物体成像，完成对肉眼不可见的障碍物后物体的测绘。由于雷达成像采用非入侵式的探测方法，不破坏物体表面，安全高效，所以全息雷达成像技术已经成为新一代透视成像技术，可以广泛应用到公安、武警、海关和消防等领域。
目前，大部分成像雷达装置，采用调制信号的方式对目标进行成像，发射信号的带宽往往很大，所以，该类成像雷达的前端电路往往十分复杂，集成度低，成本高。在成像分辨率方面，以美国的L3-ProVision产品为代表，基于主动式毫米波带宽信号体制的浅表层雷达成像技术，其分辨率可以达到5mm的水平；俄罗斯鲍曼大学的遥感实验室开发的RASCAN系列成像雷达具有20mm～5mm分辨率水平，并且有15cm到20cm的穿透能力。但上述产品也存在系统复杂、集成度低、体积大等不足。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够提高系统集成度、小型化和便携性的浅表层穿透雷达成像(硬件)系统，并且该系统的成像分辨率与该领域其他成像雷达的分辨率相当。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种浅表层穿透雷达成像系统，通过在介质层表面逐点扫描的方式获取介质层下各个点目标的相位信息成像，该雷达成像系统包括：
微控制器部分，发出控制信号，采集系统位置信息，并根据所述系统位置信息及接收到的反馈信息生成相位信息成像；
发射机部分，与微控制器部分连接，响应于微控制器部分的控制信号，发出可变频率的发射端高频导行波信号；
天线部分，与发射机部分连接，根据所述发射端高频导行波信号传输本地振荡信号和产生辐射向空间的平面电磁波，同时接收空间电磁波并转化为接收端高频导行波信号；
接收机部分，分别连接微控制器部分和天线部分，接收所述本地振荡信号和接收端高频导行波信号，将两个信号进行混频，并响应于微控制器部分的控制信号，将所述混频后的信号进行滤波、电压调整、直流电平调整后作为反馈信息，发送至微控制器部分。
所述微控制器部分包括：
位置接口组件，采集雷达成像系统所处的系统位置信息；
微控制器，发出所述控制信号，利用成像算法根据接收到的所述系统位置信息和反馈信息生成目标的相位信息成像。
所述位置接口组件包括用于采集所述雷达成像系统工作时所在的二维点位置坐标的位置接口一和位置接口二。
所述控制信号包括输出给发射机部分的频率控制信号以及输出给接收机部分的输出电压范围控制信号和输出直流电平控制信号。
所述发射机部分包括：
射频连续波信号合成器，与微控制器部分连接，响应于微控制器部分的控制信号，发出可变频率的单频点高频连续波信号；
射频信号放大器，分别连接射频连续波信号合成器和天线部分，对所述单频点高频连续波信号进行放大，生成馈送入天线部分的发射端高频导行波信号。
所述天线部分包括：
收发共用天线，根据所述发射端高频导行波信号产生辐射向空间的平面电磁波，同时，接收空间电磁波转换为接收端高频导行波信号；
四端口器件，分别连接收发共用天线、发射机部分和接收机部分。
所述四端口器件包括接收发射端高频导行波信号的发射端口、将所述发射端高频导行波信号分配至连接收发共用天线的天线端口和连接接收机部分的本地振荡端口以及向接收机部分传输由收发共用天线回传的接收端高频导行波信号的接收端口；
所述发射端口和接收端口相互隔离。
所述接收机部分包括：
混频器件，与天线部分连接，对所述本地振荡信号和接收端高频导行波信号进行混频处理，输出同相I路信号和正交Q路信号；
第一低通滤波器，与混频器件连接，对所述同相I路信号进行滤波，滤除高频分量；
第二低通滤波器，与混频器件连接，对所述正交Q路信号进行滤波，滤除高频分量；
基带信号处理电路，分别连接第一低通滤波器、第二低通滤波器和微控制器部分，响应于微控制器部分的控制信号对经滤波后的同相I路信号和正交Q路信号进行电压调整和直流电平调整后，生成发送至微控制器部分的反馈信息。
该雷达成像系统的工作模式包括零中频解调模式和全相参模式。
该雷达成像系统通过按钮手动方式或自动扫描方式实现逐点扫描。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明将天线部分、发射机部分、接收机部分、微控制器部分集成于一硬件系统中，简化了系统电路的复杂性，降低成本，结构简单，集成度高，易于小型化；
(2)本发明使用单天线与混合环电路进行收发减小系统整体尺寸、以集成芯片为基础构建系统，体积小、性能稳定；
(3)本发明可通过微控制器部分的控制产生可切换的多种频率的单频点高频连续波，本发明的系统结构适用于各种频段下的可变单频点工作模式；
(4)本发明通过设置合适的扫描间隔，能有最优成像雷达的分辨率，本发明对成像图像聚焦后分辨率可以达到5mm以内，与该领域其它成像雷达的分辨率相当。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明的天线部分的辐射原理；
图3为本发明中天线部分的四端口环形器件的版图；
图4为本发明中发射机部分的射频连续波信号合成器的原理框图；
图5为本发明中发射机部分输出信号的频谱图；
图6为本发明中接收机部分的混频器的原理框图；
图7为本发明中接收机部分的基带信号处理电路的原理框图；
图8为本发明中接收机部分的输出信号范围；
图9为本发明的实施例一的工作方式；
图10为本发明的实施例二的工作方式；
图11为本发明的成像结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
图1是本发明浅表层穿透雷达成像系统的实施例一的结构框图，包括：天线部分100、发射机部分200、接收机部分300和微控制器部分400，该雷达成像系统通过在介质层表面逐点扫描的方式获取介质层下各个点目标的相位信息成像。该雷达成像系统中，微控制器部分400发出控制信号，采集系统位置信息，并根据所述系统位置信息及接收到的反馈信息生成相位信息成像；发射机部分200与微控制器部分400连接，响应于微控制器部分400的控制信号，发出可变频率的发射端高频导行波信号；天线部分100与发射机部分200连接，根据所述发射端高频导行波信号传输本地振荡信号和产生辐射向空间的平面电磁波，同时接收空间电磁波并转化为接收端高频导行波信号；接收机部分300分别连接微控制器部分400和天线部分100，接收所述本地振荡信号和接收端高频导行波信号，将两个信号进行混频，并响应于微控制器部分400的控制信号，将所述混频后的信号进行滤波、电压调整、直流电平调整后作为反馈信息，发送至微控制器部分400。
在本发明的实施例一中，天线部分100由收发共用天线110和四端口器件120组成。收发共用天线110和四端口器件120均适用于4.4GHz～4.6GHz。图2为天线部分100的辐射原理，收发共用天线110包括透镜天线111和贴片天线112，其中，贴片天线112能够将四端口环形器件120馈送出的高频导行波信号转换为球面电磁波向外辐射，该球面波经过透镜天线111后转化为平面波辐射向空间。图3是四端口器件120的版图，四端口器件120能够将从发射端口传来的高频导行波信号，按功率等分的方式从天线端口和本地振荡端口输出，并且，与接收端口隔离；四端口器件120也能将从天线端口传来的高频导行波信号从其接收端口输出，并且，与其本地振荡端口隔离。
在本发明的实施例一中，发射机部分200由射频信号放大器210和射频连续波信号合成器220组成。图4是该实施例一中射频连续波信号合成器220的组成框图，采用锁相环电路产生可变频率的单频点高频连续波信号，锁相环电路包括：压控振荡器221、环路滤波器222、锁相环223和提供稳定参考源的参考频率源225。射频连续波信号合成器220受微控制器410控制，产生可变频率的单频点高频连续波信号，该信号通过射频信号放大器210放大后，馈送入天线部分100中的四端口器件120的发射端口。图5是本发明的实施例一中的发射机部分200输出的单频点高频连续波信号的频谱图，本实施例中采用3个单频点联合工作的模式，分别是：4.4GHz、4.5GHz、4.6GHz。
在本发明的实施例一中，接收机部分300由混频器件310、第一低通滤波器321、第二低通滤波器322和基带信号处理电路330组成。图6是实施例一中混频器件210的组成框图，包括：第一功率分配器311、第二功率分配器312、第一混频器313、90度移相器314和第二混频器315。第一功率分配器311能够将天线部分100中的四端口器件120的接收端口传来的回波信号按功率等分的方式输入至第一混频器313的输入端口1和第二混频器315的输入端口1。第二功率分配器能够将天线部分100中的四端口器件120的本地振荡端口传来的发射机射频信号按功率等分的方式输入至第一混频器313的输入端口2，和经过90度移相器314后输入至第二混频器315的输入端口2。最终，第一混频器313输出的同相I路信号输入至第一低通滤波器331滤除高频分量，第二混频器315输出的正交Q路信号输入至第二低通滤波器332滤除高频分量。第一低通滤波器331输出的基带同相I路信号和第二低通滤波器332输出的基带正交Q路信号输入至基带信号处理电路330。图7是本实施例中基带信号处理电路330的原理框图，其中，包括：DAC331、第一基带放大器332、第二基带放大电路333和可编程增益控制放大器334。第一基带放大器332的正相端接第一低通滤波器331的输出，第二基带放大器333的正相端接第二低通滤波器332的输出，并且，第一基带放大器332和第二基带放大器333的反相端分别接由微控制器410控制的DAC331的两个通道，上述电路实现了对输入的同相I路信号和正交Q路信号的固定增益放大和直流电平控制。基带信号处理电路330能将第一低通滤波器321输出的同相(I)路信号和第二低通滤波器322输出的正交(Q)路信号放大到合适的电压范围，即不失真的最大电压范围，本实施例一中，实际工作时电压峰峰值约为3～5V，并能将第一低通滤波器331输出的同相(I)路信号和第二低通滤波器332输出的正交(Q)路信号变化到一定直流电平上，保证信号无失真地输入到微控制器系统410，本实施例一中，实际工作时直流电平2.5V左右。然后，I/Q两路信号通过受微控制器410控制的可编程增益控制放大器334输出至微控制器410，该输出信号含有目标相位信息。图8是本发明实施例一在工作过程中，测得的接收机部分200的输出信号波形，其中，I/Q两路信号的直流电平301均约为2.5V，I路信号的电压峰峰值302约为3.5V，Q路信号的电压峰峰值303约为3.8V。
在本发明的实施例一中，微控制器部分400由微控制器410、位置接口一420和位置接口二430组成。其中，微控制器系统400负责控制发射机部分200和接收机部分300，并且，接收从接收机部分300输出的I/Q电压信号，以及将该模拟的I/Q电压信号转化为数字信号提供给成像算法。微控制器部分400的另一个功能是通过位置接口一420和位置接口二430确定整个系统工作时的位置数据提供给成像算法，成像算法可采用现有算法。
图9是本发明的实施例一的工作方式，位置接口一420接按键，每次按下按键后，将与位置接口二430连接的导轮沿图9所示平面510中的黑线滑动，设置导轮滚动间距，每经过设置的固定间距值时，该雷达系统500对目标平面520上的目标530的回波进行数据采集，在本发明的实施例中，采用三个频点协同工作，每经过上述滚动间距，系统进行三次收发，每次发射的频率分别为4.4GHz、4.5GHz和4.6GHz。在实施例一中，导轮滚动间距设置为5mm，黑线间距也设置为5mm，因此，本发明实施例一所成图像的分辨率能达到5mm*5mm。
实施例二
在本发明的实施例一中，采用了一种人工手动控制的方式对目标进行成像。本发明的实施例二提供了一种机械自动扫描的成像方式。图10中，接口600用于固定如实施例一的浅表层穿透雷达成像硬件系统，将实施例一中位置接口一420连接的按键替换为自动扫描臂一601，将实施例一中位置接口二430连接的导轮替换为自动扫描臂二602，实现了在平面610上，对平面620上的目标630的快速自动扫描成像。同样，实施例二中，所成图像的分辨率能达到5mm*5mm。
图11是本发明的实施例一和实施例二的成像结果。
本说明书公开的实施例一提高了该领域雷达的集成度、便携性，降低了该类雷达的成本，并且，与该领域其它成像雷达的分辨率相当。本说明书公开的实施例二，在不影响成像分辨率的前提下，增加自动化滑臂，实现了对目标更快速有效地成像。
对所公开的实施例一和实施例二的上述说明，使本领域专业的技术人员能够实现或使用本发明。本发明所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，以其它实施例实现。但应理解，本发明将不会被限制于本发明的实施例，应以权利要求书为据确定本发明的范围。

Claims (10)

1.一种浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，通过在介质层表面逐点扫描的方式获取介质层下各个点目标的相位信息成像，该雷达成像系统包括：
微控制器部分(400)，发出控制信号，采集系统位置信息，并根据所述系统位置信息及接收到的反馈信息生成相位信息成像；
发射机部分(200)，与微控制器部分(400)连接，响应于微控制器部分(400)的控制信号，发出可变频率的发射端高频导行波信号；
天线部分(100)，与发射机部分(200)连接，根据所述发射端高频导行波信号传输本地振荡信号和产生辐射向空间的平面电磁波，同时接收空间电磁波并转化为接收端高频导行波信号；
接收机部分(300)，分别连接微控制器部分(400)和天线部分(100)，接收所述本地振荡信号和接收端高频导行波信号，将两个信号进行混频，并响应于微控制器部分(400)的控制信号，将所述混频后的信号进行滤波、电压调整、直流电平调整后作为反馈信息，发送至微控制器部分(400)。
2.根据权利要求1所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，所述微控制器部分(400)包括：
位置接口组件，采集雷达成像系统所处的系统位置信息；
微控制器(410)，发出所述控制信号，利用成像算法根据接收到的所述系统位置信息和反馈信息生成目标的相位信息成像。
3.根据权利要求2所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，所述位置接口组件包括用于采集所述雷达成像系统工作时所在的二维点位置坐标的位置接口一(420)和位置接口二(430)。
4.根据权利要求1或2所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，所述控制信号包括输出给发射机部分(200)的频率控制信号以及输出给接收机部分(300)的输出电压范围控制信号和输出直流电平控制信号。
5.根据权利要求1所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，所述发射机部分(200)包括：
射频连续波信号合成器(220)，与微控制器部分(400)连接，响应于微控制器部分(400)的控制信号，发出可变频率的单频点高频连续波信号；
射频信号放大器(210)，分别连接射频连续波信号合成器(220)和天线部分(100)，对所述单频点高频连续波信号进行放大，生成馈送入天线部分(100)的发射端高频导行波信号。
6.根据权利要求1所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，所述天线部分(100)包括：
收发共用天线(110)，根据所述发射端高频导行波信号产生辐射向空间的平面电磁波，同时，接收空间电磁波转换为接收端高频导行波信号；
四端口器件(120)，分别连接收发共用天线(110)、发射机部分(200)和接收机部分(300)。
7.根据权利要求6所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，所述四端口器件(120)包括接收发射端高频导行波信号的发射端口、将所述发射端高频导行波信号分配至连接收发共用天线(110)的天线端口和连接接收机部分(300)的本地振荡端口以及向接收机部分(300)传输由收发共用天线(110)回传的接收端高频导行波信号的接收端口；
所述发射端口和接收端口相互隔离。
8.根据权利要求1所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，所述接收机部分(300)包括：
混频器件(310)，与天线部分(100)连接，对所述本地振荡信号和接收端高频导行波信号进行混频处理，输出同相I路信号和正交Q路信号；
第一低通滤波器(321)，与混频器件(310)连接，对所述同相I路信号进行滤波，滤除高频分量；
第二低通滤波器(322)，与混频器件(310)连接，对所述正交Q路信号进行滤波，滤除高频分量；
基带信号处理电路(330)，分别连接第一低通滤波器(321)、第二低通滤波器(322)和微控制器部分(400)，响应于微控制器部分(400)的控制信号对经滤波后的同相I路信号和正交Q路信号进行电压调整和直流电平调整后，生成发送至微控制器部分(400)的反馈信息。
9.根据权利要求1所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，该雷达成像系统的工作模式包括零中频解调模式和全相参模式。
10.根据权利要求1所述的浅表层穿透雷达成像系统，其特征在于，该雷达成像系统通过按钮手动方式或自动扫描方式实现逐点扫描。
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