CN109725003A - 一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室。散射体周围布置有封闭或半封闭的暗室，由双角度吸收人工表面和多个天线构成；双角度吸收人工表面由多个吸波单元组成，每个吸波单元包括接地金属层、金属图形和中间层介质板，金属图形于中间层介质板的上表面，中间层介质板于接地金属层的上表面，金属图形朝向内侧，接地金属层朝向外侧；天线包括多个接收天线和一发射天线，两个金属图形根据自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角以及自身吸波单元所在位置和散射体之间的垂直入射角来配置。本发明可设计和构造任意所需尺度的成像和测量装置，其总体尺度可以小至波长量级，有效地降低逆问题成像和测量的病态度，提高成像和测量的质量。

Description

一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室

技术领域

本发明涉及了一种微型电磁波暗室，尤其是涉及了一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室。

背景技术

电磁逆散射成像问题是指在已知入射场和散射场分布的情况下，求解散射体位置、形状、材料属性等信息的问题。微波成像具有安全、非接触、成本低等特点，因此广泛应用于安全检查、隔墙监视、医学成像等军用、民用领域。尽管电磁逆散射问题拥有十分广泛的应用前景，由于电磁逆散射问题是具有病态性的非线性问题，其求解难度很大。影响其求解精度的很大一个难点是关于散射场幅度及相位的快速和准确的测量。

根据测量系统的物理架构，目前存在的散射场测量方案主要有两种。一种是Fresnel实验室使用的测量装置，包括一个发射天线，一个接收天线，机械旋转装置和测量仪器。发射天线产生激励成像区域的入射波，通过控制步进电机将某一固定位置的接收天线旋转到所需位置并记录该位置处的电磁场信息。而散射场信息就是通过计算存在散射体和不存在散射体时测量数据的差值来实现的。与机械旋转装置相对，另一种测量方案是利用电控开关切换来进行散射场测量。其测量原理是通过控制微波开关矩阵，使每一个天线都可以工作于发射或者接收状态，从而测量散射体在不同入射波激励下不同观察角度上的散射场。但是如果想采用以上测量装置达到较好的测量效果，外部环境的散射必须尽可能小，所以测量区域必需足够空旷或将测量装置置于暗室中测量，导致装置占用面积大，实验条件苛刻，不利于在生物医学成像等领域使用。因此，将微波逆散射成像和测量装置与暗室集成设计是十分必要的。

另一方面，逆散射测量对入射场和散射场建模的准确度很高。若入射场和散射场在暗室中不能被很好地吸收，将产生二次散射现象，增加逆散射成像和测量的病态性。因此，用于上述成像的装置需要对未照射成像物体的入射场和成像物体对入射场的散射场同时具有吸收作用，这就要求吸收材料具有对两个入射角度入射电磁波的吸收能力。这种能力可以通过在暗室内表面分布排布具有不同双角度吸收能力的人工表面单元实现。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括水平转台、支撑柱和暗室，散射体置于支撑柱顶端，支撑柱置于水平转台上，散射体周围布置有封闭或半封闭的暗室，暗室是由双角度吸收人工表面和位于双角度吸收人工表面内侧布置的多个天线构成；双角度吸收人工表面由沿暗室内表面紧密排列的多个吸波单元组成，每个吸波单元包括一层空间分布本构参数的介质层和一层接地金属层，空间分布本构参数的介质层包括金属图形和中间层介质板，金属图形布置于中间层介质板的上表面，中间层介质板布置于接地金属层的上表面，金属图形朝向内侧，接地金属层朝向外侧，构成了双角度吸收人工表面；双角度吸收人工表面内侧圆周附近设有沿周向间隔均布的多个天线，多个天线包括多个接收天线和一个发射天线，多个接收天线均连接射频开关接收设备，构成成像和测量装置的基本结构。

每个吸波单元中，中间层介质板上表面均设有两个金属图形，两个金属图形分别根据自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角以及自身吸波单元所在位置和散射体之间的垂直入射角来配置相对介电常数和相对磁导率，使得每个吸波单元均能双角度吸收发射天线直接发过来的电磁波信号和发射天线发射出经散射体反射过来的电磁波信号，散射体作为被成像或测量的物体置于暗室的几何中心，使得被散射体反射过来的电磁波信号对暗室内表面的任何位置形成正入射，构成的暗室内表面形成双角度吸收人工表面。

两个金属图形可以图案相同尺寸不同，但不限于此。

发射天线发射的电磁波，其中一部分直接入射到各个接收天线，另一部分经散射体反射后以0度入射角垂直入射到各个接收天线。双角度吸收人工表面同时具有对两个入射角度电磁波的吸收能力，其中一个用于正入射散射电磁波的吸收，另一个用于发射天线发射的斜入射电磁波的吸收，达到发射波和散射波均被吸收的效果，进而实现了除接收天线以外其他位置完美吸收的效果。

发射天线的布置和双角度吸收人工表面尺寸均远大于散射体本身尺寸，使得散射体反射的电磁波信号到暗室内表面的任何位置形成正入射。

根据自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角以及自身吸波单元所在位置和散射体之间的垂直入射角配置反射系数具体是按照以下方式配置或者按照以下方式配置后继续进行全波仿真后获得的反射系数进行配置：

电磁波以已知入射角θ入射到吸波单元，电磁波沿固定方向极化，假设电磁波沿x-y-z三维笛卡尔坐标系中的y轴方向极化，吸波单元中通过调整金属图形的尺寸形态使得吸波单元的相对介电常数和相对磁导率的反射参数满足以下公式：

上式中，ε_ry表示沿y轴方向的相对介电常数，μ_rx表示沿x轴方向的相对磁导率，h表示沿z轴方向的相对磁导率，θ表示电磁波斜入射的入射角，θ∈(0，90)， L表示中间层介质板厚度，k_z表示波矢量沿z方向的分量，k₀是自由空间的波数； R(θ)表示电磁波以角度θ入射到吸波单元表面时的反射系数，i表示虚部，e为常数。

利用数值方法求得精确解，满足上述反射系数的公式等于零的本构参数可以构造非均匀PML模型及其吸收单元。

所述的金属图形为布置于中间层介质板上的金属层，包括两个相对布置的金属部分，每个金属部分包括矩环形和手指形，矩环形靠近手指形的一侧边中央设有缺口，缺口正对的矩环形的另一侧边经条形和手指形的根部连接，条形和缺口不接触连接，两个金属部分的手指形以叉指结构布置。所述的接地金属层采用金属背板。

所述的发射天线连接发射端口，所述的射频开关接收设备包括接收端口、射频开关矩阵，各个接收天线均连接到射频开关矩阵，射频开关矩阵连接到接收端口，发射端口和接收端口连接到外部控制处理仪器。通过射频开关矩阵选通接收天线，实现对散射波从不同角度的分时测量。

所述的接收天线采用非吸收材料的普通片状天线。

所述的封闭的暗室为球形暗室，球形暗室的中心位于散射体的旋转轴上；所述的半封闭的暗室为圆柱形暗室，圆柱形暗室的中心轴和散射体的旋转轴重合。

散射体在每一旋转角度位置下成像均能获得旋转角度位置下发射天线所正对的散射体表面附近的成像，控制水平转台带动散射体旋转以在不同旋转角度位置进行成像而获得散射体所有表面的完整成像。

微型暗室的尺寸可以根据待成像物体的尺度需求来设计，其尺度可以小至波长量级。

本发明可以针对给定频率，设计空间分布双角度入射的人工表面单元，利用上述单元围成嵌有发射和接收天线的全封闭或半封闭暗室，构成微波逆散射成像和测量所需的基本结构。

对散射场的测量是通过测量存在散射体与不存在散射体时测量数据的差值来实现的。利用上述双角度吸收人工表面围成嵌有天线的暗室，可以避免未入射到待成像物体的发射波和待成像物体二次散射的问题，进而得到纯净的待成像物体的散射场，提高成像和测量的质量。并且，由于吸收单元的超薄特性及全角度特性，用于电磁逆散射成像和测量的微型暗室尺度可以根据待成像物体的尺度需求来设计，其尺度可以小至波长量级。

本发明的有益效果是：

本发明在实现微波成像和测量装置和暗室集成设计的同时，通过对发射波和散射波的双角度吸收，使得测量结果更加符合入射波和散射波的正问题算法的线性化模型，可以有效地降低逆问题成像和测量的病态度，提高成像和测量的质量。

附图说明

图1是本发明微型暗室集成结构设计图。

图2是本发明中在发射源的位置固定之后，每个位置处的天线与吸收单元分布图。

图3是本发明中的双角度入射吸收单元。

图3(a)是本发明金属图形结构的示意图。

图3(b)是本发明中相对于发射源10度和20度位置的双角度入射吸收单元上层金属层结构图。

图4是本发明针对于双角度入射吸收单元的反射系数仿真结果图。

图4(a)是本发明中对相对于发射源10度位置的双角度入射吸收单元反射参数仿真结果图。

图4(b)是本发明中对相对于发射源20度位置的双角度入射吸收单元反射参数仿真结果图。

图5是本发明中的非均匀PML分析模型图。

图6是吸收单元在圆柱的暗室表面的分布图。

图中：水平转台1、支撑柱2、双角度吸收人工表面3、介质层31、金属图形311、中间层介质板312、接地金属层32、发射端口4、接收端口5、射频开关矩阵6、散射体7、天线8。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施过程。

本发明包括用于微波逆散射成像和测量的微型暗室的构造方法。

如图1所示，本发明具体实施包括水平转台1、支撑柱2和暗室，散射体7 置于支撑柱2顶端，泡沫制成的支撑柱2置于水平转台1上，水平转台1能够带动支撑柱2旋转进而带动散射体7绕自身中心轴旋转，散射体7周围布置有半封闭的暗室，具体为圆柱形暗室，圆柱形暗室的中心轴和散射体7的旋转轴重合，暗室是由双角度吸收人工表面3和位于双角度吸收人工表面3内侧布置的多个天线8构成。

如图1、图2和图6所示，双角度吸收人工表面3由沿暗室表面紧密排列的多个吸波单元组成。如图5所示，每个吸波单元包括一层空间分布本构参数的介质层31和一层接地金属层32，接地金属层32作为屏蔽层，空间分布本构参数的介质层包括金属图形311和中间层介质板312，金属图形布置于中间层介质板312的上表面，中间层介质板312布置于接地金属层32的上表面，金属图形 311朝向内侧，接地金属层32朝向外侧，构成了双角度吸收人工表面3。

如图3(a)所示，金属图形为布置于中间层介质板上的金属层，包括两个相对布置的金属部分，每个金属部分包括矩环形和手指形，矩环形靠近手指形的一侧边中央设有缺口，缺口正对的矩环形的另一侧边经条形和手指形的根部连接，条形和缺口不接触连接，两个金属部分的手指形以叉指结构布置。接地金属层采用金属背板。

双角度吸收人工表面3内侧圆周附近设有沿周向间隔均布的多个天线8，多个天线8包括多个接收天线和一个发射天线，发射天线连接发射端口4，多个接收天线均连接射频开关接收设备。射频开关接收设备包括接收端口5、射频开关矩阵6，各个接收天线均连接到射频开关矩阵6，射频开关矩阵6连接到接收端口5，发射端口4和接收端口5连接到外部控制处理仪器，外部控制处理仪器对采集的接收信号进行处理进行成像。接收天线通过射频开关矩阵6统一控制，通过射频开关矩阵6选通接收天线，实现对散射波从不同角度的分时测量。

每个吸波单元中，中间层介质板12上表面均设有两个金属图形11，两个金属图形11分别根据自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角以及自身吸波单元所在位置和散射体7之间的垂直入射角配置反射系数，反射系数包括相对介电常数和相对磁导率，使得每个吸波单元均能双角度吸收发射天线直接发过来的电磁波信号和发射天线发射出经散射体7反射过来的电磁波信号，散射体7作为被成像或测量的物体置于暗室的几何中心，使得被散射体7反射过来的电磁波信号对暗室内表面(双角度吸收人工表面3)的任何位置形成正入射，构成的暗室内表面形成双角度吸收人工表面3。

如图2所示，吸波单元工作在5.8GHz，发射天线发射电磁波，其中电磁波一部分直接入射到各个接收天线，另一部分经散射体7反射后以0度入射角垂直入射到各个接收天线。

根据自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角以及自身吸波单元所在位置和散射体7之间的垂直入射角配置反射系数具体是按照以下方式配置或者按照以下方式配置后继续进行全波仿真后获得的反射系数进行配置：

电磁波以已知入射角θ入射到吸波单元，电磁波入射到吸波单元的金属图形表面，电磁波沿固定方向具体实施中可以设为x-y-z坐标系中的y轴方向极化，假设电磁波沿x-y-z三维笛卡尔坐标系中的y轴方向极化，吸波单元中通过调整金属图形311的尺寸形态使得吸波单元的相对介电常数和相对磁导率的反射参数满足以下公式：

上式中，ε_ry表示沿y轴方向的相对介电常数，μ_rx表示沿x轴方向的相对磁导率，h表示沿z轴方向的相对磁导率，θ表示电磁波斜入射的入射角，θ∈(0，90)， L表示中间层介质板厚度，k_z表示波矢量沿z方向的分量，k₀是自由空间的波数； R(θ)表示电磁波以角度θ入射到吸波单元表面时的反射系数，i表示虚部，e为常数。

如示意图2所示，针对发射天线发射的斜入射电磁波，是以由发射天线到吸波单元的连线和吸波单元所在的平面法向之间的夹角作为自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角；针对散射体7反射的正入射电磁波，是以由散射体7到吸波单元的连线和吸波单元所在的平面法向之间的夹角作为自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角，实际为0度入射角。

对散射场的测量是通过测量存在散射体7与不存在散射体7时测量数据的差值来实现的。在测量存在散射体时入射波的散射场时，先将散射体旋转到一个初始旋转角度位置(记为0度)，然后利用计算机控制开关阵列依次选通其余接收天线，由测量仪器测量并记录下此时系统的传输系数参数。之后旋转水平转台从0到360度并重复上述过程，即可得到一组表示存在散射体7时观察位置处电场幅度和相位的数据。对于无散射体时的入射场测量，测试方式相同，但无需转动转台。二者相减即可以得到散射体在特定角度入射波照射下的散射场。

由于逆散射成像和测量对于入射场和散射场的建模准确度要求很高，如果入射场和散射场在测量装置中不能被很好的吸收，将会出现二次散射现象，增加逆散射成像和测量的病态性。

本发明采用通过使用具有空间分布的双角度吸收人工表面3根据上述给定位置布设在暗室内壁，通过进行全波仿真优化得到同时吸收斜入射与正入射电磁波的空间分布双角度吸收单元模型，能实现对入射和散射电磁波的同时吸收。

散射体7在每一旋转角度位置下成像均能获得旋转角度位置下发射天线所正对的散射体7表面附近的成像，控制水平转台1带动散射体7旋转以在不同旋转角度位置进行成像而获得散射体7所有表面的完整成像。具体实施中，被成像或测量物体的散射体置于一水平转台上，测量过程中按指定旋转角度水平旋转0到360度，由接收天线在每个旋转角度位置分时接收旋转被测物体的散射波。

本发明的实施例及其实施情况和实施结果如下：

本实施例下，每个角度入射人工单元表面的各项调节参数如示意图3(b)和下表所示。

表1

Theta\degree	L	H	h	a	b	h0	n
								0	5.17	λ/6	2.4	0.2	0.2	0.43	9
10	5.17	λ/6	2.38	0.2	0.2	0.42	9
								20	5.17	λ/6	2.34	0.2	0.2	0.4	9

通过利用电磁仿真软件进行全波仿真优化，使得两个入射角度下的反射系数不断减小，即可以得到同时吸收斜入射与正入射时电磁波的空间分布双角度吸收单元模型。对于这种双角度吸收单元模型的反射系数仿真结果如示意图4 所示，示意图4(a)表示电磁波斜入射角度为10度位置处双角度入射吸收单元反射参数仿真结果；示意图4(b)表示电磁波斜入射角度为20度位置处双角度入射吸收单元反射参数仿真结果。由图可知，两个单元均满足在正入射和 10度、20度斜入射条件下具有理想的电磁波吸收性能。

通过将上述空间分布双角度入射的人工表面单元与发射和接收天线构成全封闭或者半封闭的暗室，使得正入射散射的电磁波和发射天线发射的斜入射电磁波均被很好的吸收。避免了对发射波和待成像物体的二次散射问题，使得测量结果更加符合入射波和散射波的正问题算法的线性化模型，进而有效降低逆问题成像和测量的病态度并提高成像和测量的质量。并且由于吸收单元的超薄特性及全角度特性，用于电磁逆散射成像和测量的微型暗室尺度可以根据待成像物体的尺度需求来设计，其尺度可以小至波长量级。

由上述实施实例可见，本发明公开了一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室。本发明可以针对给定频率，设计空间分布双角度入射的人工表面单元，利用上述单元围成嵌有发射和接收天线的全封闭或半封闭暗室，构成微波逆散射成像和测量所需的基本结构。针对不同尺度的待成像或待测量物体，可以设计和构造相应尺度的成像和测量装置，其总体尺度可以小至波长量级。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室，其特征在于：包括水平转台(1)、支撑柱(2)和暗室，散射体(7)置于支撑柱(2)顶端，支撑柱(2)置于水平转台(1)上，散射体(7)周围布置有封闭或半封闭的暗室，暗室是由双角度吸收人工表面(3)和位于双角度吸收人工表面(3)内侧布置的多个天线(8)构成；双角度吸收人工表面(3)由沿暗室内表面紧密排列的多个吸波单元组成，每个吸波单元包括一层空间分布本构参数的介质层(31)和一层接地金属层(32)，空间分布本构参数的介质层包括金属图形(311)和中间层介质板(312)，金属图形布置于中间层介质板(312)的上表面，中间层介质板(312)布置于接地金属层(32)的上表面，金属图形(311)朝向内侧，接地金属层(32)朝向外侧，构成了双角度吸收人工表面(3)；双角度吸收人工表面(3)内侧圆周附近设有沿周向间隔均布的多个天线(8)，多个天线(8)包括多个接收天线和一个发射天线，多个接收天线均连接射频开关接收设备。

2.根据权利要求1所述的一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室，其特征在于：每个吸波单元中，中间层介质板(12)上表面均设有两个金属图形(11)，两个金属图形(11)分别根据自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角以及自身吸波单元所在位置和散射体(7)之间的垂直入射角来配置使得每个吸波单元均能双角度吸收发射天线直接发过来的电磁波信号和发射天线发射出经散射体(7)反射过来的电磁波信号，散射体(7)作为被成像或测量的物体置于暗室的几何中心，使得被散射体(7)反射过来的电磁波信号对暗室内表面的任何位置形成正入射，构成的暗室内表面形成双角度吸收人工表面(3)。

3.根据权利要求1所述的一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室，其特征在于：

根据自身吸波单元所在位置和发射天线之间的入射角以及自身吸波单元所在位置和散射体(7)之间的垂直入射角配置反射系数具体是按照以下方式配置或者按照以下方式配置后进行全波仿真后获得的反射系数进行配置：

电磁波以已知入射角θ入射到吸波单元，电磁波沿固定方向极化，假设电磁波沿x-y-z三维笛卡尔坐标系中的y轴方向极化，吸波单元中通过调整金属图形(311)的尺寸形态使得吸波单元的相对介电常数和相对磁导率的反射参数满足以下公式：

上式中，ε_ry表示沿y轴方向的相对介电常数，μ_rx表示沿x轴方向的相对磁导率，h表示沿z轴方向的相对磁导率，θ表示电磁波斜入射的入射角，θ∈(0,90)，L表示中间层介质板厚度，k_z表示波矢量沿z方向的分量，k₀是自由空间的波数；R(θ)表示电磁波以角度θ入射到吸波单元表面时的反射系数，i表示虚部，e为常数。

4.根据权利要求1所述的一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室，其特征在于：所述的金属图形为布置于中间层介质板上的金属层，包括两个相对布置的金属部分，每个金属部分包括矩环形和手指形，矩环形靠近手指形的一侧边中央设有缺口，缺口正对的矩环形的另一侧边经条形和手指形的根部连接，条形和缺口不接触连接，两个金属部分的手指形以叉指结构布置。

5.根据权利要求1所述的一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室，其特征在于：所述的发射天线连接发射端口(4)，所述的射频开关接收设备包括接收端口(5)、射频开关矩阵(6)，各个接收天线均连接到射频开关矩阵(6)，射频开关矩阵(6)连接到接收端口(5)，发射端口(4)和接收端口(5)连接到外部控制处理仪器。通过射频开关矩阵(6)选通接收天线，实现对散射波从不同角度的分时测量。

6.根据权利要求1所述的一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室，其特征在于：所述的封闭的暗室为球形暗室，球形暗室的中心位于散射体(7)的旋转轴上；所述的半封闭的暗室为圆柱形暗室，圆柱形暗室的中心轴和散射体(7)的旋转轴重合。

7.根据权利要求1所述的一种用于微波逆散射成像和测量的微型暗室，其特征在于：散射体(7)在每一旋转角度位置下成像均能获得旋转角度位置下发射天线所正对的散射体(7)表面附近的成像，控制水平转台(1)带动散射体(7)旋转以在不同旋转角度位置进行成像而获得散射体(7)所有表面的完整成像。