CN109991599B - 一种基于单发单收共焦成像的微波成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波成像技术领域，公开了一种基于单发单收共焦成像的微波成像系统及方法，计算机与射频信号源和频谱分析仪连接，频谱分析仪与接收天线连接，接收天线与亚克力支架相连，亚克力支架与可移动滑轨连接，微波暗室的底部安装有发射天线，发射天线与射频信号源连接。采用单发单收机制的共焦成像技术，通过控制单个接收天线按照预定的轨迹移动，实现对目标区域二维平面内的数据采集，降低了微波成像系统的复杂度，减少了设备的成本投入，提高了数据采集的准确度和可靠性，且模型简单对数值计算要求不高，能够提高后期数据处理的效率和图像的分辨率；提高了数据采集的效率。

Description

一种基于单发单收共焦成像的微波成像系统及方法

技术领域

本发明属于微波成像技术领域，尤其涉及一种基于单发单收共焦成像的微波成像系统及方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：利用单个天线发射信号,向空间中发射一定频率的电磁波，经过目标物体的散射后，由天线阵列接收信号的技术。这种技术需要多个接收天线同时接收散射信号，而散射信号到达每个天线的路径长度不同，存在复杂的时间延迟，在信号处理过程中需要对多个天线接收到的信号并行处理，建立时域分析模型并进行正确的时延补偿，对参数模型和算法的要求非常高；且多个天线之间存在电磁耦合效应，阵列中的天线之间产生电磁场作用，互相干扰，会引入杂波及噪声，影响数据的精度，降低信噪比；对接收天线的参数要求比较高，导致系统成本太高。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有技术用接收天线阵列接收信号的操作复杂程度很高，天线之间存在电磁耦合效应互相干扰，信噪比低，且需要对多个天线接收到的信号进行并行处理，参数模型复杂，后期数据处理对算法要求严格，且成本很高。

解决上述技术问题的难度：

在成像区域记录目标物体附近二维平面上的电磁波信号，需要对整个平面进行扫描采集数据。用单个接收天线代替多个接收天线，需要解决接收天线的移动，还有探测时间和后续的数据处理。对天线的移动需要保持相对固定和在二维平面内的自由移动：相对固定是要求天线的顶端要在同一个水平面上移动，抖动程度尽可能小，以保证采集到稳定的信号；自由移动是要求天线通过移动完成整个二维平面的信号采集。探测时间上涉及对信号的采样时间，需要响应时间足够短灵敏度足够高的信号采样器。数据处理方面需要对原始数据进行有效地记录，避免出现数据丢失，将数据整合成矩阵，通过矩阵运算进行数据处理和成像。

解决上述技术问题的意义：

可以实现由单个接收天线完成对整个二维平面上的电磁波信号采集工作，减少了由于天线之间的电磁耦合效应及复杂的时间延迟引入的噪声和误差，提高信号采集的精度。对单个天线接收信号处理相比多个天线来说，对参数模型的要求低，且设备的成本也会相应降低。将复杂的硬件实现转化为软件的数字化处理，能够提高数据处理的效率以及成像的空间分辨率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于单发单收共焦成像的微波成像系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于单发单收共焦成像的微波成像系统，所述基于单发单收共焦成像的微波成像设置有：

计算机；射频信号源；频谱分析仪；单片机；可移动滑轨；接收天线；亚克力载物台；亚克力支架；发射天线；微波暗室；固定支架；步进电机

计算机与射频信号源和频谱分析仪连接，频谱分析仪与接收天线连接，接收天线与亚克力支架相连，亚克力支架与可移动滑轨连接，微波暗室中安装有亚克力载物台，可移动滑轨安装在亚克力载物台右侧的固定支架上，单片机与移动滑轨上的步进电机连接，微波暗室的底部安装有发射天线，发射天线与射频信号源连接。

进一步，所述微波暗室由铝型材支架和吸波材料组成，用于隔离外界环境的电磁波干扰，为微波成像提供封闭的实验环境。

进一步，所述亚克力载物台上用于放置待成像的目标物体，可在三维空间内进行位置调节；底部的支架用于放置发射天线，且上下高度可调节；发射天线放置在微波暗室的底部，射频信号源为天线提供脉冲信号，由发射天线向空间中发射特定频率的电磁波。

进一步，所述可移动滑轨在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向按照预先设定的转速、转动时间、转动方向运行。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述基于单发单收共焦成像的微波成像系统的基于单发单收共焦成像的微波成像方法，所述基于单发单收共焦成像的微波成像方法包括：

第一步，放置待成像的目标物体到亚克力载物台上，根据实验的电磁波频率调节亚克力载物台与发射天线顶端的垂直距离；

第二步，对射频信号源设置信号相关的参数，包括信号的频率、带宽、衰减等，为发射天线提供脉冲信号，由发射天线向空间中发射特定频率的电磁波；

第三步，计算机与频谱分析仪通过网线建立以太网通信，设置协议类型、IP地址以及端口完成网络配置，实现数据通信；

进一步，根据发射天线的频率以及实验需求设置频谱仪参数，包括中心频率、扫描带宽、扫描的频率范围、扫描时间等；

进一步，根据信号扫描的范围、扫描平面的高度、采集的行数、接收天线移动的速度及方向等进行编程，通过控制步进电机间接控制可移动滑轨的运行，并将所有的操作通过单片机接口设置成按键操作，并下载到单片机中，后续的信号采集只需按键操作即可完成；

进一步，计算机向频谱仪发送数据接收指令以及接收转向文件，则后续的实验数据均保存在接收转向文件中。通过设置指令发送间隔实现指令数据流的循环发送，同时对数据自动接收并转存；

进一步，所述基于单发单收共焦成像的微波成像方法可移动滑轨在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向按照预先设定的转速、转动时间和转动方向运行；

进一步，所述基于单发单收共焦成像的微波成像方法通过可移动滑轨带动接收天线在不同高度的二维平面内移动，实现微波成像实验的数据采集，其移动速度、距离和方向与可移动滑轨的设置有关；

可移动滑轨由三个方向的转轴组成，带动接收天线在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向移动；转轴通过步进电机同单片机连接起来，由单片机控制按照一定的转速和转动方向在设定的脉冲数目内运转，控制接收天线按照一定的速度和方向移动相应的距离。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于单发单收共焦成像的微波成像系统的微波成像平台。

基于单发单收机制的微波成像平台与现有技术相比在数据采集以及数据处理等方面的性能得到提升,对比如下:

	单发单收机制	现有技术
			接收天线数目	单个天线	天线阵列
是否存在电磁耦合效应	否	是
			信号处理方式	串行	并行
参数模型	简单	复杂
			数值计算要求	低	高
系统成本	低	高
			信噪比	高	低

综上所述，本发明的优点及积极效果为：采用单发单收机制，接收天线可通过自制的可移动滑轨带动其按照预先设定的轨迹移动，能够对目标区域的不同高度处进行二维平面内的扫描接收电磁波信号。采用单个接收天线移动接收信号，简化了天线接收端的接收机制，将对多个天线接收信号的复杂处理转化成了对单个天线接收信号的数字化处理，全部通过软件和算法即可完成，降低了微波成像系统的复杂度和成本，同时提高了数据采集的效率和精度。且单个接收天线不存在电磁耦合效应，减少了噪声和误差的引入，可以提高信噪比。参数模型简单，对数值计算的要求低，易于实现。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于单发单收共焦成像的微波成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的可移动滑轨的原理示意图；

图中：1、计算机；2、射频信号源；3、频谱分析仪；4、单片机；5、可移动滑轨；6、接收天线；7、亚克力载物台；8、亚克力支架；9、发射天线；10、微波暗室；11、固定支架；12、步进电机。

图3是本发明实施例提供的基于单发单收共焦成像的微波成像方法流程图。

图4是本发明实施例提供的不同位置的圆形硬币示意图。

图5是本发明实施例提供的3.5GHz频率下圆形硬币的成像灰度图。

图6是本发明实施例提供的3.5GHz频率下圆形硬币的三维RGB图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为了降低成本、简化操作的复杂度和参数模型以及提高数据采集的精度和后期数据处理的效率，提出了一种基于单发单收共焦成像方法的微波成像平台。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于单发单收共焦成像的微波成像系统包括：计算机1、射频信号源2、频谱分析仪3、单片机4、可移动滑轨5、接收天线6、亚克力载物台7、亚克力支架8、发射天线9、微波暗室10、固定支架11、步进电机12。

计算机1与射频信号源2和频谱分析仪3连接，频谱分析仪3与接收天线6连接，接收天线6与亚克力支架8相连，亚克力支架8与可移动滑轨5连接，微波暗室10上安装有亚克力载物台7，可移动滑轨5安装在亚克力载物台7右侧的固定支架11上，单片机4与可移动滑轨5上的步进电机12连接，微波暗室10的底部安装有发射天线9，发射天线9与射频信号源2连接。

如图3所示，本发明实施例提供的基于单发单收共焦成像的微波成像方法包括以下步骤：

S301：放置待成像的目标物体到亚克力载物台上，根据实验的电磁波频率调节亚克力载物台与发射天线顶端的垂直距离；

S302：对射频信号源设置信号相关的参数，包括信号的频率、带宽、衰减等，为发射天线提供脉冲信号，由发射天线向空间中发射特定频率的电磁波；

S303：计算机与频谱分析仪通过网线建立以太网通信，设置协议类型、IP地址以及端口完成网络配置，实现数据通信；

S304：根据发射天线的频率以及实验需求设置频谱仪参数，包括中心频率、扫描带宽、扫描的频率范围、扫描时间等；

S305：根据信号扫描的范围、扫描平面的高度、采集的行数、接收天线移动的速度及方向等进行编程，通过控制电机间接控制可移动滑轨的运行，并将所有的操作通过单片机接口设置成按键操作，并下载到单片机中，后续的信号采集只需按键操作即可完成；

S306：计算机向频谱仪发送数据接收指令以及接收转向文件，则后续的实验数据均保存在接收转向文件中。通过设置指令发送间隔实现指令数据流的循环发送，同时对数据自动接收并转存；

S307：基于单发单收共焦成像的微波成像方法可移动滑轨在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向按照预先设定的转速、转动时间和转动方向运行；

S308：基于单发单收共焦成像的微波成像方法通过可移动滑轨带动接收天线在不同高度的二维平面内移动，实现微波成像实验的数据采集，其移动速度、距离和方向与可移动滑轨的设置有关。

本发明实施例提供的基于单发单收共焦成像的微波成像系统的微波暗室为微波成像平台提供封闭的实验环境，隔离外界杂乱的电磁波的干扰，形成相对封闭的微波暗室。亚克力载物台上用于放置待成像的目标物体，可在三维空间内进行位置调节。底部的支架用于放置发射天线，且上下高度可调节。发射天线放置在微波暗室的底部，射频信号源为天线提供脉冲信号，由发射天线向空间中发射特定频率的电磁波。可根据天线频率的不同调节发射天线与目标物体之间的垂直距离。通过单片机控制移动滑轨，从而带动接收天线在目标物体上方不同高度处进行二维平面内的扫描，进行电磁波信号采集。同时接收天线与示波器相连，计算机通过网线向示波器发送指令并设置采样时间间隔，对接收天线接收到的电磁波信号进行采样，并且将数据通过网线传回计算机，以文件的形式储存在计算机中。

由于移动滑轨可以在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向按照预先设定的转速、转动时间、转动方向运行，所以接收天线可以实现在不同高度的二维平面内移动，且移动的速度、距离和方向都可以自行设置。并且通过将这些操作在单片机中设置成相应的按键，只需要启动相应按键就可以实现设备的运行，进行实验数据的采集。几乎所有的工作都是通过机械化手段运行，人工操作很少，避免了不必要误差的引入。

本发明通过设计可移动滑轨控制接收天线在三维空间内的移动，实现微波成像实验的数据采集。可移动滑轨由三个方向(X-轴，Y-轴和Z-轴)的转轴组成，可带动接收天线在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向移动。转轴通过步进电机同单片机连接起来。可以通过实验数据采集需求通过编写软件程序下载到单片机中，控制转轴按照一定的转速和转动方向(顺时针和逆时针)在设定的脉冲数目内运转，进而控制接收天线按照一定的速度和方向移动相应的距离。通过程序设定的方式既保证了接收天线的移动速度保持恒定，又实现了接收天线扫描的起始位置和终点位置的统一，也减少了数据采集过程中的人为误差因素，提高了数据采集的可靠性和精度。

下面结合实验对本发明的应用效果做详细的描述。

在频率为3.5GHz下进行目标物体成像实验，设置指令发送间隔为100ms，采集区域为边长8cm的正方形区域，共采集40行数据。对放置在载物台不同位置的圆形硬币进行微波成像。

经过参数模型建立、数据处理和成像处理之后的二维灰度图如图5所示。

图5中，X-轴坐标为每行的采样点数，是实际采集区域二维平面的X-轴的映射；Y-轴坐标为采集的行数，是实际采集区域二维平面Y-轴的映射。二维灰度图反映圆形硬币上方二维平面的电磁能量分布情况，近似圆形的光亮区域与圆形硬币处于亚克力载物台的位置基本一致，且光亮区域的形状和圆形硬币的形状也吻合，即光亮区域就是圆形硬币在散射场中所成的像，且图像的对比度和分辨率都很高。

将数据处理成三维RGB图如图6所示。图6中，水平坐标为成像区域的映射，能够反映目标物体的位置信息，纵坐标为电磁波的功率值，单位为mW。电磁能量的强弱可通过颜色变化来表征，黄色代表电磁能量最强，蓝色代表电磁能量最弱。三维RGB图像还可以通过颜色的变化或者纵坐标值的起伏(上凸或者下凹)体现电磁能量分布的变化。从图6中可以看出：圆形硬币所在的中间、左上角和右上角区域为整个成像区域中电磁能量最强的区域，表现为黄色且呈现上凸。

根据瑞利准则，理论上微波成像的极限分辨率为电磁波波长的二分之一。随着电磁波频率的降低，成像的分辨率也会降低。在电磁波频率为3.5GHz时，可计算出相应的极限分辨直径为：

所以，理论上当目标物体的直径大于4.3cm时，才可以在成像过程中成出清晰度较好的图像。而微波成像实验中用到的圆形硬币直径为2cm，从实际成像结果可以看出，圆形硬币的对比度和分辨率都很高，由此可以推断：一方面是由于电磁波的散射和反射对成像精度的贡献，使得实际成像分辨率得以提高；另一方面，单发单收的共焦成像机制也减少了在信号采集阶段不必要的时延和误差的引入，也在一定程度上提高了成像分辨率。

从实际成像结果可以看出，基于单发单收共焦成像的微波成像系统具有良好的成像效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于单发单收共焦成像的微波成像系统，其特征在于，所述基于单发单收共焦成像的微波成像设置有：

计算机；

计算机与射频信号源和频谱分析仪连接，频谱分析仪与接收天线连接，接收天线与亚克力支架相连，亚克力支架与可移动滑轨连接，微波暗室中安装有亚克力载物台，可移动滑轨安装在亚克力载物台右侧的固定支架上，单片机与移动滑轨上的步进电机连接，微波暗室的底部安装有发射天线，发射天线与射频信号源连接；

所述微波暗室由铝型材支架和吸波材料组成，用于隔离外界环境的电磁波干扰，为微波成像提供封闭的实验环境；

所述亚克力载物台上用于放置待成像的目标物体，在三维空间内进行位置调节；底部的支架用于放置发射天线，且上下高度可调节；发射天线放置在微波暗室的底部，射频信号源为天线提供脉冲信号，由发射天线向空间中发射特定频率的电磁波。

2.如权利要求1所述的基于单发单收共焦成像的微波成像系统，其特征在于，所述移动滑轨在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向按照预先设定的转速、转动时间、转动方向运行。

3.一种运行权利要求1所述基于单发单收共焦成像的微波成像系统的基于单发单收共焦成像的微波成像方法，其特征在于，所述基于单发单收共焦成像的微波成像方法包括：

第一步，放置待成像的目标物体到亚克力载物台上，根据实验的电磁波频率调节亚克力载物台与发射天线顶端的垂直距离；

第二步，对射频信号源设置信号相关的参数，包括信号的频率、带宽、衰减等，为发射天线提供脉冲信号，由发射天线向空间中发射特定频率的电磁波；

第三步，计算机与频谱分析仪通过网线建立以太网通信，设置协议类型、IP地址以及端口完成网络配置，实现数据通信。

4.如权利要求3所述的基于单发单收共焦成像的微波成像方法，其特征在于，所述基于单发单收共焦成像的微波成像方法根据发射天线的频率以及实验需求设置频谱仪参数，包括中心频率、扫描带宽、扫描的频率范围、扫描时间；

根据信号扫描的范围、扫描平面的高度、采集的行数、接收天线移动的速度及方向进行编程，通过控制电机间接控制可移动滑轨的运行，并将所有的操作通过单片机接口设置成按键操作，并下载到单片机中，后续的信号采集只需按键操作即可完成；

计算机向频谱仪发送数据接收指令以及接收转向文件，则后续的实验数据均保存在接收转向文件中；通过设置指令发送间隔实现指令数据流的循环发送，同时对数据自动接收并转存。

5.如权利要求3所述的基于单发单收共焦成像的微波成像方法，其特征在于，所述基于单发单收共焦成像的微波成像方法可移动滑轨在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向按照预先设定的转速、转动时间和转动方向运行。

6.如权利要求3所述的基于单发单收共焦成像的微波成像方法，其特征在于，所述基于单发单收共焦成像的微波成像方法通过可移动滑轨带动接收天线在不同高度的二维平面内移动，实现微波成像实验的数据采集，其移动速度、距离和方向与可移动滑轨的设置有关；

可移动滑轨由三个方向的转轴组成，带动接收天线在X-轴，Y-轴和Z-轴三个方向移动；转轴通过步进电机同单片机连接起来；通过实验数据采集需求通过编写软件程序下载到单片机中，控制转轴按照一定的转速和转动方向在设定的脉冲数目内运转，控制接收天线按照一定的速度和方向移动相应的距离。

7.一种应用权利要求1～2任意一项所述基于单发单收共焦成像的微波成像系统的微波成像平台。