CN109991600A - 单站平面阵列毫米波成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种单站平面阵列毫米波成像装置及方法，利用毫米波扫频源，产生线性调频的毫米波信号，通过收发组件、电子开关阵列和一维阵列天线，向空间辐射毫米波探测信号。一维阵列天线在电子开关阵列、水平导轨和伺服电机的共同作用下，形成等效的二维平面阵列。数据采集卡同时采集收发组件的中频信息和利用光栅尺获得的天线位置信息，提高了天线定位精度，并且在数据处理器中采用了带有损耗补偿的成像方法，提高了成像质量。
Description
技术领域
本公开涉及一种单站平面阵列毫米波成像装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前在安全检查、医疗诊断或无损探测中经常会用到毫米波，而毫米波在应用时需要重建目标物的三维图像，这就必须使用二维平面天线阵列。根据天线阵列拓扑结构，分为单站、双站和多站几种。由于单站结构中，同一时刻只有一对位置相同的发射天线和接收天线工作，使用电扫描或者机械扫描的方式形成二维天线阵列，具有结构简单、硬件成本低、成像技术成熟等诸多优势，因此具有很大的应用前景。
在实现单站平面阵列的回波信号指数项相位信息的三维分解过程中，必然存在传播损耗有关的衰减，如果不考虑这些衰减影响，会导致不同距离向位置的目标物重建图像质量差异较大，影响分析结果。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种单站平面阵列毫米波成像装置及方法，本公开能够提高天线定位精度，以及成像性能。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供一种单站平面阵列毫米波成像装置。
一种单站平面阵列毫米波成像装置，包括轨道、坐标记录模块、处理器和毫米波扫频源，所述轨道上可滑动设置有承载机构，承载机构上设置有一维阵列天线，所述一维阵列天线包括若干个发射/接收天线对，每一对发射/接收天线位置相同，所述一维阵列天线与电子阵列开关连接；所述毫米波扫频源通过收发组件连接所述电子阵列开关；
所述发射天线接收电子开关阵列的毫米波信号，辐射到空间中进行探测，接收天线接收目标的回波信号，回传给电子阵列开关，进而传输给数据采集卡；
所述坐标记录模块记录所述一维阵列天线在所述轨道上的坐标值，并传输给数据采集卡；
所述处理器接收数据采集卡传输的中频信号和一维阵列天线位置信息，实现成像。
作为一些可能的实施例，所述坐标记录模块为光栅尺。
作为一些可能的实施例，所述毫米波扫频源产生26.5～40GHz线性调频的毫米波信号，传输给收发组件。
作为一些可能的实施例，所述收发组件包括功分器、功率放大器、低噪声放大器和混频器，所述功分器将毫米波信号分成两路，一路传输给功率放大器，另一路作为本振信号输入给混频器的本振端口，功率放大器将放大后的毫米波信号传输给电子开关阵列，低噪声放大器接收电子开关阵列返回的毫米波信号，放大后传输给混频器的射频端口，混频器输出的中频信号传输给数据采集卡。
作为一些可能的实施例，所述电子开关阵列将收发组件输出的毫米波信号依次传输给一维阵列天线的每个发射天线，同时接收一维阵列天线每个接收天线的信号，并回传给收发组件，实现一维阵列天线的横向垂直轴扫描。
作为一些可能的实施例，所述承载机构连接有驱动机构，所述驱动机构驱动所述承载机构带动一维阵列天线沿所述轨道运动，所述驱动机构受所述处理器控制，沿所述轨道等间距运动。
作为一些可能的实施例，所述承载机构具有与所述轨道相配合的行走机构。
第二方面，基于上述装置的数据分析方法，包括以下步骤：
利用中频信号和天线位置信息，建立目标物的回波模型；
横向二维傅里叶变换，将回波信号变换到空间波数域；
利用驻定相位原理，将空间波数域的相位项分解为相互正交的三维空间波数域，在此过程中考虑幅度因子项；
将三维空间波数域回波数据乘以波数域的损耗补偿因子，对距离向每个切片的数据进行损耗补偿；
进行插值处理；
三维傅里叶逆变换，将回波信号变换回空间域，将三维空间域数据乘以空间域的损耗补偿因子，完成重建图像数据的损耗补偿，得到目标物的反射系数。
第三方面，一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的数据分析方法。
第四方面，一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的数据分析方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开针对单站天线阵列拓扑结构的特点，利用毫米波扫频源、收发组件、电子开关阵列、一维阵列天线、光栅尺、伺服电机、水平导轨、数据采集卡和数据处理器组成单站平面阵列毫米波三维成像装置，数据采集卡同时采集收发组件的中频信息和天线位置信息，提高了天线定位精度。
本公开还提供了一种数据分析成像方法，在利用驻定相位原理，将空间波数域的相位项分解为相互正交的三维空间波数域过程中，考虑了幅度因子项，在此基础上实现了损耗补偿，提高了重建图像质量。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本实施例的装置结构图；
图2为收发组件的结构图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，一种损耗补偿的单站平面阵列毫米波三维成像装置，包括毫米波扫频源、收发组件、电子开关阵列、一维阵列天线、光栅尺、伺服电机、水平导轨、数据采集卡和数据处理器。
毫米波扫频源，所述毫米波扫频源产生26.5～40GHz线性调频的毫米波信号，传输给收发组件；
如图2所示，收发组件包括功分器、功率放大器、低噪声放大器和混频器。所述功分器将毫米波信号分成2路，一路传输给功率放大器，另一路作为本振信号输入给混频器的本振端口。功率放大器将放大后的毫米波信号传输给电子开关阵列。低噪声放大器接收电子开关阵列返回的毫米波信号，放大后传输给混频器的射频端口。混频器输出的中频信号传输给数据采集卡。
电子开关阵列将收发组件输出的毫米波信号依次传输给一维阵列天线的每个发射天线，同时接收一维阵列天线每个接收天线的信号，并回传给收发组件，实现一维阵列天线的横向垂直轴扫描。
在本实施例，一维阵列天线由82个发射/接收天线对组成，每一对发射/接收天线位置相同。发射天线接收电子开关阵列的毫米波信号，辐射到空间中进行探测；接收天线接收目标的回波信号，回传给电子阵列开关。
伺服电机在数据处理器的控制下，使一维阵列天线沿横向水平导轨运动。当电子开关阵列完成一次一维阵列天线的电子扫描，伺服电机控制一维阵列天线移动到下一个水平位置。水平位置一共82处，水平运动间距与一维阵列天线的间距相同，均为6mm，最终形成486mm*486mm的等效二维平面阵列天线。
在其他实施方式中，可以将上述参数进行适应性的调整，为本领域技术人员可以想到替换方案，在此不再赘述。
当然，在上述过程中，一维阵列天线会设置于承载机构(如支撑架或支撑板)上，承载机构的底部与水平导轨相匹配，能够沿水平导轨滑动。
可以采用多种现有方式，如行走轮在导轨上运行等。在此不再赘述。
光栅尺实时记录一维阵列天线的横向水平位置，并将信号传输给数据采集卡。
数据采集卡采集收发组件的中频信号和一维阵列天线位置信息，将其数字化后传输给数据处理器。
数据处理器利用接收的数字信息进行成像，在成像过程中对毫米波的空间损耗进行补偿，提高成像性能。数据处理器控制伺服电机沿横向水平导轨运动，实现一维阵列天线的横向水平扫描。
基于上述单站平面阵列毫米波三维成像装置的数据处理方法，包括以下步骤：
步骤1：数据处理器利用中频信号和天线位置信息，建立目标物的回波模型。
其中，(x0,y0,)表示收发天线对在等效二维平面阵列的坐标，假设二维平面阵列天线位于z轴原点，f(x,y,z)表示位于(x,y,z)目标物的反射系数，R表示收发天线对到目标物的距离，且k表示波数，且ω表示毫米波信号的角频率，c表示光速。
步骤2：横向二维傅里叶变换，将回波信号变换到空间波数域：
其中，kx和ky表示x方向和y方向的空间波数，FT2D表示二维傅立叶变换。
步骤3：利用驻定相位原理，将S(kx,ky,k)的相位项分解为相互正交的三维空间波数域，在此过程中考虑幅度因子项，为损耗补偿做准备。
其中，kz表示z方向的空间波数，且
步骤4：将三维空间波数域回波数据乘以波数域的损耗补偿因子，对距离向每个切片的数据进行损耗补偿。
步骤5：插值处理
在三维空间波数域数据中，x方向和y方向的波数域kx和ky是均匀分布的，而z方向的波数域kz，由于不同位置处天线产生的距离徙动的影响，是非均匀分布的。因此，对波数域损耗补偿后的数据，针对kz维进行插值处理，使数据在kz维实现均匀分布，得S′(kx,ky,kz)。
步骤6：三维傅里叶逆变换，将回波信号变换回空间域。
对插值后的数据,进行三维傅里叶逆变换，得到S′(x,y,z)。
步骤7：将三维空间域数据乘以空间域的损耗补偿因子(2z)2，完成重建图像数据的损耗补偿，得到目标物的反射系数f(x,y,z)＝(2z)2S′(x,y,z)。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种单站平面阵列毫米波成像装置，其特征是：包括轨道、坐标记录模块、处理器和毫米波扫频源，所述轨道上可滑动设置有承载机构，承载机构上设置有一维阵列天线，所述一维阵列天线包括若干个发射/接收天线对，每一对发射/接收天线位置相同，所述一维阵列天线与电子开关阵列连接；所述毫米波扫频源通过收发组件连接所述电子开关阵列；
所述发射天线接收电子开关阵列的毫米波信号，辐射到空间中进行探测，接收天线接收目标的回波信号，回传给电子开关阵列，进而传输给数据采集卡；
所述坐标记录模块记录所述一维阵列天线在所述轨道上的坐标值，并传输给数据采集卡；
所述处理器接收数据采集卡传输的中频信号和一维阵列天线位置信息，实现成像。
2.如权利要求1所述的一种单站平面阵列毫米波成像装置，其特征是：所述坐标记录模块为光栅尺。
3.如权利要求1所述的一种单站平面阵列毫米波成像装置，其特征是：所述毫米波扫频源产生26.5～40GHz线性调频的毫米波信号，传输给收发组件。
4.如权利要求1所述的一种单站平面阵列毫米波成像装置，其特征是：所述收发组件包括功分器、功率放大器、低噪声放大器和混频器，所述功分器将毫米波信号分成两路，一路传输给功率放大器，另一路作为本振信号输入给混频器的本振端口，功率放大器将放大后的毫米波信号传输给电子开关阵列，低噪声放大器接收电子开关阵列返回的毫米波信号，放大后传输给混频器的射频端口，混频器输出的中频信号传输给数据采集卡。
5.如权利要求1所述的一种单站平面阵列毫米波成像装置，其特征是：所述电子开关阵列将收发组件输出的毫米波信号依次传输给一维阵列天线的每个发射天线，同时接收一维阵列天线每个接收天线的信号，并回传给收发组件，实现一维阵列天线的横向垂直轴扫描。
6.如权利要求1所述的一种单站平面阵列毫米波成像装置，其特征是：所述承载机构连接有驱动机构，所述驱动机构驱动所述承载机构带动一维阵列天线沿所述轨道运动，所述驱动机构受所述处理器控制，沿所述轨道等间距运动。
7.如权利要求1所述的一种单站平面阵列毫米波成像装置，其特征是：所述承载机构具有与所述轨道相配合的行走机构。
8.基于权利要求1-7中任一所述的装置的数据分析方法，其特征是：包括以下步骤：
利用中频信号和天线位置信息，建立目标物的回波模型；
横向二维傅里叶变换，将回波信号变换到空间波数域；
利用驻定相位原理，将空间波数域的相位项分解为相互正交的三维空间波数域，在此过程中考虑幅度因子项；
将三维空间波数域回波数据乘以波数域的损耗补偿因子，对距离向每个切片的数据进行损耗补偿；
进行插值处理；
三维傅里叶逆变换，将回波信号变换回空间域，将三维空间域数据乘以空间域的损耗补偿因子，完成重建图像数据的损耗补偿，得到目标物的反射系数。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求8所述的数据分析方法。
10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求8所述的数据分析方法。
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