CN110058228A - 一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列及系统，本发明改变现有的阵列天线均匀排列的布局，根据人体安检特点，在需要重点安检的地方增加分辨率，即提高频率，增加接收天线和发射天线的通道数量。在非重点部位，可以适当的降低分辨率，这样可以降低频率和天线的通道数量。新型复合型毫米波阵列系统将高低频通道进行分离，采用不同的收发模块，如此高低频通道可以各自独立工作，不受干扰，所以可以同时进行信息采样，在不增加成本的前提下，提升人体关键区域的分辨率，增加危险物品识别率。

Description

一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列及系统
技术领域
本发明涉及毫米微波成像技术领域，具体涉及一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列及系统。
背景技术
为了更加高效安全的人体安检，美国西北太平洋实验室开发了基于毫米波的安检设备。如今，美国与欧盟的机场大部分都安装了L3公司的毫米波安检设备，国内首都机场也在积极试用。现有的毫米波成像技术的分辨率为5mm左右，对于一般的危险品检查也可以胜任。但用户的需求是成本不变或者更低的成本上实现更高的分辨率，若采用现有的传统技术(即使用原有的成像算法和软件)将分辨率提升一倍，那么整个硬件，即阵列的毫米波收发通道都将提升一倍，所使用的芯片的频率和数量也要高一倍，总体成本几何级增长。硬件通道数的翻倍，系统采样的数据也要翻倍，传输速率也要翻倍。为了保证每个通道足够的采样时间，通道翻倍，意味着整个设备的扫描时间就要增长一倍。若保持设备的扫描时间不变，那么也就意味了每个通道的采样时间降低一半，也就降低了信噪比。总而言之，采用现有技术强行提升系统分辨率，不仅成本将大大增加，且系统复杂度和技术难度将几倍的增加。
现在用于毫米波成像的阵列，都是使用同一个频率，然后接收与发射的天线中心的间隔都是均匀的，接收天线与发射天线错开半个间隔。比如2米长的阵列，要实现5.25mm分辨率，那么需要383个采样点，由于接收天线与发射天线错开半个间隙，那么接收和发射192通道可以满足。如图1所示，图1中，T1、T2、……、Tn表示发射天线，R1、R2、……、Rn表示接收天线，D1、D2、……、D2n-1表示对应的采样点。
现有的毫米波阵列，由于硬件布局方式和现有成像算法，其系统结构如图2所示，为了减少成本，所有的通道(即采样点)采用开关进行切换，都共用一个收发模块、频率源以及ADC等。其大致工作原理如下：FPGA控制频率源和开关模块的切换，因此可以自主的控制每个通道和每个频率的自由切换。频率源产生电磁波，然后由发射模块通过天线通道向目标辐射电磁波，而接收模块接收由目标反射带有信息的电磁波，然后通过ADC模块，传输至计算机成像并进行智能AI识别。
现有的毫米波成像阵列系统架构，若将分辨率提升一倍，工作频率提升一倍，对应发射天线和接收天线的数量也变成了2n(n为原来的数量)。翻倍增加天线的通道，意味着系统整个的采样点都要翻倍，那么数据量也要翻倍，传输的数据也翻倍，此时ADC模块的复杂度也将成几倍增长。若保持系统扫描成像的时间不变，那么每个采样点的采样时间就必须减半，由此带来的信噪比降低，降低图像的质量。此外，翻倍增加的通道数量，也使得芯片的使用量翻倍，本来频率增加一倍后，芯片的成本增加不止一倍，数量又增加一倍，总的导致成本将增加一个数量级，也极大的增加了系统的复杂度。因此若不改变阵列系统架构和计算机成像算法，现有的工作方式很难进行分辨率提升。
发明内容
为了解决现有的毫米微波成像技术存在的技术问题，本发明提供了一种用于毫米微波成像技术的新型复合型阵列及系统，本发明根据人体安检的特点，改变天线通道的布局，在用户需求的地方提升分辨率，改变整个硬件系统的架构，适当的增加硬件，改变成像算法和中央FPGA控制。巧妙合理的解决了这一矛盾性，更加增强了安检的识别性和可靠性，而又不大幅度增加成本，还可以加快成像时间。该新型毫米波阵列配合机械扫描系统，用于后续的毫米波安检设备。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列，该阵列至少包括两段不同分辨率的阵列段，每段阵列段均包括至少一对发射天线和接收天线；其中，高分辨率阵列段对应重点关注区域的采样，低分辨率阵列段对应非重点关注区域的采样。
优选的，该阵列包括两段不同分辨率的阵列段，依次为第1段、第2段；第1段为低分辨率，对应人体非重点检查部位；第2段为高分辨率，对应人体重点检查部位。
优选的，第1段为10mm或5mm；第2段的分辨率为2.5mm或2mm。
优选的，该阵列包括三段不同分辨率的阵列段，依次为第1段、第2段和第3段；第1段的分辨率最低，对应检查人体大脑段；第2段的分辨率最高，对应检查人体大腿至肩部段；第3段的分辨率次高，对应检查人体大腿至足部段。
优选的，所述第1段的分辨率为10mm；第2段的分辨率为2.5mm或2mm；第3段的分辨率为5mm。
另一方面，基于上述新型复合型阵列，本发明还提出了一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列系统，该系统包括上述新型复合型阵列、对应不同分辨率阵列段分别设置的不同频率收发模块和不同频率开关模块、FPGA控制器、频率源、ADC模块以及成像识别模块；系统中频率源、ADC模块及所有开关模块均由FPGA的时序进行精确控制；由FPGA控制频率源产生的低频信号经过低频收发模块、低频开关模块，通过低分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、低频开关通道，被低频收发模块接收；产生的高频信号经高频收发模块、高频开关模块，通过高分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、高频开关通道，被高频收发模块接收；所述高频收发模块和低频收发模块接收的反射信号经ADC模块传输至成像识别模块进行处理及识别。
优选的，所述频率源使用一个微波锁相信号源，通过倍频方式产生不同频率的信号源，作为不同分辨率阵列段的信号源。
优选的，由FPGA控制所述微波锁相信号源，产生3～4GHz的微波信号，间隔10MHz或者8MHz或者5MHz，锁相信号源产生的微波信号通过4倍频得到12～16GHz的信号，分辨率为10mm；再通过2倍频由12～16GHz得到24～32GHz的信号，分辨率为5mm；最后再通过一级2倍频由24～32GHz得到48～64GHz的信号，分辨率为2.5mm。
优选的，为了获得更高频率信号，所述频率源使用两个微波锁相信号源，两个微波锁相信号源相参，由FPGA控制所述两个相参的微波锁相信号源其中一个产生3～4GHz的微波信号，间隔10MHz或者8MHz或者5MHz，锁相信号源产生的微波信号通过4倍频得到12～16GHz的信号，分辨率为10mm；再通过2倍频由12～16GHz得到24～32GHz的信号，分辨率为5mm；另一个产生2.95～3.6GHz，通过24倍频得到71-86GHz高频信号，分辨率为2mm。
优选的，每一段分辨率阵列段的信号源各自与中频进行上变频后进入收发模块的发射电路Tx，由开关进行控制通道的切换，通过天线照射到被检测的人体，然后由接收天线接收被人体反射的信号，由开关进行控制通道的切换，该反射的信号由收发模块中的接收电路Rx接收；系统中不同频率段可同时工作，互不干扰，各自接收的信号由下变频到中频，并进行IQ解调，将解调后的IQ信号送入相应的ADC模块进行数据次啊及，ADC采集的数据由FPGA控制送入成像识别模块。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明改变了现有的阵列天线均匀排列的布局，根据人体安检特点，在需要重点安检的地方增加分辨率，即提高频率，增加接收天线和发射天线的通道数量。在非重点部位，可以适当的降低分辨率，这样可以降低频率和天线的通道数量。如此一增一减，基本上可以维持总体的通道数量变化不大，这样也没有显著增加数据量。由于低分辨率与高分辨率使用不同的收发模块，因此低分辨率和高分辨率可以同时进行目标信号的接收，并发送至计算机处理，所以整个系统的扫描时间也不会因为通道数增加而增加，甚至还会降低。
新型复合型毫米波阵列系统将高低频通道进行分离，采用不同的收发模块，如此高低频通道可以各自独立工作，不受干扰，所以可以同时进行信息采样，在不增加成本的前提下，提升人体关键区域的分辨率，增加危险物品识别率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为现有用于毫米波成像的阵列通道采样布局图。
图2为现有用于毫米波成像的阵列系统构架图。
图3为本发明的用于毫米波成像的复合型阵列通道采样布局图。
图4为本发明的用于毫米波成像的复合型阵列系统构架图。
图5为本发明第一实施例的新型复合型毫米波阵列的收发构架图(高频为48-64GHz)。
图6为本发明另一实施例的新型复合型毫米波阵列的收发构架图(高频为71～86GHz)
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
根据人体安检特点，本实施例在需要重点安检的地方增加分辨率，即提高频率，增加接收天线和发射天线的通道数量。在非重点部位，可以适当的降低分辨率，这样可以降低频率和天线的通道数量。如此一增一减，基本上可以维持总体的通道数量变化不大，这样也没有显著增加数据量。由于低分辨率与高分辨率使用不同的收发模块，因此低分辨率和高分辨率可以同时进行目标信号的接收，并发送至计算机处理。
一般人体安检，重点检查的是大腿至肩膀这一部分，这个区域容易藏匿危险物品。所以这个区域可以重点提升分辨率。而大脑以上的部分，基本上可以不用检查。而小腿部分，藏匿危险物品也难度较大些，因此这两部分可以适当的降低分辨率。如图3所示，将阵列分为三段，甚至分为多段。中间的第2段属于安检的重点，因此提升分辨率，增加频率带宽。而第1段和第3段，可适当的降低分辨率。如此，基本上保证了系统的总通道数不变，总的数据量不会增加。阵列分为三段式工作，且第1段与第2段不同频率，第2段与第3段不同频率，第1段与第3段空间分离，这样的结构可以使得三段同时工作，如此，从理论上讲，跟现有技术的系统扫描时间对比，可以节省三分之二的时间。如此，若保持每个采样点相同的时间，那么基于新型复合型阵列的系统，扫描速度可以提升三分之二，对用户和被测者都是有益的。若保持系统的扫描时间不变，那么基于新型复合型阵列的系统，可以将每个采样的时间提升原来的三分之二。若AD的采样率不变，那么可以在每个采样点采集多个数据，这可以大大提升成像质量。而最重要的是，满足了用户需求的前提下，未增加系统成本。
基于复合型阵列，本实施例构建了一种新型复合型阵列系统，如图4所示，该系统包括上述新型复合型阵列、对应不同分辨率阵列段分别设置的不同频率收发模块和不同频率开关模块、FPGA控制器、频率源、ADC模块以及成像识别模块；系统中频率源、ADC模块及所有开关模块均由FPGA的时序进行精确控制；由FPGA控制频率源产生的低频信号经过低频收发模块、低频开关模块，通过低分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、低频开关通道，被低频收发模块接收；产生的高频信号经高频收发模块、高频开关模块，通过高分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、高频开关通道，被高频收发模块接收；所述高频收发模块和低频收发模块接收的反射信号经ADC模块传输至成像识别模块进行处理及识别。
系统工作原理如下：整个系统的开关和频率源的切换均由大脑FPGA的时序进行精确控制。频率源由PLL+VCO(微波锁相信号源)产生3-4GHz的微波信号，间隔10MHz或者8MHz或者5MHz，由FPGA进行控制跳频。锁相源产生的微波信号通过4倍频(X2X2或者直接X4+PA放大)得到12-16GHz的信号，此信号可作为新型复合式阵列中最低分辨率的一段，分辨率约10mm，用于检查人体大脑这一段，此段对分辨率要求低。锁相源再通过2倍频(X2)由12-16GHz倍频得到24-32GHz的毫米波信号，此信号可作为新型复合式阵列中分辨率居中的一段，分辨率约5mm，用于检查人体大腿至足部。锁相源最后使用一级2倍频(X2)由24-32GHz倍频得到48-64GHz，此信号作为新型复合式阵列中分辨率最高的一段，分辨率约2.5mm，用于检查人体大腿至肩部。每一段分辨率的信号各自与中频(中频为点频，比如500MHz、720MHz等)进行上变频后进入发射电路Tx，由开关进行控制通道的切换，通过天线照射被检测的人体(功率控制的非常低，只有手机的千分之一左右)，然后由接收电路Rx中的天线接收被人体反射的信号，接收通道的切换也有开关控制。整个收发开关通道的切换均由FPGA进行精确时序控制。整个高中低频可同时工作，互不干扰，各自接收的信号由下变频到中频，并进行IQ解调，如图5所示，图中的实线箭头表示信号的流向，图中的虚线箭头表示控制的流向。IQ信号送入相应的ADC进行数据采集，ADC采集的数据由FPGA控制由千兆网或万兆网送入计算机进行存储，也可将相应ADC采集高中低频的IQ信号由三个千兆网或者百兆网同时送入计算机存储，如此相应的增加微小成本，缩短传输时间。最后由改进的配套算法进行数据重建成像。
现以3段式举例说明：
常规毫米波阵列，若需要实现5mm左右的分辨率，2米长的阵列，则需要383个采样点，那么收发天线的通道数为192，频率28GHz左右。若此时需要达到2.5mm左右的分辨率，那么频率需要提升到56GHz，收发天线的通道数变为384，采样点787。如此，整个系统的采样点倍增，采样数据也倍增。若要维持原先的系统的扫描时间，那么每个采样点的时间必须减半，这也提升了开关的开断的速度，如此也大大增加了开关驱动电路的复杂度。通道数倍增，也要求高频芯片倍增。本来频率倍增后，芯片的价格已经翻倍，如今又使得高频芯片数量倍增，因此带来的成本几乎是4倍增长。而且整个系统由于数据传输量翻番，也极大的增加了系统的复杂度。可以看出，常规的阵列布局需要提升分辨率时，是存在问题的。
而采用新型复合型阵列，根据人体的总体特性，可将大腿至肩膀重点部位提升分辨率，比如1米的长度，这段长度可以分配给图1中的第2段。而另外一米可以按比例分配给第1段和第3段。第2段分辨率增加一倍，通道数倍增，但第1段和第3段分辨率减半，因此通道数减半，因此总的通道数并未增加多少。而且三段可以同时工作，可以大大加快系统的扫描时间。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：本实施例为了实现更高频率信号，如71-86GHz高频信号的收发，获得更高分辨率，其构架图更复杂，如图6所示，图中的实线箭头表示信号的流向，图中的虚线箭头表示控制的流向，明显由图可知，为实现71～86GHz的高频信号源，所述频率源使用两个微波锁相信号源，两个微波锁相信号源相参，由FPGA控制所述两个相参的微波锁相信号源其中一个产生3～4GHz的微波信号，间隔10MHz或者8MHz或者5MHz，锁相信号源产生的微波信号通过4倍频得到12～16GHz的信号，此信号可作为新型复合式阵列中最低分辨率的一段，分辨率约10mm，用于检查人体大脑这一段，此段对分辨率要求低；再通过2倍频由12～16GHz得到24～32GHz的信号，此信号可作为新型复合式阵列中分辨率居中的一段，分辨率约5mm，用于检查人体大腿至足部；另一个产生2.95～3.6GHz，通过24倍频(X2X2X6)得到71-86GHz高频信号，此信号作为新型复合式阵列中分辨率最高的一段，分辨率约2mm，用于检查人体大腿至肩部。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：系统也可以分为两段，一段使用高分辨率2.5mm(48-64GHz)或2mm(71-86GHz)，另一段使用中分辨率5mm(24-32GHz)或者低分辨率(12-16GHz)，可根据市场用户的选择而灵活配置相应的方案。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列，其特征在于，该阵列至少包括两段不同分辨率的阵列段，每段阵列段均包括至少一对发射天线和接收天线；其中，高分辨率阵列段对应重点关注区域的采样，低分辨率阵列段对应非重点关注区域的采样。
2.根据权利要求1所述的新型复合型阵列系统，其特征在于，该阵列包括两段不同分辨率的阵列段，依次为第1段、第2段；第1段为低分辨率，对应人体非重点检查部位；第2段为高分辨率，对应人体重点检查部位。
3.根据权利要求2所述的新型复合型阵列系统，其特征在于，第1段为10mm或5mm；第2段的分辨率为2.5mm或2mm。
4.根据权利要求1所述的新型复合型阵列，其特征在于，该阵列包括三段不同分辨率的阵列段，依次为第1段、第2段和第3段；第1段的分辨率最低，对应检查人体大脑段；第2段的分辨率最高，对应检查人体大腿至肩部段；第3段的分辨率次高，对应检查人体大腿至足部段。
5.根据权利要求4所述的新型复合型阵列，其特征在于，所述第1段的分辨率为10mm；第2段的分辨率为2.5mm或2mm；第3段的分辨率为5mm。
6.一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列系统，其特征在于，该系统包括如权利要求1-5任一项所述的新型复合型阵列、对应不同分辨率阵列段分别设置的不同频率收发模块和不同频率开关模块、FPGA控制器、频率源、ADC模块以及成像识别模块；系统中频率源、ADC模块及所有开关模块均由FPGA的时序进行精确控制；由FPGA控制频率源产生的低频信号经过低频收发模块、低频开关模块，通过低分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、低频开关通道，被低频收发模块接收；产生的高频信号经高频收发模块、高频开关模块，通过高分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、高频开关通道，被高频收发模块接收；所述高频收发模块和低频收发模块接收的反射信号经ADC模块传输至成像识别模块进行处理及识别。
7.根据权利要求6所述的新型复合型阵列系统，其特征在于，所述频率源使用一个微波锁相信号源，通过倍频方式产生不同频率的信号源，作为不同分辨率阵列段的信号源。
8.根据权利要求7所述的新型复合型阵列系统，其特征在于，由FPGA控制所述微波锁相信号源，产生3～4GHz的微波信号，间隔10MHz或者8MHz或者5MHz，锁相信号源产生的微波信号通过4倍频得到12～16GHz的信号，分辨率为10mm；再通过2倍频由12～16GHz得到24～32GHz的信号，分辨率为5mm；最后再通过一级2倍频由24～32GHz得到48～64GHz的信号，分辨率为2.5mm。
9.根据权利要求6所述的新型复合型阵列系统，其特征在于，所述频率源使用两个微波锁相信号源，两个微波锁相信号源相参，由FPGA控制所述两个相参的微波锁相信号源其中一个产生3～4GHz的微波信号，间隔10MHz或者8MHz或者5MHz，锁相信号源产生的微波信号通过4倍频得到12～16GHz的信号，分辨率为10mm；再通过2倍频由12～16GHz得到24～32GHz的信号，分辨率为5mm；另一个产生2.95～3.6GHz，通过24倍频得到71-86GHz高频信号，分辨率为2mm。
10.根据权利要求8-9任一项所述的新型复合型阵列系统，其特征在于，每一段分辨率阵列段的信号源各自与中频进行上变频后进入收发模块的发射电路Tx，由开关进行控制通道的切换，通过天线照射到被检测的人体，然后由接收天线接收被人体反射的信号，由开关进行控制通道的切换，该反射的信号由收发模块中的接收电路Rx接收；系统中不同频率段可同时工作，互不干扰，各自接收的信号由下变频到中频，并进行IQ解调，将解调后的IQ信号送入相应的ADC模块进行数据次啊及，ADC采集的数据由FPGA控制送入成像识别模块。
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