CN110165422A - 基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统 - Google Patents

Abstract

一种基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，属于毫米波成像技术领域。本发明针对现有被动毫米波近场成像系统为了提高分辨率，不得不使用体积较大的聚集模块，造成成像系统体积大并且成本高的问题。包括超表面透镜，所述超表面透镜包括同轴的多层超表面单元，所述超表面单元用于对被测目标成像获得目标信号，包括高频介质板，高频介质板的金属面开设环形槽；多层超表面单元的环形槽外圆半径相等，内圆半径在设定范围内依次变化，在多层超表面单元之间形成相位梯度，实现360度相位调控。本发明的超表面透镜具有的宽带属性，有助于提高系统成像的分辨率，其厚度薄及质量轻的特性对于成像系统的小型化具有重要意义。

Description

基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统

技术领域

本发明涉及基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，属于毫米波成像技术领域。

背景技术

在交通部门、学校、医院、广场等大型且人员密集场所的安检技术中，或是无害的医学成像中，对成像系统的安全性、实用性等提出了越来越高的要求。被动毫米波成像技术不产生辐射污染，对人体无害，利用金属等危险品和人体对毫米波不同的辐射特性成像，因此，被动毫米波近场成像系统广泛使用于安全检查成像技术中。目前，无源毫米波成像技术得到了极大的发展，透射或反射型焦平面阵列成像作为一种常用的成像方法，在各种被动毫米波成像系统中得到了广泛的应用。

为了提高空间分辨率，现有的焦平面阵列被动毫米波成像系统中不得不使用体积较大的聚集模块，如电介质透镜或聚集反射阵天线，由于是近场成像，焦距小，一般透镜的曲率需要非常大，接近球形；而为了避免焦点离透镜过近，还需要进一步增大透镜半径，这样仅透镜就达到米级，增大了成像系统的体积，不仅笨重、不易安装并且成本高。因此，小型化对于被动毫米波成像系统的发展和广泛推广应用具有重要的意义。

新兴的超表面由于是平面化结构，占用空间小，并具有灵活地改变电磁波的振幅、相位和极化不敏感的优势，而在系统小型化中具有重要的实用价值，可具有替代被动毫米波成像系统中传统聚集模块的趋势。目前对超表面成像技术的应用，大多数集中在微波和光学频率上，例如在X波段，产生的控制辐射电磁波的超表面，具有应用于成像的潜力。Kim等人采用系统的相场设计方法，获得了用于光束聚焦的最优拓扑波导结构。Wan等人利用变换光学设计了一种由平面维瓦尔第阵列馈电的超表面Luneburg透镜来控制辐射表面波。在现有基于超表面的成像技术中，主动式逆散射成像需要求解复杂的逆散射问题；而直接聚焦式成像虽然简单，但由于为主动式，有少量辐射，需要分别配置发射和接收阵列，系统体积也较大。因此，在毫米波段，若可以利用超表面汇聚波束，将大大减小毫米波成像系统的体积。

针对以上不足，需要提供一种基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，通过聚焦超表面取代体积庞大的介质透镜或反射体天线，从而使成像系统的结构更紧凑，并提高系统分辨率。

发明内容

针对现有被动毫米波近场成像系统为了提高分辨率，不得不使用体积较大的聚集模块，造成成像系统体积大并且成本高的问题，本发明提供一种基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统。

本发明的一种基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，包括超表面透镜，所述超表面透镜包括同轴的多层超表面单元，

所述超表面单元用于对被测目标成像获得目标信号，包括高频介质板，高频介质板的金属面开设环形槽；多层超表面单元的环形槽外圆半径相等，内圆半径在设定范围内依次变化，在多层超表面单元之间形成相位梯度，实现360度相位调控。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述环形槽外圆半径包括1.5mm。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述设定范围包括0.4～1.4mm。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述高频介质板包括RT5880高频板。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述超表面单元包括三层。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述超表面透镜的焦距为与工作频率对应的5倍波长。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述近场成像系统还包括接收天线，所述接收天线用于传递目标信号。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述接收天线包括喇叭天线。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述近场成像系统还包括接收机，用于接收接收天线传递的目标信号，并通过扫描的方式获得完整图像。

根据本发明的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，所述近场成像系统还包括吸波材料层，所述吸波材料层设置于被测目标的非成像面。

本发明的有益效果：本发明采用超表面透镜替代现有系统中的体积较大的聚集模块，使成像系统具有体积小、结构简单及成本低的优势，其大大减小了成像系统的重量，实现成像系统更紧凑的结构。

本发明系统的超表面透镜采用多层超表面单元的结构，多层超表面单元具有同轴环形孔径，多层结构可以增加目标信号相位的线性度和工作带宽，圆环的中心对称结构使超表面对极化不敏感，从而可实现成像系统的高空间分辨率。

本发明系统中的超表面透镜由于设置所具有的宽带属性，有助于提高系统成像的分辨率，其厚度薄及质量轻的特性对于成像系统的小型化具有重要意义，其对极化不敏感的特性使成像在不同方向的分辨率可趋于一致。

附图说明

图1是本发明所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统的示例性整体结构示意图；

图2是本发明所述的超表面透镜的示例性结构示意图；

图3是本发明所述的超表面单元的示例性结构示意图；

图4是本发明所述的环形槽内圆半径变化时对应的目标信号幅值、相位变化曲线图；图中R_in表示环形槽的内环半径，单位mm；S₂₁表示超表面透镜的透射系数；

图5是本发明所述的超表面透镜的实物示意图；

图6是本发明所述的喇叭天线的E面方向图；

图7是本发明所述的喇叭天线的H面方向图；

图8是使用本发明所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统与系统中无聚集超表面时X轴方向的场强分布图；

图9是一般介质透镜的成像原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图3及图5所示，本发明提供了一种基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，包括超表面透镜100，所述超表面透镜100包括同轴的多层超表面单元110，

所述超表面单元110用于对被测目标500成像获得目标信号，包括高频介质板111，高频介质板111的金属面开设环形槽112；多层超表面单元110的环形槽112外圆半径相等，内圆半径在设定范围内依次变化，在多层超表面单元110之间形成相位梯度，实现360度相位调控。

本实施方式采用超表面透镜100取代现有近场成像系统中体积庞大的介质透镜或反射体天线，超表面的引入可大大减小成像系统的体积，实现了成像系统的小型化。超表面透镜100多层超表面单元110上同轴设置的环形槽112，使超表面具有极化不敏感的重要属性；在实际使用中，对超表面透镜100进行优化可实现宽频带和高空间分辨率。

在一个周期内，使多层超表面单元110的内径按由大到小或由小到大顺序变化，可形成相位梯度，实现360度相位调控。

作为示例，所述环形槽112外圆半径包括1.5mm。

改变环形槽112的外径，可改变成像系统的工作频率。本实施方式中，可以选择环形槽112的外圆半径为1.5mm，经实验验证，此时超表面透镜100对33GHz到37GH的波有强聚焦效果，因此可使成像系统工作在33GHz-37GHz的频率范围。

作为示例，所述设定范围包括0.4～1.4mm。

将环形槽112的内径在设定范围内变化，可使超表面透镜100具有不同的相位特性，从而形成相位梯度，可据此建立传输振幅和相位与环形槽112内径对应的数据库，组合获得所需的超表面透镜100。

对于超表面，其存在离散相位突变的交界面，合理设计超表面上透射相位的梯度变化，可以实现透射角度的任意偏折。由于超表面可以等效为具有一定表面阻抗的薄片，因此电磁波的电场和磁场在超表面的两侧将产生幅度和相位上的突变，利用这个突变，可以对平面波、球面波或者任意形状波前的入射电磁波进行相位调控，使出射波相位满足特定分布。

另外，可根据等效电路法对超表面透镜100进行分析：超表面单元110中的环形槽112和周围的金属可以看作LC振荡电路，其电路响应取决于结构自身的电感以及单元与单元之间的电容,通过调节圆环内径可以调节电容，达到调节谐振的目的，从而形成不同的相位差。

作为示例，所述高频介质板111包括RT5880高频板。RT5880高频板的介电常数2.2，厚度为0.787mm，其重复周期p＝3mm。

结合图4所示，改变RT5880高频板上环形槽112内径尺寸时，其透射幅值和相位对应的变化如图4，可见在频率不变时，增大内环半径可使相位减小，在0.4～1.4mm范围内可以实现360度内任意相位调控。

图5所示，深色的圆圈为R T5880高频板开环形槽112后露出的介质基板，浅灰色部分为铜，不同的环形槽内径对应不同的相位，在图中直观表现为环形槽的宽度。整个超表面透镜100的大小可仅为93mm*93mm，厚度约为2.4mm。极利于小型化成像系统。

图2中d表示多层超表面单元110的层间距离，d＝0.8mm。

实际使用中，也可以采用其它介质板，不同介质板相对介电常数不同，则透镜表面等效介电常数不同，在相同内径时的相位改变特性不同，只需重新建立内径和相位的对应关系即可。

进一步，结合图2所示，所述超表面单元110包括三层。

所述超表面单元110可以根据需要选择为三层，从而形成相位梯度。采用三层结构，每层都可以为电磁波带来相位差，可以增大相位调控范围，覆盖360度，并可以提高带宽和透射系数，使在33-37Ghz频带范围内透射系数在60％以上。与滤波器类似，相位梯度的阶数越多，超表面透镜100工作带宽越宽、选择性越好。但层数过多会增加介质损耗，因此在满足相位调控范围、带宽和透射系数的基础上本实施方式选择三层结构。

再进一步，所述超表面透镜100的焦距为与工作频率对应的5倍波长。

对应于33GHz-37GHz的频率范围，5倍波长约为40.54-46.88mm。

再进一步，结合图1所示，所述近场成像系统还包括接收天线200，所述接收天线200用于传递目标信号。

所述接收天线200接收目标信号后，可将微弱的目标信号放大，有助于提高最终成像的分辨率。

作为示例，结合图1所示，所述接收天线200包括喇叭天线。使用喇叭天线接收超表面透镜100获得的目标信号，可选用Ka波段标准喇叭，长度约13.5cm。

由图6和图7所示，标准喇叭天线E面和H面方向图的主瓣几乎相同，保证了垂直极化和水平极化波都可以被很好地接收到。

图8中，虚线为没有聚焦透镜时的场强，可见大小是均匀的，实线为有聚焦透镜时不同X位置的场强，可见在中间处场强显著增大，说明透镜对波实现了很好的聚焦作用。由图8可以看出，本发明所述的超表面透镜100在焦点处聚焦效果显著，焦斑可以小至半个波长左右，实际分辨率可以达到5mm即半个波长左右。将超表面透镜与Ka波段直接探测辐射计相结合构建的被动毫米波近场成像系统，分辨率可在半个波长左右，成像系统将大大小型化。

再进一步，结合图1所示，所述近场成像系统还包括接收机300，用于接收接收天线200传递的目标信号，并通过扫描的方式获得完整图像。

所述接收机300可以为探测器，例如采用单个辐射计作为探测器，具有灵敏度高的优势，同时采用辐射计可满足成像系统减小体积，简化结构的需求。单个辐射计通过扫描可以实现完整成像。

对应于成像系统工作在33GHz-37GHz的频率范围，可以选用Ka波段的单个辐射计作为接收机300，探测接收天线200传递的目标信号。

再进一步，结合图1所示，所述近场成像系统还包括吸波材料层400，所述吸波材料层400设置于被测目标500的非成像面。在被测目标500的非成像面增加吸波材料层400，有助于减小被测目标500周围杂波对成像的干扰。

图1中横向和纵向的箭头所示，本发明所述成像系统的尺寸可达到沿元件的摆放方向约27.5cm，其中包括喇叭天线长度约13.5cm，喇叭天线距离超平面透镜的距离9cm，喇叭天线距离超平面透镜保留一段距离是为了更好地接收到超平面透镜边缘处的信号，辐射计长度约为5cm；本发明系统沿高度方向约14cm。由此可见，本发明系统相比于现有的成像系统，已被极大的小型化。

下面通过与一般介质透镜的成像进行比较，来说明本发明系统的优势：图9所示，根据几何光学和费马原理，获得一般介质透镜的厚度d1：

式中f为焦距，n为折射率，D为一般介质透镜直径；

图9中F为焦点，PP’为电磁波在一般介质透镜中的路径，QQ’为一般介质透镜中心最厚处厚度，即d1；直径D为图9中BC。

在相对介电常数为2.2，n＝1.483时，取焦距f＝42.85mm,得到

最小角θ分辨率函数为：

其中λ为波长，D1为一般介质透镜孔径；

因此在频率确定时，D1越大分辨率越高，在工作频率同样为35GHz时，波长为8.25mm，如果一般介质透镜的焦距f＝42.85mm，空间分辨率艾里斑的半径r为：

r＝1.22λf/D1，

在分辨率达到半个波长时D1＝104.55mm，此时d1＝33.49mm，一般介质透镜较厚重。增大焦距f，假设f＝100mm，此时D1已经增大到244mm，d1＝78.155mm，可见随着焦距的增大透镜大小成倍增大，而本发明中超表面透镜100只需要调整单元内径改变相位分布，大小和厚度都可不变。因此，本发明中超表面透镜的优势很显然，三层厚度可仅为2.4mm，边长仅为93mm。

综上，本发明根据对于极化不敏感的要求，设计了多层超表面单元的同轴环形结构，在超表面单元上开环形槽112，使每个超表面单元环形槽的内径不同，从而具有不同的相位特性，形成相位梯度，进而实现对目标的完整成像。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，包括超表面透镜(100)，所述超表面透镜(100)包括同轴的多层超表面单元(110)，

所述超表面单元(110)用于对被测目标成像获得目标信号，包括高频介质板(111)，高频介质板(111)的金属面开设环形槽(112)；多层超表面单元(110)的环形槽(112)外圆半径相等，内圆半径在设定范围内依次变化，在多层超表面单元(110)之间形成相位梯度，实现360度相位调控。

2.根据权利要求1所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述环形槽(112)外圆半径包括1.5mm。

3.根据权利要求2所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述设定范围包括0.4～1.4mm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述高频介质板(111)包括RT5880高频板。

5.根据权利要求4所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述超表面单元(110)包括三层。

6.根据权利要求5所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述超表面透镜(100)的焦距为与工作频率对应的5倍波长。

7.根据权利要求6所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述近场成像系统还包括接收天线(200)，所述接收天线(200)用于传递目标信号。

8.根据权利要求7所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述接收天线(200)包括喇叭天线。

9.根据权利要求7或8所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述近场成像系统还包括接收机(300)，用于接收接收天线(200)传递的目标信号，并通过扫描的方式获得完整图像。

10.根据权利要求9所述的基于聚焦超表面的被动毫米波近场成像系统，其特征在于，所述近场成像系统还包括吸波材料层(400)，所述吸波材料层(400)设置于被测目标的非成像面。