CN113433210B - 一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统及方法，采用多发多收的一维稀疏线阵，并将波导天线与一维稀疏线阵结合，通过波导天线缩小一维稀疏线阵中的阵元间距，使得一维稀疏线阵的等效线阵排布更紧凑，从而提高横向的成像分辨率。同时，通过二维移动架驱动波导天线进行扫描，可以获得待检测的非介电复合材料的三维形貌图像，同时，还通过预置的超分辨率图像重构模型对第一目标图像进行重构，从而可以实现在较低频段获得原本在高频段才可以获得的高精度横向分辨率的图像，降低了硬件成本，解决了现有技术中的成像系统对非介电复合材料成像的分辨率较低，从而难以准确地检测缺陷的技术问题。

Description

一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统及方法
技术领域
本申请涉及太赫兹成像技术领域，尤其涉及一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统及方法。
背景技术
非介电复合材料如玻璃钢、隔热瓦、陶瓷、树脂、塑料等，其内部通常存在如下缺陷：如气泡、脱层、断裂等缺陷，根据缺陷的尺寸，从数厘米到数毫米大小。
在现有技术中，在检测非介电复合材料的缺陷时，通常使用高频段的毫米波/太赫兹源进行缺陷成像检测，但是，高频段的毫米波/太赫兹源的能量较低，且穿透性较差，这使得对非介电复合材料成像的分辨率较低，难以准确地检测缺陷。
发明内容
本申请提供了一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统及方法，用于解决现有技术中的成像系统对非介电复合材料成像的分辨率较低，从而难以准确地检测缺陷的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，包括：
扫频源、收发模块、波导天线、二维移动架和数据处理模块；
所述扫频源用于产生毫米波信号；
所述收发模块用于将所述毫米波信号传输给所述波导天线；
所述波导天线内设有一维稀疏线阵，所述一维稀疏线阵包括多个发射阵元和多个接收阵元，所述发射阵元用于将所述毫米波信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测；所述接收阵元用于接收所述毫米波信号经过所述待检测的非介电复合材料反射的回波信号，还用于将所述回波信号再经所述收发模块传输至所述数据处理模块；
所述波导天线安装于所述二维移动架上，所述二维移动架用于控制所述波导天线分别沿竖直方向或水平方向进行运动，从而使所述一维稀疏线阵对所述待检测的非介电复合材料进行扫描；
所述数据处理模块用于基于所述回波信号对所述待检测的非介电复合材料进行成像，从而得出第一目标图像，还用于基于预置的超分辨率图像重构模型对所述第一目标图像进行重构，得出第二目标图像。
优选地，所述收发模块包括发射链路和接收链路，所述毫米波信号包括第一基带扫频信号、第二基带扫频信号和及差频信号，所述第一基带扫频信号和第二基带扫频信号的频率不同；
所述扫频源还用于将所述第一基带扫频信号发送至所述发射链路中，还用于将所述第二基带扫频信号和所述差频信号发送至所述接收链路；
所述发射链路包括第一倍频器，所述第一倍频器用于将所述第一基带扫频信号进行倍频，从而产生射频信号，还用于将所述射频信号发送至所述波导天线的所述发射阵元；
所述接收链路包括功分器、第二倍频器、混频器、IQ解调模块、同步数据采集模块、光纤通道、低噪放大器；
所述功分器用于接收所述第二基带扫频信号，还用于将所述第二基带扫频信号功分为多路基带扫频信号，所述第二基带扫频信号的功分路数与所述接收阵元的数量相适配；还用于将功分后的所述第二基带扫频信号发送至所述第二倍频器；
所述第二倍频器用于将所述第二基带扫频信号进行倍频，还用于将倍频后的所述第二基带扫频信号发送至所述混频器，以作为基带本振信号；
所述低噪放大器用于对所述接收阵元接收到的所述回波信号进行放大处理，还用于将放大后的所述回波信号发送至所述混频器；
所述混频器用于将所述回波信号与所述第二基带扫频信号进行混频，从而得到中频回波信号，还用于将所述中频回波信号发送至所述IQ解调模块；
所述IQ解调模块用于接收所述扫频源发送的所述差频信号，还用于将所述差频信号与所述中频回波信号进行混频，从而对所述中频回波信号做正交解调，以得到零中频回波信号，还用于将所述零中频回波信号发送至所述同步数据采集模块；
所述同步数据采集模块用于对所述零中频回波信号进行模数转换，从而得到数字回波信号，还用于将所述数字回波信号经过所述光纤通道传输至所述数据处理模块。
优选地，所述一维稀疏线阵为四发八收一维稀疏线阵，所述四发八收一维稀疏线阵包括四个发射阵元和八个接收阵元，所述八个接收阵元依次均匀排列于所述四发八收一维稀疏线阵的中部位置，所述四个发射阵元均分为两组发射阵元，每组发射阵元包括两个发射阵元，所述两组发射阵元分别布设于所述八个接收阵元的外端。
优选地，所述发射链路还包括单刀四掷开关，所述单刀四掷开关用于控制所述四个发射阵元接收所述毫米波信号的接收启停状态。
优选地，所述二维移动架包括运动平台、X轴驱动模块和Z轴驱动模块，所述波导天线安装于所述运动平台上，所述X轴驱动模块用于驱动所述运动平台沿X轴方向移动，所述Z轴驱动模块用于驱动所述运动平台沿Z轴方向移动。
优选地，还包括显示模块，所述显示模块与所述数据处理模块连接，用于显示所述数据处理模块得出的所述第二目标图像。
优选地，还包括缺陷检测模块，所述缺陷检测模块用于基于预置的缺陷检测模型识别所述第二目标图像中的缺陷，所述预置的缺陷检测模型为预先经过深度学习算法训练得到。
第二方面，本发明提供了一种基于上述的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的成像方法，包括以下步骤：
S1、通过扫频源产生毫米波信号，将所述毫米波信号传输给收发模块；
S2、通过所述收发模块将所述毫米波信号传输给波导天线中的一维稀疏线阵的发射阵元，通过所述发射阵元将所述毫米波信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测，并通过二维移动架驱动所述波导天线按照预设的扫描方式进行移动，从而使所述一维稀疏线阵对所述待检测的非介电复合材料进行扫描；
S3、通过所述波导天线中的所述一维稀疏线阵的接收阵元接收所述毫米波信号经过所述待检测的非介电复合材料反射的回波信号，将所述回波信号再经所述收发模块传输至数据处理模块；
S4、通过所述数据处理模块基于所述回波信号对所述待检测的非介电复合材料进行成像，从而得出第一目标图像；
S5、通过所述数据处理模块基于预置的超分辨率图像重构模型对所述第一目标图像进行重构，得出第二目标图像。
优选地，所述收发模块包括发射链路和接收链路，所述发射链路包括第一倍频器，所述接收链路包括功分器、第二倍频器、混频器、IQ解调模块、同步数据采集模块、光纤通道、低噪放大器；
步骤S1具体包括：
S101、通过所述扫频源产生毫米波信号，所述毫米波信号包括第一基带扫频信号、第二基带扫频信号和及差频信号，所述第一基带扫频信号和第二基带扫频信号的频率不同；
S102、通过所述扫频源将所述第一基带扫频信号发送至所述发射链路中，并将所述第二基带扫频信号和所述差频信号发送至所述接收链路；
相应地，步骤S2具体包括：
S201、通过所述第一倍频器将所述第一基带扫频信号进行倍频，从而产生射频信号，将所述射频信号发送至所述波导天线的所述发射阵元；
S202、通过所述发射阵元将所述射频信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测，并通过二维移动架驱动所述波导天线按照预设的扫描方式进行移动，从而使所述一维稀疏线阵对所述待检测的非介电复合材料进行扫描；
相应地，步骤S3具体包括：
S301、通过所述波导天线中的所述一维稀疏线阵的接收阵元接收所述射频信号经过所述待检测的非介电复合材料反射的回波信号；
S302、通过所述功分器接收所述第二基带扫频信号，将所述第二基带扫频信号功分为多路基带扫频信号，所述第二基带扫频信号的功分路数与所述接收阵元的数量相适配，将功分后的所述第二基带扫频信号发送至所述第二倍频器；
S303、通过所述第二倍频器将所述第二基带扫频信号进行倍频，将倍频后的所述第二基带扫频信号发送至所述混频器，以作为基带本振信号；
S304、通过所述低噪放大器对所述接收阵元接收到的所述回波信号进行放大处理，将放大后的所述回波信号发送至所述混频器；
S305、通过所述混频器将所述回波信号与所述第二基带扫频信号进行混频，从而得到中频回波信号，将所述中频回波信号发送至所述IQ解调模块；
S306、通过所述IQ解调模块接收所述扫频源发送的所述差频信号，将所述差频信号与所述中频回波信号进行混频，从而对所述中频回波信号做正交解调，以得到零中频回波信号，将所述零中频回波信号发送至所述同步数据采集模块；
S307、通过所述同步数据采集模块对所述零中频回波信号进行模数转换，从而得到数字回波信号，将所述数字回波信号经过所述光纤通道传输至所述数据处理模块。
优选地，在步骤S5之后包括：
S6、基于预置的缺陷检测模型识别所述第二目标图像中的缺陷，所述预置的缺陷检测模型为预先经过深度学习算法训练得到。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明采用多发多收的一维稀疏线阵，并将波导天线与一维稀疏线阵结合，通过波导天线缩小一维稀疏线阵中的阵元间距，克服了链路腔体空间的限制，使得一维稀疏线阵的等效线阵排布更紧凑，从而提高横向的成像分辨率。同时，通过二维移动架驱动波导天线进行扫描，可以获得待检测的非介电复合材料的三维形貌图像，同时，由于是线阵连续扫描方式，相比于单个T/R组件，成像速度大大提升。同时，还通过预置的超分辨率图像重构模型对第一目标图像进行重构，从而可以实现在较低频段获得原本在高频段才可以获得的高精度横向分辨率的图像，降低了硬件成本，解决了现有技术中的成像系统对非介电复合材料成像的分辨率较低，从而难以准确地检测缺陷的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的波导天线的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的扫描轨迹示意图；
图4为本申请另一实施例提供的一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一维稀疏线阵的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的二维移动架的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
由于在现有技术中，在检测非介电复合材料的缺陷时，通常使用高频段的毫米波/太赫兹源进行缺陷成像检测，但是，高频段的毫米波/太赫兹源的能量较低，且穿透性较差，这使得对非介电复合材料成像的分辨率较低，难以准确地检测缺陷。
为此，本发明提供了一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，请参阅图1～2，本发明提供的一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，包括：
扫频源100、收发模块200、波导天线300、二维移动架400和数据处理模块500；
扫频源100用于产生毫米波信号；
收发模块200用于将毫米波信号传输给波导天线300；
波导天线300内设有一维稀疏线阵310，一维稀疏线阵310包括多个发射阵元301和多个接收阵元302，发射阵元301用于将毫米波信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测；接收阵元302用于接收毫米波信号经过待检测的非介电复合材料反射的回波信号，还用于将回波信号再经收发模块200传输至数据处理模块500；
波导天线300安装于二维移动架400上，二维移动架400用于控制波导天线300分别沿竖直方向或水平方向进行运动，从而使一维稀疏线阵对待检测的非介电复合材料进行扫描；
需要说明的是，本实施例中的二维移动架400驱动波导天线300进行扫描的轨迹如图3所示，其扫描方式为，以预设扫描起点开始，首次沿着竖直方向扫描预定距离后，再沿着水平方向扫描预定距离后，再沿着与首次扫描的竖直方向的相反方向进行扫描与首次扫描相等的预定距离，从而完成一个周期的扫描路径，从而形成Z型扫描路径，使扫描视场范围覆盖待检测的非介电复合材料，才可以认定完成一次扫描成像。
数据处理模块500用于基于回波信号对待检测的非介电复合材料进行成像，从而得出第一目标图像，还用于基于预置的超分辨率图像重构模型对第一目标图像进行重构，得出第二目标图像。
具体地，通过上述扫描方式对同一场景内的待检测的非介电复合材料进行多次扫描，并在每次扫描后，根据雷达成像算法(如距离徙动算法或反向投影算法)得到一幅低分辨率图像，也即第一目标图像，经过多次扫描并成像后，可以获得多副第一目标图像，再根据预置的超分辨率图像重构模型对上述多副第一目标图像进行重构，得到高分辨率图像，也即第二目标图像。
具体而言，预置的超分辨率图像重构模型包括基于超分辨重构算法构建的超分辨图像重构模型，根据经典的超分辨图像观测模型的图像重构原理得到：
连续场景的回波信号经过畸变、模糊、下采样和噪声污染，最终得到低分辨图像。同时，将每一个过程用一个矩阵来表示，这样对每一幅观测到的低分辨率图像可以给出如式(1)所示的观测模型为，
yk＝DBkMkx+nk,1≤k≤p (1)
式(1)中，yk表示低分辨图像，D表示用于下采样矩阵，B表示线性移不变模糊矩阵，M表示畸变的运动矩阵，x表示重构的高分辨的图像，n表示字典式排序的噪声矢量，p表示低分辨图像的总量，k表示总量中第k副低分辨图像，其中，低分辨图像以字典式排序。
依据观测模型，利用超分辨重构算法，如反向迭代投影算法(IBP,IterativeBackProjection)，能够从多副低分辨的图像重构出一幅高分辨率的图像。
需要说明的是，反向迭代投影算法为现有技术，其重构过程在此不再赘述。
需要说明的是，本实施例提供的一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，采用多发多收的一维稀疏线阵310，并将波导天线300与一维稀疏线阵310结合，将一维稀疏线阵310与波导天线300的第一侧连接，一维稀疏线阵310中的各个通道的距离由波导天线300的第一侧到对应的第二测渐变缩小，但一维稀疏线阵310中的各个通道的相对排布顺序不变。根据稀疏线阵的MIMO雷达成像原理，等效阵元间距越小，横向分辨率会提升，因此，通过波导天线300缩小一维稀疏线阵310中的阵元间距，克服了链路腔体空间的限制，使得一维稀疏线阵310的等效线阵排布更紧凑，从而提高横向的成像分辨率。同时，通过二维移动架400驱动波导天线300进行扫描，可以获得待检测的非介电复合材料的三维形貌图像，同时，由于是线阵连续扫描方式，相比于单个T/R组件，成像速度大大提升。
同时，还通过预置的超分辨率图像重构模型对第一目标图像进行重构，从而可以实现在较低频段获得原本在高频段才可以获得的高精度横向分辨率的图像，降低了硬件成本，解决了现有技术中的成像系统对非介电复合材料成像的分辨率较低，从而难以准确地检测缺陷的技术问题。
以上为本发明提供的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的一个实施例的详细描述，以下为为本发明提供的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的另一个实施例的详细描述。
为了方便理解，请参阅图4，本实施例在上述实施例的基础上，其收发模块包括发射链路210和接收链路220，毫米波信号包括第一基带扫频信号、第二基带扫频信号和及差频信号，第一基带扫频信号和第二基带扫频信号的频率不同；
在本实施例中，第一基带扫频信号和第二基带扫频信号的频率相差0.3GHz。
在一个具体实施例中，发射链路210和接收链路220设于二维移动架400上，与波导天线300进行同步运动。
扫频源100还用于将第一基带扫频信号发送至发射链路210中，还用于将第二基带扫频信号和差频信号发送至接收链路220；
在本实施例中，扫频源100为可编程宽带扫频源，其通过上位机进行控制。
发射链路210包括第一倍频器211，第一倍频器211用于将第一基带扫频信号进行倍频，从而产生射频信号，还用于将射频信号发送至波导天线300的发射阵元301；
在本实施例中，第一倍频器211的倍频倍数为六倍。
接收链路220包括功分器221、第二倍频器222、混频器223、IQ解调模块224、同步数据采集模块225、光纤通道226、低噪放大器227；
功分器221用于接收第二基带扫频信号，还用于将第二基带扫频信号功分为多路基带扫频信号，第二基带扫频信号的功分路数与接收阵元302的数量相适配；还用于将功分后的第二基带扫频信号发送至第二倍频器222；
在本实施中，功分器221的功分路数由接收阵元302的数量决定，其中，功分器221的频率为12～18GHz，其开关隔离度大于60dB，其最大插损为5dB。
第二倍频器222用于将第二基带扫频信号进行倍频，还用于将倍频后的第二基带扫频信号发送至混频器223，以作为基带本振信号；
在本实施中，第二倍频器222的倍频倍数为六倍。
低噪放大器227用于对接收阵元302接收到的回波信号进行放大处理，还用于将放大后的回波信号发送至混频器223；
混频器223用于将回波信号与第二基带扫频信号进行混频，从而得到中频回波信号，还用于将中频回波信号发送至IQ解调模块224；
IQ解调模块224用于接收扫频源100发送的差频信号，还用于将差频信号与中频回波信号进行混频，从而对中频回波信号做正交解调，以得到零中频回波信号，还用于将零中频回波信号发送至同步数据采集模块225；
在本实施例中，差频信号与中频回波信号的频率相同，均为1.8GHz，IQ解调模块224的本振功率输入范围-6dBm～6dBm，频率400M-3000M；其正交解调相位精度≤3°，幅度平衡≤0.5dB，解调频率到基带；其支持解调RF频率的输入范围400M～3000M；其可实现对解调后的零中频回波信号进行放大滤波，放大倍数0～30dB可调，滤波截止频率设为2M；其模拟信号接口为SMA接口。
同步数据采集模块225用于对零中频回波信号进行模数转换，从而得到数字回波信号，还用于将数字回波信号经过光纤通道226传输至数据处理模块500。
在本实施例中，同步数据采集模块225的采样率为10MSPS～40MSPS之间可调，采样精度≥16bit，其数据传输速率≥8Gbit/s，其访问带宽≥8Gbit。
进一步地，如图5所示，一维稀疏线阵为四发八收一维稀疏线阵，四发八收一维稀疏线阵包括四个发射阵元311、312、313、314和八个接收阵元321、322、323、324、325、326、327、328，八个接收阵元321、322、323、324、325、326、327、328依次均匀排列于四发八收一维稀疏线阵的中部位置，四个发射阵元311、312、313、314均分为两组发射阵元，每组发射阵元包括两个发射阵元，两组发射阵元分别布设于八个接收阵元321、322、323、324、325、326、327、328的外端。
在本实施例中，四发八收一维稀疏线阵为W波段，其工作频率为90～102GHz，其带宽为12GHz，其阵列尺寸为17cm，其等效阵元尺寸为15.5cm，其等效阵元间隔为5mm。
在本实施例中，四发八收一维稀疏线阵的工作方式为：四个发射阵元311、312、313、314同时开启，八个接收阵元321、322、323、324、325、326、327、328按序依次接收，当有一个接收阵元开启时，其余的接收阵元关闭。
由于收发链的排布无法做到非常紧凑，因为腔体需要占据一定的空间。这样就导致四发八收一维稀疏线阵无法达到高分辨率的要求。本实施例通过波导天线300使得四发八收一维稀疏线阵的排布更加紧凑，进而成像的横向分辨率更高。
另外，由于本实施例采用四发八收一维稀疏线阵，则功分器221为八分功分器，IQ解调模块224为8路IQ解调模块，同步数据采集模块225为16通道同步数据采集模块。
进一步地，发射链路210还包括单刀四掷开关212，单刀四掷开关212用于控制四个发射阵元311、312、313、314接收毫米波信号的接收启停状态。
在一般示例中，如图4所示，单刀四掷开关212设于扫频源100与第一倍频器211之间，以便于对四个发射阵元进行同时开启接收，其中，单刀四掷开关的工作频率为12-18GHz，其开关速度为100nS，其开关隔离度大于60dB，其最大插损为5.0dB，其幅度不平衡≤+/-0.5dB，其相位不平衡≤+/-5，其控制方式为TTL。
进一步地，如图6所示，二维移动架包括运动平台401、X轴驱动模块402和Z轴驱动模块403，波导天线300安装于运动平台401上，X轴驱动模块402用于驱动运动平台401沿X轴方向移动，Z轴驱动模块403用于驱动运动平台401沿Z轴方向移动。
具体地，X轴驱动模块402和Z轴驱动模块403正交设置，X轴驱动模块包括X轴伺服电机、X轴滑块以及与X轴滑块滑动连接的X轴滑轨，X轴滑块安装于运动平台上，使得在X轴伺服电机的驱动下，X轴滑块沿着X轴滑轨运动；Z轴驱动模块包括Z轴伺服电机、Z轴滑块以及与Z轴滑块滑动连接的Z轴滑轨，Z轴滑块安装于运动平台上，使得在Z轴伺服电机的驱动下，Z轴滑块沿着Z轴滑轨运动。
进一步地，本系统还包括显示模块，显示模块与数据处理模块500连接，用于显示数据处理模块500得出的第二目标图像。
进一步地，本系统还包括缺陷检测模块，缺陷检测模块用于基于预置的缺陷检测模型识别第二目标图像中的缺陷，预置的缺陷检测模型为预先经过深度学习算法训练得到。
进一步地，本系统还包括供电模块，用于为本系统中的各个模块进行供电。
在本实施例中，在训练缺陷检测模型过程中，需要制备非介电复合材料的缺陷检测数据集，并以缺陷检测数据集作为训练集输入至深度学习算法进行训练，从而得到缺陷检测模型。
本实施例提供的一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，采用四发八收一维稀疏线阵，并将波导天线300与四发八收一维稀疏线阵结合，通过波导天线300缩小四发八收一维稀疏线阵中的阵元间距，克服了链路腔体空间的限制，使得四发八收一维稀疏线阵的等效线阵排布更紧凑，从而提高横向的成像分辨率。同时，通过二维移动架驱动波导天线300进行扫描，可以获得待检测的非介电复合材料的三维形貌图像，同时，由于是线阵连续扫描方式，相比于单个T/R组件，成像速度大大提升。
同时，还通过预置的超分辨率图像重构模型对第一目标图像进行重构，从而可以实现在较低频段获得原本在高频段才可以获得的高精度横向分辨率的图像，降低了硬件成本，解决了现有技术中的成像系统对非介电复合材料成像的分辨率较低，从而难以准确地检测缺陷的技术问题。
以上为本发明提供的一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的另一个实施例的详细描述，以下为本发明提供的基于上述实施例中的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的成像方法，为了便于理解，请参阅图7，本成像方法，包括以下步骤：
S1、通过扫频源产生毫米波信号，将毫米波信号传输给收发模块；
S2、通过收发模块将毫米波信号传输给波导天线中的一维稀疏线阵的发射阵元，通过发射阵元将毫米波信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测，并通过二维移动架驱动波导天线按照预设的扫描方式进行移动，从而使一维稀疏线阵对待检测的非介电复合材料进行扫描；
在本实施例中，其预设的扫描方式为，以预设扫描起点开始，首次沿着竖直方向扫描预定距离后，再沿着水平方向扫描预定距离后，再沿着与首次扫描的竖直方向的相反方向进行扫描与首次扫描相等的预定距离，从而完成一个周期的扫描路径，从而获得一个稀疏平面的回波信号，以此类推，后续的每个周期的扫描路径与上述的扫描路径一致，从而获得多个稀疏平面的回波信号。
S3、通过波导天线中的一维稀疏线阵的接收阵元接收毫米波信号经过待检测的非介电复合材料反射的回波信号，将回波信号再经收发模块传输至数据处理模块；
S4、通过数据处理模块基于回波信号对待检测的非介电复合材料进行成像，从而得出第一目标图像；
S5、通过数据处理模块基于预置的超分辨率图像重构模型对第一目标图像进行重构，得出第二目标图像。
进一步地，收发模块包括发射链路和接收链路，发射链路包括第一倍频器，接收链路包括功分器、第二倍频器、混频器、IQ解调模块、同步数据采集模块、光纤通道、低噪放大器；
则步骤S1具体包括：
S101、通过扫频源产生毫米波信号，毫米波信号包括第一基带扫频信号、第二基带扫频信号和及差频信号，第一基带扫频信号和第二基带扫频信号的频率不同；
S102、通过扫频源将第一基带扫频信号发送至发射链路中，并将第二基带扫频信号和差频信号发送至接收链路；
相应地，步骤S2具体包括：
S201、通过第一倍频器将第一基带扫频信号进行倍频，从而产生射频信号，将射频信号发送至波导天线的发射阵元；
S202、通过发射阵元将射频信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测，并通过二维移动架驱动波导天线按照预设的扫描方式进行移动，从而使一维稀疏线阵对待检测的非介电复合材料进行扫描；
相应地，步骤S3具体包括：
S301、通过波导天线中的一维稀疏线阵的接收阵元接收射频信号经过待检测的非介电复合材料反射的回波信号；
S302、通过功分器接收第二基带扫频信号，将第二基带扫频信号功分为多路基带扫频信号，第二基带扫频信号的功分路数与接收阵元的数量相适配，将功分后的第二基带扫频信号发送至第二倍频器；
S303、通过第二倍频器将第二基带扫频信号进行倍频，将倍频后的第二基带扫频信号发送至混频器，以作为基带本振信号；
S304、通过低噪放大器对接收阵元接收到的回波信号进行放大处理，将放大后的回波信号发送至混频器；
S305、通过混频器将回波信号与第二基带扫频信号进行混频，从而得到中频回波信号，将中频回波信号发送至IQ解调模块；
S306、通过IQ解调模块接收扫频源发送的差频信号，将差频信号与中频回波信号进行混频，从而对中频回波信号做正交解调，以得到零中频回波信号，将零中频回波信号发送至同步数据采集模块；
S307、通过同步数据采集模块对零中频回波信号进行模数转换，从而得到数字回波信号，将数字回波信号经过光纤通道传输至数据处理模块。
进一步地，在步骤S5之后包括：
S6、基于预置的缺陷检测模型识别第二目标图像中的缺陷，预置的缺陷检测模型为预先经过深度学习算法训练得到。
本实施例提供的成像方法，采用多发多收的一维稀疏线阵，并将波导天线与一维稀疏线阵结合，通过波导天线缩小一维稀疏线阵中的阵元间距，克服了链路腔体空间的限制，使得一维稀疏线阵的等效线阵排布更紧凑，从而提高横向的成像分辨率。同时，通过二维移动架驱动波导天线进行扫描，可以获得待检测的非介电复合材料的三维形貌图像，同时，由于是线阵连续扫描方式，相比于单个T/R组件，成像速度大大提升。
同时，还通过预置的超分辨率图像重构模型对第一目标图像进行重构，从而可以实现在较低频段获得原本在高频段才可以获得的高精度横向分辨率的图像，降低了硬件成本，解决了现有技术中的成像系统对非介电复合材料成像的分辨率较低，从而难以准确地检测缺陷的技术问题。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，其特征在于，包括：
扫频源、收发模块、波导天线、二维移动架和数据处理模块；
所述扫频源用于产生毫米波信号；
所述收发模块用于将所述毫米波信号传输给所述波导天线；
所述波导天线内设有一维稀疏线阵，所述一维稀疏线阵包括多个发射阵元和多个接收阵元，所述发射阵元用于将所述毫米波信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测；所述接收阵元用于接收所述毫米波信号经过所述待检测的非介电复合材料反射的回波信号，还用于将所述回波信号再经所述收发模块传输至所述数据处理模块；
所述波导天线安装于所述二维移动架上，所述二维移动架用于控制所述波导天线分别沿竖直方向或水平方向进行运动，从而使所述一维稀疏线阵对所述待检测的非介电复合材料进行扫描；
所述数据处理模块用于基于所述回波信号对所述待检测的非介电复合材料进行成像，从而得出第一目标图像，还用于基于预置的超分辨率图像重构模型对所述第一目标图像进行重构，得出第二目标图像；
预置的超分辨率图像重构模型包括基于超分辨重构算法构建的超分辨图像重构模型，回波信号经过畸变、模糊、下采样和噪声污染，最终得到低分辨图像，对每一幅观测到的低分辨率图像给出如式(1)的观测模型为，
yk＝DBkMkx+nk,1≤k≤p (1)
式(1)中，yk表示低分辨图像，D表示用于下采样矩阵，B表示线性移不变模糊矩阵，M表示畸变的运动矩阵，x表示重构的高分辨的图像，n表示字典式排序的噪声矢量，p表示低分辨图像的总量，k表示总量中第k副低分辨图像；
依据观测模型，利用反向迭代投影算法从多副低分辨的图像重构出一幅高分辨率的图像；
所述收发模块包括发射链路和接收链路，所述毫米波信号包括第一基带扫频信号、第二基带扫频信号和差频信号，所述第一基带扫频信号和第二基带扫频信号的频率不同；
所述扫频源还用于将所述第一基带扫频信号发送至所述发射链路中，还用于将所述第二基带扫频信号和所述差频信号发送至所述接收链路；
所述发射链路包括第一倍频器，所述第一倍频器用于将所述第一基带扫频信号进行倍频，从而产生射频信号，还用于将所述射频信号发送至所述波导天线的所述发射阵元；
所述接收链路包括功分器、第二倍频器、混频器、IQ解调模块、同步数据采集模块、光纤通道、低噪放大器；
所述功分器用于接收所述第二基带扫频信号，还用于将所述第二基带扫频信号功分为多路基带扫频信号，所述第二基带扫频信号的功分路数与所述接收阵元的数量相适配；还用于将功分后的所述第二基带扫频信号发送至所述第二倍频器；
所述第二倍频器用于将所述第二基带扫频信号进行倍频，还用于将倍频后的所述第二基带扫频信号发送至所述混频器，以作为基带本振信号；
所述低噪放大器用于对所述接收阵元接收到的所述回波信号进行放大处理，还用于将放大后的所述回波信号发送至所述混频器；
所述混频器用于将所述回波信号与所述第二基带扫频信号进行混频，从而得到中频回波信号，还用于将所述中频回波信号发送至所述IQ解调模块；
所述IQ解调模块用于接收所述扫频源发送的所述差频信号，还用于将所述差频信号与所述中频回波信号进行混频，从而对所述中频回波信号做正交解调，以得到零中频回波信号，还用于将所述零中频回波信号发送至所述同步数据采集模块；
所述同步数据采集模块用于对所述零中频回波信号进行模数转换，从而得到数字回波信号，还用于将所述数字回波信号经过所述光纤通道传输至所述数据处理模块。
2.根据权利要求1所述的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，其特征在于，所述一维稀疏线阵为四发八收一维稀疏线阵，所述四发八收一维稀疏线阵包括四个发射阵元和八个接收阵元，所述八个接收阵元依次均匀排列于所述四发八收一维稀疏线阵的中部位置，所述四个发射阵元均分为两组发射阵元，每组发射阵元包括两个发射阵元，所述两组发射阵元分别布设于所述八个接收阵元的外端。
3.根据权利要求2所述的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，其特征在于，所述发射链路还包括单刀四掷开关，所述单刀四掷开关用于控制所述四个发射阵元接收所述毫米波信号的接收启停状态。
4.根据权利要求1所述的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，其特征在于，所述二维移动架包括运动平台、X轴驱动模块和Z轴驱动模块，所述波导天线安装于所述运动平台上，所述X轴驱动模块用于驱动所述运动平台沿X轴方向移动，所述Z轴驱动模块用于驱动所述运动平台沿Z轴方向移动。
5.根据权利要求1所述的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块与所述数据处理模块连接，用于显示所述数据处理模块得出的所述第二目标图像。
6.根据权利要求1所述的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统，其特征在于，还包括缺陷检测模块，所述缺陷检测模块用于基于预置的缺陷检测模型识别所述第二目标图像中的缺陷，所述预置的缺陷检测模型为预先经过深度学习算法训练得到。
7.一种基于权利要求1所述的无损检测的太赫兹线阵雷达扫描成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过扫频源产生毫米波信号，将所述毫米波信号传输给收发模块；
S2、通过所述收发模块将所述毫米波信号传输给波导天线中的一维稀疏线阵的发射阵元，通过所述发射阵元将所述毫米波信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测，并通过二维移动架驱动所述波导天线按照预设的扫描方式进行移动，从而使所述一维稀疏线阵对所述待检测的非介电复合材料进行扫描；
S3、通过所述波导天线中的所述一维稀疏线阵的接收阵元接收所述毫米波信号经过所述待检测的非介电复合材料反射的回波信号，将所述回波信号再经所述收发模块传输至数据处理模块；
S4、通过所述数据处理模块基于所述回波信号对所述待检测的非介电复合材料进行成像，从而得出第一目标图像；
S5、通过所述数据处理模块基于预置的超分辨率图像重构模型对所述第一目标图像进行重构，得出第二目标图像；
预置的超分辨率图像重构模型包括基于超分辨重构算法构建的超分辨图像重构模型，回波信号经过畸变、模糊、下采样和噪声污染，最终得到低分辨图像，对每一幅观测到的低分辨率图像给出如式(1)的观测模型为，
yk＝DBkMkx+nk,1≤k≤p (1)
式(1)中，yk表示低分辨图像，D表示用于下采样矩阵，B表示线性移不变模糊矩阵，M表示畸变的运动矩阵，x表示重构的高分辨的图像，n表示字典式排序的噪声矢量，p表示低分辨图像的总量，k表示总量中第k副低分辨图像；
依据观测模型，利用反向迭代投影算法从多副低分辨的图像重构出一幅高分辨率的图像；
所述收发模块包括发射链路和接收链路，所述发射链路包括第一倍频器，所述接收链路包括功分器、第二倍频器、混频器、IQ解调模块、同步数据采集模块、光纤通道、低噪放大器；步骤S1具体包括：
S101、通过所述扫频源产生毫米波信号，所述毫米波信号包括第一基带扫频信号、第二基带扫频信号和差频信号，所述第一基带扫频信号和第二基带扫频信号的频率不同；
S102、通过所述扫频源将所述第一基带扫频信号发送至所述发射链路中，并将所述第二基带扫频信号和所述差频信号发送至所述接收链路；
相应地，步骤S2具体包括：
S201、通过所述第一倍频器将所述第一基带扫频信号进行倍频，从而产生射频信号，将所述射频信号发送至所述波导天线的所述发射阵元；
S202、通过所述发射阵元将所述射频信号辐射到待检测的非介电复合材料中进行探测，并通过二维移动架驱动所述波导天线按照预设的扫描方式进行移动，从而使所述一维稀疏线阵对所述待检测的非介电复合材料进行扫描；
相应地，步骤S3具体包括：
S301、通过所述波导天线中的所述一维稀疏线阵的接收阵元接收所述射频信号经过所述待检测的非介电复合材料反射的回波信号；
S302、通过所述功分器接收所述第二基带扫频信号，将所述第二基带扫频信号功分为多路基带扫频信号，所述第二基带扫频信号的功分路数与所述接收阵元的数量相适配，将功分后的所述第二基带扫频信号发送至所述第二倍频器；
S303、通过所述第二倍频器将所述第二基带扫频信号进行倍频，将倍频后的所述第二基带扫频信号发送至所述混频器，以作为基带本振信号；
S304、通过所述低噪放大器对所述接收阵元接收到的所述回波信号进行放大处理，将放大后的所述回波信号发送至所述混频器；
S305、通过所述混频器将所述回波信号与所述第二基带扫频信号进行混频，从而得到中频回波信号，将所述中频回波信号发送至所述IQ解调模块；
S306、通过所述IQ解调模块接收所述扫频源发送的所述差频信号，将所述差频信号与所述中频回波信号进行混频，从而对所述中频回波信号做正交解调，以得到零中频回波信号，将所述零中频回波信号发送至所述同步数据采集模块；
S307、通过所述同步数据采集模块对所述零中频回波信号进行模数转换，从而得到数字回波信号，将所述数字回波信号经过所述光纤通道传输至所述数据处理模块。
8.根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于，在步骤S5之后包括：
S6、基于预置的缺陷检测模型识别所述第二目标图像中的缺陷，所述预置的缺陷检测模型为预先经过深度学习算法训练得到。
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