CN1837851A - 利用互补发射接收波束场型进行微波成像的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于微波成像系统中的扫描面板利用两个互补的天线元件阵列捕捉目标的微波图像。第一阵列中的每个天线元件能够被用各自的相位延迟编程，以按照发射波束场型将微波照射的发射波束引导向目标，第二阵列中的每个天线元件能够按照接收波束场型在接收波束中接收从目标反射的反射微波照射，所述接收波束场型与所述发射波束场型互补。目标的微波图像形成于发射波束和接收波束之间的交点处。

Description

利用互补发射接收波束场型进行微波成像的系统和方法
技术领域
本发明涉及微波成像，尤其涉及利用互补的发射和接收波束场型(pattern)进行高效高分辨率微波成像的系统和方法。
背景技术
最近在微波成像方面的进步允许了对能够生成对象和其他感兴趣的项(例如人类对象)的二维甚至三维微波图像的微波成像系统的商业开发。目前有几种微波成像技术可用。例如，一种技术使用微波检测器(以下称为“天线元件”)阵列来捕捉目标所发射的无源微波能量或响应于目标的有源微波照射而从目标反射的反射微波能量。人或其他项的二维或三维图像是通过相对于目标的位置扫描天线元件阵列和/或调整被发射或检测到的微波能量的频率(或波长)来构造的。
用于发射和/或接收微波能量的发射和/或接收天线阵列可利用传统的模拟相控阵列或二元反射器阵列来构造，所述模拟相控阵列或二元反射器阵列例如是题为“A Device for Reflecting Electromagnetic Radiation”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.10040151)和题为“Broadband Binary Phased Antenna”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.10040580)中描述的那些。对于任何一种类型的阵列，具有最高空间分辨率的最大可寻址体积是通过以下方式获得的：选择小波长λ，用天线元件密集填充该阵列以便两个方向上相邻天线元件间的间距都是λ/2，并且使阵列的二维面积最大。例如，如果阵列是侧边L的平方，则位于与阵列距离为L处的对象可以约为λ的分辨率来成像。
但是，天线元件的数目与(L/λ)2成正比，从而阵列成本与(L/λ)2成正比。此二次成本相关性是按比例增大阵列尺寸以增大可寻址视野或者减小波长以增大分辨率的障碍。这里所使用的术语“可寻址视野”(AFOV)是指可以高分辨率寻址的体积(即可在最高分辨率的某个指定倍数内分辨的体积)。
已为成本-分辨率-AFOV问题建议的一种解决方案是使用稀疏天线阵列而不是密集天线阵列。由于分辨率随着数值孔径而增大，而数值孔径又取决于阵列的直径而不是面积，因此具有两个或四个相距L的天线元件的阵列可实现所需的分辨率。但是，稀疏阵列产生了多波瓣天线场型。如果阵列是传统发射相控阵列并且1≥s≥0是稀疏因子，则付立叶分析的帕斯瓦尔定理规定发射功率中只有s落入相同大小的原始密集(s＝1)阵列所分辨的范围内。如果稀疏阵列是反射器阵列，并且发射喇叭(horn)照射原始密集(s＝1)阵列的整个范围，则稀疏阵列只处理喇叭的功率中的s。因此，效率因子(填充原始面积的被发射的部分)是s2。如果反射器阵列既被用于将微波照射引导向目标，还被用于接收来自目标的反射微波照射，则总效率因子是η＝s4。例如，50％稀疏反射器阵列可产生1/16＝6.25％的发射-接收效率。从而，随着阵列的稀疏度增大，信号损耗以四次方增大。
稀疏阵列的信噪比(SNR)也有同样的s2或s4相关性。此外，由杂散辐射导致的背景噪声(也称为“杂波”)由于几个原因进一步减小了稀疏阵列的SNR。首先，原始密集(s＝1)阵列的空闲面积变成聚光平面镜，该平面镜以1-s的填充因子效率镜像弹回辐射。第二，其余(占用)面积几何图形一般产生随着天线定相变化以受控不佳的方式改变方向的旁瓣。旁瓣权重随着阵列稀疏度的增大而增大。就这两个因素随着阵列变得更稀疏而增大系统噪声方面来说，根据经验SNR将会按照sa/(1-s)b变化，其中a≈4，b≈1。从而，稀疏阵列导致信号损耗的增大和SNR的减小。
因此，需要一种用于微波成像中的成本效率高的天线阵列设计，其导致高AFOV，而没有信号损耗的高阶增大或SNR的高阶减小。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于微波成像系统中以捕捉目标的微波图像的扫描面板。该扫描面板包括：多个天线元件，其中每一个能被以各自的相位延迟编程，以将微波照射的发射波束引导向目标，并且其中每一个能在接收波束中接收从目标反射的反射微波照射。多个天线元件以两个互补的阵列形式排列。天线元件的第一阵列被排列为按照发射波束场型将微波照射的发射波束引导向目标。天线元件的第二阵列被排列为按照接收波束场型接收该接收波束，所述接收波束场型与所述发射波束场型互补。目标的微波图像形成于发射波束和接收波束的交点处。
在一个实施例中，天线元件是反射天线元件。微波源向天线元件的第一阵列发射微波照射，天线元件的第一阵列又基于各自的编程的相位延迟反射微波照射，以将微波照射的波束引导向目标。天线元件的第二阵列被配置为接收从目标反射的反射微波照射并基于与第二阵列中的反射天线元件相关联的各自的附加相位延迟来将反射微波照射反射向微波接收器。
在另一个实施例中，发射波束场型和接收波束场型是正交椭圆波束，并且第一阵列和第二阵列在第一阵列和第二阵列中的每一个的中点附近相交。在另一个实施例中，发射波束场型是粗点单波瓣波束场型，接收波束场型是细点多波瓣场型。第一阵列的面积小于第二阵列的面积，并且第一阵列的密度大于第二阵列的密度。在另一个实施例中，发射波束场型和接收波束场型是相对于彼此旋转了45度的十字形波束。
附图说明
将参考附图描述所公开的发明，附图示出本发明的重要示例性实施例，并且此处通过引用被结合在其说明书中，附图中：
图1是使用根据本发明实施例的包括天线阵列设计的扫描面板的简化示例性微波成像系统的示意图；
图2示出根据本发明实施例用于有源发射/接收阵列中的示例性有源天线元件；
图3是根据本发明实施例用于反射器阵列中的无源天线元件的截面图；
图4是根据本发明实施例结合了用于反射微波照射的反射器阵列的示例性扫描面板的顶视图的示意图；
图5A是根据本发明实施例的示例性天线阵列设计的示意图；
图5B是由图5A所示的天线阵列设计所产生的微波波束辐射场型的图示；
图6A是根据本发明实施例的另一个示例性天线阵列设计的示意图；
图6B是由图6A所示的天线阵列设计所产生的微波波束辐射场型的图示；
图7是示出根据图6A的天线阵列设计所设计的反射器阵列的示例性照射的示意图；
图8A是根据本发明实施例的另一示例性天线阵列设计的示意图；
图8B是由图8A所示的天线阵列设计所产生的微波波束辐射场型的图示；
图9是示出根据图8A的天线阵列设计所设计的天线阵列的示例性照射的示意图；
图10是示出根据图8A的天线阵列设计所设计的天线阵列的另一示例性照射的示意图；
图11A是根据本发明实施例的另一示例性天线阵列设计的示意图；
图11B是由图11A所示的天线阵列设计所产生的微波波束辐射场型；以及
图12是示出根据本发明实施例用于捕捉目标的微波图像的示例性过程的流程图。
具体实施方式
这里所使用的术语微波辐射和微波照射各自是指波长在0.3mm至30cm之间的电磁辐射，对应于频率为约1GHz至约1000GHz的电磁辐射。从而，术语微波辐射和微波照射各自包括传统微波辐射以及通常称为毫米波辐射的辐射。
图1是根据本发明的实施例的简化示例性微波成像系统10的示意图。微波成像系统10包括一个或多个扫描面板50(为了方便起见只示出其中的一个)，其中每一个能够经由天线元件80发射微波辐射和/或接收微波辐射，以便捕捉对象(例如手提箱、人类对象或任何其他感兴趣的项)的微波图像。
在一个实施例中，扫描面板50包括由反射天线元件80组成的无源可编程反射器阵列。每个反射天线元件能够被以各自的相位延迟编程，以将微波照射引导向被成像的对象150上的目标155。相位延迟可以是二元的或连续的。例如，通过以各自的相位延迟对每个反射天线元件80编程，由扫描面板50从微波源(未示出)接收到的微波照射被反射向对象150上的目标155，从目标155反射的并且被扫描面板50接收到的反射微波照射被反射向微波接收器(未示出)。
在另一实施例中，扫描面板50包括有源发射器/接收器阵列，该阵列由能够产生和发射微波照射并且接收和捕捉反射微波照射的有源天线元件80组成。例如，有源阵列可以采取传输阵列的形式。在此实施例中，未使用远程微波源，因为扫描面板50充当微波辐射源。有源发射器/接收器阵列中的每个有源天线元件可被用各自的相移单独编程，以将微波照射的波束导向目标155。
微波成像系统10还包括处理器100、计算机可读介质110和显示器120。处理器100包括用于控制扫描面板50和处理从目标155反射的接收到的微波照射以构造目标155和/或对象150的微波图像的任何硬件、软件、固件或其组合。例如，处理器100可包括被配置为执行计算机程序的指令的一个或多个微处理器、微控制器、可编程逻辑器件、数字信号处理器或其他类型的处理设备，以及存储处理器100所使用的指令和其他数据的一个或多个存储器(例如缓冲存储器)。但是，应当理解也可使用处理器100的其他实施例。存储器110是任何类型的数据存储设备，包括但不限于硬盘驱动器、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光盘、软盘、ZIP驱动器、磁带驱动器、数据库或其他类型的存储设备或存储介质。
处理器100进行操作以对扫描面板50中的每个天线元件80的相位延迟或相移编程，以便利用微波辐射照射对象150上的多个目标155和/或接收来自对象150上的多个目标155的反射微波照射。从而处理器100与扫描面板50联合操作以扫描对象150。
处理器100还能够利用扫描面板50从对象150上的每个目标155捕捉的反射微波照射的强度来构造对象150的微波图像。例如，如果扫描面板50是反射器阵列，则微波接收器(未示出)能够组合从扫描面板50中的每个天线元件80反射的反射微波照射，以产生目标155处的反射微波照射的有效强度值。强度值被传递到处理器100，处理器100利用该强度值作为对应于对象150上的目标155的象素或体素(voxel)。在操作中，微波成像系统10能够以允许每秒钟扫描数百万个目标155的频率进行操作。
产生的目标155和/或对象150的微波图像可被从处理器100传递到显示器120，以显示该微波图像。在一个实施例中，显示器120是用于显示对象150的三维微波图像或目标155和/或对象150的一个或多个一维或二维微波图像的二维显示器。在另一实施例中，显示器120是能够显示对象150的三维微波图像的三维显示器。
应当理解可使用多个扫描面板50来扫描对象150的不同部分。例如，微波成像系统10可用两个扫描面板来实现，其中每个扫描面板包括天线元件80的1m×1m阵列，以扫描对象150的一半。又例如，微波成像系统10可用四个扫描面板50来实现，其中每个扫描面板包括天线元件80的.5m×.5m阵列，其能够扫描对象150的四分之一。
图2示出用于有源发射/接收阵列中的有源天线元件200(对应于图1的天线元件80)的示例。有源天线元件200是宽带二元相控天线元件，其包括连接到各自的开关215的天线210。开关215例如可以是单刀双掷(SPDT)开关或双刀双掷(DPDT)开关。开关215的操作状态控制各自的天线元件200的相位。例如，在开关215的第一操作状态中，天线元件200可能处于第一二元状态(例如0度)，而在开关215的第二操作状态中，天线元件200可能处于第二二元状态(例如180度)。开关215的操作状态定义开关215的端子连接。例如，在第一操作状态中，端子218可能处于闭合(短路)位置，以连接天线210和开关215之间的馈给线216，而端子219可能处于断开位置。每个开关215的操作状态由控制电路(未示出)独立控制，以便单独设置每个天线元件200的相位。
这里所使用的术语对称天线210是指这样一种天线，其可被从两个馈给点211或213中的任何一个抽头或馈给以产生两个相反的对称场分布或电流之一。如图2所示，两个相反的对称场分布是通过用关于其镜向轴250形状对称的对称天线210来产生的。镜向轴250经过天线210，以产生对称的两侧252和254。馈给点211和213位于天线210的镜向轴250的任一侧252和254上。在一个实施例中，馈给点211和213是以关于镜向轴250基本对称的方式位于天线210上的。例如，镜向轴250可与天线210的一个维度260(例如长度、宽度、高度等)平行，并且馈给点211和213可位于维度260的中点270附近。在图2中，馈给点211和213被示为位于镜向轴250的每一侧252和254上天线210的中点270附近。
对称天线210能够产生两个相反的对称场分布，这两个场分布被标注为A和B。场分布A的大小(例如功率)基本上等于场分布B的大小，但是场分布A的相位与场分布B的相位相差180度。从而，场分布A在电周期中±180°处与场分布B类似。
对称天线210经由馈给线216和217连接到对称开关215。馈给点211经由馈给线216连接到对称开关215的端子218，馈给点213经由馈给线217连接到对称开关215的端子219。这里所使用的术语对称开关是指其中开关的两个操作状态关于端子218和219对称的SPDT或DPDT开关。
例如，如果在SPDT开关的第一操作状态中，通道α的阻抗为10Ω，通道β的阻抗为1kΩ，则在SPDT开关的第二操作中，通道α的阻抗为1kΩ，通道β的阻抗为10Ω。应当理解，通道阻抗不需要是理想的断开或短接，甚至不需要是实数。此外，通道间可以有串扰，只要串扰是状态对称的即可。一般而言，如果在开关(例如端子218和219之间)的两个状态中开关的S-参数矩阵是相同的，则开关就是对称的。
图3示出反射天线元件300(对应于图1的天线元件80)的截面图，该反射天线元件300进行操作，以便根据天线元件300的阻抗状态以变化的相位反射电磁辐射。反射天线元件300包括天线(贴片天线320a)和非理想开关器件(表面安装场效应晶体管“FET”322)。
反射天线元件300形成在印刷电路板基板314之上和之中，并且包括表面安装FET 322、贴片天线320a、漏极过孔332、地平面336和源极过孔338。表面安装FET 322被安装在印刷电路板基板314上与平面状的贴片天线320a相反的一侧，地平面336位于平面状的贴片天线320a和表面安装FET 322之间。漏极过孔332将表面安装FET 322的漏极328连接到平面状的贴片天线320a，源极过孔338将表面安装FET 322的源极326连接到地平面336。
在可工作的产品中，反射器天线阵列连接到包括驱动器电子器件的控制器板340。示例性的控制器板340也在图3中示出，其包括地平面344、驱动信号过孔346和驱动器电子器件342。控制器板340还包括与反射器天线阵列的连接器350兼容的连接器348。两个板的连接器348例如可用波动焊接而彼此连接。应当理解在其他实施例中，FET 322可以被表面安装在印刷电路板基板314上与平面状贴片天线320a相同的一侧。另外，驱动器电子器件342可被直接焊接到其中构建了反射天线元件300的同一印刷电路板。
贴片天线元件320a根据反射天线元件300的阻抗水平以更多或更少的相移进行反射。反射天线元件300的阻抗特性是天线设计参数的函数。天线设计参数包括但不限于诸如构造的电介质材料、电介质材料的厚度、天线的形状、天线的长度和宽度、馈给位置以及天线金属层的厚度这样的物理属性。
FET 330(非理想开关器件)通过更改反射天线元件300的电阻状态来更改其阻抗状态。低电阻状态(例如闭合或“短接”电路)意味着低阻抗。相反，高电阻状态(例如开路)意味着高阻抗。具有理想性能特性的开关器件(这里称为“理想”开关器件)在其电阻处于其最低状态时从效果上而言产生零阻抗(Z＝0)，而在其电阻处于其最高状态时从效果上而言产生无穷大的阻抗(Z＝∞)。就这里所描述的而言，开关器件在其阻抗处于其最低状态时“接通”(例如Zon＝0)，而在阻抗处于其最高状态时“断开”(例如Zoff＝∞)。因为理想开关器件的接通和断开阻抗状态从效果上而言是Zon＝0和Zoff＝∞，因此理想开关器件能够在不吸收接通和断开状态之间的电磁辐射的情况下提供最大相移。即理想开关器件能够提供0度和180度相位状态之间的切换。在理想开关器件的情况下，最大相位-幅度性能可用呈现任何有限非零阻抗的天线来实现。
与理想开关器件相反，“非理想”开关器件是不呈现分别为Zon＝0和Zoff＝∞的接通和断开阻抗状态的开关器件。相反，非理想开关器件的接通和断开阻抗状态通常例如在0＜|Zon|＜|Zoff|＜∞之间某处。但是，在某些应用中，接通和断开阻抗状态甚至可能是|Zoff|＜＝|Zon|。非理想开关器件可能在某些频率范围(例如＜10GHz)内呈现理想阻抗特性，而在其他频率范围(例如＞20GHz)内呈现非常不理想的阻抗特性。
由于非理想开关器件的接通和断开阻抗状态在Zon＝0和Zoff＝∞之间某处，因此非理想开关器件不必在不考虑相应天线的阻抗的情况下提供最大相位状态性能，其中最大相位状态性能涉及0度和180度相位状态之间的切换。根据本发明，图3的反射天线元件300被特别设计为提供最优相位性能，其中反射天线元件的最优相位状态性能是反射元件最接近在0度和180度相位-幅度状态之间切换的点。在一个实施例中，为了实现最优相位状态性能，天线元件300被配置为非理想开关器件(FET 330)的阻抗的函数。例如，天线元件300被设计为使得天线元件300的阻抗是FET 330的阻抗特性的函数。
另外，天线元件300被配置为接通状态下非理想开关器件(FET330)的阻抗Zon和断开状态下非理想开关器件330的阻抗Zoff的函数。在特定实施例中，当天线元件300被配置为使得天线元件300的阻抗与非理想开关器件330处于接通和断开阻抗状态时的阻抗Zon和Zoff的平方根共轭时，反射天线元件300的相位状态性能被最优化。具体而言，天线元件300的阻抗是相应的非理想开关器件330的接通和断开阻抗状态Zon和Zoff的几何平均数的复共轭。此关系被表示为：
Z antenna * = Z on Z off - - - ( 1 )
上述关系是用源阻抗和负载阻抗之间的复反射系数的公知公式导出的。选择源为天线元件300，负载为非理想开关器件330，则接通状态反射系数被设置为等于断开状态反射系数的相反值，以得出方程(1)。
设计天线元件300以呈现最优相位-幅度性能涉及确定用于反射天线元件300中的特定非理想开关器件(在此情况下是FET 330)的接通和断开阻抗Zon和Zoff。然后操纵天线元件300的设计参数，以产生具有匹配以上方程(1)中所表达的关系的阻抗的天线元件300。只要Zon和Zoff被确定为不同的值，即可设计满足方程(1)的天线元件300。
除图3所示的表面安装FET 330外，在感兴趣的频带上呈现非理想阻抗特性的另一类开关器件是表面安装二极管。但是，虽然与表面安装FET相比表面安装二极管在感兴趣的频带上呈现改善的阻抗特性，但是表面安装FET相对廉价并且能被单独封装用于反射器天线阵列应用中。
在利用FET作为非理想开关器件的反射器天线阵列中，可实现的波束扫描速度取决于多个因素，这些因素包括信噪比、串扰和切换时间。在FET的情况下，切换时间取决于栅极电容、漏极-源极电容和沟道电阻(即漏极-源极电阻)。沟道电阻实际上依赖于空间，并且依赖于时间。为了使阻抗状态之间的切换时间最小，FET的漏极最好始终被DC短路。漏极最好始终被DC短路的原因是：由于贴片天线巨大的平行板面积，浮动漏极会给出大的断开状态沟道电阻以及大的漏极-源极电容。这意味着天线最好被DC短路，但是却希望天线所见到的唯一“rf短路”是在源极处。因此，必须最优地定位附加的天线/漏极短路，以便对天线的干扰最小。
应当理解其他类型的天线可取代贴片天线320a被用于反射天线元件300中。其他天线类型例如但不限于包括偶极天线、单极天线、回路天线以及介质谐振器型天线。此外，在其他实施例中，通过用可变电容器(例如钛酸钡锶(BST)电容器)替换FET 300，反射天线元件300可以是连续相移天线元件300。利用以可变电容器为负载的贴片，可为每个天线元件300实现连续的相移，而不是以FET为负载的贴片所产生的二元相移。可调整连续相控阵列以提供所需的任何相移，以便将微波波束导向波束扫描场型中的任何方向。
图4是根据本发明的实施例用于反射微波照射的示例性扫描面板50的顶视图的示意图。在图4中，从微波源(天线)60发射出的微波照射400被扫描面板50中的各种天线元件80接收。天线元件80分别被以各自的相位延迟编程，以将反射微波照射引导向目标155。相位延迟被选择为在目标155处产生来自每个天线元件80的反射微波照射410的正向干涉。理想情况下，每个天线元件80的相移被调整成为从源(天线元件80)到目标155的反射微波照射410的每条路径提供相同的相位延迟。
虽然未示出但应当理解，按照类似的方式，从目标155反射并在扫描面板50处被接收的微波照射可被反射向微波接收器(未示出)。微波源60或者可作为单独的天线或微波接收器的一部分与微波接收器位于相同的空间位置，并且通过扫描面板50照射目标155，或者可与微波接收器位于不同的空间位置，并且或者直接照射目标155或者通过扫描面板50之一(例如与微波接收器相同的扫描面板50或不同的扫描面板50)照射目标155。
根据本发明的实施例，为了降低生产包括有源或反射性天线元件80的扫描面板50的成本，同时保持可寻址视野(AFOV)，可通过在扫描面板50中提供互补的发射和接收天线阵列来降低扫描面板50中的天线元件80的数目。互补的发射和接收天线阵列分别生成互补的发射和接收微波波束场型。目标的微波图像在互补的发射和接收微波波束场型的交点处形成。从而，发射波束中的不足可由接收波束补偿，反之亦然。互补的发射和接收阵列各自包括数目大大减小的天线元件，以使得与图4中所示的原始密集阵列相比，扫描面板50中的总天线元件大大减少。这一元件量的减少直接意味着成本的降低。
现参见图5A和5B，图5A是根据本发明的实施例的一个示例性互补天线阵列设计的示意图，图5B是由图5A所示的天线阵列设计所产生的微波波束辐射场型的图示。图5A中的扫描面板50被示为包括排列为发射阵列510和接收阵列520形式的天线元件80。发射阵列510和接收阵列520中的天线元件80按照各自的场型排列。发射阵列510中的天线元件80的场型与接收阵列520中的天线元件80的场型互补。
发射阵列510中的每个天线元件80被以各自的相位延迟编程，以便引导与发射阵列510中的天线元件80的场型相对应的发射波束场型中的微波照射的发射波束530。接收阵列520中的每个天线元件80被以各自的相位延迟编程，以便接收与接收阵列520中的天线元件80的场型相对应的接收波束场型中的反射微波照射的接收波束540。由于互补的发射和接收阵列510和520，接收波束场型与发射波束场型互补。微波图像可形成在互补的发射和接收微波波束530和540的交点550处。更具体而言，所产生的图像信号是发射和接收微波波束530和540的体积积分向量积。这种发射/接收“十字瞄准线”使得能够分辨小半径特征。
与阵列成本正比于密集阵列的覆盖面积(A)的密集阵列(例如图4所示的那个)相比，图5A所示的互补的元件量减少的阵列510和520的成本只正比于A的平方根，这实现了相当大的成本节省。此外，在图4的密集阵列和图5A所示的互补的元件量减少的阵列510和520之间，AFOV保持不变，这是因为互补阵列的总范围与最小间距与原始密集阵列的相同。但是，由于将波束近似为高斯波束，从而图5A的设计与图4中的密集阵列设计相比分辨率有小倍数的降低，该倍数取决于原始密集阵列和元件量减小阵列的波束场型的细节，一般在1-1.7范围内。此外，虽然对于用互补的元件量减少的阵列510和520设计的反射器阵列而言SNR降低了s2倍，但是SNR仍大大低于具有非选择性照射的任意稀疏阵列情况下的s4相关性。
现参见图6A和6B，其中示出了互补的元件量减少的阵列的另一示例性设计。图6A是示例性天线阵列设计的示意图，而图6B是图6A所示的根据本发明实施例的天线阵列设计所产生的微波波束辐射场型的图示。图6A中的扫描面板50被示为包括以正交的发射和接收阵列510和520形式排列的天线元件80。
发射阵列510中的天线元件80的场型与接收阵列520中的天线元件80的场型正交。此外，发射阵列510和接收阵列520在发射和接收阵列510和520的中点附近相交。在图6A中，发射阵列510包括两行天线元件，而接收阵列520包括两列天线元件。但是，一般而言，图6A所示的设计可表示为矩形的m*M发射阵列510场型，其中M＞＞m，以及矩形的N*n接收阵列520场型，其中N＞＞n。例如，如果将一个瓷片(tile)定义为包含n*m个天线元件，则N*M个天线元件的密集方形阵列由(N/m)*(M/n)个瓷片组成。在根据图6A设计的阵列中，只有N+M-1个瓷片，其中包括在发射和接收阵列510和520之间共享的相交瓷片。
发射阵列510产生符合垂直椭圆波束场型的发射波束530，而接收阵列520产生符合水平椭圆波束场型的接收波束540。应当理解这里所使用的“水平(垂直)椭圆场型”是指波束的焦点是椭圆，并且椭圆的长轴是水平(垂直)的。微波图像可形成在互补的发射和接收微波波束530和540的交点550处。
如果图6A所示的发射和接收阵列510和520分别是有源发射/接收阵列(即馈给网络是内嵌在阵列中的有线网络)，则根据经验SNR按比例应该是～sa/(1-s)b，其中1≥s≥0是稀疏因子，a≈2，b≈0。与以上关于传统稀疏阵列所讨论的相比较小的指数源自没有浪费的辐射照射空闲区域这一事实。因此，当根据本发明的实施例设计时，例如根据图6A所示的设计进行设计时，可使用较稀疏的天线设置。
如果发射和接收阵列510和520分别是反射器阵列，则必须用被设计为发射微波波束到阵列510和从阵列520接收微波波束的微波源和微波接收器以无线方式对阵列510和520进行馈给。图7是示出根据图6A的天线阵列设计所设计的反射器阵列的示例性照射的示意图。在图7中，定制喇叭60a和60b被示为用于分别以椭圆微波照射波束或“扇形波束”70和90来对反射器阵列510和520进行馈给。每个定制喇叭60a和60b具有高纵横比的辐射孔径以及辐射孔径处的透镜镶块(未示出)，以提供正确的相位波前。
在图7中，微波源60a是具有窄而长孔径的喇叭，而微波接收器60b是具有宽而短孔径的喇叭。应当理解，也可以用其他类型的定制喇叭馈给来替代图7所示的特定喇叭馈给。例如，漏隙波导、柱面透镜、柱面镜和其他类型的定制喇叭也可用于本发明的实施例。不论定制喇叭的类型如何，定制喇叭馈给辐射器的天线场型在其主瓣的两个主平面中的波束宽度之间应该具有高纵横比(即馈给生成对于照射发射阵列510或接收阵列520来说接近最优的椭圆扇形波束)。此外，由于喇叭60a和60b的互补的纵横比，微波源60a和微波接收器60b应该是不同的、非并置的辐射器。
但是，应当理解在其他实施例中，微波源60a和微波接收器60b可以是并置的辐射器。此外，应当理解在其他实施例中，发射和接收阵列510和520可分别为透射阵列，其中喇叭60a和60b位于扫描面板50后方，以便分别从后方照射发射和接收阵列510和520(即阵列510和520位于目标和喇叭60a和60b之间)。此外，应当理解在其他实施例中，可能存在混合设计，其中阵列510或520之一是被从前方照射的反射器阵列，而另一个阵列510或520是被从后方照射的透射阵列。
现参见图8A和8B，其中示出了互补的元件量减少的阵列的另一示例性设计。图8A是示例性天线阵列设计的示意图，而图8B是图8A所示的根据本发明实施例的天线阵列设计所产生的微波波束辐射场型的图示。图8A中的扫描面板50被示为包括以稀疏的大面积阵列800和密集的小面积阵列810形式排列的天线元件80。阵列800或810可分别对应于图5A和6A的发射或接收阵列510和520。
稀疏的大面积阵列800产生符合细点多波瓣波束场型的波束820，而密集的小面积阵列810产生符合粗点单波瓣场型的波束830。稀疏的大面积阵列800提供高数值孔径，从而提供小焦点尺寸。但是，由稀疏的大面积阵列800产生的波束820却导致高旁瓣量，这是由于阵列800的稀疏性引起的。因此，稀疏的大面积阵列800本身无法提供清楚的瞄准。在交点840处以粗糙而单波瓣的波束830形成微波图像去除了模糊。应当理解，虽然可能看起来图8B所示的符合精细场型的每个点与稀疏的大面积阵列800中的天线元件80处于1∶1对应关系，但是每个点实际上是由稀疏的大面积阵列中的所有天线元件80的共同贡献所形成的。
如果阵列800和810分别是反射器阵列，则必须用被设计为发射微波波束到阵列800和从阵列810接收微波波束的微波源和微波接收器以无线方式对阵列800和810进行馈给。图9是示出根据图8A的天线阵列设计所设计的天线阵列的示例性照射的示意图。在图9中，定制喇叭60a和60b被示为分别用于以适当的微波照射波束910和920对反射器阵列800和810进行馈给。
用于对密集的小面积阵列810进行馈给的喇叭60a是标准的方向性相对较高的喇叭。但是，用于对稀疏的大面积阵列800进行馈给的喇叭60b包括定制的衍射光学元件(DOE)，该衍射光学元件被设计为仅选择性地照射稀疏的大面积阵列800中的天线元件80。例如，在一个实施例中，DOE是具有固定的一组凹痕或刻痕的透明板，而喇叭60b是标准喇叭。应当理解在其他实施例中，阵列800和810中的一个或多个可以是被从后方照射的透射阵列。例如，阵列800和810中的一个或多个可以位于目标和喇叭60a和60b之间。
图10是示出根据图8A的天线阵列设计所设计的天线阵列的另一示例性照射的示意图。在图10中，密集的小面积阵列810是用喇叭馈给的，而稀疏的大面积阵列800是通过有线网络1010馈给的。稀疏的大面积阵列800中的每个天线元件80连接到各自的变频器1000，并且有线网络1010以较低的中频(IF)(例如10-100MHz)提供馈给信号。稀疏的大面积天线元件80的相移可在射频(RF)或IF下进行，这取决于上变频器和/或下变频器的成本。
现参见图11A和11B，其中示出了互补的元件量减少的阵列的另一示例性设计。图11A是示例性天线阵列设计的示意图，而图11B是图11A所示的根据本发明实施例的天线阵列设计所产生的微波波束辐射场型的图示。图11A中的扫描面板50被示为包括以发射和接收十字形阵列510和520形式排列的天线元件80。
发射阵列510中的天线元件80的十字形场型相对于接收阵列520中的天线元件80的十字形场型旋转了45度。此外，发射阵列510和接收阵列520在发射和接收阵列510和520的中点附近相交。发射阵列510产生符合十字形波束场型的发射波束530，而接收阵列520产生符合相对于发射波束530旋转了45度的十字形波束场型的接收波束540。微波图像可形成于互补的发射和接收微波波束530和540的交点550处。
如果发射和接收阵列510和520分别是反射器阵列，则必须用被设计为发射微波波束到阵列510和从阵列520接收微波波束的微波源和微波接收器以无线方式对阵列510和520进行馈给。例如，阵列510和520可被用输出辐射孔径是十字形和旋转了45度的十字形的喇叭来馈给。与图6A相比，虽然图11A中的设计对于相同的阵列覆盖面积提供了较高的分辨率，但是图11A中的设计包括了比图6A中的设计更多的天线元件(大约两倍那么多)，因此生产起来成本更高。
应当理解这里所描述的天线发射/接收阵列设计只是用于例示根据本发明实施例可能实现的许多类型的互补阵列场型。其他设计例如但不限于K臂星形和旋转K臂星形以及K边多边形和旋转K边多边形，其中k是某个正整数。
图12是示出根据本发明实施例用于捕捉目标的微波图像的示例性过程1200的流程图。最初，在方框1210处提供扫描面板，其包括互补的天线元件的发射和接收阵列。在方框1220处，发射阵列中的每个天线元件被用各自的相位延迟编程，以便将符合发射波束场型的微波照射波束引导向目标。在方框1230处，接收阵列中的每个天线元件被用各自的相位延迟编程，以便接收从目标反射的符合接收波束场型的接收波束微波照射，其中接收波束场型与发射波束场型互补。在方框1240处，在发射和接收波束间的交点处捕捉到目标的微波图像。
正如本领域的技术人员将会意识到的那样，本申请中描述的新颖概念可在多种应用范围上修改和变化。因此，专利主题范围不限于所讨论的任何特定示例性教导，而是由所附权利要求书所限定。
本发明的主题与均于2004年11月24日递交的题为“A Device forReflecting Electromagnetic Radiation”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.10040151)、题为“Broadband Binary PhasedAntenna”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.＿＿＿10040580)以及题为“System and Method for Security Inspection UsingMicrowave Imaging”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.10040142)相关。
本发明的主题还与均与其同一日递交的题为“System and Method forInspecting Transportable Items Using Microwave Imaging”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.10050215)、题为“System andMethod for Pattern Design in Microwave Programmable Arrays”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.10050533)、题为“Systemand Method for Microwave Imaging Using an Interleaved Pattern in aProgrammable Reflector Array”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.10050534)以及题为“System and Method for MinimizingBackground Noise in a Microwave Image Using a Programmable ReflectorArray”的美国专利申请序列号No.＿＿＿(代理人案卷号No.10050535)相关。

Claims (22)

1.一种用于微波成像系统中以捕捉目标的微波图像的扫描面板，包括：
多个天线元件，其中每一个能被以各自的相位延迟编程，以将微波照射的发射波束引导向所述目标，并且其中每一个能在接收波束中接收从所述目标反射的反射微波照射，所述多个天线元件包括：
天线元件的第一阵列，其被排列为按照发射波束场型引导所述
微波照射的发射波束，以及
天线元件的第二阵列，其被排列为按照接收波束场型接收所述
接收波束，所述接收波束场型与所述发射波束场型互补；
其中所述目标的微波图像形成于所述发射波束和所述接收波束的交点处。
2.如权利要求1所述的扫描面板，其中所述多个天线元件中的每一个是反射天线元件。
3.如权利要求2所述的扫描面板，其中所述第一阵列中的每个所述反射天线元件被配置为接收来自微波源的微波照射并基于各自的编程的相位延迟反射所述微波照射，以便将所述微波照射的发射波束引导向所述目标。
4.如权利要求3所述的扫描面板，其中所述第二阵列中的每个所述反射天线元件被配置为接收所述接收波束并基于与所述第二阵列中的所述反射天线元件相关联的各自的附加相位延迟来将所述接收波束反射向微波接收器。
5.如权利要求1所述的扫描面板，其中所述多个天线元件中的每一个是二元相移天线元件、连续相移天线元件或以可变电容器为负载的贴片天线元件。
6.如权利要求5所述的扫描面板，其中所述二元相移天线元件中的每一个包括非理想开关器件，该非理想开关器件与贴片天线进行电信号通信，所述贴片天线被配置为所述非理想开关器件的阻抗的函数。
7.如权利要求1所述的扫描面板，其中所述多个天线元件中的每一个是有源天线元件。
8.如权利要求1所述的扫描面板，其中所述交点是所述发射波束与所述接收波束的体积积分向量积。
9.如权利要求1所述的扫描面板，其中所述发射波束场型和所述接收波束场型是正交椭圆波束场型，并且所述第一阵列和所述第二阵列是互补阵列。
10.如权利要求9所述的扫描面板，其中所述第一阵列和所述第二阵列在所述第一阵列和所述第二阵列中的每一个的中点附近相交。
11.如权利要求1所述的扫描面板，其中所述发射波束场型和所述接收波束场型之一是粗点单波瓣波束场型，另一个是细点多波瓣场型。
12.如权利要求11所述的扫描面板，其中所述第一阵列的面积小于所述第二阵列的面积，并且所述第一阵列的密度大于所述第二阵列的密度。
13.如权利要求1所述的扫描面板，其中所述发射波束场型和所述接收波束场型是相对于彼此旋转了45度的十字形波束场型。
14.一种微波成像系统，包括：
微波源，用于提供微波照射；
反射器天线阵列，其包括多个天线元件，所述多个天线元件中的每一个能被以各自的相位延迟编程，以便在发射波束中将所述微波照射反射向目标，所述天线元件还能够在接收波束中接收从所述目标反射的反射微波照射，所述反射器天线阵列包括：
天线元件的第一阵列，其被排列为按照发射波束场型反射所述发射波束，以及
天线元件的第二阵列，其被排列为按照接收波束场型接收所述
接收波束，所述接收波束场型与所述发射波束场型互补；以及
处理器，其可操作来测量所述接收波束中的反射微波照射的强度，以便在所述发射波束和所述接收波束的交点处形成所述目标的微波图像。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述发射波束场型和所述接收波束场型是正交椭圆波束场型，并且所述第一阵列和所述第二阵列是互补阵列。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述第一阵列和所述第二阵列在所述第一阵列和所述第二阵列中的每一个的中点附近相交。
17.如权利要求16所述的系统，还包括微波接收器，其能够接收从所述第二阵列反射的所述接收波束，并且其中所述微波接收器具有与所述微波源的孔径不同的孔径。
18.如权利要求14所述的系统，其中所述发射波束场型和所述接收波束场型之一是粗点单波瓣波束场型，另一个是细点多波瓣场型。
19.如权利要求18所述的系统，还包括微波接收器，其能够接收从所述第二阵列反射的所述接收波束，并且其中所述微波接收器和所述微波源中与所述细点多波瓣场型相关联的那一个包括衍射光学元件，该衍射光学元件被配置为产生所述细点多波瓣场型。
20.一种用于捕捉目标的微波图像的方法，包括：
提供包括多个天线元件的扫描面板，所述天线元件中的每一个能被以各自的相位延迟编程；
从所述多个天线元件的第一阵列处，基于其中每个天线元件的相位延迟，按照发射波束场型将微波照射的发射波束引导向所述目标；
在所述多个天线元件的第二阵列处，按照接收波束场型接收从所述目标反射的反射微波照射的接收波束，所述接收波束场型与所述发射波束场型互补；并且
在所述发射波束和所述接收波束的交点处捕捉所述目标的微波图像。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述引导还包括从所述第一阵列将来自微波源的微波照射反射向所述目标。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述接收还包括从所述第二阵列将所述反射微波照射反射到微波接收器。
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