CN202421499U - 一种单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其包括：1个发射天线阵列、1个接收天线阵列、天线阵列圆盘支架、滑轨、驱动圆盘、2个金属支杆、发射模块、接收模块、伺服控制模块、电机、频率合成模块、信号处理模块和显控模块，其中伺服控制模块控制电机的驱动轴以正弦曲线的速率转动并且控制和检测天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其旋转300度，信号处理模块产生成像装置的工作时序、对中频回波信号进行采样和数字下变频，进行三维成像处理，获取目标的三维图像数据并将其传输到显控模块。其有益效果：设计简单、成本低、图像质量高、分辨率高且成像时间短。

Description

一种单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置

技术领域

本实用新型涉及毫米波成像技术领域，特别是涉及一种单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置。 

背景技术

当今，随着毫米波技术和成像技术的发展，产生了许多这两种技术相结合的应用。毫米波成像技术在许多领域都有成熟的应用，比如地图遥感、军事探测、毫米波合成孔径雷达成像，远距离探测地面、海面以及空中目标等。随着科学技术的发展，毫米波器件在国内外基本成熟，可以进行大规模低成本应用。 

随着毫米波成像技术的发展，其在各行各业的应用逐渐成熟，应用于近距离成像探测基本成熟，可实现物体表面、人体表面以及其他表面散射特性探测。 

目前，在近距离成像方面，有多种成像方法，如可见光、红外以及激光成像等，但是这些成像都有自身的缺陷。可见光无法看到某些隐蔽物下的东西；而红外的成像分辨率和可靠识别性存在一定的问题；激光成像的应用领域比较窄。而毫米波近距离成像可以穿透某些隐蔽物，对隐蔽物下面的东西进行高精度的成像，通过图像检测识别的方法可实现某些特殊东西的甄别。 

采用现有的毫米波近距离成像方法成像的图像质量差、分辨率低、成像时间长，采用现有的毫米波近距离成像方法的毫米波成像系统的设计复杂、成本高。 

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其包括：滑轨、驱动圆盘、2个金属支杆、天线阵列圆盘支架、伺服控制模块、电机、频率合成模块、发射模块、1个发射天线阵列、1个接收天线阵列、接收模块、信号处理模块和显控模块，其中： 

天线阵列圆盘支架包括可旋转的中心轴和由该中心轴带动旋转的金 属圆形盘； 

滑轨的弧度为300度，其直径与天线阵列圆盘一致； 

驱动圆盘与天线阵列圆盘一样大，2个金属支杆以相对且在一条直线上的方式安装在天线阵列圆盘和驱动圆盘的边缘两端，金属支杆的一端固定到天线阵列圆盘的边缘，另一端固定到驱动圆盘的边缘，该驱动圆盘的底部边缘处安装有3-10个之间的任意个滑轮，该滑轮位于滑轨上； 

伺服控制模块用于控制电机的驱动轴以正弦曲线的速率转动并且控制和检测天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从0到M度顺时针旋转,260≤M≤300度； 

电机使该驱动圆盘沿着滑轨转动，从而带动天线阵列圆盘转动； 

频率合成模块用于产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、和接收信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本阵信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本阵信号发送给接收模块； 

发射模块用于对来自频率合成模块的宽带发射信号进行功率放大和波形调制，并将其发送给发射天线阵列，其包括用于功率放大的固态功率放大器和用于波形调制的发射波形调制器； 

发射天线阵列，用于辐射射频信号，每一个发射天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，每个天线阵列有N路电开关控制发射通道的分时工作，即开通和关断，其中64≤N≤256； 

接收天线阵列，用于接收回波信号，每一个接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，每个天线阵列有N路电开关控制接收通道的分时工作，即开通和关断，其中64≤N≤256； 

接收模块用于对接收到的回波信号进行功率放大、滤波、混频处理，实现将射频回波信号变换到中频回波信号，其包括用于功率放大的低噪声功率放大器、用于滤波的滤波器和用于将射频回波信号变换到中频回波信号的混频器； 

信号处理模块用于产生指示频率合成模块产生各种信号的控制命令、根据基准时钟产生成像装置的工作时序、对中频回波信号进行采样和数字下变频，进行三维成像处理，获取目标的三维图像数据并将其传输到显控模块； 

显控模块用于将接收到的三维图像数据实时显示成三维图像，和通过其人机交互界面向伺服控制模块和信号处理模块输入工作参数和发出控制指令。 

其中用螺钉形式将发射天线阵列和接收天线阵列固定在天线阵列圆盘的边缘上，该发射天线阵列和接收天线阵列之间的间隔是0.5-5cm，每个天线阵列以竖直方式固定在天线阵列圆盘的边缘上，该发射天线阵列和接收天线阵列是等长的。 

其中发射天线单元和接收天线单元是微带天线、波导缝隙天线、偶极子或者喇叭口天线，发射和接收天线单元的大小是长和宽均为一个波长λ，波束宽度是30-120度。 

其中N＝208个，两个天线单元之间间隔大小为一个波长λ。 

其中频率合成模块包括：用于产生宽带发射信号的高速直接频率合成器、用于将宽带发射信号倍频到所需频段的倍频器、用于产生射频本阵信号的混频器、用于产生基准时钟的晶振，该高速直接频率合成器产生的宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽τ为10us，倍频器将高速直接频率合成器产生的宽带发射信号倍频到20GHz到40GHz之间或者90GHz到110GHz之间，基准时钟为60MHz。 

其中信号处理模块包括：用于对中频回波信号进行采样的高速模数转换器、用于对采样后的数字中频回波信号进行下变频的可编程逻辑器件、用于对经数字下变频的回波数据进行三维成像处理的数字信号处理器、存储器、以及用于将三维图像数据高速发送给显控模块的光电转换器。 

本实用新型的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置的有益效果是：该毫米波成像装置可在距离目标物体的表面1米范围内进行毫米波扫描成像，其结构设计简单、成本低、图像质量高、分辨率可高达厘米级且成像时间短，可实现目标物体表面的不同角度的多幅三维立体图像。 

附图说明

图1是本实用新型的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置的结构立体示意图； 

图2是本实用新型的单天线阵列形式的示意图； 

图3是本实用新型的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置的结构框图； 

图4是本实用新型的毫米波成像装置的工作时序图。 

其中：1-交流伺服电机，2-电机驱动器，3-电源适配器，4-减速器，5-皮带轮，6-天线阵列圆盘支架，7-光栅尺，8-光电开关，9-伺服控制器，15-金属支杆。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细描述。 

本实用新型的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置包括：1个发射天线阵列、1个接收天线阵列、天线阵列圆盘支架、滑轨、驱动圆盘、2个金属支杆、发射模块、接收模块、伺服控制模块、电机、频率合成模块、信号处理模块和显控模块；其中： 

伺服控制模块用于控制电机的驱动轴以一种正弦曲线的速率转动和控制和检测天线阵列圆盘支架的旋转角度，以使其可以旋转300度。 

天线阵列圆盘支架包括可旋转的中心轴和由该中心轴带动旋转的金属圆形盘。该圆形盘的半径在0.5-2米之间。 

在天线阵列圆盘的边缘以螺钉形式固定发射天线阵列和接收天线阵列，其中该发射天线阵列和接收天线阵列之间的间隔是0.5-5cm，优选间隔是2cm，更优选间隔是1cm。每个天线阵列是以竖直方式固定在天线阵列圆盘的边缘上，如图1所示。另外，该发射天线阵列和接收天线阵列是等长的，如图2所示。 

滑轨的弧度为300度，其直径与天线阵列圆盘一致或者稍大几个厘米。驱动圆盘与天线阵列圆盘一样大，2个金属支杆以相对且在一条直线上的方式安装在天线阵列圆盘和驱动圆盘的边缘两端，金属支杆的一端固定到天线阵列圆盘的边缘，另一端固定到驱动圆盘的边缘。固定方式可以是多种，常用的为焊接方式。驱动圆盘的底部边缘处安装有3-10个滑轮，滑轮位于滑轨上。滑轮的具体个数依据圆盘的直径而定。 

电机可以以齿轮啮合、驱动杆或皮带轮等任何公知的方式来使驱动圆盘沿着滑轨转动，由于天线阵列圆盘和驱动圆盘通过金属支杆固定在一起，所以天线阵列圆盘会随着驱动圆盘一起转动。 

发射天线阵列用于辐射射频信号，发射天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，天线阵列有N路电开关控制发射通道的分时工作，即开通和关断。在本实用新型中，N在64-256之间，优选208个。两个天线单元之间间隔大小为一个波长λ。 

接收天线阵列用于接收射频回波信号，接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，天线阵列有N路电开关控制接收通道的分时工作，即开通和关断。在本实用新型中，N在64-256之间，优选208个。两个天线单元之间间隔大小为一个波长λ。 

发射和接收天线单元的形式有多种，可以是微带天线、波导缝隙天线、偶极子以及喇叭口天线等。发射和接收天线单元的大小可以是长和宽均为一个波长λ，天线单元的波束宽度是30-120度，优选60度。 

发射模块用于对来自频率合成模块的宽带发射信号进行功率放大和波形调制，并将其发送给发射天线阵列，其包括用于功率放大的固态功率放大器和用于波形调制的发射波形调制器。 

接收模块用于对接收到的射频回波信号进行功率放大、滤波、混频等处理，实现将射频回波信号变换到中频回波信号，其包括用于功率放大的低噪声功率放大器、用于滤波的滤波器和用于将射频回波信号变换到中频回波信号的混频器等。 

频率合成模块用于产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、和接收信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本阵信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本阵信号发送给接收模块。其包括：用于产生宽带发射信号的高速直接频率合成器(简称：高速DDS)、用于将宽带发射信号倍频到所需频段的倍频器、用于产生射频本阵信号的混频器、用于产生基准时钟的晶振等。在本实用新型中，该高速DDS产生的宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽τ为10us。倍频器将高速DDS产生的宽带发射信号倍频到20GHz到40GHz之间或者90GHz到110GHz之间。基准时钟为60MHz。 

信号处理模块用于产生指示频率合成模块产生各种信号的控制命令、根据基准时钟产生成像装置的工作时序、对中频回波信号进行采样和数字下变频，进行三维成像处理，获取目标的三维图像数据并将其传 输到显控模块。其包括：用于对中频回波信号进行采样的高速模数转换器、用于对采样后的数字中频回波信号进行下变频的可编程逻辑器件、用于对经数字下变频的回波数据进行三维成像处理的数字信号处理器、存储器、用于将三维图像数据高速发送给显控模块的光电转换器等。工作时序图可以如图4所示。 

显控模块用于将接收到的三维图像数据实时显示成三维图像。还可以通过显控模块的人机交互界面向伺服控制模块和信号处理模块输入工作参数和发出控制指令。例如，该显控模块可以是一台带有显示屏幕的计算机。 

图3是本实用新型的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置的结构框图。 

下面介绍一下本实用新型的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置的工作过程： 

首先在系统上电启动后，各模块进行初始化设置和自检，并进行成像装置中的发射天线阵列和接收天线阵列的收发通道以及辐相特性校正；接着伺服控制模块开始控制电机的驱动轴以一种正弦曲线的速率转动，使得驱动圆盘沿着滑轨转动，从而带动天线阵列圆盘支架转动，并且伺服控制模块控制和测量天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从0到300度正向(顺时针)旋转，在此过程中，频率合成模块产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、接收到信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本阵信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本阵信号发送给接收模块，该发射模块将宽带发射信号进行功率放大和波形调制并发送给发射天线阵列；信号处理模块接收到基准时钟后产生一个工作时序，由此控制发射和接收天线阵列的N个天线单元中的第i(1≤i≤N)个发射和接收通道开启以及其余的发射和接收通道关断，由发射天线阵列的第i个天线单元向外辐射宽带发射信号，该宽带发射信号到达目标的表面并反射到接收天线阵列并由其第i个天线单元接收到该射频回波信号并将其发送给接收模块，该接收模块中的低噪声功率放大器将接收到的射频回波信号的功率放大至与接收到的射频本阵信号的功率近似相等或者在同一数量级即可，接着该接收模块中的滤波器对经 功率放大的射频回波信号进行滤波，然后混频器将经过功率放大和滤波的射频回波信号和接收到的射频本阵信号进行混频以将该射频回波信号变换到中频回波信号，该中频回波信号的中心频率优选是60MHz，最后再将该中频回波信号传输给信号处理模块；该信号处理模块中的高速模数转换器对输入的中频回波信号进行采样，将其转换为数字回波信号并发送给可编程逻辑器件，该可编程逻辑器件将数字回波信号下变频到基带信号并将其保存到存储器中；……，以此方式，将N个通道的经下变频的数字回波数据保存到存储器中，此时保存的回波数据仅仅是天线阵列圆盘支架在0度位置时通过天线阵列扫描得到的回波数据。 

可以以任意设定的角度间隔进行扫描来获得回波数据，例如角度间隔为0.2-1度。优选地，天线阵列圆盘支架每旋转0.5度，天线阵列扫描一次目标物体，当然也可以是每旋转1度扫描一次。 

当天线阵列圆盘支架旋转到300度并且所有回波数据都保存到存储器中后，此时数字信号处理器从存储器中读取所有回波数据并进行三维成像处理，其中采用公知的图像处理算法来处理回波数据，如BP算法，得到毫米波三维图像数据；再通过光电转换器将该毫米波三维图像数据发送给显控模块。该显控模块将毫米波三维图像显示在屏幕上。另外，工作人员也可以通过显控模块的人机交互界面向伺服控制模块和信号处理模块输入工作参数和发出控制指令。 

上述工作过程完成了对一个目标物体的三维成像，此时天线阵列圆盘支架正向旋转300度。本领域的技术人员都知道，也可以将天线阵列圆盘支架正向旋转260度、270度、280度等来完成对目标物体的扫描和三维成像。 

当开始对下一个目标物体进行扫描成像时，天线阵列圆盘支架刚好可以反向旋转如300度来完成整个三维成像过程。当然，本领域的技术人员都知道，也可以先执行反向旋转对一个目标物体进行扫描成像，再执行正向旋转对下一个目标物体进行扫描成像。 

本实用新型的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置的优点： 

(1)该成像装置采用了基于高速DDS的信号产生方案，使得控制电路设计简单，通过倍频可实现大带宽，并且不需要进行频率线性校正， 系统复杂度降低，成本低。 

(2)该成像装置为全相参体制，有利于回波信号的相参积累，可获得高质量的图像，降低了对系统成像补偿的要求。 

(3)该成像装置采用将回波信号数字下变频到基带信号的方案，避免了模拟下变频带来的通道不一致性对成像质量带来的不利影响。 

(4)该成像装置能够对目标物体表面成像，获取厘米级的高分辨率的毫米波三维立体图像，并且三维成像的实时性可以高达1秒，特别适用于安全检查领域。 

Claims (9)

1.一种单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其包括：滑轨、驱动圆盘、2个金属支杆、天线阵列圆盘支架、伺服控制模块、电机、频率合成模块、发射模块、1个发射天线阵列、1个接收天线阵列、接收模块、信号处理模块和显控模块，其中：

天线阵列圆盘支架包括可旋转的中心轴和由该中心轴带动旋转的金属圆形盘；

滑轨的弧度为300度，其直径与天线阵列圆盘一致；

驱动圆盘与天线阵列圆盘一样大，2个金属支杆以相对且在一条直线上的方式安装在天线阵列圆盘和驱动圆盘的边缘两端，金属支杆的一端固定到天线阵列圆盘的边缘，另一端固定到驱动圆盘的边缘，该驱动圆盘的底部边缘处安装有3-10个之间的任意个滑轮，该滑轮位于滑轨上；

伺服控制模块用于控制电机的驱动轴以正弦曲线的速率转动并且控制和检测天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从0到M度顺时针旋转,260≤M≤300度；

电机使该驱动圆盘沿着滑轨转动，从而带动天线阵列圆盘转动；

频率合成模块用于产生基准时钟并将其发送给信号处理模块、和接收信号处理模块的控制命令以产生宽带发射信号和射频本阵信号，并且将宽带发射信号发送给发射模块和将射频本阵信号发送给接收模块；

发射模块用于对来自频率合成模块的宽带发射信号进行功率放大和波形调制，并将其发送给发射天线阵列，其包括用于功率放大的固态功率放大器和用于波形调制的发射波形调制器；

发射天线阵列，用于辐射射频信号，每一个发射天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，每个天线阵列有N路电开关控制发射通道的分时工作，即开通和关断，其中64≤N≤256；

接收天线阵列，用于接收回波信号，每一个接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，每个天线阵列有N路电开关控制接收通道的分时工作，即开通和关断，其中64≤N≤256；

接收模块用于对接收到的回波信号进行功率放大、滤波、混频处理，实现将射频回波信号变换到中频回波信号，其包括用于功率放大的低噪声功率放大器、用于滤波的滤波器和用于将射频回波信号变换到中频回 波信号的混频器；

信号处理模块用于产生指示频率合成模块产生各种信号的控制命令、根据基准时钟产生成像装置的工作时序、对中频回波信号进行采样和数字下变频，进行三维成像处理，获取目标的三维图像数据并将其传输到显控模块；

显控模块用于将接收到的三维图像数据实时显示成三维图像，和通过其人机交互界面向伺服控制模块和信号处理模块输入工作参数和发出控制指令。

2.根据权利要求1所述的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其特征是用螺钉形式将发射天线阵列和接收天线阵列固定在天线阵列圆盘的边缘上，该发射天线阵列和接收天线阵列之间的间隔是0.5-5cm，每个天线阵列以竖直方式固定在天线阵列圆盘的边缘上，该发射天线阵列和接收天线阵列是等长的。

3.根据权利要求1所述的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其特征是发射天线单元和接收天线单元是微带天线、波导缝隙天线、偶极子或者喇叭口天线，发射和接收天线单元的大小是长和宽均为一个波长λ，波束宽度是30-120度。

4.根据权利要求1所述的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其特征是N=208个，两个天线单元之间间隔大小为一个波长λ。

5.根据权利要求1所述的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其特征是频率合成模块包括：用于产生宽带发射信号的高速直接频率合成器、用于将宽带发射信号倍频到所需频段的倍频器、用于产生射频本阵信号的混频器、用于产生基准时钟的晶振，该高速直接频率合成器产生的宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽τ为10us，倍频器将高速直接频率合成器产生的宽带发射信号倍频到20GHz到40GHz之间或者90GHz到110GHz之间，基准时钟为60MHz。

6.根据权利要求1所述的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其特征是信号处理模块包括：用于对中频回波信号进行采样的高速模数转换器、用于对采样后的数字中频回波信号进行下变频的可编程逻辑器件、用于对经数字下变频的回波数据进行三维成像处理的数字信号 处理器、存储器、以及用于将三维图像数据高速发送给显控模块的光电转换器。

7.根据权利要求1所述的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其特征是显控模块是一台带有显示屏幕的计算机。

8.根据权利要求2所述的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其特征是每一组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是1cm。

9.根据权利要求3所述的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像装置，其特征是所述波束宽度是60度。 

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