WO2018049742A1 - 应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the field of millimeter wave imaging, and more particularly to an electric sweep array antenna device applied to a millimeter wave imaging system.
- a photodetector for demodulating the modulated signals of different phases to obtain millimeter wave signals of different phases
- a low noise amplifier is further included, the input end is connected to the millimeter wave signal source, and the output end is connected to the electro-optical modulation module for performing denoising and amplifying processing on the millimeter wave signal.
- FIG. 3 is a schematic diagram of a beam emitted by each antenna of an array antenna in an embodiment
- the delay module 13 is configured to perform optical delays for different modulated signals for different durations, and change the duration of the optical delay according to the wavelength of the optical signal to obtain modulated signals of different phases.
- the length of the medium dispersion fiber is in an arithmetic progression, so that the delay time generated by the transmission of each modulated signal through the optical fiber is also in the arithmetic progression, and the corresponding phase change is also in the arithmetic progression.
- the isophase lines of the beams emitted by the respective antennas are perpendicular to the normal of the linear array antenna, parallel to the plane in which the linear array antennas are located.
- the time difference between the beams transmitted by the respective antennas reaching their respective phase lines is ⁇ R n /C, so that the phase lines are still in a straight line, and the phase lines are as described above.
- the normal line is at an angle, which in turn changes the beam direction of the linear array antenna, which is consistent with the beam direction of each antenna.
- the delay time can be adjusted by adjusting the wavelength of the optical signal emitted by the adjustable light source 10, so that the beam direction emitted by the array antenna 15 is generated relative to the normal direction.
- continuous adjustment of the wavelength of the optical signal can achieve continuous adjustment of the beam direction, thereby achieving full detection of the object under test.
- the electric sweep array antenna assembly 30 for use in a millimeter wave imaging system further includes an erbium doped fiber amplifier 18.
- An input end of the erbium-doped fiber amplifier 18 is connected to the adjustable light source 10, and an output end is connected to the electro-optic modulation module 11 for performing amplification processing on the optical signal.
- the erbium doped fiber amplifier 18 can directly amplify the optical signal such that the optical signal produced by the tunable light source 10 satisfies the need for optical modulation.
- the above-mentioned electric sweep array antenna device 30 applied to the millimeter wave imaging system loads the millimeter wave onto the optical signal with adjustable wavelength to obtain a modulated signal, and divides the modulated signal into multiple signals, and performs different durations for each signal.
- the delay time, after the delay, the phase of each modulated signal changes correspondingly, so that the phase of the demodulated millimeter wave signal also changes correspondingly, and the millimeter wave signal is simultaneously transmitted through the array antenna 15, and the array
- the beam direction of the antenna 15 is shifted according to the phase change of each millimeter wave, and then the object to be tested is scanned; the scheme can quickly scan the object to be tested.
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Abstract
本发明涉及一种应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置，包括输出波长可调的光信号的可调光源、电光调制模块、光耦合器、用于对各路已调制信号进行不同时长的光延时，并根据所述光信号的波长相应的改变所述光延时的时长，得到不同相位的已调制信号的延时模块、光探测器和阵列天线；将毫米波加载到波长可调的光信号上，得到已调制信号，将该已调制信号分成多路信号，对每路信号进行不同时长的延时，进行解调之后得到不同相位的毫米波信号并同时发射出去对被测对象进行扫描；该方案能够对被测对象进行快速扫描，无需被测对象相对于毫米波阵列天线移动来实现全面扫描，结构简单，使用方便。
Description
本发明涉及毫米波成像领域，特别是涉及一种应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置。
毫米波具有精度高、对目标的形状结构敏感、对金属目标和背景环境的区别能力强、能够穿透等离子体等特征，使得通过毫米波获得的图像分辨率高，对目标的识别与探测能力强，正是这些独特的性质赋予了毫米波技术的广泛应用前景，尤其是在无损检测和安检领域。
目前，在基于毫米波成像的安检领域，主要通过固定设置的毫米波阵列天线实现被测对象的检测，被测对象在输送设备的带动下经过该毫米波阵列的扫描区域实现全面扫描，进而对被测对象进行检测，该安检系统的毫米波阵列天线集成了数量较多的收发天线，结构复杂，成本高，且扫描速度慢，使用不灵活。
发明内容
基于此，有必要提供一种应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置，能够对被测对象进行快速扫描，无需被测对象相对于毫米波阵列天线移动来实现全面扫描，结构简单，使用方便。
一种应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置，其特征在于，包括：
可调光源，用于输出波长可调的光信号；
电光调制模块，用于将毫米波信号调制到所述光信号上得到已调制信号；
光耦合器，用于将所述已调制信号分成多路信号；
延时模块，用于对各路已调制信号进行不同时长的光延时，并根据所述光信号的波长相应的改变所述光延时的时长，得到不同相位的已调制信号；
光探测器，用于将所述不同相位的已调制信号进行解调，得到不同相位的毫米波信号；
阵列天线，用于将所述不同相位的毫米波信号发射出去。
在其中一个实施例中，所述延时模块包括多根光纤，每根光纤的输入端分别连接所述光耦合器的一输出端，每根光纤的输出端分别连接一所述光探测器，各光纤的长度相同，每根光纤包括色散光纤和单模光纤，各光纤中所述色散光纤的长度依次增加或减少，长度差固定。
在其中一个实施例中，还包括连接所述可调光源的可编程逻辑模块，用于根据所述阵列天线发射的波束的扫描角度调节所述可调光源的波长。
在其中一个实施例中，还包括毫米波信号源，与所述电光调制模块连接，用于输出所述毫米波信号至所述电光调制模块。
在其中一个实施例中，还包括掺铒光纤放大器，输入端连接所述可调光源，输出端连接所述电光调制模块，用于对所述光信号进行放大处理。
在其中一个实施例中，还包括低噪声放大器，输入端连接所述毫米波信号源，输出端连接所述电光调制模块，用于对所述毫米波信号进行去噪和放大处理。
在其中一个实施例中，还包括若干个功率放大器，每个功率放大器的输入端分别连接一所述光探测器，输出端分别连接所述阵列天线中的一个天线。
在其中一个实施例中，所述阵列天线为线性阵列天线或平面阵列天线，分别用于实现对被测对象的一维扫描或二维扫描。
上述应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置，包括输出波长可调的光信号的可调光源、电光调制模块、光耦合器、用于对各路已调制信号进行不同时长的光延时，并根据所述光信号的波长相应的改变所述光延时的时长，得到不同相位的已调制信号的延时模块、光探测器和阵列天线；将毫米波加载到波长可调的光信号上，得到已调制信号，将该已调制信号分成多路信号，对每路信号进行不同时长的延时，进行解调之后得到不同相位的毫米波信号并同时发射出去对被测对象进行扫描；该方案能够对被测对象进行快速扫描，无需被测对象相对于毫米波阵列天线移动来实现全面扫描，结构简单，使用方便。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1是一实施例中应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置的结构图；
图2是一实施例中多根光纤的结构示意图；
图3是一实施例中阵列天线的各天线发出的波束示意图；
图4是一实施例中利用本发明应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置对人体进行扫描的示意图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，图1是一实施例中应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30的结构图。
在本实施例中，该应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30，包括可调光源10、电光调制模块11、光耦合器12、延时模块13、光探测器14和阵列天线15。
可调光源10用于输出波长可调的光信号。
电光调制模块11用于将毫米波信号调制到所述光信号上得到已调制信号。
光耦合器12用于将所述已调制信号分成多路信号。将加载了毫米波信号的
光信号，即该已调制信号按照功率平均分成多路信号。
延时模块13用于对各路已调制信号进行不同时长的光延时，并根据所述光信号的波长相应的改变所述光延时的时长，得到不同相位的已调制信号。
参见图2，该延时模块13包括多根光纤，每根光纤的输入端分别连接所述光耦合器12的一输出端，每根光纤的输出端分别连接一所述光探测器14，各光纤的长度相同，每根光纤包括色散光纤和单模光纤，相邻光纤中所述色散光纤的长度差固定。由于每根光纤中色散光纤的长度不一样，每路已调制信号经过该光纤的传输后产生不同的延时，且各光纤中所述色散光纤的长度依次增加或减少，长度差固定，各光纤中色散光纤的长度呈等差数列，使得每路已调制信号经过该光纤的传输后产生的延时时长也呈等差数列，相应的其相位变化也呈等差数列。
光探测器14用于将所述不同相位的已调制信号进行解调，得到不同相位的毫米波信号。将上述各路经过光纤延时后的已调制信号进行解调，提取出毫米波信号，此时的毫米波信号相位发生了相应的变化，其相位变化也呈现等差数列。
阵列天线15用于将所述不同相位的毫米波信号发射出去。将上述相位呈现等差数列的各路毫米波信号同时通过该阵列天线15发射出去，由于这些毫米波信号频率相同，相位呈等差数列，使得阵列天线15发出的波束方向相对于阵列天线15的法线方向发生了偏移。
在其中一个实施例中，所述阵列天线15为线性阵列天线或平面阵列天线，分别用于实现对被测对象的一维扫描或二维扫描。即线性扫描或平面扫描。
参见图3，图3是一实施例中阵列天线的各天线发出的波束示意图。
以线性阵列天线为例，黑色实线表示该线性阵列天线中各天线的波束方向，黑色虚线表示各天线发出的波束的等相位线，d为相邻天线的间距，θ表示各天线的波束方向偏离阵列天线所在平面的法线的角度，Rn表示各天线与该等相位线之间的波程，将该线性阵列天线中的各天线按照其位置顺序依次编号为1，2…M…N-1，N，以编号为M的天线M和编号为N的天线N为例，天线M与该等相位线之间的波程，与天线N与该等相位线之间的波程之差满足：
ΔRn＝(N-M)d×sinθ (1)
若不对该线性阵列天线中的各天线发射的毫米波信号进行延时，各天线发射的波束的等相位线垂直于线性阵列天线的法线，与该线性阵列天线所在的平面平行。当对各天线发射的毫米波信号进行等差延时后，各天线发射的波束到达各自等相位线的时间差为ΔRn/C，使得该等相位线依然呈直线，且该等相位线与上述法线呈一定的角度，进而改变了该线性阵列天线的波束方向，该方向与每个天线的波束方向一致。
进而可以在不通过机械驱动阵列天线运动的情况下，对与线性该阵列天线的法线呈θ角的被测对象进行扫描，实现一定范围内的扫描检测。同样的，上述扫描规律也适用于平面阵列天线。
参见图4，图4是一实施例中利用本发明应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30对人体进行扫描的示意图。
当被测对象为人体时，若该人体的高度为H，与该电扫阵列天线装置30，即与上述阵列天线15的距离为D时，此时该阵列天线15发出的波束的扫描角度需满足：
θ≥tan-1(H/D) (2)
因此，可以根据被检测对象的几何参数来确定该电扫阵列天线装置30的最大扫描角度，进而可以根据公式(1)对相邻天线的间距和相邻天线发出的毫米波信号的延时时长差进行设计，其中，该延时时长差为ΔRn/C。
由于不同波长的光信号在光纤中的传输速度不同，通过调节可调光源10发出的光信号的波长可以调节该延时时长，以实现阵列天线15发出的波束方向相对于上述法线方向产生更大的偏移，以满足扫描角度的需求，连续调节该光信号的波长可以实现该波束方向的连续调节，进而实现对被测对象的全面检测。
该应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30也可以应用于物品的无损检测，通过检测判断人体或物品是否夹带有危险物品，以及其他应用场景，使得毫米波成像系统的成像速度快，效果好，提高了被测对象的检测精度和检测效率。
在其中一个实施例中，如图1所示，该应用于毫米波成像系统的电扫阵列
天线装置30还包括可编程逻辑模块16，连接所述可调光源10，用于根据所述阵列天线15发射的波束的扫描角度调节所述可调光源10的波长。该可编程逻辑模块16通过调节电流的方式或其他方式调节可调光源10的波长，进而改变已调制波在光纤中的延时时长。
在其中一个实施例中，该应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30还包括毫米波信号源17，用于输出所述毫米波信号。
在其中一个实施例中，该应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30还包括掺铒光纤放大器18。掺铒光纤放大器18的输入端连接所述可调光源10、输出端连接所述电光调制模块11，用于对所述光信号进行放大处理。掺铒光纤放大器18可以对光信号进行直接放大，使得可调光源10产生的光信号满足光外调制的需求。
在其中一个实施例中，该应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30还包括低噪声放大器19。低噪声放大器19的输入端连接所述毫米波信号源17、输出端连接所述电光调制模块11，用于对所述毫米波信号进行去噪和放大处理。同样的，将毫米波信号进行去噪放大后，使其满足调制的需求。
在其中一个实施例中，该应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30还包括若干个功率放大器20，每个功率放大器20的输入端分别连接一所述光探测器14、输出端分别连接所述阵列天线15中的一个天线。
该功率放大器20对各路解调出来的毫米波信号进行功率放大后由阵列天线15同时发射出去，对被测对象进行扫描，此时各毫米波信号的相位呈等差数列的关系，使得阵列天线的波束发生偏移，实现对被测对象不同角度的扫描，进而对被测对象进行全面检测。
上述应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置30，将毫米波加载到波长可调的光信号上，得到已调制信号，将该已调制信号分成多路信号，对每路信号进行不同时长的延时，经延时之后各路已调制信号的相位发生相应的变化，使得经解调得到的毫米波信号的相位也发生相应变化，将该毫米波信号同时通过阵列天线15发射出去，阵列天线15的波束方向会根据各路毫米波的相位变化发生偏移，进而对被测对象进行扫描；该方案能够对被测对象进行快速扫描，
尤其适用于人体安全检测，根据人体的几何参数确定该电扫阵列天线装置30的扫描角度，进而对载波光信号的波长进行调节，以满足该扫描角度的需求，通过可调光源10可以实现该光信号的连续调节，进而对被测对象进行连续全面的扫描，毫米波阵列天线无需相对于人体移动就可以实现全面检测，该装置扫描速度快、检测精度高，且结构简单、使用方便、实用性强。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
- 一种应用于毫米波成像系统的电扫阵列天线装置，其特征在于，包括：可调光源，用于输出波长可调的光信号；电光调制模块，用于将毫米波信号调制到所述光信号上得到已调制信号；光耦合器，用于将所述已调制信号分成多路信号；延时模块，用于对各路已调制信号进行不同时长的光延时，并根据所述光信号的波长相应的改变所述光延时的时长，得到不同相位的已调制信号；光探测器，用于将所述不同相位的已调制信号进行解调，得到不同相位的毫米波信号；阵列天线，用于将所述不同相位的毫米波信号发射出去。
- 根据权利要求1所述的电扫阵列天线装置，其特征在于，所述延时模块包括多根光纤，每根光纤的输入端分别连接所述光耦合器的一输出端，每根光纤的输出端分别连接一所述光探测器，各光纤的长度相同，每根光纤包括色散光纤和单模光纤，各光纤中所述色散光纤的长度依次增加或减少，长度差固定。
- 根据权利要求1所述的电扫阵列天线装置，其特征在于，还包括连接所述可调光源的可编程逻辑模块，用于根据所述阵列天线发射的波束的扫描角度调节所述可调光源的波长。
- 根据权利要求1所述的电扫阵列天线装置，其特征在于，还包括毫米波信号源，与所述电光调制模块连接，用于输出所述毫米波信号至所述电光调制模块。
- 根据权利要求1所述的电扫阵列天线装置，其特征在于，还包括掺铒光纤放大器，输入端连接所述可调光源，输出端连接所述电光调制模块，用于对所述光信号进行放大处理。
- 根据权利要求4所述的电扫阵列天线装置，其特征在于，还包括低噪声放大器，输入端连接所述毫米波信号源，输出端连接所述电光调制模块，用于对所述毫米波信号进行去噪和放大处理。
- 根据权利要求1所述的电扫阵列天线装置，其特征在于，还包括若干个功率放大器，每个功率放大器的输入端分别连接一所述光探测器，输出端分别 连接所述阵列天线中的一个天线。
- 根据权利要求1所述的电扫阵列天线装置，其特征在于，所述阵列天线为线性阵列天线或平面阵列天线，分别用于实现对被测对象的一维扫描或二维扫描。
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