CN113156433A

CN113156433A - 一种微波成像装置

Info

Publication number: CN113156433A
Application number: CN202110493831.7A
Authority: CN
Inventors: 邵文渊; 郭稼逸; 金秀华; 黄晓东
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2041-05-07
Also published as: CN113156433B

Abstract

本发明公开了一种微波成像装置，包括发射源、引导腔和透射屏。发射源从***前端发射电磁波，并且接收反射回来的电磁波；透射屏由透射单元组成，单个透射单元包含一个发射天线、接收天线、开关和隔离电阻，发射天线构成透射屏发射面，接收天线构成透射屏接收面，电控开关用于控制透射单元的通断状态，决定电磁波向外辐射或者被隔离电阻吸收。引导腔连接发射源与透射屏，使之处于一个密闭空间中。本发明利用透射屏等效雷达阵列，大大降低了硬件成本与数据收集难度，同时又保留了电控扫描的方式，保证了极高的扫描速度。

Description

一种微波成像装置

技术领域

本发明涉及一种空间成像技术领域，特别是涉及一种微波成像装置。

背景技术

现有的主要安检方式是人工检查、金属检测仪器以及X光安检机。利用金属探测仪的人工检查方式存在效率低下的问题，而X光由于电离特性，对人体有着一定程度的伤害。毫米波安检技术具有穿透能力强、对人体辐射小且分辨率高等先天优势，成为现代人体安检的重要手段。毫米波成像技术，是一种新的有效的人体安检方案，且具有广阔的应用前景与商业价值。

目前用于近场毫米波成像的主要为主动成像与被动成像技术。主动成像方法主要为全息成像技术，为了满足其空间采样率以及雷达口径的要求，目前常用方案主要有机械合成孔径方案，即将多个雷达呈一维排列，电机驱动雷达阵列沿垂直方向做直线运动或圆周运动，例如门式毫米波安检仪以及圆柱式毫米波安检仪。其缺点在于机械传动的使用导致检测效率降低，平均单次扫描耗时过长；且机械机构的运动精度以及抖动会带来空间采样的误差，在高频段时尤其明显；其次机械传动结构会带来使用寿命以及维护的各种问题，设备灵活度很低，搬运难度大；最后，哪怕采用机械机构，一维雷达阵的造价仍然非常高昂，而且需要多个数据通道传输各个雷达的数据，这也是目前毫米波安检设备成本居高不下，没有大面积普及的原因。第二种常用方案是平铺式雷达阵列方案，即在一维雷达阵列的基础上，在垂直方向继续平铺雷达单元，直到整个扫描平面被雷达覆盖，此方案是电控扫描因此扫描速度最快，完全可以达到高人流量使用需求，但是二维平面平铺雷达单元，会导致硬件成本几何倍数的增加，以及数据采集难度的几何倍数增加，无法进行大面积推广。

发明内容

本发明目的是针对现有技术中存在的硬件成本高、采样效率低、设备灵活度低，无法进行大面积商业应用的问题，提供一种结构简单、易于批量生产制作的微波成像装置，能在最大限度降低硬件成本的同时保留最高的采样速度，即电扫速度。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种微波成像装置，包括：发射源、引导腔体和透射屏；

所述发射源用于主动发射电磁波，以及接收反射回来的电磁波，以及根据回波信号进行图像重构；

所述透射屏包括若干基本透射单元；所述基本透射单元包括单个屏发射天线、单个屏接收天线、单个电控开关和单个隔离电阻；所述屏接收天线依次连接电控开关和隔离电阻；透射屏的接收面正对发射源，透射屏的发射面正对待测物体；

所述引导腔用于连接发射源和透射屏，使发射源和透射屏中间的电磁波通路处于密封环境。

进一步的，所述发射源至少包含一个源发射天线、一个源接收天线和一个射频处理***；

所述源发射天线用于发射电磁波；

所述源接收天线用于接收反射回来的电磁波；

所述射频处理***用于对接收到的回波信号进行修正处理，得到最终的回波数据，以及，基于回波数据进行图像重建。

进一步的，

根据发射源到各基本透射单元的距离计算相位因子：

根据相位因子结合接收到的回波信号得到修正后的回波信号：

其中，

为修正后的回波信号，S_correct为相位因子，S为接收到的回波信号，σ为振幅项，θ为相位项，m表示在x轴上的第m个基本透射单元，n表示在y轴上第n个基本透射单元，N表示横向/纵向基本透射单元个数，(x_m,y_n)表示基本透射单元x轴和y轴坐标。

进一步的，若干屏发射天线均匀分布形成屏发射天线阵列；若干屏接收天线均匀分布形成屏接收天线阵列；

所述屏发射天线和屏接收天线一一对应；

所述屏发射天线阵列构成透射屏的发射面；

所述屏接收天线阵列构成透射屏的接收面。

进一步的，所述电控开关和隔离电阻位于屏发射天线阵列和屏接收天线阵列之间。

进一步的，若干基本透射单元呈网格状平铺排列构成透射屏。

进一步的，所述引导腔体内部表面采用吸波材料。

进一步的，所述屏发射天线横向间距与纵向间距小于λ/4，λ为发射源发射的电磁波长。

进一步的，预先编写程序控制电控开关的通断顺序，或者采用逻辑电路/光敏电路作为电控开关；

控制每次只有一个电控开关处于开启状态。

进一步的，所述发射源只有一个源发射天线和一个源接收天线时，发射源位于透射屏中央位置；

所述发射源有多组源发射天线和源接收天线时，每组源发射天线和源接收天线用于辐射透射屏不同的区域。

本发明的有益效果为：

本发明引入由天线对、电控开关、隔离电阻构成的透射屏当成采样平面，电控开关控制每个透射单元的通断，通断逻辑由程序控制从而达到电扫描的效果，同一时间只有一个单元处于通过状态并向外辐射，因此每个透射单元可以等效为一个在采样平面上的雷达，最后引入适当的相位修正因子，即可得到采样平面(即透射屏)的回波数据，用于之后的成像算法。基于此，本发明通过透射屏等效雷达阵列，大大降低了硬件成本，将源的数量降至一；透射屏各单元的通断由电控开关控制，可以达到最高的理论扫描速度；由于等效采样平面的存在，不需要对各个采样点设计数据处理硬件模块，只需对发射源进行数据操作，极大降低数据处理的软件难度与硬件难度；每个透射单元结构简单，***整体结构灵活，易于生产与商业应用。

附图说明

图1是本发明的微波成像装置结构图；

图2是本发明实施例1中成像目标为角反射器空间坐标示意图；

图3是本发明实施例2中成像目标为字母C空间坐标示意图；

图4是利用MATLAB软件仿真实施例1的最终成像图；

图5是利用MATLAB软件仿真实施例2的最终成像图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种微波成像装置，参见图1，包括：发射源1、引导腔体2和透射屏3。

发射源1用于主动发射电磁波，以及接收反射回来的电磁波。发射源至少包含一个源发射天线4、一个源接收天线5和一个射频处理***6。

源发射天线用于发射电磁波；

源接收天线用于接收反射回来的电磁波；

射频处理***用于对接收到的回波信号进行修正处理，得到最终的回波数据，以及进行图像重建。

透射屏3由天线阵列组成，屏发射天线7和屏接收天线8均匀分布在屏的两侧且一一对应，构成透射屏的发射面9和接收面10，接收面10正对发射源1，发射面9正对待测物体11。

透射屏中间均匀排列电控开关12和隔离电阻13，用于控制透射屏的工作逻辑，单个屏发射天线、单个屏接收天线、单个电控开关和单个隔离电阻构成一个基本透射单元14，屏接收天线8依次连接电控开关12和隔离电阻13。所有基本透射单元呈网格状平铺排列构成透射屏。

引导腔体用于连接发射源和透射屏，使发射源和透射屏中间的电磁波通路处于密封环境。引导腔体内部表面一般由吸波材料组成，以带来较小的传播损耗、增加传播效率；有时可采用光滑表面，以带来较小的反射，避免腔体反射干扰。

工作时，电磁波从源发射天线辐射并通过引导腔后到达透射屏，被接收面的所有基本透射单元吸收。若基本透射单元内电控开关处于开启状态，电磁波经另一侧的屏发射天线发射向待测物体；若电控开关处于闭合状态，电磁波经电控开关被隔离电阻吸收。电磁波依次从发射源经引导腔和透射屏到达待测物体的过程称为发射过程，电磁波从待测物体衰减反射原路返回至发射源的过程称为接收过程，两个过程是完全相同的过程，唯一区别是电磁波传播方向相反。一次发射过程与接收过程称为一次完整采样过程。在一次完整采样过程中，透射屏只存在一个基本透射单元处于开启状态，其余单元全部关闭，保证同一时间只能有一个位置在进行采样。待一次采样结束后，发射源记录下接收到的回波信号，一次采样结束。紧接着透射屏内开启的基本透射单元切换至另一个，下一次采样过程开始。当透射屏内所有基本透射单元依次开启并工作完成后，整个***工作完成，发射源得到所有回波数据。

本发明实施例中，电控开关由控制程序控制，用于控制电磁波是否可以穿过基本透射单元到达另一侧进行辐射，或者无法穿过并传入隔离电阻损耗吸收。预先编写程序控制电控开关的通断顺序从而达到电扫描的效果。电控开关不局限于电信号控制，任何形式的开关如光电感应开关等都可以达到类似效果。

本发明实施例中，透射屏由基本透射单元构成。依据奈奎斯特空间采样定律，采样间隔满足Δx≤λ/4(λ为发射源发射的电磁波长)时就可以满足无混叠采样，因此位于发射面的屏发射天线横向间距与纵向间距理论最大值为λ/4，任意大于λ/4的排列间距都有可能造成混叠的发生，需要采取适当的欠采样混叠消除技术。

本发明实施例中，由于发射源并不位于采样平面(即透射屏)，因此回波数据存在一定的相位差，需要引入相位修正因子。

假设接收信号为：

其中，σ为振幅项通常在近场中被忽略，θ为相位项，m表示在横向x轴上的第m个基本透射单元，n表示在纵向y轴上第n个基本透射单元，N表示横向基本透射单元个数，(x_m,y_n)表示基本透射单元x轴和y轴坐标。

根据发射源1到达各基本透射单元的距离R_mn计算可得相位因子：

最终回波数据：

在进行相位修正后，所有基本透射单元即可等效为发射源，所得回波数据就可等效为采样平面的平面回波数据，用于以后的图像重建算法，例如BPA算法以及波数域算法。最终仿真结果说明，此方案理想状态下完全有效。

优选的，本发明实施例中，发射源1并不局限于单发单收***，也可以使用多发多收***。当使用单发单收***时，发射源位于透射屏中央位置，辐射面积覆盖整个透射屏；当使用多发多收***时，不同的发射源用于辐射透射屏不同的区域，用于增加***工作效率，降低对于天线波束宽度的要求。

实施例1：

本实施测试信号设置为中心频率60GHz的宽带信号，采样率为5MHz。

如图2所示，本实施例的基本透射单元数量为400*400，呈均匀网格排布，横向与纵向间隔采用四分之一波长Δx＝1.2mm。发射源位于透射屏正中间，距离透射屏250mm处。待测物体为理想角反射器(即理想反射点)，物***于另一侧相同位置，距离透射屏z′＝150mm。电控开关控制同一时间只有一个透射单元处于通过状态，并依次往后递推。

电磁波从发射源射出后通过基本透射单元T_1,1到达角反射器表面，反射后通过基本透射单元T_1,1被发射源接收，一次采样结束，与此同时，其他159999个透射单元均处于关闭状态，吸收所有接收到的电磁波。然后驱动程序控制T_1,1关闭，T_1,2打开并重复上述过程，直到T_400，400工作完成，所有回波数据接收完毕并保存为矩阵S(m,n)m,n＝1，2，3,...,400。计算发射源到所有透射单元的物理距离 R(m,n)，得到相位修正因子

最终修正后的回波数据

本实施例采用波数域算法对图像进行重建，收发器的响应是角反射器反射率乘以该点的往返相位

其中(x,y,z)为角反射器坐标且为未知状态，k为电磁波波数k＝2π/λ，

为角反射器反射损耗(理想状态下为1)，透射屏各单元的传播损耗近似相等为 L。将球面波分解为平面波的叠加，结合傅里叶变化，可以解出：

其中k_x,k_y对应透射单元空间波数，k_x,k_y∈[-2k,2k]，从而最终解出待探测物体二维反射率形成图像。三维反射率原理相同，只是在频带上延伸一个维度。

最终利用Matlab软件进行仿真，最终重建图像如图4所示，可以看到目标点被精确还原。

实施例2：

本实施测试信号设置为中心频率72GHz的宽带信号，带宽为4GHz，频率呈线性变化，变化率为 63×10¹²Hz/s，采样率为5MHz。

如图3所示，本实施例的透射单元数量为400*400，呈均匀网格排布，横向与纵向间隔采用理论最小值四分之一波长Δx＝1mm。发射源位于透射屏正中间，距离透射屏250mm处。待测物体为多个理想角反射器(即理想反射点)构成的平面，呈现字母C的样式，整个待测物体平面位于另一侧相同位置，距离透射屏z′＝150mm。电控开关控制同一时间只有一个透射单元处于通过状态，并依次往后递推。所有回波数据接收完毕并保存为矩阵S(m,n)m,n＝1，2，3,...,400。计算发射源到所有透射单元的物理距离R(m,n)，得到相位修正因子

最终修正后的回波数据

其中(x,y,z)为角反射器各点坐标且为未知状态，k为电磁波波数k＝2π/λ，

为角反射器反射损耗，透射屏各单元的传播损耗近似相等为L。将球面波分解为平面波的叠加，结合傅里叶变化，可以解出：

其中k_x,k_y对应透射单元空间波数，k_x,k_y∈[-2k,2k]，从而最终解出待探测物体二维反射率形成图像。

最终利用Matlab软件进行仿真，最终重建图像如图5所示，可以看到字母C被精确还原，证明在不同载频情况下图像都能很好被重建，只是分辨率会存在差异。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。