CN113206388B - 基于相位调制有源频率选择表面的成像***及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相位调制有源频率选择表面的成像***及其成像方法。包括有源频率选择表面、发射接收天线、相位控制***、射频收发***、发射和接收功分网络，其中单个有源频率选择表面是由可独立编程调相单元均匀间隔排列组成的二维表面，对空间馈电的电磁波具有带通滤波特性，添加变容管针对空间馈电电磁波的相位进行随机二进制相位调制。本发明既用于对发射天线产生的入射场进行随机调制，也对成像目标产生的散射场进行随机调制，实现对成像区域的随机照射与散射回波的随机接收，降低了不同随机模式下测量之间的冗余，有利于提高成像质量，具有硬件成本低，集成度高，操作简单，成像快速，口径可扩展等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像***和成像方法，尤其是涉及了一种基于相位调制有源频率选择表面的成像***及其成像方法。
背景技术
微波、毫米波和太赫兹成像在过去几十年中得到了广泛的研究，其应用场景包括安检，医学成像，地理探测，穿墙成像等。近年来，随着恐怖袭击事件的增多，大规模安检设备在机场、车站、商场等公共场合的需求不断增加，而微波对衣物具有良好的穿透性，并且不会对人体产生伤害，十分适合于安检***。国内外的研究者也在不断探索低成本、高分辨率的微波安检成像***。
传统的微波成像***采用相控阵或者合成孔径雷达进行波束扫描成像，其成本较高，功耗较大。近年来，压缩感知理论的提出为微波成像开辟了新的道路。利用成像场景的稀疏性，使用随时间变化的随机波束对场景信息进行采样，大大降低了不同样本之间的相关性，通过对测量到的样本信息进行反演就能提取出目标的表面散射特性分布。相比于传统的波束合成扫描成像，基于随机波束的成像方法只需要单个射频通道，具有硬件成本低，成像速度快的优势。目前主要有两种结构可用于随机波束的产生：频率多样性天线与可编程相控阵天线。频率多样性天线往往需要宽带的频谱来产生足够多的随机模式，浪费频谱资源；而可编程相控阵天线可以通过对每一个单元的相位状态进行随机编码控制，在单个频率下就可以产生多个随机模式，具有频谱效率高的优点。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公布了一种基于相位调制有源频率选择表面的成像***及其成像方法，其中有源频率选择表面对空间馈电的电磁波具有带通滤波特性，通过在其单元结构中添加变容管，实现对穿过该表面电磁波的相位调制，相比于传统的相控阵天线，不需要使用大量的移相器与功分器，控制电路简单且硬件成本低。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于相位调制有源频率选择表面的成像***：
成像***由N个数量可扩展、具有相位调制能力、通过空间电磁波照射馈电的有源频率选择表面、N/2个发射天线和N/2个接收天线、一个用于有源频率选择表面相位控制的相位控制***、一个具备传输散射参数(S21)测量功能的射频收发***以及一个用于连接发射天线的端口和射频收发***中发射通道端口的发射功分网络、一个用于连接接收天线的端口和射频收发***中接收通道端口的接收功分网络组成；N为偶数。
N个有源频率选择表面按照间隔阵列排布构成了有源频率选择表面阵列，每个有源频率选择表面正对布置有一个天线；所有发射天线均经发射功分网络和射频收发***的发射通道端口连接，所有接收天线均经接收功分网络和射频收发***的接收通道端口连接；有源频率选择表面阵列和相位控制***连接。发射功分网络和接收功分网络均经各自的公共端口与射频收发***连接。
所有所述的有源频率选择表面平均分为发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面的两类，发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面在有源频率选择表面阵列中交替布置，使得每个发射型有源频率选择表面周围均为接收型有源频率选择表面，且每个接收型有源频率选择表面的周围均为发射型有源频率选择表面；每个发射型有源频率选择表面正对布置有一个发射天线；每个接收型有源频率选择表面正对布置有一个接收天线，使得N/2个发射型有源频率选择表面分别和N/2个发射天线正对朝向布置，N/2个接收型有源频率选择表面分别和N/2个接收天线正对朝向布置。发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面结构相同。
具体实施还包括主控制芯片(MCU)和计算机(PC)，所述的射频收发***和相位控制***均与MCU连接，MCU和PC连接。
所述单个有源频率选择表面均由Ns个调相单元组成，各个调相单元周期性阵列排布，相邻调相单元之间的排列间距大于等于二分之一波长。
所述的N个有源频率选择表面置于面向成像区域的一个平面上，或者置于一个围绕成像区域的封闭或非封闭曲面上。
所述有源频率选择表面的工作频率根据所需的成像分辨率选取微波、毫米波或太赫兹频段。
每个有源频率选择表面内的调相单元的总数量Ns和有源频率选择表面的总数量N由成像区域中成像目标的几何尺寸和所需的成像分辨率确定，确保有源频率表面辐射的电磁波有效覆盖成像区域，测量次数M等于成像区域包含的像素点个数。
每个调相单元根据图4中的二阶带通滤波器结构设计，包括三层金属层与两层介质层，三层金属层与两层介质层交替层叠布置，每相邻两层金属层之间布置有一个介质层，介质层采用介质基板；三层金属片分为上、中、下三层金属层，上金属层和下金属层结构相同，均包括两片间隔放置的金属贴片，两片金属贴片形成缝隙，缝隙中放置一个变容管，两片金属贴片之间通过变容管电连接，用于模拟图中的可变电容Cv；中金属层的外边缘形状尺寸和介质层的外边缘形状尺寸相同，中金属层的中部设置四个阵列间隔排布的矩形镂空结构，具体是通过在一块完整的金属上蚀刻掉四个相同大小的矩形而形成，用于模拟图中的电感L；上金属层、介质层、中金属层共同组成了平行平板传输线，其等效电路为图中的并联电容CTL与串联电感LTL。下金属层为上金属层的镜像，金属片的尺寸以及变容管的偏置电压与上金属层完全相同。
上金属层和下金属层中的其中一片金属贴片上连接一个导线，通过导线对变容管施加直流偏置电压。
所述的上金属层和下金属层中同侧的金属贴片之间通过过孔电相连，同属变容管相同电极，过孔贯穿过两层介质层和中金属层。
二、一种基于相位调制有源频率选择表面的成像方法，所述成像***进行测量时，方法采用以下步骤：
1)射频收发***的发射通道发出电磁波通过发射功分网络的公共端口馈入发射功分网络，再通过发射功分网络的输出端口馈入N/2个发射天线；
N/2个有源频率选择表面工作于发射模式而形成发射型有源频率选择表面，N/2个发射天线将从发射功分网络的输出端口馈入的电磁波发射并照射到发射型有源频率选择表面上，电磁波穿过发射型有源频率选择表面前，对所有调相单元进行随机相位调制，使得发射型有源频率选择表面中各个调相单元的传输相位随机分布，电磁波穿过发射型有源频率选择表面产生的随机波束照射成像区域；
2)余下的N/2个有源频率选择表面工作于接收模式而形成接收型有源频率选择表面，由成像区域内的成像目标散射的电磁波照射到接收型有源频率选择表面上，电磁波穿过接收型有源频率选择表面前，对上述表面所有调相单元进行随机相位调制，使得接收型有源频率选择表面中各个调相单元的传输相位随机分布；
3)穿过接收型有源频率选择表面的电磁波即为经过了两次随机相位调制后的电磁波，被N/2个接收天线接收，并分别进入接收功分网络的N/2个输入端口，经过接收功分网络进行功率合成后，由接收功分网络的公共端口进入射频收发***的接收通道；
4)进入射频收发***的接收通道的信号，与步骤1)中射频收发***的发射通道发射的信号相除，得到成像***在单次随机相位调制下的传输散射参数S21，完成一次测量；
5)采用不同的随机调相模式，重复上述步骤1)～4)进行M次测量，每次重复步骤时均对发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面重新施加随机相位调制，使得每次重复步骤1)～4)中的发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面各自的各个调相单元所具有的随机相位分布不同，得到M个传输散射参数S21，进而组成测量矩阵，将测量矩阵和事先通过校准测量得到的成像***传输矩阵进行乘法运算，完成被测目标的成像。
对所述的具有相位调制功能的调相单元进行二进制调相以实现随机相位分布：
在具有二阶带通滤波特性的有源频率选择表面的调相单元中加入了变容管，通过导线对变容管施加、切换二进制直流电压，对每个调相单元的传输相位进行控制，实现空间馈电条件下针对有源频率选择表面传输相位的二进制调相。在二进制调相中，所导致的传输相位的二进制变化大于零度、小于360度。相位控制***产生的二进制直流电压，施加到导线上，进而施加到变容管上。
每个有源频率选择表面的相位控制由一个相位控制***实现，方法是：
对于每一个有源频率选择表面，设置多个串-并转换器，一个串-并转换器包含多路并行输出端口，可以连接控制多个调相单元，多个串-并转换器级联在一起，由MCU控制，输出的二进制直流电压，通过导线施加到每个调相单元的变容管上；串-并转换器输出的二进制直流电压分为高电压和低电压的两种，对应变容管的两种等效电容值，进一步对应二进制相位调制的两种相位状态，实现针对每个调相单元的独立相位调制。
具体实施中，首先，根据所有调相单元的总数量N×Ns，利用随机数函数生成长度为N×Ns的二进制随机数组，以二进制随机数组中的数字0和1分别对应两个串-并转换器输出的二进制直流电压，通过将上述串-并转换器电压分别偏置到每个有源频率选择表面的所有调相单元，即可实现一次针对所有有源频率选择表面及其所有调相单元的二进制相位调制。
具体实施中，成像过程由随机相位调制完全相同的两次测量过程组成，第一次测量过程为***校准测量，目的是获得成像***的传输矩阵；第二次测量过程为成像测量，对于已经完成***校准测量的成像***，只需要进行成像测量。
所述的***校准测量，实现步骤为：
S1、首先将一个具有已知散射特性分布的待成像目标置于成像区域内，重复步骤1)～4)进行M次测量，使得发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面均对穿过自身的电磁波进行M次不同的随机相位调制，射频收发***对应测量获得M个传输散射参数S21，所有M个传输散射参数S21形成一个M×1的参考测量矩阵；
S2、使用多种已知散射特性分布的待成像目标重复实施步骤S1，并且每次重复实施时发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面采用和步骤S1处理时相同的随机相位调制，获得多个与待成像目标各自对应的参考测量矩阵；
S3、将上述获得的多个参考测量矩阵与对应的待成像目标的散射特性分布作为训练数据集，使用机器学习的方法，训练出参考测量矩阵到待成像目标散射特性分布之间的映射关系，作为成像***的传输矩阵，完成校准测量。
所述的成像测量，实现步骤为：
将未知散射特性分布的待测成像目标置于成像区域内，有源频率选择表面使用与校准测量中相同的随机相位调制，获得待测成像目标的M×1的测量矩阵；
将上述获得待测成像目标的测量矩阵与成像***的传输矩阵相乘，得到成像目标的散射特性分布，完成对目标物体的成像。
所述的具备传输散射参数S21测量功能的射频收发***可由仪器实现(如矢量网络分析仪等)，也可以由接收通道和发射通道相位同步的射频电路实现。
本发明中单个有源频率选择表面是由可独立编程调相单元均匀间隔排列组成的二维表面，对空间馈电的电磁波具有带通滤波特性，通过在单元结构中添加变容管，使之具备针对空间馈电电磁波的相位进行随机二进制调制的能力。该有源频率选择表面既可用于对发射天线产生的入射场进行随机调制，也可对成像目标产生的散射场进行随机调制，实现对成像区域的随机照射与散射回波的随机接收，进一步降低了不同随机模式下采集到的样本之间的相关性，有利于减少采样次数与成像时间。
本发明的有益效果是：
对于传统的相控阵天线，一般阵列中的每一个天线都需要单独的移相控制与馈源，对于一个大规模阵列，需要使用大量的移相器与功分器，不仅硬件成本高昂，控制电路也十分复杂；而使用本发明所述的有源频率选择表面，通过对每一个调相单元施加不同的直流偏置电压即可对空间馈电的电磁波进行调相，不需要使用大量的移相器与功分器，并且有源频率频率选择表面可由PCB工艺制作，硬件成本低，控制电路简单，功耗小。
使用本发明有源频率选择表面，能够同时对照射成像区域的电磁波和成像目标散射的电磁波进行随机相位调制，获得完全随机的测量，大大降低了不同随机模式下的测量之间的冗余，有利于提高成像质量。
基于相位调制有源频率选择表面的成像***可根据成像目标的尺寸和所需的分辨率，方便地进行***口径的扩展，***灵活性高，应用场景丰富。
本发明成像***具有硬件成本低、集成度高、操作简单、成像快速、口径可扩展等优点，适合用于机场、车站、商城等公共场所的安检。
附图说明
图1是本发明的成像***示意图。
图2是典型二阶耦合带通滤波器结构。
图3是典型二阶耦合带通滤波器结构加载可变电容后传输相位和幅度的调制结果。
图4是实际实施调相单元参考的二阶耦合带通滤波器结构。
图5是本发明实施例中使用的调相单元多层PCB结构。
图6是本发明实施例的单个有源频率选择表面。
图7是本发明实施例基于相位调制有源频率选择表面的成像***硬件电路框图。
图8是不同时刻经过发射型有源频率选择表面随机调制后在成像区域内的辐射场。
图9是本发明实施例的实验成像结果图。
图中：1.有源频率选择表面阵列，2.发射型有源频率选择表面，3.接收型有源频率选择表面，4.发射天线，5.接收天线，6.成像区域，7.成像目标，8.上、下金属层，9.导线，10.变容管，11.缝隙，12.过孔，13.介质层，14.中金属层，15.矩形镂空结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细描述本发明的一种实施过程。
具体实施如图1所示，成像区域6位于xoy平面，N个有源频率选择表面置于平行于成像区域的一个平面上，N/2个发射天线4和N/2个接收天线5分别正对布置于N/2个发射型有源频率选择表面2和N/2个接收型有源频率选择表面3的之后，其中单个有源频率选择表面包含Ns个单元。N/2个发射天线4将从发射功分网络的输出端口馈入的电磁波发射并照射到发射型有源频率选择表面2上，电磁波穿过发射型有源频率选择表面2前，对上述表面所有调相单元进行随机相位调制，使得发射型有源频率选择表面2中各个调相单元的传输相位随机分布，电磁波穿过发射型有源频率选择表面2产生的随机波束照射成像区域6；入射的随机波束与成像目标7之间相互作用产生散射电磁波，散射的电磁波照射到N/2接收型有源频率选择表面3上，电磁波穿过接收型有源频率选择表面3前，对上述表面所有调相单元进行随机相位调制，使得接收型有源频率选择表面3中各个调相单元的传输相位随机分布。经过了两次随机相位调制并且携带成像区域散射特性分布的电磁波最终被接收天线接收并进入射频收发***的接收通道，与射频收发***的发射通道发射的信号相除，得到成像***在单次随机相位调制下的传输散射参数S21，完成一次测量。
具体实施过程中，发射型有源频率选择表面2和接收型有源频率选择表面3需要进行M次不同的随机相位调制，完成对成像区域的M次测量，其中测量次数M等于成像区域内包含的像素点个数。
在成像过程中，定义发射型有源频率选择表面上的第i个调相单元坐标为ri(xi,yi,zi)，接收型有源频率选择表面上的第j个调相单元坐标为rj(xj,yij,zj)，为了计算方便，将成像平面划分为N′个网格，其中第k个网格的坐标定义为r′k(xk,yk,zk)。不失一般性，将发射天线照射到发射型有源频率选择表面上第i个调相单元的场定义为Einc(ri)，对于第m次调制，不考虑调相单元之间的互耦，穿过接收型有源频率选择表面第j个调相单元、经过了两次随机相位调制的场可以表示为：
其中
和
分别是发射型有源频率选择表面第i个调相单元和接收型有源频率选择表面第j个调相单元由二进制数据控制的随机相位，取值为
或
SRO(rj,r′k)表示成像区域第k个网格与接收型有源频率选择表面第j个调相单元之间的传输系数，同理，SOT(r′k,ri)表示发射型有源频率选择表面第i个调相单元与成像区域第k个网格之间的传输系数，f(r′k)表示第k个网格的表面反射率，上述经过了两次随机相位调制的场最终会被接收天线接收，并且进入射频收发***与发射信号相除，得到一次传输散射系数S21的测量。
对于所有的M次测量，最终得到的成像模型为：
g＝Hf
其中g表示大小为M×1的测量矩阵，H表示大小为M×N′的感知矩阵，其中H矩阵的第(m，k)个元素对应在第m次测量时，成像区域内仅在第k个像素点处存在点散射体时测到的S21，f表示大小为N′×1的成像区域内的散射特性分布。对上述关系式进行直接求解是基于随机波束成像的一般方法，成像原理就是基于此关系反演出成像区域内的散射特性分布，即f，常用的算法包括最小二乘法、匹配滤波器法、伪求逆、两步迭代收缩阈值算法(TwIST)等。
使用上述成像模型需要提前获取H矩阵，常用的方法是采用近场扫描或点散射体校准的方法，逐点测量或计算成像区域内每一个像素点处的传输散射系数，然而随着成像区域尺寸的增大，H矩阵的尺寸也会相应增大，校准测量的时间、反演计算的时间和存储要求都会迅速增加。因此，为了避免对H矩阵的计算，将成像算法直接应用于测量矩阵g，本发明结合深度学习的方法来完成校准测量。
上述***校准测量的实现步骤为：
S1、首先将一个具有已知散射特性分布的待成像目标置于成像区域内，发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面均对穿过自身的电磁波进行M次不同的随机相位调制，射频收发***对应测量获得M个传输散射参数S21，所有M个传输散射参数S21形成一个M×1的参考测量矩阵；
S2、使用多种已知散射特性分布的待成像目标重复实施步骤S1，并且每次重复实施时发射型有源频率选择表面和接收型有源频率选择表面采用和步骤S1处理时相同的随机相位调制，获得多个与待成像目标各自对应的参考测量矩阵；
S3、将上述获得的多个参考测量矩阵与对应的待成像目标的散射特性分布作为训练数据集，使用机器学习的方法，训练出参考测量矩阵到待成像目标散射特性分布之间的映射关系，作为成像***的传输矩阵，完成校准测量。
完成***校准测量之后，就可进行成像测量了，具体步骤如下：
(1)将未知散射特性分布的待测成像目标置于成像区域内，有源频率选择表面使用与校准测量中相同的随机相位调制，获得待测成像目标的M×1的测量矩阵；
(2)将上述获得待测成像目标的测量矩阵与成像***的传输矩阵相乘，得到成像目标的散射特性分布，完成对目标物体的成像。
具体实施的有源频率选择表面的调相单元是根据二阶带通滤波器理论设计的，如图2所示，为典型的二阶耦合谐振带通滤波器结构，通过调节可变电容Cv的值，即可改变滤波器的通带，实现在单个频率处的调相，对于二阶带通滤波器，可以在***损耗为3dB以内，实现180°的相位调制。为了进一步说明二阶带通滤波器的二进制相位调制原理，假设带通滤波器结构中的Z0＝377Ω，L＝0.38nH，Lm＝1.9nH，仿真得到二阶带通滤波器的传输特性如图3所示，当可变电容Cv的值从0.1097pF变化到0.1681pF时，滤波器的通带往低频移动，在24GHz处具有180度的调相能力，并且两个传输相位状态下的传输损耗相同，均为-2dB，由此可见，基于带通滤波器结构进行调相是可行的，只要切换变容管的两个等效电容值，即可实现二进制相位调制，并且可以实现较高的能量传输效率。
图2所示电路结构通过变换可以得到图4所示的更适合于PCB工艺制作的结构，一种具体的实施结构如图5所示，单个调相单元包括三层金属层与两层介质层，三层金属层与两层介质层13交替层叠布置，每相邻两层金属层之间布置有一个介质层，介质层采用介质基板；三层金属片分为上、中、下三层金属层，上层的金属层8和下层的金属层8结构相同，均包括两片间隔放置的金属贴片，两片金属贴片形成缝隙11，缝隙11中放置一个变容管10，两片金属贴片之间通过变容管10电连接，用于模拟图4中的可变电容Cv；中金属层14的外边缘形状尺寸和介质层的外边缘形状尺寸相同，中金属层14的中部设置四个阵列间隔排布的矩形镂空结构15，具体是通过在一块完整的金属上蚀刻掉四个相同大小的矩形而形成，用于模拟图4中的电感L；上层的金属层8、介质层13、中金属层14共同组成了平行平板传输线，其等效电路为图4中的并联电容CTL与串联电感LTL。下金属层为上金属层的镜像，金属片的尺寸以及变容管的偏置电压与上金属层完全相同。
上层的金属层8和下层的金属层8中的其中一片金属贴片上连接一个导线9，通过导线9对变容管10施加直流偏置电压。
上层的金属层8和下层的金属层8中同侧的金属贴片之间通过过孔12电相连，同属变容管的相同电极，过孔12贯穿过两层介质层13和中金属层14。应当理解的是，这只是一个示意，调相单元的结构可以根据所需的工作频率和调相要求来进行设计，可以采用的可调器件与金属结构并不局限于此。
为了进一步说明基于相位调制有源频率选择表面的成像***工作原理，现提供一实例来说明。
如图6所示，单个有源频率选择表面包括10×10＝100个单元，单元之间的间距为λ/2,其中λ为自由空间中的波长，工作频率为24Ghz，每一个单元包含两个变容管，型号为MAVR-011020-11411，当其反偏电压为0V-20V时，等效电容的变化范围为0.025pF-0.19pF，每一个单元均有一条单独的直流偏置电路，为变容管提供偏置电压。一共使用4个有源频率选择表面，其中两个作为发射型有源频率选择表面2，其后放置发射天线4，另外两个作为接收型有源频率选择表面3，其后放置接收天线5，将所有有源频率选择表面放置在平行于成像区域的一个平面上，应当理解的是，这只是一个示意，单个有源频率选择表面包含的单元数量与所用的有源频率选择表面数量可以根据成像区域的尺寸灵活调整，有源频率选择表面可以置于面向成像区域的一个平面上，也可以置于一个围绕成像区域的封闭或非封闭曲面上。
在硬件电路实现中，如图7所示，主要包括有源频率选择表面的相位控制***、射频收发***、发射功分网络与接收功分网络。
其中相位控制***的具体实施为：设置多个级联的串-并转换器，如Analog公司的32通道串-并转换器HMC504LC4B，一个串-并转换器可以连接控制32个调相单元，对于具有4×100＝400个调相单元的有源频率选择表面阵列，至少需要13个串-并转换器，所有串-并转换器级联在一起，由MCU控制，并在其并行输出端输出二进制直流电压，通过导线9施加到每个调相单元的变容管10上；串-并转换器输出的二进制直流电压分为高电压和低电压的两种，其中高、低电压的具体值可以通过一个简单的电阻分压电路控制，对应变容管的两种等效电容值，进一步对应二进制相位调制的两种相位状态，实现针对每个调相单元的独立相位调制。
如图8所示，为不同时刻下，发射天线产生的场经过发射型有源频率选择表面进行不同的随机二进制相位调制后，照射在成像区域内的场，可以看到，只要对有源频率选择表面进行不同的随机二进制相位调制，就可以实现在单个频率下产生多个具有随机特性的辐射场。
在本实施例中，24GHz射频收发***的设计主要基于一个单片毫米波集成电路，型号为BGT24MTR11，其发射端产生的24GHz载波，经过放大器放大后进入发射功分网络，进一步馈入发射天线，并照射发射型有源频率选择表面，经过该表面随机相位调制的电磁波照射到成像区域内，与成像目标相互作用产生的散射场经过接收型有源频率选择表面进行随机调制后，由放置在接收型有源频率选择表面后端的接收天线接收。上述接收到的电磁波进入接收功分网络，经过该网络功率合成后进入，由接收功分网络的公共端进入射频收发***的接收通道，经过放大之后，与射频收发***的发射信号相除，解调出I/Q两路数据，由MCU读取并将数据传输到电脑进行处理，得出单次测量的S21参数。为了提高***的集成度与降低剖面，发射天线与接收天线均采用贴片天线，发射功分网络与接收功分网络均采用简单的微带二分网络，整个***高度集成，不需要借助昂贵的测试仪器，如矢量网络分析仪，就可以完成对***的校准测量与成像测量。
图9为不同目标的成像结果，整个成像平面大小为8λ×8λ，一共划分为8×8＝64个网格，其中λ＝12.5mm，为24GHz对应的自由空间中波长，一共采用了64种不同的随机调相模式对成像平面进行了采样。可以看到成像区域内的散射特性分布被准确地恢复，所有原始目标的位置和形状都可以被清晰地分辨出来，证明了所述***的有效性。
由上述实施例可见，本发明公开了一种基于有源频率选择表面的成像***及其成像方法。根据二阶带通滤波器结构设计的有源频率选择表面调相单元可以对空间馈电的电磁波实现相位调制，通过二进制数据控制即可使有源频率选择表面所有单元具有随机相位分布，进而产生随机波束，不需要使用大量的移相器与功分器，电路结构简单，硬件成本低，易于操作。利用此结构，可以方便地根据成像目标的尺寸，对成像***的口径进行扩展，***灵活性高，应用场景丰富。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围之内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于相位调制有源频率选择表面的成像***，其特征在于：由N个数量可扩展、具有相位调制能力、通过空间电磁波照射馈电的有源频率选择表面、N/2个发射天线和N/2个接收天线、一个用于有源频率选择表面相位控制的相位控制***、一个具备传输散射参数测量功能的射频收发***以及一个用于连接发射天线的端口和射频收发***中发射通道端口的发射功分网络、一个用于连接接收天线的端口和射频收发***中接收通道端口的接收功分网络组成；N个有源频率选择表面按照阵列排布构成了有源频率选择表面阵列(1)，每个有源频率选择表面正对布置有一个天线；发射天线(4)均经发射功分网络和射频收发***的发射通道端口连接，接收天线(5)均经接收功分网络和射频收发***的接收通道端口连接；有源频率选择表面阵列和相位控制***连接；
所有所述的有源频率选择表面平均分为发射型有源频率选择表面(2)和接收型有源频率选择表面(3)的两类，发射型有源频率选择表面(2)和接收型有源频率选择表面(3)在有源频率选择表面阵列(1)中交替布置；每个发射型有源频率选择表面(2)正对布置有一个发射天线(4)；每个接收型有源频率选择表面(3)正对布置有一个接收天线(5)；
所述每个有源频率选择表面均由Ns个调相单元组成，各个调相单元周期性阵列排布，相邻调相单元之间的排列间距大于等于二分之一波长；
每个调相单元包括三层金属层与两层介质层，三层金属层与两层介质层交替层叠布置，每相邻两层金属层之间布置有一个介质层；三层金属片分为上、中、下三层金属层，上金属层(8)和下金属层(8)结构相同，均包括两片间隔放置的金属贴片，两片金属贴片形成缝隙(11)，缝隙(11)中放置一个变容管(10)，两片金属贴片之间通过变容管(10)电连接；中金属层(14)的中部设置四个阵列间隔排布的矩形镂空结构(15)；上金属层(8)和下金属层(8)中的其中一片金属贴片上连接一个导线(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位调制有源频率选择表面的成像***，其特征在于：所述的射频收发***和相位控制***均与MCU连接，MCU和PC连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位调制有源频率选择表面的成像***，其特征在于：所述的N个有源频率选择表面置于面向成像区域的一个平面上，或者置于一个围绕成像区域的封闭或非封闭曲面上。
4.应用于权利要求1-3任一所述***的一种基于相位调制有源频率选择表面的成像方法，其特征在于：方法采用以下步骤：
1)射频收发***的发射通道发出电磁波通过发射功分网络的公共端口馈入发射功分网络，再通过发射功分网络的输出端口馈入N/2个发射天线；
N/2个有源频率选择表面工作于发射模式而形成发射型有源频率选择表面(2)，N/2个发射天线(4)将从发射功分网络的输出端口馈入的电磁波发射并照射到发射型有源频率选择表面(2)上，电磁波穿过发射型有源频率选择表面(2)前，对所有调相单元进行随机相位调制，使得发射型有源频率选择表面(2)中各个调相单元的传输相位随机分布，电磁波穿过发射型有源频率选择表面(2)产生的随机波束照射成像区域(6)；
2)余下的N/2个有源频率选择表面工作于接收模式而形成接收型有源频率选择表面(3)，由成像区域(6)内的成像目标(7)散射的电磁波照射到接收型有源频率选择表面(3)上，电磁波穿过接收型有源频率选择表面(3)前，对上述表面所有调相单元进行随机相位调制，使得接收型有源频率选择表面(3)中各个调相单元的传输相位随机分布；
3)穿过接收型有源频率选择表面(3)的电磁波，被N/2个接收天线接收，并分别进入接收功分网络的N/2个输入端口，经过接收功分网络进行功率合成后，由接收功分网络的公共端口进入射频收发***的接收通道；
4)进入射频收发***的接收通道的信号，与射频收发***的发射通道发射的信号相除，得到成像***在单次随机相位调制下的传输散射参数S21，完成一次测量；
5)重复上述步骤1)～4)进行M次测量，每次重复步骤时均对发射型有源频率选择表面(2)和接收型有源频率选择表面(3)重新施加随机相位调制，得到M个传输散射参数S21，进而组成测量矩阵，将测量矩阵和成像***传输矩阵进行乘法运算，完成被测目标的成像。
5.根据权利要求4所述的一种基于相位调制有源频率选择表面的成像方法，其特征在于：对所述的调相单元进行二进制调相以实现随机相位分布：
通过导线(9)对变容管(10)施加、切换二进制直流电压，对每个调相单元的传输相位进行控制，实现空间馈电条件下针对有源频率选择表面传输相位的随机二进制调相。
6.根据权利要求4所述的一种基于相位调制有源频率选择表面的成像方法，其特征在于：每个有源频率选择表面的相位控制由一个相位控制***实现，方法是：对于每一个有源频率选择表面，设置多个串-并转换器，一个串-并转换器包含多路并行输出端口，连接控制多个调相单元，多个串-并转换器级联在一起，由MCU控制，输出的二进制直流电压，通过导线(9)施加到每个调相单元的变容管(10)上；串-并转换器输出的二进制直流电压分为高电压和低电压的两种，对应变容管的两种等效电容值，实现针对每个调相单元的独立相位调制。
7.根据权利要求4所述的一种基于相位调制有源频率选择表面的成像方法，其特征在于：所述的***校准测量，实现步骤为：
S1、首先将一个具有已知散射特性分布的待成像目标置于成像区域(6)内，重复步骤1)～4)进行M次测量，使得发射型有源频率选择表面(2)和接收型有源频率选择表面(3)均对穿过自身的电磁波进行M次随机相位调制，射频收发***对应测量获得M个传输散射参数S21，所有M个传输散射参数S21形成一个M×1的参考测量矩阵；
S2、使用多种已知散射特性分布的待成像目标重复实施步骤S1，并且每次重复实施时发射型有源频率选择表面(2)和接收型有源频率选择表面(3)采用和步骤S1处理时相同的随机相位调制，获得多个与待成像目标各自对应的参考测量矩阵；
S3、将上述获得的多个参考测量矩阵与对应的待成像目标的散射特性分布作为训练数据集，使用机器学习的方法，训练出参考测量矩阵到待成像目标散射特性分布之间的映射关系，作为成像***的传输矩阵。
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