CN112415622A - 一种基于弧形阵列的毫米波成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弧形阵列的毫米波成像系统，涉及毫米波成像技术领域。该方法的一具体实施方式包括毫米波收发机、主控器、弧线形收发天线阵列和运动平台。该实施方式弧线阵列在通道数较少、成本较低的情况下，通过一维运动，对目标物进行多个不同角度的三维立体成像；通过阵列形式创新实现腿部、肋部、胳膊等弧形部位的高质量成像，大大降低产品成本。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波成像技术领域，尤其涉及一种基于弧形阵列的 毫米波成像系统。
背景技术
目前针对多种场景、复杂环境下的安检需求提出了毫米波成像安 检。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题： 主动式毫米波安检系统全部采用线性天线阵列，若想实现对人体腿部、 肋部、胳膊等弧形部位的良好成像，线性天线阵列的运动轨迹必须要 进行特殊设计，如进行圆迹扫描运动，但是给系统结构带来较大的难 度，以及系统体积无法做到小型化。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种基于弧形阵列的毫米波成像系 统，至少能够解决现有天线阵列无法进行特殊设计的问题。
为实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基 于弧形阵列的毫米波成像系统，包括毫米波收发机、主控器、弧线形 收发天线阵列和运动平台，其中，
所述毫米波收发机，用于基于所述主控器下发的触发信号，产生 毫米波信号并传输至所述弧线形收发天线阵列进行处理，接收所述弧 线形收发天线阵列传输的毫米波回波信号并处理，得到数字中频信号 并发送至所述主控器进行处理；
所述弧线形收发天线阵列，用于处理所述毫米波收发器传输的毫 米波信号，得到所述毫米波回波信号；包括发射天线阵列和接收天线 阵列，所述发射天线阵列包括发射天线和电子开关，所述接收天线阵 列包括接收天线和电子开关，两者天线数量相等，且相邻发射天线/相 邻接收天线之间的弧长小于电磁波波长的一倍；
所述主控器，用于控制所述电子开关的选通时序逻辑，以及控制 所述运动平台的运动逻辑和下发触发信号给所述毫米波收发机，以及， 以及对接收自所述毫米波收发机的数字中频信号进行合成孔径雷达信 号处理，得到三维图像；
所述运动平台，用于承载所述毫米波收发机、所述主控器、所述 弧线形收发天线阵列，以基于所述主控器下发的控制指令使其一起上 下运动对目标物进行一次阵列采样。
可选的，相邻发射天线/相邻接收天线之间的弧长为电磁波波长的 0.5～1倍。
可选的，相邻发射天线/相邻接收天线之间的弧长为电磁波波长的 0.9倍。
可选的，弧线形采用圆弧形、椭圆弧形或双曲线弧形中的一种。
可选的，当采用圆弧形或椭圆弧形时，所述发射天线阵列和所述 接收天线阵列在水平方向沿弧线错开所述弧长的一半，在垂直方向上 的距离小于电磁波波长的5倍。
可选的，所述发射天线和所述接收天线为角锥喇叭天线、圆锥喇 叭天线、双模喇叭天线、贴片天线、微带阵列天线中的一种。
可选的，所述毫米波收发机包括毫米波发射机和毫米波接收机；
所述产生毫米波信号并传输至所述弧线形收发天线阵列进行处 理，接收所述弧线形收发天线阵列传输的毫米波回波信号并处理，得 到数字中频信号并发送至所述主控器进行处理，包括：
所述毫米波发射机，用于产生毫米波信号并传输至所述发射天线 阵列，由所述发射天线阵列的电子开关传输至一发射天线，以将所述 毫米波信号发射到空间中，所述毫米波信号经散射后被所述接收天线 接收到，经所述接收天线阵列的电子开关进行信号放大处理，得到毫 米波回波信号；
所述毫米波接收机，用于接收所述接收天线阵列传输的毫米波回 波信号，将所述毫米波回波信号下变频为中频信号并采样、滤波、数 字IQ处理，得到所述数字中频信号并发送至所述主控器进行处理。
可选的，所述控制所述运动平台的运动逻辑和下发触发信号给所 述毫米波收发机，包括：
所述主控器下发控制指令至所述运动平台，以控制所述运动平台 开始运动；
在所述运动平台运动的过程中，接收所述运动平台传输的脉冲信 号；其中，所述脉冲信号反应所述弧线形收发天线阵列的运动位置；
将所述脉冲信号转换为位置信息，并按照预设距离进行一次阵列 采样。
可选的，还包括：所述主控器根据所述预设距离和成像高度，设 定阵列采样次数阈值；以及在采样次数达到所述采样次数阈值，下发 控制指令至所述运动平台使其停止运动。
可选的，所述控制所述电子开关的选通时序逻辑，包括：在一个 选通时序逻辑中，一个发射天线在两个时序周期内分别对应两个相邻 接收天线。
根据本发明所述提供的方案，上述发明中的一个实施例具有如下 优点或有益效果：通过控制不同的发射和接收天线单元的工作时序， 配合弧线形收发天线阵列在垂直方向上进行直线扫描运动，形成弧面 等效采样点，从而完成对探测目标的二维扫描。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具 体实施方式加以说明。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是根据本发明实施例的一种基于弧形阵列的毫米波成像系统 的主要结构示意图；
图2是本发明实施例的一种弧线形收发天线阵列的主要结构示意 图；
图3是本发明实施例的另一种弧线形收发天线阵列的主要结构示 意图；
图4是本发明实施例的弧线形收发天线阵列的电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发 明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。 因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做 出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清 楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
本方案中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排 他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或 设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的 步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有 的其他步骤或模块。
参见图1，示出的是本发明实施例提供的一种基于弧形阵列的毫米 波成像系统100的主要结构示意图，其工作频率范围20GHz～40GHz。 通过控制不同的发射和接收天线单元的工作时序，配合阵列在垂直方 向上进行直线扫描运动，形成弧面等效采样点，从而完成对探测目标 的二维扫描，可以应用到安检成像、无损检测、医疗成像等领域。
毫米波成像系统100包括：毫米波收发机(包括毫米波发射机200、 毫米波接收机300)、主控器400、弧线形收发天线阵列(包括发射天 线阵列500、接收天线阵列600)、运动平台700。
1、毫米波收发机
1)毫米波发射机200，用于产生毫米波信号，通过电子开关传输 给发射天线阵列；由发射天线阵列500散射后传输至接收天线阵列600 进行处理；接收天线阵列600处理毫米波信号得到毫米波回波信号， 通过电子开关传输给毫米波接收机300。
2)毫米波接收机300，其内部将接收到的毫米波信号下变频为中 频信号，中频信号频率范围为DC～300MHz。毫米波接收机300对中频 信号进行采样，得到数字中频信号并传输至主控器400。
2、主控器400，下发触发信号给毫米波发射机200和毫米波接收 机300，控制电子开关的选通时序逻辑，以及控制运动平台匀速运动。
主控器400根据预设距离(如4mm)和成像高度2m(如假设目标 物的高度)，设定阵列采样次数为500次，控制系统进行阵列采样直 至完成所有500次采样。主控器400为对接收自毫米波接收机300的 数字中频信号进行合成孔径雷达信号处理，得到三维图像。
3、发射天线阵列500和接收天线阵列600，两者呈上下布局状， 其弧线形优选采用圆弧形、椭圆弧形或者双曲线弧形；
1)发射天线阵列500包括N个发射天线和N个电子开关，且发射 天线沿弧线均匀排列，相邻发射天线之间的弧长小于电磁波波长的一 倍，取值范围为0.5～1，优选采用0.9倍电磁波波长。
2)接收天线阵列600与发射天线阵列500对应，包括N个接收天 线和N个电子开关，且接收天线沿弧线均匀排列，相邻接收天线之间 的弧长小于电磁波波长的一倍，取值范围为0.5～1，优选采用0.9倍电 磁波波长。
参见图2所示，发射天线阵列500和接收天线阵列600呈圆弧形， 圆弧半径60cm，弧心角度90°，对应弧长98cm。弧形发射天线阵列 500包含96个发射天线T0、T1、T2……T95，弧形接收天线阵列600 中包含96个接收天线R0、R1、R2……R95。电子开关501、601分别 与96个发射天线、96个接收天线连接，控制每一个发射天线、接收天 线的工作状态。
发射天线阵列500和接收天线阵列600垂直方向距离小于5倍的 电磁波波长，水平方向沿弧线错开D/2(D为相邻发射天线/接收天线 之间的弧长)。如图2中96个发射天线/接收天线沿圆弧均匀排列，相 邻发射天线/接收天线之间的弧长为10mm，发射天线阵列500和接收 天线阵列600在水平方向沿圆弧错开4mm，在垂直方向间隔10mm。 此处发射天线与接收天线均采用角锥喇叭天线，实际操作中还可以采 用圆锥喇叭天线、双模喇叭天线、贴片天线、微带阵列天线中的一种。
参见图3所示，发射天线阵列500和接收天线阵列600呈圆椭圆 形。椭圆弧的长半轴为200mm，短半轴长90mm，96个发射天线沿椭 圆弧均匀排列，相邻发射天线之间的弧长10mm，96个接收天线椭圆 弧均匀排列，相邻发射天线之间的弧长为10mm。发射天线阵列500和 接收天线阵列600在水平方向沿椭圆弧错开4mm，在垂直方向间隔 10mm。
4、运动平台700，用于承载毫米波收发机、主控器400、发射天 线阵列500、接收天线阵列600，使其一起上下运动。
运动平台700通过其外围电路控制自身以1m/s匀速运动，运动平 台700发送脉冲信号给主控器400，主控器400按照脉冲信号的个数反 推出运动距离，每间隔4mm距离，进行一次阵列采样。参见图3所示， 主控器400根据预设距离(如4mm)和成像高度2m(假设目标物的高 度)，设定阵列采样次数为500次，控制系统进行阵列采样直至完成 所有500次采样，然后发送至主控器400进行数据处理成像。
实际操作中，主控器下400发控制指令至运动平台700，以控制运 动平台700开始运动；在运动平台700运动的过程中，接收运动平台 700传输的脉冲信号，将脉冲信号转换为位置信息，并按照预设距离(如 4mm)进行一次阵列采样；其中，脉冲信号对应弧线形收发天线阵列 的运动位置；
此处具体阐述一次阵列采样中系统所进行的流程操作(4mm触发 一次，每次包含2N-1个时序周期)，一次阵列采样包括以下4小步(设 定发射天线和接收天线的数量均为N)：
A：每一时序周期Pm(m≤2N-1)开始后，主控器400按照预先 设定的开关切换逻辑1，控制电子开关501、601打开特定发射天线Ti (i≤95)和接收天线Rj(j≤95)；
B：主控器400发送触发信号给毫米波发射机200和毫米波接收机 300。毫米波发射机200产生毫米波信号，传输至步骤A中打开的发射 天线Ti，毫米波信号被第i个发射天线Ti(i≤95)辐射出去；
C：第j个接收天线Rj(j≤95)处理发射天线Ti散射的信号，处 理得到毫米波回波信号并传输至毫米波接收机300；毫米波接收机300 将接收到的毫米波回波信号下变频为载波频率为100MHz的中频信号， 并对该中频信号进行采样、滤波、数字IQ处理，得到数字中频信号并 存储(整体参见图4所示，此处仅为示例)；
D：下一时序周期，按照开关切换逻辑表1重复步骤A～C，直至完 成所有的开关切换逻辑，即完成一次阵列采样。
表1开关切换逻辑表
如表1所示开关切换逻辑，在第一个时序周期内，电子开关501、 601分别控制发射天线T0、接收天线R0工作。因而其选通时序逻辑中， 一个发射天线在两个时序周期分别对应两个相邻接收天线，故时序周 期数量为2*96-1＝191。
本发明实施例所提供的系统，弧线阵列在通道数较少、成本较低 的情况下，通过一维运动，对目标物进行多个不同角度的三维立体成 像；通过阵列形式创新实现腿部、肋部、胳膊等弧形部位的高质量成 像，大大降低产品成本。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域 技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种 各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内 所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。