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专利名称：一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及毫米波成像技术领域，特别是涉及ー种阵列天线弧形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、军事探測、毫米波合成孔径雷达成像，远距离探測地面、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，可以进行大規模低成本应用。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，本实用新型提供了ー种阵列天线弧形扫描的毫米波成像装置，其包括天线阵列圆盘支架、伺服控制�？�、电机、频率合成模块、发射�？椤�2个发射天线阵列、2个接收天线阵列、接收�？椤⑿藕糯�理�？楹拖钥啬？椋�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；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O到M度顺时针旋转，100 < M < 170度；电机用于通过皮带轮带动该中心轴旋转；频率合成�？橛糜诓�生基准时钟并将其发送给信号处理�？�、和接收信号处理�？榈目刂泼�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�？楹徒�射频本阵信号发送给接收�？椋环⑸淠？橛糜诙岳醋云德屎铣赡？榈目泶�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，每ー个发射天线阵列有N个天线単元，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彡N彡256 ;[0013]接收天线阵列，用于接收回波信号，每ー个接收天线阵列有N个天线単元，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彡N彡256 ;接收�？橛糜诙越邮盏降幕夭ㄐ藕沤�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�？橛糜诓�生指示频率合成�？椴�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�？椋幌钥啬？橛糜诮�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�？楹托藕糯�理�？槭淙牍ぷ鲄⑹�和发出控制指令。其中每ー个发射天线阵列和每ー个接收天线阵列形成一対，用螺钉形式将其固定在天线阵列圆盘的边缘上，其中每ー组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是O. 5-5cm，该2组发射天线阵列和接收天线阵列对以相对且在一条直线上的方式安装在天线阵列圆盘的边缘两端，每个天线阵列以竖直方式固定在天线阵列圆盘的边缘上，每ー组发射天线阵列和接收天线阵列对是等长的。其中发射和接收天线単元是微带天线、波导缝隙天线、偶极子或者喇叭ロ天线，发射和接收天线単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Ν=208个，两个天线单元之间间隔大小为ー个波长入。该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I. 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IlOGHz之间，基准时钟为60MHz。该信号处理�？榘�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�？榈墓獾缱�换器。其中显控�？槭且惶ù�有显示屏幕的计算机。每ー组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是1cm。本实用新型的阵列天线弧形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I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。
图I是本实用新型的阵列天线弧形扫描的毫米波成像装置的结构立体示意图；图2是本实用新型的天线阵列形式的示意图；图3是本实用新型的阵列天线弧形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。[0030]其中I-交流伺服电机，2-电机驱动器，3-电源适配器，4-減速器，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。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作详细描述。本实用新型的阵列天线弧形扫描的毫米波成像装置包括2个发射天线阵列、2个接收天线阵列、天线阵列圆盘支架、发射�？�、接收�？�、伺服控制�？椤⒌缁�、频率合成�？椤⑿藕糯�理�？楹拖钥啬？椋黄渲兴欧�控制�？橛糜诳刂频缁�的驱动轴以ー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，以使其可以正反旋转100度，或者100度-170度之间的任意角度，如140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O. 5-2米之间。电机通过皮带轮带动该中心轴旋转。在天线阵列圆盘的边缘以螺钉形式固定2组发射天线阵列和接收天线阵列对，其中每ー组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是O. 5-5cm，优选间隔是2cm，更优选间隔是1cm。该2组发射天线阵列和接收天线阵列对以相对且在一条直线上的方式安装在天线阵列圆盘的边缘两端，每个天线阵列是以竖直方式固定在圆盘的边缘上，如图I所示。另外，每ー组发射天线阵列和接收天线阵列对是等长的。发射天线阵列用于辐射射频信号，发射天线阵列有N个天线単元，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ー个波长入。接收天线阵列用于接收射频回波信号，接收天线阵列有N个天线単元，每个天线単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ー个波长λ 0发射和接收天线単元的形式有多种，可以是微带天线、波导缝隙天线、偶极子以及喇叭ロ天线等。发射和接收天线単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�？橛糜诙岳醋云德屎铣赡？榈目泶�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�？橛糜诙越邮盏降纳淦祷夭ㄐ藕沤�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�？橛糜诓�生基准时钟并将其发送给信号处理�？�、和接收信号处理�？榈目刂泼�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�？楹徒�射频本阵信号发送给接收�？椤Ｆ浒�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I. 2GHz，脉宽τ为lOus。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IlOGHz之间。基准时钟为60MHz。信号处理�？橛糜诓�生指示频率合成�？椴�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�？�。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。显控�？橛糜诮�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�？楹托藕糯�理模块输入工作參数和发出控制指令。例如，该显控�？榭梢允且惶ù�有显示屏幕的计算机。下面介绍ー下本实用新型的阵列天线弧形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�？榻�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ー种正弦曲线的速率转动，从而带动天线阵列圆盘支架旋转，并且伺服控制�？榭刂坪蜏y量天线阵列圆盘支架的旋转角度，使其从O到140度正向(顺时针)旋转，在此过程中，频率合成�？椴�生基准时钟并将其发送给信号处理�？椋�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�？椋�该发射�？榻�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�？榻邮盏交�准时钟后产生ー个工作时序，由此控制发射和接收天线阵列的N个天线単元中的第i (I ^N)个发射和接收通道开启和其余的发射和接收通道关断，由发射天线阵列的第i个天线単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个天线単元接收到该射频回波信号并将其发送给接收�？椋�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�？橹械穆瞬ㄆ鞫跃�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�？橹械母咚倌Ｊ�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O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O. 2-1度。优选地，天线阵列圆盘支架每旋转O. 5度，天线阵列扫描一次目标物体，当然也可以是每旋转I度扫描一次。当天线阵列圆盘支架旋转到140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�？�。该显控模块将毫米波三维图像显示在屏幕上。另夕卜，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�？楹托藕糯�理�？槭淙斯ぷ鲄⑹�和发出控制指令。上述工作过程完成了对ー个目标物体的三维成像，此时天线阵列圆盘支架正向旋转140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120、160度或170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140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ー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。采用本实用新型的阵列天线弧形扫描的毫米波成像装置的优点 (I)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)该成像装置为全相參体制，有利于回波信号的相參积累，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I秒，特别适用于安全检查领域。
权利要求1.ー种阵列天线弧形扫描的毫米波成像装置，其包括天线阵列圆盘支架、伺服控制�？�、电机、频率合成�？�、发射�？�、2个发射天线阵列、2个接收天线阵列、接收�？�、信号处理�？楹拖钥啬？椋�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； 伺服控制�？橛糜诳刂频缁�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O到M度顺时针旋转，100 < M < 170度； 电机用于通过皮带轮带动该中心轴旋转； 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�？榈目刂泼�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�？楹徒�射频本阵信号发送给接收�？椋� 发射�？橛糜诙岳醋云德屎铣赡？榈目泶�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，每ー个发射天线阵列有N个天线単元，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 く N彡256 ; 接收天线阵列，用于接收回波信号，每ー个接收天线阵列有N个天线単元，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 く N彡256 ; 接收�？橛糜诙越邮盏降幕夭ㄐ藕沤�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�？椋� 显控�？橛糜诮�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�？楹托藕糯�理模块输入工作參数和发出控制指令。
2.根据权利要求I的毫米波成像装置，其中每ー个发射天线阵列和每ー个接收天线阵列形成一対，用螺钉形式将其固定在天线阵列圆盘的边缘上，其中每ー组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是O. 5-5cm，该2组发射天线阵列和接收天线阵列对以相对且在一条直线上的方式安装在天线阵列圆盘的边缘两端，每个天线阵列以竖直方式固定在天线阵列圆盘的边缘上，每ー组发射天线阵列和接收天线阵列对是等长的。
3.根据权利要求I的毫米波成像装置，其中发射和接收天线単元是微带天线、波导缝隙天线、偶极子或者喇叭ロ天线，发射和接收天线単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I的毫米波成像装置，其中Ν=208个，两个天线单元之间间隔大小为ー个波长入。
5.根据权利要求I的毫米波成像装置，其中频率合成�？榘�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I. 2GHz，脉宽τ为lOus，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IlOGHz之间，基准时钟为60MHz。
6.根据权利要求I的毫米波成像装置，其中信号处理�？榘�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�？榈墓獾缱�换器。
7.根据权利要求I的毫米波成像装置，其中显控�？槭且惶ù�有显示屏幕的计算机。
8.根据权利要求2的毫米波成像装置，其中每ー组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是1cm。
专利摘要本实用新型涉及一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像装置，其包括天线阵列圆盘支架、伺服控制�？�、电机、频率合成�？�、发射�？�、发射天线阵列、接收天线阵列、接收模块、信号处理�？楹拖钥啬？椋�其中伺服控制�？榭刂频缁�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，100≤M≤170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�？�。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。
文档编号G01S13/89GK202453498SQ20112057158
公开日2012年9月26日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者张永旸, 张炳煌, 张远航, 陈晔 申请人:北京华航无线电测量研究所