专利名称：基于旋转天线阵列的微波三维成像方法
技术领域：
本发明涉及微波成像技术领域，特别是一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方 法，通过旋转天线阵列获取观测目标的三维微波图像。
背景技术：
基于旋转天线阵列的微波三维成像方法能够实现对近距离观测目标的三维分辨 成像，获取观测目标的微波三维图像，进而获取观测目标的三维微波散射特性、表面信息和 形体数据。该方法不仅可以用于人体表面信息及三维形体数据获�。夷芄挥糜诶状锬� 标诊断，获取目标的三维空间散射特性分布信息。与可见光、红外和X射线等技术相比，在 人体表面信息及三维形体数据获取方面，微波具有穿透衣物等重要优势，同时采用非电离 辐射，且功率低，不对人体造成伤害。在雷达目标诊断方面，微波三维成像是进行高精度目 标诊断的重要发展趋势，由于常规的微波暗室数据获取时间长，很难在短时间(< I分钟) 内进行数据的获�。虼耍枰恢挚焖俚奈⒉ㄈ上裣低辰惺莼袢 �
美国专利(专利号5557283, “Real-time Wideband Holographic Surveillance System”，1996)描述了一种用于人体安全检测的成像系统，但该系统采用一个线性天线阵 列沿直线运动进行数据获�。恍藕欧⑸淠？橹械男藕挪捎醚箍卣竦雌鳎诳焖傩藕� 产生中，信号频率的精度受到限制，此外，该系统也只采用步进扫频连续波信号；天线阵列 采用线性天线阵列；成像处理主要采用针对线性天线阵列沿直线运动形成平面合成孔径的 二维成像算法。
美国专利(专利号5859609, “Real-time Wideband Cylindrical Holographic Surveillance System”, 1999)描述了一种用于人体安全检测的成像系统,该系统采用一 个线性天线阵列沿圆周运动进行数据获�。恍藕欧⑸淠？橹械男藕挪捎醚箍卣竦雌鳎� 但在快速信号产生中，信号频率的精度受到限制，此外，该系统也只采用步进扫频连续波信 号；信号接收采用差频；天线阵列采用线性天线阵列；成像处理主要采用针对线性天线阵 列沿圆周运动形成柱面合成孔径的三维成像算法。
欧洲专利(专利号EP 0925517B1, “Real-time Wideband Cylindrical Holographic Surveillance System”, 2001)针对线性天线阵列沿圆周运动形成柱面合 成孔径的三维成像算法以及图像连续显示进行了描述。美国专利(专利号6507309B2， “Interrogation of an Object for Dimensional and Topographical Information，，， 2003)针对人体体型测量描述了一种成像系统，其基本组成和实现方法同美国专利 5859609类似。系统通过发射和接收200MHz至ITHz的电磁波信号获取目标表面信息，而且 采用一组或多组线性天线阵列围绕目标进行旋转的方式获取数据，获取目标不同视角的信 肩、O
美国专利(专利号67O3964B2,“Interrogation of an Object for Dimensional and Topographical Information”, 2004)在美国专利6507309B2的基础上描述了如何进行 人体形体数据获取和对比。首先对待检测人体进行微波照射，获取其形体数据，然后将该形体数据与已有的信息进行对比，并针对一种或多种特征进行分析，判断这些特征是否相符入口 ο
美国专利(专利号2006/0066469Al, “Three-Dimensional Surface/Contour Processing Based on Electromagnetic Radiation Interrogation，，，2006)针对数据获取和如何进行表示观测目标表面的形体进行了描述。该发明通过发射和接收电磁波信号，获得观测目标的三维图像数据；建立目标表面的点云信息描述；并对部分或全部目标点的点云描述进行曲线拟合处理，从而获得观测目标局部或整体的三维图像。
文献“谭维贤，林赞，洪文，王彦平，吴一戎.基于圆柱几何的人体微波三维成像处理算法研究，2008年第十届全国雷达学术年会.”针对线性天线阵列沿圆周运动形成柱面合成孔径的成像算法开展了计算机仿真实验，给出了相应的成像处理步骤，但尚未涉及系统组成及数据获取方式。
上述专利和文章主要针对阵元线性排列的天线阵列沿直线/圆周运动形成平面/ 柱面合成孔径的数据获取获取系统进行了成像处理方法及其后续处理描述，而对于阵元曲线排列的天线阵列沿圆周运动形成曲面合成孔径尚未涉及；信号发射�？橹械男藕挪饕捎醚箍卣竦雌鞯姆绞剑形床捎弥苯邮制德屎铣傻姆绞剑虼似淦档憔鹊停⑹奔渎怀上翊砩形瓷婕坝肭婧铣煽拙断碌某上袼惴ǎ疑形凑攵苑⑸湫藕盼髌盗ê偷髌德龀宓那榭�。基于旋转天线阵列的微波三维成像方法不仅可以采用阵元线性排列的天线阵列沿圆周运动，而且可以采用阵元非直线排列的天线阵列沿圆周运动；信号发射�？橹胁捎弥苯邮制德屎铣傻姆绞剑⑸湫藕趴梢晕ㄆ盗�、调频连续波或调频脉冲信号；信号接收采用零中频进行接收；成像处理中既能处理针对线性天线阵列沿圆周运动形成柱面合成孔径或球面合成孔径时的数据，也能处理非线性天线阵列沿圆周运动形成曲面合成孔径时的数据。
现有的微波三维成像系统数据获取和成像处理方法存在下列问题
以采用线性天线阵列运动为主，数据获取方式有限；
发射信号频率的精度受限，信号形式单一，且数据获取效率不高；
成像处理单一，不能处理非直线或非圆周运动的三维成像数据；
不能够处理非线性天线阵列沿圆周运动所获取的三维成像数据。发明内容
本发明的目的是给出一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，以解决现有技术存在的问题，其天线阵列可以曲线排列，也可以直线排列，信号形式不限于扫频连续波信号，且成像处理方法能够适用于不同工作模式。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是
一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其包括步骤
步骤S1:系统初始化，操作员通过计算机初始化系统工作状态，并确认系统组成部分能够工作正常，包括初始化信号发射�？�、回波接收�？�、机械扫描�？�、天线阵列�？�、开关阵列�？�、模数转换�？�、数据处理�？楹拖允灸？椋舫跏蓟低痴＃蛑葱邢乱徊剑裨颍顺鱿低常�
步骤S2 :系统参数设置，操作员通过计算机设置数据采集参数，包括设置信号发射�？榈钠档闶托藕懦中奔�、设置机械扫描�？榈纳枋奔浜痛シ⑿藕欧⑸淠？榈拇问⑸柚每卣罅心？榈目厍谢皇毙�、数据处理�？榈某上翊聿问拖允灸？榈南允痉椒ǎ�
步骤S3 :启动机械扫描模块携带直线或曲线排布的天线阵列�？榻行保ü卣罅心？榭刂铺煜哒罅心？榉⑸涞绱挪ㄐ藕牛⒂尚藕沤邮漳？榻邮沾庸鄄饽勘攴瓷浠乩吹男藕牛�
步骤S4:成像数据采集，启动微波三维成像系统，通过局域网、串口或无线发送数据采集指令，完成数据采集，并通过局域网或串口将采集到的回波数据传输到数据处理�？椋�
步骤S5 :三维成像处理，将传输到数据处理�？榈氖萁腥上翊恚玫焦鄄饽勘甑娜赐枷袷荩⒋娲⒃诩扑慊才躺希�
步骤S6 :图像处理与显示，根据设定的显示方法，显示�？槎怨鄄饽勘甑娜赐枷袷萁邢允�。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述步骤S3，是指直线或曲线排布的天线阵列在机械扫描�？榈目刂葡陆兄行闹岫猿菩慕嵌却笥�0°，且小于等于360° ;中心轴对称旋转过程中，天线阵列旋转经过指定待扫描位置时，机械扫描�？榇シ⑿藕欧⑸淠？椋耸笨卣罅心？槁呒刂破骺刂频绱挪ㄐ藕啪煽卣罅心？楹吞煜哒罅兄械姆⑸涮煜哒笤⑸涑鋈ィ笨卣罅心？槁呒刂破骺刂频绱挪ㄐ藕啪煽卣罅心？楹吞煜哒罅兄械慕邮仗煜哒笤邮展鄄饽勘攴瓷浠乩吹男藕牛⒋渲列藕沤邮漳？�。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述步骤S5中，数 据处理�？槎曰夭ㄐ藕沤谐上翊恚玫焦鄄饽勘甑娜赐枷瘢街栉�
步骤S5-1 :确定待成像区域观测目标三维复图像的坐标系及其图像点数N ；
步骤S5-2
a)如果信号发射模块产生电磁波信号为调频脉冲信号，则对回波信号进行斜距向傅里叶变换，再进行斜距向O参考点匹配滤波，获得信号，其中，Κω = 2 π f/c为波数，f为信号的发射频率，c为光速忑为天线采集数据的位置坐标；
b)如果信号发射�？椴绱挪ㄐ藕盼ㄆ盗ㄐ藕牛夭ㄐ藕疟硎疚� E(KmJa)，直接进入步骤S5-3 ；
c)如果信号发射�？椴绱挪ㄐ藕盼髌盗ㄐ藕牛芯嗬胂蚰娓道镆侗浠唬⒔腥バ焙褪Ｓ嗍悠迪辔�(RVP)项补偿，补偿后的信号仍表示为进入步骤 S5-3 ；
步骤S5-3:产生对应于成像区域的第η (η < N)个坐标点&的滤波函数Ηω ；
将步骤S5-2的输出信号Z(KbA)与滤波函数H。相乘，沿Kw积分后，再沿&方向叠加，输出信号;
步骤S5-4 :重复步骤S5-3，对成像区域的所有坐标点进行成像处理，得到对观测目标成像后的三维复图像。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述步骤S5中，成像处理的步骤是在三维直角坐标系中进行，或在圆柱坐标系中进行，即所得到的三维复图像位于三维直角坐标系，或位于圆柱坐标系。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述步骤S6中，显示�？橄允� 观测目标的三维复图像的步骤为
步骤S6-1 :若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维投影 图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿波传播方向获取最大 值，而后将数据投影至二维平面，而后采用灰度或RGB显示；
步骤S6-2 :若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维剖面 图像，则设置需要实现的观测目标剖面，而后提取相应距离剖面上的数据，取数据的幅度 值，而后采用灰度或RGB显示；
步骤S6-3 :若三维复图像位于柱面坐标系，且需要显示观测目标的柱面投影图 像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿极径方向获取最大值，而 后将数据投影至指定半径的柱面上，而后采用灰度或RGB显示，或将数据转换到三维直角 坐标系中，按照步骤S6-1进行投影图像显示。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述信号发射模块产生电磁波 信号的频率，为IOOMHz到1000GHz，电磁波信号为扫频连续波信号、调频连续波信号或调频 脉冲信号其中之一，电磁波信号的带宽大于100MHz,且小于等于100GHz。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述模数转换�？榻瓷浠乩� 的信号转换为数字信号，量化位数为8bit、12bit或14bit，数字信号到数据处理�？榈拇� 输采用电缆、光缆或无线传输其中之一。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述信号发射�？�、回波接收 �？�、天线阵列模块、开关阵列模块和模数转换�？榈氖迪址绞接辛街�
a)通过微波组合连接信号发射�？�、回波接收�？�、天线阵列�？�、开关阵列模 块、模数转换�？橥瓿尚藕攀辗⒐δ埽�
b)采用数字化，天线阵列�？槊孔樘煜哒笤暮蠖肆有藕欧⑸�、回波接收、模数 转换�？椋纬墒只辗⒛？橥瓿尚藕攀辗⒐δ�。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述直线或曲线排布的天线阵 列�？橹械奶煜哒罅校涮煜叩刃辔恢行闹涞募涓粜∮谔煜哒笤卣罅蟹较虻某叽纾� 每个天线阵元性能一致，为喇机天线、微带天线、双极化天线或圆极化天线其中之一；开关 阵列�？橥ü辗⑼ǖ雷楹希迪痔煜哒罅心？槎喔龅刃辔恢行牡男纬�。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述数据处理�？椋扑慊� 和成像处理软件、DSP成像处理器或FPGA成像处理器其中之一。
所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其所述扫频连续波信号的产生方 式，包括采用压控振荡器(VCO)直接产生；采用高稳定高精度本振源经多次放大、倍频、滤 波后产生；采用基带脉冲信号经上变频的方式产生。
本发明方法的有益效果
采用的天线阵列不限于线性天线阵列，可以为圆形阵列天线，还可以为曲线天线 阵列，增加了系统获取数据的灵活性。
采用晶振、锁相环和DDS方式产生信号，频率准确度高，且速率高，每个频点的建 立时间可以达到ns级，能够提高数据获取的效率。
采用的三维成像处理方法，既能够对线性天线阵列和半圆形天线阵列运动所获取的数据进行精确地成像处理，还能对曲线天线阵列运动所获取的三维成像数据进行精确地成像处理。
本发明方法使用的系统结构更加灵活，每个�？楣δ苊魅罚缮郧浚乇鹗嵌蕴煜哒罅械墓剐兔挥邢拗�。
本发明方法通过直线或曲线的天线阵列，围绕观测目标进行旋转实现旋转曲面孔径，并在旋转曲面孔径上进行信号收发，从而可以更快速地获取观测目标的三维微波复图像(包含幅度和相位信息)，不仅可用于人体表面微波图像获取与安全检测、人体体型三维数据获取与量体裁衣，还能用于无损检测及雷达目标成像诊断等应用领域。
阅;
图2为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法使用的系统总体结构示意图3为本发明方法使用的旋转天线阵列微波三维成像系统机械结构示意图4为本发明基于旋转天线阵列的微波三维成像方法的数据处理步骤框图5为本发明基于旋转天线阵列的微波三维成像方法使用的信号发射�？榭蛲� 6为本发明基于旋转天线阵列的微波三维成像方法使用的回波接收�？榭蛲迹� 图7为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法实施例1 ;图8为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法实施例2 ；
图9为本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法实施例3。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明基于旋转天线阵列的微波三维成像方法中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明方法的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法所使用的系统由信号发射�？�、 机械扫描�？�、天线阵列�？�、回波接收�？�、开关阵列�？�、模数转换�？�、数据处理�？楹拖允灸？樽槌�。系统总体结构框图如图1所示，系统总体结构示意图如图2所示，机械扫描�？樾毕呋蚯吲挪嫉奶煜哒罅心？榻行笨刂瓶卣罅心？橥瓿汕婵拙兜暮铣桑⑼ü煜哒罅心？橄蚬鄄饪占渲蟹⑸涞绱挪ㄐ藕牛煌ü煜哒罅泻突夭ń邮漳？榻邮沾庸鄄饽勘攴瓷浠乩吹男藕牛üＪ荒？榻藕抛晃中藕牛渥魑嘤μ煜哒罅姓笤恢貌杉降幕夭ㄐ藕牛煌ü荽砟？槎曰夭ㄐ藕沤谐上翊恚玫焦鄄饽勘甑娜赐枷瘢煌ü允灸？橄允竟鄄饽勘甑娜赐枷瘛�
本发明的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法的流程如下，
步骤S1:系统初始化。操作员通过计算机初始化系统工作状态，并确认系统组成部分能够工作正常，包括初始化信号发射模块、回波接收�？�、机械扫描�？椤⑻煜哒罅心？�、开关阵列�？�、模数转换�？�、数据处理�？楹拖允灸？椋舫跏蓟低痴＃蛑葱邢乱徊剑裨颍顺鱿低常�
步骤S2 :系统参数设置。操作员通过计算机设置数据采集参数，包括设置信号发 射�？榈钠档闶�、频率范围、频率间隔和信号持续时间、设置机械扫描�？榈纳枋奔浜痛� 发信号发射模块的次数、设置开关阵列�？榈目厍谢皇毙�、数据处理�？榈某上翊聿� 数和显示�？榈南允痉椒ǎ�
步骤S3 :成像数据采集。启动微波三维成像系统，通过局域网、串口或无线方式向 机械扫描�？�、信号发射�？榧盎夭ń邮漳？榉⑺褪莶杉噶睿换瞪枘？榻邮盏街� 令后，围绕观测目标进行旋转扫描，并在特定的扫描位置处向信号收发�？榉⑺屯叫藕牛� 信号发射�？槭盏叫藕藕螅挤⑺偷绱挪ㄐ藕牛藕啪卣罅写涞礁鞲鎏煜哒笤� 开关阵列通过切换控制使电磁波信号依次通过各个天线阵元照射到观测目标区域；每个天 线阵元发射信号时，开关阵列通过切换控制使观测目标反射后的回波信号进入与发射天线 阵元相邻的天线阵元，即通过与发射天线阵元相邻的天线阵元接收回波信号；接收天线阵 元收到的回波信号通过开关阵列传输到回波接收�？橹校蝗缓蠡夭ń邮漳？榻夭ㄐ藕糯� 输到模数转换�？椋Ｊ荒？榻藕抛晃夭ㄊ荩⑼ü钟蛲虼诖涞绞� 据处理�？椋�
步骤S4 :三维成像处理。将传输到数据处理模块的数据进行三维成像处理，得到 观测目标的三维复图像数据，并存储在计算机硬盘上；
步骤S5 :图像处理与显示。根据设定的显示方法对三维复图像数据进行显示。
信号发射�？椴绱挪ㄐ藕诺钠德士梢晕狪OOMHz到1000GHz,电磁波信号可以 为扫频连续波信号、调频连续波信号或调频脉冲信号，电磁波信号的带宽大于100MHz，且小 于等于IOOGHz。
本发明的方法通过机械扫描�？樾毕呋蚯吲挪嫉奶煜哒罅心？榻行� 与此同时，通过开关阵列�？榭刂铺煜哒罅心？榉⑸涞绱挪ㄐ藕牛⒂尚藕沤邮漳？榻邮� 从观测目标反射回来的信号，是指直线或曲线排布的天线阵列在机械扫描�？榈目刂葡陆� 行中心轴对称旋转，旋转的角度大于0°，且小于等于360°，中心轴对称旋转过程中，天线 阵列旋转经过指定待扫描位置时，机械扫描�？榇シ⑿藕欧⑸淠？椋耸笨卣罅心？槁� 辑控制器控制电磁波信号经由开关阵列�？楹吞煜哒罅兄械姆⑸涮煜哒笤⑸涑鋈ィ� 开关阵列�？槁呒刂破骺刂频绱挪ㄐ藕啪煽卣罅心？楹吞煜哒罅兄械慕邮仗煜哒� 元接收观测目标反射回来的信号并传输至信号接收�？�。
机械扫描�？槿缤�3所示，由驱动器、支架、转盘和底层平台组成。第一种方案，驱 动器安装在支架上方，并驱动转盘旋转，转盘悬挂天线阵列，从而携带天线阵列一起围绕I 轴进行中心轴对称旋转，底层平台固定，用于放置观测目标；第二种方案，驱动器安装在底 层平台下方，转盘安装在转动器和底层平台之间，驱动器驱动转盘旋转，转盘上安装天线阵 列，从而携带天线阵列一起围绕y轴进行中心轴对称旋转，底层平台固定，用于放置观测目 标。
外部软件设定开关切换顺序，通过开关阵列�？槁呒刂破魍瓿啥钥卣罅心？� 的控制，完成天线阵列中不同阵元之间的收发组合。
模数转换�？榻瓷浠乩吹男藕抛晃中藕牛炕皇梢晕�8bit、12bit 或14bit，数据信号到数据处理�？榈拇洳捎玫缋�、光缆或无线。
本发明方法中数据处理模块对回波信号进行成像处理，得到观测目标的三维数据的步骤为
步骤S5-1 :确定待成像区域观测目标三维复图像的坐标系及其图像点数N。
步骤S5-2 :如果信号发射�？椴绱挪ㄐ藕盼髌德龀逍藕牛蚨曰夭ㄐ藕沤行本嘞蚋道镆侗浠唬缓蠼行本嘞騉参考点匹配滤波，获得信号￡(夂》Λ)，其表达式为
E(KaJa) = FT[￡c(i,ffl)].FT[^(0] ~(I)
其中，Κω = 2 π f/c为波数，f为信号的发射频率，c为光速，ξ为天线采集数据的位置坐标，符号FT表示傅里叶变换，尾^上)为发射信号是调频脉冲信号的情况下的回波信号，其表达式为
Ec(t, ra) = (ro)p(t -1R / c)dV⑵
t为快时间，p(t)为发射的调频脉冲信号，/(ξ)为观测目标区域的散射系数方程， 6 = (\，凡，&)为观测目标的位置坐标，符号/ vdV表示对观测目标区域进行体积积分，R为观测目标到天线的距离，表达式为
R = \ra ~ro\(3)
如果信号发射�？椴绱挪ㄐ藕盼ㄆ盗ㄐ藕牛夭ㄐ藕疟硎疚� E(KmJa)，直接进入步骤S5-3。
如果信号发射�？椴绱挪ㄐ藕盼髌盗ㄐ藕牛芯嗬胂蚰娓道镆侗浠唬⒔腥バ焙褪Ｓ嗍悠迪辔�(RVP)项补偿，补偿后的信号仍表示为进入步骤 S5-3。
步骤S5-3 :产生对应于成像区域的第η (η < N)个坐标点&的滤波函数Htl，其表达式为
H0 (ra) = εχρ(7'2^ \ra -f |)( 4 )
将步骤S5-2的输出信号Z(KbA)与滤波函数H。相乘，沿Kw积分后，再沿&方向叠加，输出信号SR)，其表达式为
S(Vn) = Yj] E(Ko,fa)xH0(fa)dKw(5)Γα Kw
步骤S5-4 :重复S5-3，对成像区域的所有坐标点进行成像处理，就可以得到对观测目标成像后的三维复图像。
以上成像处理的步骤如图4所示，该步骤可以在三维直角坐标系进行，也可以在圆柱坐标系中进行，即所得到的三维数据可以位于三维直角坐标系，也可以位于圆柱坐标系O
本发明方法中显示�？橄允竟鄄饽勘甑娜赐枷竦牟街栉�
步骤S6-1 :若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿波传播方向获取最大值，而后将数据投影至二维平面，而后采用灰度或RGB显示。
步骤S6-2 :若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维剖面图像，则设置需要实现的观测目标剖面，而后提取相应距离剖面上的数据，取数据的幅度值，而后采用灰度或RGB显示。
步骤S6-3 :若三维复图像位于柱面坐标系，且需要显示观测目标的柱面投影图 像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿极径方向获取最大值，而 后将数据投影至指定半径的柱面上，而后采用灰度或RGB显示，也可以将数据转换到三维 直角坐标系中，按照步骤S6-1进行投影图像显示。
本发明方法中，信号发射�？�、回波接收模块、天线阵列�？�、开关阵列模块和模 数转换模块的实现方式有两种，可以通过微波组合连接信号发射�？�、回波接收模块、天线 阵列模块、开关阵列�？楹湍Ｊ荒？橥瓿尚藕攀辗⒐δ埽灰部梢圆捎檬只煜哒罅� �？槊孔樘煜哒笤暮蠖肆有藕欧⑸�、回波接收和模数转换，形成数字化收发模块完成 信号收发功能。
本发明方法中，扫频连续波信号的产生有多种方式，可以采用压控振荡器(VCO) 直接产生；可以采用高稳定高精度本振源经多次放大、倍频、滤波后产生；可以采用基带脉 冲信号经上变频的方式产生。发射通道由内置本振源经多次放大、倍频、滤波后产生本振 信号，本振信号经过放大器和功分器后，一路输出经过可调衰减器和放大器发射出去，另一 路输出为两路接收通道提供本振信号，信号发射�？榭蛲既缤�5所示，其中锁相环(Phase Locking Loop, PLL)由高性能VCO与低噪声鉴相器以及高稳定度晶振等器件组成，直接 数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)时钟可达IGHz,其输出频率可达 400MHz，经6次倍频、滤波和放大后产生25. 6GHz的信号，具有自动扫频功能，每个频点的建 立时间可以达到ns级；接收天线阵列接收到的信号分别经过低噪声放大器、数控衰减器和 功率放大器与本振信号进行混频，产生两路正交的中频信号输出1、Q，回波接收�？榭蛲既� 图6所示，其中，本振信号与图5中的本振信号完全相同。
本发明方法中，直线或曲线排布的天线阵列�？橹械奶煜哒罅杏闪搅刑煜咦槌桑� 天线等效相位中心之间的间隔小于天线阵元沿阵列方向的尺寸，每个天线阵元性能一致， 可以为喇叭天线、微带天线、双极化天线或圆极化天线。天线阵列中阵元不同的排列方式决 定不同的旋转曲面孔径，如图3所示，天线阵元沿任意曲线形成天线阵列，在扫描时形成不 同的旋转曲面孔径，如图7所示；特殊地，当天线沿直线形成线性天线阵列时，旋转曲面孔 径为圆柱面，基于旋转天线阵列的微波三维成像系统构型如图8所示；当天线沿半圆形成 半圆形天线阵列或部分弧形天线阵列时，旋转曲面孔径为球面，基于旋转天线阵列的微波 三维成像系统构型如图9所示。
本发明方法中，开关阵列模块通过收发通道组合，实现天线阵列�？槎喔龅刃� 位中心的形成。开关阵列�？榭梢杂傻サ端�、单刀四掷或单刀八掷开关组成，可以进行信 号单发多收或多发多收，从而形成多个等效相位中心。
本发明方法中，数据处理�？榭梢晕扑慊统上翊砣砑�、DSP成像处理器或 FPGA成像处理器。
权利要求
1.一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，包括步骤 步骤S1:系统初始化，操作员通过计算机初始化系统工作状态，并确认系统组成部分能够工作正常，包括初始化信号发射模块、回波接收�？�、机械扫描�？�、天线阵列�？�、开关阵列�？�、模数转换�？�、数据处理�？楹拖允灸？椋舫跏蓟低痴＃蛑葱邢乱徊剑裨颍顺鱿低常� 步骤S2 :系统参数设置，操作员通过计算机设置数据采集参数，包括设置信号发射�？榈钠档闶托藕懦中奔�、设置机械扫描�？榈纳枋奔浜痛シ⑿藕欧⑸淠？榈拇问�、设置开关阵列�？榈目厍谢皇毙�、数据处理�？榈某上翊聿问拖允灸？榈南允痉椒�; 步骤S3:启动机械扫描�？樾毕呋蚯吲挪嫉奶煜哒罅心？榻行保ü卣罅心？榭刂铺煜哒罅心？榉⑸涞绱挪ㄐ藕牛⒂尚藕沤邮漳？榻邮沾庸鄄饽勘攴瓷浠乩吹男藕牛� 步骤S4 :成像数据采集，启动微波三维成像系统，通过局域网、串口或无线发送数据采集指令，完成数据采集，并通过局域网或串口将采集到的回波数据传输到数据处理模块； 步骤S5 :三维成像处理，将传输到数据处理�？榈氖萁腥上翊恚玫焦鄄饽勘甑娜赐枷袷荩⒋娲⒃诩扑慊才躺希� 步骤S6 :图像处理与显示，根据设定的显示方法，显示�？槎怨鄄饽勘甑娜赐枷袷萁邢允�。
2.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述步骤S3，是指直线或曲线排布的天线阵列在机械扫描�？榈目刂葡陆兄行闹岫猿菩慕嵌却笥�0°，且小于等于360° ;中心轴对称旋转过程中，天线阵列旋转经过指定待扫描位置时，机械扫描模块触发信号发射�？椋耸笨卣罅心？槁呒刂破骺刂频绱挪ㄐ藕啪煽卣罅心？楹吞煜哒罅兄械姆⑸涮煜哒笤⑸涑鋈ィ笨卣罅心？槁呒刂破骺刂频绱挪ㄐ藕啪煽卣罅心？楹吞煜哒罅兄械慕邮仗煜哒笤邮展鄄饽勘攴瓷浠乩吹男藕牛⒋渲列藕沤邮漳？�。
3.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述步骤S5中，数据处理�？槎曰夭ㄐ藕沤谐上翊恚玫焦鄄饽勘甑娜赐枷瘢街栉� 步骤S5-1 :确定待成像区域观测目标三维复图像的坐标系及其图像点数N ； 步骤S5-2 a)如果信号发射�？椴绱挪ㄐ藕盼髌德龀逍藕牛蚨曰夭ㄐ藕沤行本嘞蚋道镆侗浠唬俳行本嘞�0参考点匹配滤波,获得信号，其中，Ku = 2 31�/(；为波数,�为信号的发射频率，c为光速忑为天线采集数据的位置坐标； b)如果信号发射�？椴绱挪ㄐ藕盼ㄆ盗ㄐ藕牛夭ㄐ藕疟硎疚�(夂》忑)，直接进入步骤S5-3 ； c)如果信号发射�？椴绱挪ㄐ藕盼髌盗ㄐ藕牛芯嗬胂蚰娓道镆侗浠唬⒔腥バ焙褪Ｓ嗍悠迪辔幌畈钩ィ钩ズ蟮男藕湃员硎疚氩街鑃5-3 ； 步骤S5-3 :产生对应于成像区域的第n(n < N)个坐标点&的滤波函数Hu ； 将步骤S5-4的输出信号与滤波函数Htl相乘，沿Kw积分后，再沿&方向叠加，输出信号MO;步骤S5-5 :重复步骤S5-4，对成像区域的所有坐标点进行成像处理，得到对观测目标成像后的三维复图像。
4.根据权利要求2所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述步骤S5中，成像处理的步骤是在三维直角坐标系中进行，或在圆柱坐标系中进行，即所得到的三维复图像位于三维直角坐标系，或位于圆柱坐标系。
5.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述步骤S6中，显示�？橄允竟鄄饽勘甑娜赐枷竦牟街栉� 步骤S6-1 :若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿波传播方向获取最大值，而后将数据投影至二维平面，而后采用灰度或RGB显示； 步骤S6-2 :若三维复图像位于三维直角坐标系，且需要显示观测目标的二维剖面图像，则设置需要实现的观测目标剖面，而后提取相应距离剖面上的数据，取数据的幅度值，而后采用灰度或RGB显示； 步骤S6-3 :若三维复图像位于柱面坐标系，且需要显示观测目标的柱面投影图像，则设置需要显示的观测目标区域，取三维数据的幅度值，并沿极径方向获取最大值，而后将数据投影至指定半径的柱面上，而后采用灰度或RGB显示，或将数据转换到三维直角坐标系中，按照步骤S6-1进行投影图像显示。
6.根据权利要求1、2或3所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述信号发射�？椴绱挪ㄐ藕诺钠德剩狪OOMHz到1000GHz，电磁波信号为扫频连续波信号、调频连续波信号或调频脉冲信号其中之一，电磁波信号的带宽大于100MHz，且小于等于 IOOGHz。
7.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述模数转换�？榻瓷浠乩吹男藕抛晃中藕牛炕皇�8bit、12bit或14bit，数字信号到数据处理�？榈拇洳捎玫缋�、光缆或无线传输其中之一。
8.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述信号发射模块、回波接收�？�、天线阵列�？�、开关阵列�？楹湍Ｊ荒？榈氖迪址绞接辛街� a)通过微波组合连接信号发射�？�、回波接收�？�、天线阵列�？�、开关阵列模块、模数转换�？橥瓿尚藕攀辗⒐δ埽� b)采用数字化，天线阵列�？槊孔樘煜哒笤暮蠖肆有藕欧⑸�、回波接收、模数转换�？椋纬墒只辗⒛？橥瓿尚藕攀辗⒐δ�。
9.根据权利要求1或2所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述直线或曲线排布的天线阵列�？橹械奶煜哒罅校涮煜叩刃辔恢行闹涞募涓粜∮谔煜哒笤卣罅蟹较虻某叽纾扛鎏煜哒笤阅芤恢拢忍煜�、微带天线、双极化天线或圆极化天线其中之一；开关阵列�？橥ü辗⑼ǖ雷楹希迪痔煜哒罅心？槎喔龅刃辔恢行牡男纬�。
10.根据权利要求1所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述数据处理�？椋扑慊统上翊砣砑SP成像处理器或FPGA成像处理器其中之一。
11.根据权利要求6所述的基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，其特征在于，所述扫频连续波信号的产生方式，包括采用压控振荡器直接产生；采用高稳定高精度本振源经 多次放大、倍频、滤波后产生；采用基带脉冲信号经上变频的方式产生。
全文摘要
本发明公开了一种基于旋转天线阵列的微波三维成像方法，涉及微波成像技术，信号发射�？椴绱挪ㄐ藕牛换瞪枘？樾毕呋蚯吲挪嫉奶煜哒罅心？樾保卣罅心？榭刂铺煜哒罅心？榉⑸涞绱挪ㄐ藕牛苫夭ń邮漳？榻邮沾庸鄄饽勘攴瓷浠氐男藕牛荒Ｊ荒？榻瓷湫藕抛中藕牛魑嘤μ煜哒罅姓笤恢貌杉幕夭ㄊ荩挥墒荽砟？槎曰夭ㄊ萁谐上翊恚玫焦鄄饽勘耆赐枷瘢痪允灸？橄允竟鄄饽勘甑娜赐枷�。本发明的成像方法用于人体表面微波图像获取与安全检测、人体体型三维数据获取与量体裁衣、无损检测及雷达目标成像诊断等应用领域。
文档编号G01S13/89GK103018738SQ20111027928
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者洪文, 谭维贤, 乞耀龙, 王彦平, 吴一戎 申请人:中国科学院电子学研究所
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