专利名称：一种被动毫米波焦平面成像装置的制作方法
技术领域：
本发明属于被动毫米波成像领域，具体涉及一种被动毫米波焦平面成像装置。
背景技术：
被动毫米波(Passive Millimeter-wave,P丽)成像系统具有全天时、全天候的工 作能力，并且因为不发射电磁波，具有很高的隐蔽性和抗干扰性，对人体安全，在反恐斗争、 场景监控、安全检查、军事侦察等领域具有广阔的应用前景。早期的被动毫米波成像系统由 于毫米波器件不成熟，都是采用单通道机械扫描结构，随着毫米波器件的不断进步以及被 动毫米波技术应用范围的日益扩大，这类系统的一个自然发展是采用多通道并行扫描以提 高数据率及成像速度，最终的目标是构建大型焦平面阵列凝视场景成像，即被动毫米波焦 平面成像系统。 被动毫米波焦平面成像与红外焦平面成像原理上类似，属于非相干的直接成像， 其原理是将多个接收单元以一定的阵列排列在聚焦天线的焦平面上，利用各馈源的偏焦不 同产生不同指向的波束覆盖视域，每一波束对应场景中的一个像点，相应接收单元的输出 信号即对应着该像点的亮度温度。 目前，被动毫米波焦平面成像系统在国外已走向样机阶段，如美国TRW空间与电 子设备集团已研制成功W波段焦平面PMMW实时成像仪，其系统频率为89GHz，空间分辨率 为O. 5度，视场角为15° X10° ，接收机阵列数量达到1040，图像像素数为26X40，接收机 采用单片集成匪IC的直接检波式接收机；Lockheed Martin公司的PMMW成像仪样机接收 天线采用卡塞格伦天线，水平方向线形排列34个接收机，垂直方向机械扫描，角分辨率为 0. 5° ，最终可获得34X44个像素，帧频为10Hz ;Millivision手持式PMMW扫描成像仪采用 可旋转镜片实现扫描成像，频率94GHz，视域26。 X26° ，空间分辨率5cm(1. 6m远处)，像 素数为26X40，帧频为10Hz。这些样机都采用基于非相干测量的常规被动毫米波焦平面成 像，即一个馈源输出对应一个像素，所形成的像素数有限，成像的分辨率还比较低。
发明内容
本发明提供一种被动毫米波焦平面成像装置，解决现有被动毫米波焦平面成像系 统存在的像素数有限、成像分辨率较低的问题，将相干成像和非相干成像进行有效结合，获 得比基于非相干测量技术的常规焦平面成像方法更多的像素，进而提高成像的分辨率。
本发明的一种被动毫米波焦平面成像装置，包括N个馈源和N路毫米波辐射 计通道，N个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，每路毫米波辐射计通道由 射频放大器、射频滤波器、混频器和模数转换器依次串联构成，N路毫米波辐射计通道 输出的N路中频数字信号Xi(n)送入计算机进行自相关处理，得到自相关输出值Vi :<formula>formula see original document page 3</formula>为每路中频数字信号Xi(n)的采样个数，i二l N，N二2 2000，
其特征在于
计算机对所述N路中频数字信号& (n)中每相邻两路进行互相关处理，得到互相
关输出值rij:ry;^"ZL《00x"". 然后，计算机对自相关输出值、和互相关输出值r ij进行处理，得到天线温度TAi 和干涉测量亮温T。ij :
乙=^: 其中k为波尔兹曼常量，Af为系统带宽，G为通道增益，
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小)与fnj( e ，小)分别为馈源i和馈源j的归一化场强方向图A与Dj分别为馈源i和馈 源j的最大方向性；as( e ，小)为同一物点的毫米波辐射进入两馈源的路程差；a为接收 机工作频率所对应的波长，QCij为第i号和j号馈源波束重叠部分的立体角，e 、小分别 为物点在球坐标系中与z轴和x轴的夹角； 最后，计算机根据干涉测量亮温对天线温度TAi进行处理，得到像素值1\ :
乙a _y m
:e ，
其中干涉测量亮温T。ij = ; &为第i号馈源波束的立体角，Q。ij为第i号和 j号馈源波束重叠部分的立体角，Q。ij = ; 将干涉测量亮温T。u插入像素值1\和Tj之间，以N个像素值1\和N_l个干涉测量 亮温T。ij共同构成焦平面图像。 所述的被动毫米波焦平面成像装置，所述每路毫米波辐射计通道中，混频器和模 数转换器之间，可以依次串联中频滤波器和中频放大器。 如图1所示，馈源5排列在焦平面4上，其中相邻排列的馈源i和馈源j通过透镜 3聚焦，存在波束交叉区域2，馈源i和馈源j的波束分别指向物平面1上的AC区以及BC 区，则物平面1上C区的辐射会同时进入两个馈源，两馈源的输出进行相关后得到的结果将 只包括C区的亮温信息。由于馈源波束足够窄，可将相邻波束重叠部分对应的场景亮温当 成一定值。 根据辐射测量原理，自相关输出值Vi与馈源接收到的来自场景的毫米波辐射功率 成正比，即、=GPi， G为通道增益(射频放大器增益或者射频放大器和中频放大器增益之 和)，功率Pi可表示为Pi = kTMAf，其中k为波尔兹曼常量，Af为系统带宽，TM为天线温 度，它是视在亮温分布按天线功率方向图加权得到的，可见自相关输出值Vi与天线温度TAi 成正比，根据自相关输出值、可以得到天线温度TAi 由于不同物点的毫米波辐射互不相关，对相邻两个馈源的输出信号进行互相关处
理，互相关输出值rij只包含来自两馈源波束重叠或交叉部分的辐射亮温信息。 根据干涉测量理论，对来自相邻馈源的信号进行互相关处理，其结果可表示为
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其中Tcij为待测的波束重叠部分的亮温，<formula>formula see original document page 5</formula>与fnj( e ，小)分 别为馈源i和馈源j的归一化场强方向图A与Dj分别为馈源i和馈源j的最大方向性；
As(e，小)为同一物点的毫米波辐射进入两馈源的路程差；A为接收机工作频率所对应 的波长。 上式的积分项为一定值，设为参数s，即= ST。ij，则互相关输出和待测的波束 重叠部分的亮温成线性关系，即可由互相关输出r ij得到干涉测量亮温T。ijt) 本发明的工作过程为 (l)N个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，利用各馈源的偏焦不同产生 不同指向的波束覆盖视域，接收场景的毫米波辐射；第i个馈源接收毫米波辐射输出的信 号为"(t)， 其中i = 1，2， . . . ，N，N为大于1的整数，t为时间变量； (2)将每路馈源输出的信号分别经放大滤波以及混频处理后，得到中频信号 Yjt)， i = 1，2， ... ， N，对中频模拟信号Yi(t)进行采样得到中频数字信号Xi(n)， i = 1， 2，...，N，输入计算机进行存储； (3)计算机将中频数字信号Xi(n)进行自相关处理，得到一路自相关输出值、，
同时，计算机对每两路来自相邻馈源的中频数字信号进行互相关处理得到一组互
相关输出rij，其中i、j表示两相邻馈源的编号，rij表示来自第i号和j号馈源的信号相 关的结果，rij= rji;互相关输出rij与波束重叠部分的亮温成线性关系， (4)自相关输出值Vi通过定标得到一路天线温度TAi， i = 1，2， ... ， N;以天线温
度作为一个像素的度量值，共有N个像素度量值； 互相关输出r ij通过定标得到干涉测量亮温T。ij ; (5)用干涉测量亮温T。ij，修正步骤(4)得到的N个像素度量值，作为像素值Ti : 其中干涉测量亮温Teij = ; &为第i号馈源波束的立体角，为第i号和 j号馈源波束重叠部分的立体角，Q。ij = ; (6)以干涉测量亮温作为新生成像素值，将其插入到第i号及第j号馈源对应 的像素值之间； 以步骤(5)得到的N个像素值和步骤(4)的N-l个新生成像素值共同构成焦平面 若需扩大成像视场范围，则以0. 5倍半功率波束宽度为步长转动波束指向进行扫 描，扫描的方向根据馈源排列的形式确定。 本发明利用排列在聚焦天线焦平面上的馈源接收场景的被动毫米波辐射，通过对 相邻馈源波束存在的重叠区域，采用互相关处理产生新的像素信息，将其融合到传统的焦 平面图像中，增加了图像的像素；并且利用获得的相邻波束重叠部分的亮温值对常规焦平 面成像中的天线温度进行修正，修正后的天线温度对应的场景测量区域小于原来非相干测量的区域，提高了成像的空间分辨率。
图1为被动毫米波焦平面成像示意图； 图2为本发明实施例的结构示意图； 图3为本发明实施例中的计算机处理过程示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 如图2所示，本发明包括2个馈源和2路毫米波辐射计通道，2个馈源以线阵形式 排列在聚焦天线的焦平面上，在垂直于阵列排列方向上结合扫描进行成像，每路毫米波辐 射计通道由射频放大器、射频滤波器、混频器和模数转换器依次串联构成，2路毫米波辐射 计通道输出的2路中频数字信号送入计算机进行自相关和互相关处理，最终得到毫米波图 像。 所述每路毫米波辐射计通道中，混频器和模数转换器之间，可以依次串联中频滤 波器和中频放大器。 聚焦天线反射面采用抛物柱面，馈源选用矩形喇叭，其半功率波束宽度为18度， 两馈源间隔5. 2cm ; 毫米波辐射计通道中，射频放大器中心频率为36. 4GHz、增益为55dB，射频滤波器 带宽> 100MHz，混频器中的本振频率为36. 52GHz，中频滤波器带宽> 100MHz，中频放大器 增益为47dB ;模数转换器采用双通道8bit高速AD卡，采样频率为250MHz，最大存储深度为 8Mbytes。 图3为本发明实施例中的计算机处理过程示意图。 (1)聚焦天线反射面采用抛物柱面，馈源选用矩形喇叭，其半功率波束宽度为18 度，两馈源间隔5. 2cm，接收场景的毫米波辐射；馈源接收毫米波辐射输出的信号分别为 U丄(t)，U2(t); (2)高频前端�？橹械纳淦捣糯笃鞯闹行钠德饰�36. 4GHz，增益为55dB，系统带宽 100腿z，混频器中的本振频率为36. 52GHz，中频放大器增益为47dB，高频前端的净增益为 102dB，则信号仏(t)， U2(t)分别经高频前端后，得到中频信号Yjt)， L(t)，其中心频率为 120MHz ; (3)用8bit高速AD卡对中频信号^ (t) ， Y2 (t)进行采样存储，AD卡的采样频率 为250MHz，最大存储深度为8Mbytes，采样后得到的数字信号为&(n)，X2(n)，n = 1，2，...， Q ; (4)分别对数字信号& (n) ， X2 (n)平方(相当于平方律检波器)，然后对Q个平方 的数据求平均得到输出值V" V2， 又V! = GkTA1Af， V2 = GkTA2Af， G为通道增益，在这里为102dB， k为波尔兹曼常 量，Af为系统带宽，在这里为lOOMHz，由此可以得到天线温度T^T^以此2个天线温度作 为2个像素的度量值。 (5)对数字信号&(n)，X2(n)进行互相关处理得到输出「12，其中「12表示来自第
6l号和第2号馈源的信号相关的结果，r。21 = r。12; 又r 12 = st。12，在这里参数s = l. 34，由此通过互相关输出r 12得到干涉测量亮
温tcl2 ; (6)用干涉测量亮温t。12，修正步骤(4)得到的像素度量值，作为像素值1\， t2 :
%2々—q2-qc21 其中干涉测量亮温t。12 = t。21 ; Q工为第1号馈源波束的立体角，Q2为第2号馈源 波束的立体角，均为18度；Q 。12为第1号和第2号馈源波束重叠部分的立体角，为9度；Q cl2 —Q c2i ; (7)用像素值1\， t2和干涉测量亮温值t。12构成新的毫米波图像； 若需扩大成像视场范围，则以0. 5倍半功率波束宽度为步长转动波束指向进行扫
描，扫描的方向根据馈源排列的形式确定。
权利要求
一种被动毫米波焦平面成像装置，包括N个馈源和N路毫米波辐射计通道，N个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，每路毫米波辐射计通道由射频放大器、射频滤波器、混频器和模数转换器依次串联构成，N路毫米波辐射计通道输出的N路中频数字信号Xi(n)送入计算机进行自相关处理，得到自相关输出值ViQ为每路中频数字信号Xi(n)的采样个数，i＝1～N，N＝2～2000，其特征在于计算机对所述N路中频数字信号Xi(n)中每相邻两路进行互相关处理，得到互相关输出值Гij然后，计算机对自相关输出值Vi和互相关输出值Гij进行处理，得到天线温度TAi和干涉测量亮温Tcij其中k为波尔兹曼常量，Δf为系统带宽，G为通道增益， <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>cij</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>Γ</mi><mi>ij</mi> </msub> <mi>S</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow> <mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><munder> <mo>∫</mo> <mi>Ω</mi></munder><munder> <mo>∫</mo> <mi>cij</mi></munder><mfrac> <msqrt><msub> <mi>D</mi> <mi>i</mi></msub><msub> <mi>D</mi> <mi>j</mi></msub> </msqrt> <mrow><mn>4</mn><mi>π</mi> </mrow></mfrac><msub> <mi>f</mi> <mi>ni</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>θ</mi> <mo>,</mo> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>nj</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>θ</mi> <mo>,</mo> <mi>φ</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>πΔS</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>,</mo><mi>φ</mi><mo>)</mo> </mrow></mrow><mi>λ</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mi>dΩ</mi><mo>,</mo> </mrow>其中，fni(θ，φ)与fnj(θ，φ)分别为馈源i和馈源j的归一化场强方向图；Di与Dj分别为馈源i和馈源j的最大方向性；ΔS(θ，φ)为同一物点的毫米波辐射进入两馈源的路程差；λ为接收机工作频率所对应的波长，Ωcij为第i号和j号馈源波束重叠部分的立体角，θ、φ分别为物点在球坐标系中与Z轴和X轴的夹角；最后，计算机根据干涉测量亮温Tcij对天线温度TAi进行处理，得到像素值Ti <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>Ai</mi></msub><msub> <mi>Ω</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mi>Σ</mi><msub> <mi>T</mi> <mi>cij</mi></msub><msub> <mi>Ω</mi> <mi>cij</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>Ω</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mi>Σ</mi><msub> <mi>Ω</mi> <mi>cij</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>其中干涉测量亮温Tcij＝Tcji；Ωi为第i号馈源波束的立体角，Ωcij为第i号和j号馈源波束重叠部分的立体角，Ωcij＝Ωcji；将干涉测量亮温Tcij插入像素值Ti和Tj之间，以N个像素值Ti和N-1个干涉测量亮温Tcij共同构成焦平面图像。FDA0000019979550000011.tif,FDA0000019979550000012.tif,FDA0000019979550000013.tif
2.如权利要求1所述的被动毫米波焦平面成像装置，其特征在于所述每路毫米波辐射计通道中，混频器和模数转换器之间，依次串联中频滤波器和中频放大器。,其中k为波尔兹曼常量，A f为系统带宽，G为通道增益，
全文摘要
一种被动毫米波焦平面成像装置，属于被动毫米波成像领域，解决现有成像系统存在的像素数有限、成像分辨率较低的问题。本发明包括N个馈源和N路毫米波辐射计通道，N个馈源以线阵形式排列在聚焦天线的焦平面上，每路毫米波辐射计通道由射频放大器、射频滤波器、混频器和模数转换器依次串联构成，N路中频数字信号送入计算机进行自相关和互相关处理，计算得到天线温度TAi和干涉测量亮温Tcij，计算机再对天线温度TAi处理得到像素值Ti，将干涉测量亮温Tcij插入像素值Ti和Tj之间，共同构成焦平面图像。本发明将相干成像和非相干成像进行有效结合，增加了图像的像素，进而提高了成像的空间分辨率。
文档编号G01S13/89GK101788665SQ20101012434
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月16日 优先权日2010年3月16日
发明者冯宇, 曹俊, 熊祖彪, 胡飞, 陈柯 申请人:华中科技大学
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