专利名称：一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统成像的方法
技术领域：
本发明涉及毫米波成像技术领域，特别是涉及一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统成像的方法。
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、军事探测、毫米波合成孔径雷达成像，远距离探测地面、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，可以进行大规模低成本应用。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。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统成像的方法，该毫米波成像系统包括天线阵列圆盘支架、伺服控制�？椤⑵德屎铣赡？�、发射模块、发射天线阵列、接收天线阵列、接收�？椤⒀邮蹦？�、信号处理�？楹拖钥啬？椋渲刑煜哒罅性才讨Ъ馨ǹ尚闹行闹岷陀筛弥行闹岽慕鹗粼残闻蹋缁弥行闹嵝凰欧刂颇？橛糜诳刂平涣魉欧缁那嵋哉仪叩乃俾首⑶铱刂坪图觳馓煜哒罅性才讨Ъ艿男嵌龋蛊浯�0到M度顺时针旋转，IOO^M^ 170度，其包括伺服机构、测量反馈机构和伺服控制器，其中伺服机构包括交流伺服电机(1)、电机驱动器(2)、电源适配器(3)、减速器(4)和皮带轮(5)；交流伺服电机主轴通过法兰盘连接减速器，减速器驱动皮带轮运动，皮带轮同天线阵列圆盘支架相连，驱动安检门天线阵列圆盘支架完成各种功能运动，交流伺服电机由电机驱动器直接控制，电机驱动器连接电源适配器实现交直流转换为电机系统提供电源并实现保护功能；测量反馈机构包括光栅尺(7)、光电开关(8)，光栅尺(7)安装于天线阵列圆盘支架主轴上，光栅尺(7)读数头固定于天线阵列圆盘支架并随框架转动产生编码信号脉冲从而测量天线阵列圆盘支架旋转的角度信息，光电开关(8)安装于天线阵列圆盘支架(6)顶部与角度指示圆盘相接触，可实现中心零位和极限位置的指示；伺服控制器包括交互通信�？�、信号采集模块、自检校正控制模块以及伺服机构的扫描曲线控制�？椋唤换ネㄐ拍？榉治讲糠忠徊糠滞瓿赏藕糯矸只耐ㄐ牛邮掌湎路⒌闹噶钚藕挪⒎蠢〉鼻八欧低匙刺畔ⅲ涣硪徊糠滞瓿捎氲缁鞯耐ㄐ牛� 对伺服执行机构实施控制；其中，信号采集�？榇砉庹さ恼槐嗦肼龀逍藕乓约肮獾缈匦藕牛蛔约煨Ｕ刂颇？橥瓿尚藕糯矸只路⒌淖约煨Ｕ噶睿簧枨呖刂颇？橥瓿尚藕糯矸只路⒌纳韫ぷ橹噶睿黄德屎铣赡？榘ㄓ糜诓泶⑸湫藕诺母咚僦苯悠德屎铣善�、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；发射�？榘ㄓ糜诠β史糯蟮墓烫β史糯笃骱陀糜诓ㄐ蔚髦频姆⑸洳ㄐ蔚髦破鳎环⑸涮煜哒罅杏蠳个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，天线阵列有N 路电开关以控制发射通道的分时工作，即开通和关断，其中64彡N彡256 ；接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，天线阵列有N路电开关以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�？榘ㄓ糜诠β史糯蟮牡驮肷β史糯笃�、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�？榘ㄓ糜诙灾衅祷夭ㄐ藕沤胁裳母咚倌Ｊ黄�、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�？榈墓獾缱黄鳎桓贸上穹椒òǖ谝徊匠上裣低成系纾髂？榻谐跏蓟柚煤妥约欤⒔蟹⑸涮煜哒罅泻徒邮仗煜哒罅械氖辗⑼ǖ酪约胺嗵匦孕Ｕ坏诙剿欧刂颇？榭伎刂频缁那嵋砸恢终仪叩乃俾首佣煜哒罅性才讨Ъ苄⑶宜欧刂颇？榭刂坪筒饬刻煜哒罅性才讨Ъ艿男嵌龋蛊浯覱到M度顺时针旋转，100 ^ M^ 170度；第三步频率合成�？椴际敝硬⒔浞⑺透藕糯砟？�、接收到信号处理�？榈目刂泼钜圆泶⑸湫藕藕蜕淦当菊笮藕牛⑶医泶⑸湫藕欧⑺透⑸淠？楹徒淦当菊笮藕欧⑺透邮蹦？椋坏谒牟椒⑸淠？榻泶⑸湫藕沤泄β史糯蠛筒ㄐ蔚髦撇⒎⑺透⑸涮煜哒罅校坏谖宀叫藕糯砟？榻邮盏交际敝雍蟛桓龉ぷ魇毙颍纱丝刂品⑸浜徒邮仗煜哒罅械腘个天线单元中的第i个发射和接收通道开启以及其余的发射和接收通道关断，由发射天线阵列的第i个天线单元向外辐射宽带发射信号，其中1 < i < N， 64 彡 N 彡 256 ；第六步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个天线单元接收到该射频回波信号并将其发送给接收�？椋坏谄卟窖邮蹦？榻邮盏降纳淦当菊笮藕沤芯费邮币允蛊湎辔挥氪幽勘甑闹行谋砻娣瓷涞纳淦祷夭ㄐ藕诺南辔灰恢拢缓蠼醚邮钡纳淦当菊笮藕欧⑺透邮漳？椋坏诎瞬浇邮漳？橹薪邮盏降纳淦祷夭ㄐ藕诺墓β史糯笾劣虢邮盏降纳淦当菊笮藕诺墓β式葡嗟然蛘咴谕皇考叮幼鸥媒邮漳？橹械穆瞬ㄆ鞫跃β史糯蟮纳淦祷夭ㄐ藕沤新瞬ǎ缓蠡炱灯鹘β史糯蠛吐瞬ǖ纳淦祷夭ㄐ藕庞虢邮盏降纳淦当菊笮藕沤谢炱狄越蒙淦祷夭ㄐ藕疟浠坏街衅祷夭ㄐ藕牛詈笤俳弥衅祷夭ㄐ藕糯涓藕糯砟？椋坏诰挪礁眯藕糯砟？橹械母咚倌Ｊ黄鞫允淙氲闹衅祷夭ㄐ藕沤胁裳� 将其转换为数字回波信号并发送给可编程逻辑器件，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；第十步重复步骤三至步骤九，直到将N个通道的经下变频的数字回波数据保存到存储器中，由此完成天线阵列圆盘支架在0度位置时通过天线阵列扫描得到的回波数据；第十一步天线阵列圆盘支架每旋转0. 2度至1度之间的任一角度，天线阵列扫描一次目标，重复步骤三至步骤十，直到天线阵列圆盘支架旋转到M度，可编程逻辑器件将扫描得到的N个通道的数字回波信号下变频到基带信号并将其保存到存储器中；第十二步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方法来处理回波数据，得到毫米波三维图像数据；第十三步数字信号处理器将该毫米波三维图像数据发送给光电转换器，由此将电信号转换为光信号，并且以光信号的方式将毫米波三维图像数据发送给显控�？椋坏谑牟礁孟钥啬？榻撩撞ㄈ枷裣允驹谄聊簧�。本发明的有益效果是在本发明中设计一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统，在距离物体等表面1 米范围内进行毫米波扫描成像，获取高分辨率的毫米波图像，分辨率可达到cm级，并可实现物体表面不同角度的多幅图像。这些物体表面的毫米波图像可应用于多种工业领域，包括安全检察、缝隙检测、立体成像等领域。
图1是本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统的结构立体示意图；图2是本发明的天线阵列形式的示意图；图3是本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统的结构框图；图4是本发明的毫米波成像装置的工作时序图；图5是伺服控制器�？榭蛲迹煌�6是用本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统成像的方法的流程图。其中1-交流伺服电机，2-电机驱动器，3-电源适配器，4-减速器，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，10-信号采集�？椋�11-自检校正控制�？椋�12-扫描曲线控制�？椋�13-交互通信�？椋�14-信号处理分机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细描述。本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统包括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�？椤⑺欧刂颇？椤⑵德屎铣赡？�、延时模块、信号处理�？楹拖钥啬？椋黄渲刑煜哒罅性才讨Ъ馨ǹ尚闹行闹岷陀筛弥行闹岽慕鹗粼残闻�。该圆形盘的半径在0. 5-2米之间。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，其中每一组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是0. 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支架的边缘两端，每个天线阵列是以竖直方式固定在圆盘的边缘上，如图1 所示。另外，每一组发射天线阵列和接收天线阵列对是等长的，如图2所示。伺服控制�？橛糜诳刂平涣魉欧缁那嵋砸恢终仪叩乃俾首涂刂坪图觳馓煜哒罅性才讨Ъ艿男嵌龋允蛊淇梢哉葱�100度，或者100度-170度之间的任意角度，如140度。该伺服控制�？榘ㄋ欧�、测量反馈机构和伺服控制器，其中伺服机构由交流伺服电机1、电机驱动器2、电源适配器3、减速器4和皮带轮5构成。交流伺服电机1作为控制动力的出处，带动传动机构以及天线阵列圆盘支架运动。电机驱动器2接收伺服控制器的运动指令信号并转化为交流伺服电机1的控制脉冲并结合交流伺服电机1轴端配置的编码器信号直接控制电机运动的速度和位置，使得该电机的驱动轴以一种正弦曲线的速率转动。本发明所使用的是GV6驱动器及其配套的NO系列的交流伺服电机1，具有控制参数可调节、速度位置易规划等特点。电源适配器3将交流电源转换为直流电源并具备整流功能，为电机及驱动器实现电源供给且可实现过压保护功能，其连续输出功率300W，最大输出功率为9KW。电机的输出轴经过减速器及皮带轮构成的传动机构带动天线阵列圆盘支架运动，系统总的减速比为86. 2367。测量反馈机构由光栅尺7、光电开关8构成。光栅尺7安装于天线阵列圆盘支架6 的中心轴上，其绝对零位处于天线阵列圆盘支架6运行范围的中心位置，光栅尺7读数头固定于天线阵列圆盘支架6并随支架转动产生正交编码脉冲信号解算角度信息。本发明使用的光栅尺7为RESD系列的增量式圆光栅，增量式光栅尺7较绝对式光栅尺7系统连线少、 接口简单，其刻线数为32768，系统精度能达到1. 08角秒，适高速系统及精度要求很高的测量场合。该伺服控制模块配备两个光电开关8，配合角度限位及运行中心指示圆盘使用，安装于天线阵列圆盘支架6的顶部，可指示极限位置以及粗精度的中心位置。光电开关8具有无触点、无机械碰撞、响应速度快的特点，可以满足本发明中设计的限位功能应用。伺服控制器9的结构框图如图5所示，伺服控制器9包括交互通信模块13、信号采集�？�10、自检校正控制�？�11以及伺服机构的扫描曲线控制�？�12，伺服控制器9采用 TI公司的TMS320F2812作为主控芯片处理整个控制流程。交互通信�？�13包括同信号处理分机14进行工作指令及工作状态的交互，以及同电机驱动器2运动曲线规划控制指令的交互。此模块可通过RS422/RS232实现串口通信，同信号处理分机14的通信协议包括帧头、指令字、状态字、帧计数以及校验位信息；同电机驱动器2的通信协议满足驱动器的设计要求。信号采集�？�10需处理光栅的正交编码脉冲信号以及光电开关8信号。光栅信号通过光栅尺7读数头连接器同伺服控制器相连接，经正交编码脉冲计数器芯片处理后与 DSP通过并口进行数据通信，DSP定时采集计数器芯片的计数值。光电开关8信号经电平转换后连接到DSP上，供主控芯片采集。自检校正控制�？�11完成信号处理分机下发的自检校正指令，实现天线阵列圆盘支架精准回零，并为扫描工作指令做准备。扫描曲线控制�？�12完成信号处理分机下发的扫描工作指令，最终实现天线阵列圆盘支架按照扫描曲线运行。伺服控制器按照两种模式进行第一模式完成自检校正，自检校正工作过程中由伺服控制器9采集光栅尺7读数头信号计算出负载位置并控制电机进行回零运动，完成校正后，将伺服状态信息上报信号处理分机等待下发工作指令，具体工作如下控制器收到自检校正指令后，驱动电机运动15度停止，系统采集运动过程中经过的总线数，以及相邻两个Z脉冲处的线数值。根据上述算法计算运动过程中经过第一个Z 脉冲处的绝对线数，由此可计算出负载当前的绝对线数。根据绝对位置换算控制电机使天线阵列圆盘支架6运行至零位处完成回零工作。为准备执行扫描工作，控制天线阵列圆盘支架6运行至+55度位置处，并上传信号处理分机完成自检校正。第二模式完成扫描工作，扫描工作过程中由伺服控制器9按照预定的扫描运动曲线计算参数并装订电机驱动器2使天线阵列圆盘支架6进行扫描运动。其工作过程为通过中心指示光电开关8信号判断天线阵列圆盘支架6当前相对零位的方向，并控制天线阵列圆盘支架6进行扫描运动，运行结束后发送扫描完成状态字。由于自检校正指令或每次扫描工作结束后电机已经运行至工作准备角度处，且扫描工作每次运行的角度以及规划曲线固定不变，因此仅需判断零位方向来确定下次扫描运动的方向，并控制天线阵列圆盘支架6按预定曲线运动。发射天线阵列用于辐射射频信号，发射天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，天线阵列有N路电开关以控制发射通道的分时工作，即开通和关断。在本发明中，N在64-256之间，优选208个。两个天线单元之间间隔大小为一个波长入。接收天线阵列用于接收射频回波信号，接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，天线阵列有N路电开关以控制接收通道的分时工作，即开通和关断。在本发明中，N在64-256之间，优选208个。两个天线单元之间间隔大小为一个波长 λ。发射和接收天线单元的形式有多种，可以是微带天线、波导缝隙天线、偶极子以及喇叭口天线等。发射和接收天线单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。频率合成�？橛糜诓际敝硬⒔浞⑺透藕糯砟？椤⒑徒邮招藕糯砟？榈目刂泼钜圆泶⑸湫藕藕蜕淦当菊笮藕牛⑶医泶⑸湫藕欧⑺透⑸淠？楹徒淦当菊笮藕欧⑺透邮蹦？�。其包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。在本发明中，该高速DDS产生的宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽τ为10us。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。延时�？橛糜诙越邮盏降纳淦当菊笮藕沤芯费邮币允蛊湎辔挥氪幽勘甑闹行谋砻娣瓷涞纳淦祷夭ㄐ藕诺南辔灰恢拢⒔邮钡纳淦当菊笮藕欧⑺透邮漳？�。发射�？橛糜诙岳醋云德屎铣赡？榈目泶⑸湫藕沤泄β史糯蠛筒ㄐ蔚髦疲⒔浞⑺透⑸涮煜哒罅校浒ㄓ糜诠β史糯蟮墓烫β史糯笃骱陀糜诓ㄐ蔚髦频姆⑸洳ㄐ蔚髦破�。接收�？橛糜诙越邮盏降纳淦祷夭ㄐ藕沤泄β史糯�、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。具体过程是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，接着该滤波器对经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。信号处理�？橛糜诓甘酒德屎铣赡？椴髦中藕诺目刂泼�、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�？榈墓獾缱黄鞯�。工作时序图可以如图4所示。显控�？橛糜诮邮盏降娜枷袷菔凳毕允境扇枷瘛；箍梢酝ü钥啬？榈娜嘶换ソ缑嫦蛩欧刂颇？楹托藕糯砟？槭淙牍ぷ鞑问头⒊隹刂浦噶�。例如， 该显控�？榭梢允且惶ù邢允酒聊坏募扑慊Ｍ�3是本发明的单天线阵列全方位扫描的毫米波成像系统的结构框图。下面介绍一下本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统的工作过程首先在系统上电启动后，各�？榻谐跏蓟柚煤妥约欤⒔谐上裣低持械姆⑸涮煜哒罅泻徒邮仗煜哒罅械氖辗⑼ǖ酪约胺嗵匦孕Ｕ唤幼潘欧刂颇？榭伎刂频缁那嵋砸恢终仪叩乃俾首佣煜哒罅性才讨Ъ苄⑶宜欧刂颇？榭刂坪筒饬刻煜哒罅性才讨Ъ艿男嵌龋蛊浯覱到140度正向(顺时针)旋转，在此过程中，频率合成�？椴际敝硬⒔浞⑺透藕糯砟？�、接收到信号处理�？榈目刂泼钜圆泶⑸湫藕藕蜕淦当菊笮藕牛⑶医泶⑸湫藕欧⑺透⑸淠？楹徒淦当菊笮藕欧⑺透邮蹦？椋梅⑸淠？榻泶⑸湫藕沤泄β史糯蠛筒ㄐ蔚髦撇⒎⑺透⑸涮煜哒罅校恍藕糯砟？榻邮盏交际敝雍蟛桓龉ぷ魇毙颍纱丝刂品⑸浜徒邮仗煜哒罅械腘个天线单元中的第i(l ^ i ^N)个发射和接收通道开启以及其余的发射和接收通道关断，由发射天线阵列的第i个天线单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个天线单元接收到该射频回波信号并将其发送给接收�？椋邮蹦？榻邮盏降纳淦当菊笮藕沤芯费邮币允蛊湎辔挥氪幽勘甑闹行谋砻娣瓷涞纳淦祷夭ㄐ藕诺南辔灰恢拢缓蠼醚邮钡纳淦当菊笮藕欧⑺透邮漳？椋媒邮漳？橹械牡驮肷β史糯笃鹘邮盏降纳淦祷夭ㄐ藕诺墓β史糯笾劣虢邮盏降纳淦当菊笮藕诺墓β氏嗟然蛘呓葡嗟然蛘咴谕皇考都纯桑幼鸥媒邮漳？橹械穆瞬ㄆ鞫跃β史糯蟮纳淦祷夭ㄐ藕沤新瞬ǎ缓蠡炱灯鹘β史糯蠛吐瞬ǖ纳淦祷夭ㄐ藕藕徒邮盏降纳淦当菊笮藕沤谢炱狄越蒙淦祷夭ㄐ藕疟浠坏街衅祷夭ㄐ藕牛弥衅祷夭ㄐ藕诺闹行钠德视叛∈�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黄鞫允淙氲闹衅祷夭ㄐ藕沤胁裳渥晃只夭ㄐ藕挪⒎⑺透杀喑搪呒骷每杀喑搪呒骷只夭ㄐ藕畔卤淦档交藕挪⒔浔４娴酱娲⑵髦校弧源朔绞剑玁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0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0.2-1 度。优选地，天线阵列圆盘支架每旋转0.5度，天线阵列扫描一次目标物体，当然也可以是每旋转1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�？榻撩撞ㄈ枷裣允驹谄聊簧�。另外，工作人员也可以通过显控�？榈娜嘶换ソ缑嫦蛩欧刂颇？楹托藕糯砟？槭淙牍ぷ鞑问头⒊隹刂浦噶�。上述工作过程完成了对一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。上述自检的目的主要获取收发通道的初始幅度和相位的信息，利用该信息进行的收发通道以及辐相特性的校正，使得每个收发通道的辐相特性一致。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一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。图6是用本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统成像的方法的流程图。下面介绍一下本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统的成像方法第一步成像系统上电，各�？榻谐跏蓟柚煤妥约欤⒔蟹⑸涮煜哒罅泻徒邮仗煜哒罅械氖辗⑼ǖ酪约胺嗵匦孕Ｕ�。自检的目的主要获取收发通道的初始幅度和相位的信息，利用该信息进行的收发通道以及辐相特性的校正，使得每个收发通道的辐相特性一致。第二步伺服控制�？榭伎刂频缁那嵋砸恢终仪叩乃俾首佣煜哒罅性才讨Ъ苄⑶宜欧刂颇？榭刂坪筒饬刻煜哒罅性才讨Ъ艿男嵌龋蛊浯�0到M度顺时针旋转，100 < M < 170度。第三步频率合成�？椴际敝硬⒔浞⑺透藕糯砟？椤⒔邮盏叫藕糯砟？榈目刂泼钜圆泶⑸湫藕藕蜕淦当菊笮藕牛⑶医泶⑸湫藕欧⑺透⑸淠？楹徒淦当菊笮藕欧⑺透邮蹦？椤５谒牟椒⑸淠？榻泶⑸湫藕沤泄β史糯蠛筒ㄐ蔚髦撇⒎⑺透⑸涮煜哒罅�。第五步信号处理�？榻邮盏交际敝雍蟛桓龉ぷ魇毙颍纱丝刂品⑸浜徒邮仗煜哒罅械腘个天线单元中的第i(l ^ i ^N)个发射和接收通道开启以及其余的发射和接收通道关断，由发射天线阵列的第i个天线单元向外辐射宽带发射信号。第六步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个天线单元接收到该射频回波信号并将其发送给接收�？�。第七步延时�？榻邮盏降纳淦当菊笮藕沤芯费邮币允蛊湎辔挥氪幽勘甑闹行谋砻娣瓷涞纳淦祷夭ㄐ藕诺南辔灰恢拢缓蠼醚邮钡纳淦当菊笮藕欧⑺透邮漳？�。第八步接收�？橹薪邮盏降纳淦祷夭ㄐ藕诺墓β史糯笾劣虢邮盏降纳淦当菊笮藕诺墓β氏嗟然蚪葡嗟然蛘咴谕皇考叮幼鸥媒邮漳？橹械穆瞬ㄆ鞫跃β史糯蟮纳淦祷夭ㄐ藕沤新瞬ǎ缓蠡炱灯鹘β史糯蠛吐瞬ǖ纳淦祷夭ㄐ藕庞虢邮盏降纳淦当菊笮藕沤谢炱狄越蒙淦祷夭ㄐ藕疟浠坏街衅祷夭ㄐ藕牛詈笤俳弥衅祷夭ㄐ藕糯涓藕糯砟？�。第九步该信号处理�？橹械母咚倌Ｊ黄鞫允淙氲闹衅祷夭ㄐ藕沤胁裳� 将其转换为数字回波信号并发送给可编程逻辑器件，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。第十步重复步骤三至步骤九，直到将N个通道的经下变频的数字回波数据保存到存储器中，由此完成天线阵列圆盘支架在0度位置时通过天线阵列扫描得到的回波数据。第十一步天线阵列圆盘支架每旋转0. 2度至1度之间的任一角度，天线阵列扫描一次目标物体，重复步骤三至步骤十，……直到天线阵列圆盘支架旋转到M度，可编程逻辑器件将扫描得到的N个通道的数字回波信号下变频到基带信号并将其保存到存储器中。第十二步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方法来处理回波数据，得到毫米波三维图像数据。公知的图像处理方法可以是RD方法、BP方法、CS方法、wk方法和后向散射方法等。本发明优选采用BP方法来处理回波数据。第十三步数字信号处理器将该毫米波三维图像数据发送给光电转换器，由此将电信号转换为光信号，并且以光信号的方式将毫米波三维图像数据发送给显控�？椤５谑牟礁孟钥啬？榻撩撞ㄈ枷裣允驹谄聊簧�。优选的，M为120度、140度或160度。优选的，N为在64-256之间的值，优选的，N = 208。优选的，宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽τ为10us。优选的，基准时钟为60MHz。优选的，中频回波信号的中心频率是60MHz。优选的，天线阵列圆盘支架每旋转0.5度，天线阵列扫描一次目标物体。本发明的阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统及成像方法的优点
(1)该成像系统采用了基于高速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)该成像系统为全相参体制，有利于回波信号的相参积累，可获得高质量的图像，降低了对系统成像补偿的要求。(3)该成像系统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)该成像系统及其成像方法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1秒，特别适用于安全检查领域。
权利要求
1. 一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统成像的方法，该毫米波成像系统包括天线阵列圆盘支架、伺服控制�？�、频率合成模块、发射�？�、发射天线阵列、接收天线阵列、 接收�？�、延时�？椤⑿藕糯砟？楹拖钥啬？椋渲刑煜哒罅性才讨Ъ馨ǹ尚闹行闹岷陀筛弥行闹岽慕鹗粼残闻蹋缁弥行闹嵝凰欧刂颇？橛糜诳刂平涣魉欧缁那嵋哉仪叩乃俾首⑶铱刂坪图觳馓煜哒罅性才讨Ъ艿男嵌龋蛊浯�0到M度顺时针旋转，100 ^ M ^ 170度，其包括 伺服机构、测量反馈机构和伺服控制器， 其中伺服机构包括交流伺服电机(1)、电机驱动器O)、电源适配器(3)、减速器(4)和皮带轮(5)；交流伺服电机主轴通过法兰盘连接减速器，减速器驱动皮带轮运动，皮带轮同天线阵列圆盘支架相连，驱动安检门天线阵列圆盘支架完成各种功能运动，交流伺服电机由电机驱动器直接控制，电机驱动器连接电源适配器实现交直流转换为电机系统提供电源并实现保护功能；测量反馈机构包括光栅尺(7)、光电开关(8)，光栅尺(7)安装于天线阵列圆盘支架主轴上，光栅尺(7)读数头固定于天线阵列圆盘支架并随框架转动产生编码信号脉冲从而测量天线阵列圆盘支架旋转的角度信息，光电开关(8)安装于天线阵列圆盘支架(6)顶部与角度指示圆盘相接触，可实现中心零位和极限位置的指示；伺服控制器包括交互通信�？椤⑿藕挪杉？椤⒆约煨Ｕ刂颇？橐约八欧沟纳枨呖刂颇？椋唤换ネㄐ拍？榉治讲糠忠徊糠滞瓿赏藕糯矸只耐ㄐ牛邮掌湎路⒌闹噶钚藕挪⒎蠢〉鼻八欧低匙刺畔ⅲ涣硪徊糠滞瓿捎氲缁鞯耐ㄐ牛运欧葱谢故凳┛刂疲黄渲校藕挪杉？榇砉庹さ恼槐嗦肼龀逍藕乓约肮獾缈匦藕牛蛔约煨Ｕ刂颇？橥瓿尚藕糯矸只路⒌淖约煨Ｕ噶睿簧枨呖刂颇？橥瓿尚藕糯矸只路⒌纳韫ぷ橹噶睿黄德屎铣赡？榘ㄓ糜诓泶⑸湫藕诺母咚僦苯悠德屎铣善鳌⒂糜诮泶⑸湫藕疟镀档剿杵刀蔚谋镀灯�、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；发射�？榘ㄓ糜诠β史糯蟮墓烫β史糯笃骱陀糜诓ㄐ蔚髦频姆⑸洳ㄐ蔚髦破鳎� 发射天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路发射通道，天线阵列有N路电开关以控制发射通道的分时工作，即开通和关断，其中64 < N < 256 ；接收天线阵列有N个天线单元，每个天线单元对应一路接收通道，天线阵列有N路电开关以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�？榘ㄓ糜诠β史糯蟮牡驮肷β史糯笃�、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�？榈墓獾缱黄鳎桓贸上穹椒òǖ谝徊匠上裣低成系纾髂？榻谐跏蓟柚煤妥约欤⒔蟹⑸涮煜哒罅泻徒邮仗煜哒罅械氖辗⑼ǖ酪约胺嗵匦孕Ｕ坏诙剿欧刂颇？榭伎刂频缁那嵋砸恢终仪叩乃俾首佣煜哒罅性才讨Ъ苄⑶宜欧刂颇？榭刂坪筒饬刻煜哒罅性才讨Ъ艿男嵌龋蛊浯�0到M度顺时针旋转，100 ^ M^ 170度；第三步频率合成�？椴际敝硬⒔浞⑺透藕糯砟？椤⒔邮盏叫藕糯砟？榈目刂泼钜圆泶⑸湫藕藕蜕淦当菊笮藕牛⑶医泶⑸湫藕欧⑺透⑸淠？楹徒淦当菊笮藕欧⑺透邮蹦？椋坏谒牟椒⑸淠？榻泶⑸湫藕沤泄β史糯蠛筒ㄐ蔚髦撇⒎⑺透⑸涮煜哒罅校� 第五步信号处理模块接收到基准时钟后产生一个工作时序，由此控制发射和接收天线阵列的N个天线单元中的第i个发射和接收通道开启以及其余的发射和接收通道关断， 由发射天线阵列的第i个天线单元向外辐射宽带发射信号，其中1彡i彡N，64彡N彡256 ； 第六步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个天线单元接收到该射频回波信号并将其发送给接收�？椋坏谄卟窖邮蹦？榻邮盏降纳淦当菊笮藕沤芯费邮币允蛊湎辔挥氪幽勘甑闹行谋砻娣瓷涞纳淦祷夭ㄐ藕诺南辔灰恢拢缓蠼醚邮钡纳淦当菊笮藕欧⑺透邮漳？椋坏诎瞬浇邮漳？橹薪邮盏降纳淦祷夭ㄐ藕诺墓β史糯笾劣虢邮盏降纳淦当菊笮藕诺墓β式葡嗟然蛘咴谕皇考叮幼鸥媒邮漳？橹械穆瞬ㄆ鞫跃β史糯蟮纳淦祷夭ㄐ藕沤新瞬ǎ缓蠡炱灯鹘β史糯蠛吐瞬ǖ纳淦祷夭ㄐ藕庞虢邮盏降纳淦当菊笮藕沤谢炱狄越蒙淦祷夭ㄐ藕疟浠坏街衅祷夭ㄐ藕牛詈笤俳弥衅祷夭ㄐ藕糯涓藕糯砟？椋坏诰挪礁眯藕糯砟？橹械母咚倌Ｊ黄鞫允淙氲闹衅祷夭ㄐ藕沤胁裳渥晃只夭ㄐ藕挪⒎⑺透杀喑搪呒骷杀喑搪呒骷只夭ㄐ藕畔卤淦档交藕挪⒔浔４娴酱娲⑵髦校坏谑街馗床街枞敛街杈牛钡浇玁个通道的经下变频的数字回波数据保存到存储器中，由此完成天线阵列圆盘支架在0度位置时通过天线阵列扫描得到的回波数据；第十一步天线阵列圆盘支架每旋转0.2度至1度之间的任一角度，天线阵列扫描一次目标，重复步骤三至步骤十，直到天线阵列圆盘支架旋转到M度，可编程逻辑器件将扫描得到的N个通道的数字回波信号下变频到基带信号并将其保存到存储器中；第十二步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方法来处理回波数据，得到毫米波三维图像数据；第十三步数字信号处理器将该毫米波三维图像数据发送给光电转换器，由此将电信号转换为光信号，并且以光信号的方式将毫米波三维图像数据发送给显控�？椋� 第十四步该显控�？榻撩撞ㄈ枷裣允驹谄聊簧�。
2.根据权利要求1的成像方法，其中M= 140度。
3.根据权利要求1的成像方法，其中N= 208。
4.根据权利要求1的成像方法，其中宽带发射信号的最高信号带宽B为1.2GHz，脉宽 τ为10us，基准时钟为60MHz，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。
5.根据权利要求1的成像方法，其中中频回波信号的中心频率是60MHz。
6.根据权利要求1的成像方法，其中天线阵列圆盘支架每旋转0.5度，天线阵列扫描一次目标。
7.根据权利要求1的成像方法，其中发射天线阵列为2个和接收天线阵列为2个，每一个发射天线阵列和每一个接收天线阵列形成一对，用螺钉形式将其固定在天线阵列圆盘的边缘上，其中每一组发射天线阵列和接收天线阵列对之间的间隔是0. 5-5cm，每个天线阵列以竖直方式固定在天线阵列圆盘的边缘上，每一组发射天线阵列和接收天线阵列对是等长的，发射和接收天线单元的大小是长和宽均为一个波长λ，所述波束宽度是60度。
8.根据权利要求1的成像方法，其中所述伺服控制器按照以下模式进行工作第一模式完成自检校正，自检校正工作过程中由伺服控制器(9)采集光栅尺(7)读数头信号计算出负载位置并控制电机进行回零运动，完成校正后，将伺服状态信息上报信号处理分机等待下发扫描工作指令；第二模式完成扫描工作，扫描工作过程中由伺服控制器(9)按照设定的扫描运动曲线计算参数并控制电机驱动器(2)使伺服系统天线阵列圆盘支架(6)进行扫描运动。
全文摘要
本发明涉及一种阵列天线弧形扫描的毫米波成像系统成像的方法，其包括天线阵列圆盘支架在电机驱动下旋转，发射天线阵列发射射频信号道目标的表面并反射被接收天线阵列接收后发给接收�？椋邮蹦？榻邮盏降纳淦当菊笮藕沤芯费邮币允蛊湎辔挥氪幽勘甑闹行谋砻娣瓷涞纳淦祷夭ㄐ藕诺南辔灰恢拢缓蠼醚邮钡纳淦当菊笮藕欧⑺透邮漳？椋邮漳？榻邮盏降纳淦祷夭ㄐ藕沤写砗笮纬芍衅祷夭ㄐ藕挪⒋涓藕糯砟？椋中藕糯砥鹘彼谢夭ㄊ莶⒔腥上翊聿⑶乙怨庑藕诺姆绞浇撩撞ㄈ枷袷莘⑺透钥啬？橐栽谄渖舷允救枷�。
文档编号G01S13/89GK102540185SQ20111045637
公开日2012年7月4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
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