[發明專利]一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統成像的方法

有效

• 申請號: 201110456371.7
• 申請日: 2011-12-30
• 公開（公告）號: CN102540185A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 張遠航;陳曄;張炳煌;張永旸
• 申請（專利權）人: 北京華航無線電測量研究所
• 主分類號: G01S13/89
• 分類號: G01S13/89
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 王宇楊;王慶海

1.一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統成像的方法，該毫米波成像系統包括：天線陣列圓盤支架、伺服控制模塊、頻率合成模塊、發射模塊、發射天線陣列、接收天線陣列、接收模塊、延時模塊、信號處理模塊和顯控模塊，其中：

天線陣列圓盤支架包括可旋轉的中心軸和由該中心軸帶動旋轉的金屬圓形盤，電機驅動該中心軸旋轉；

伺服控制模塊用于控制交流伺服電機的驅動軸以正弦曲線的速率轉動并且控制和檢測天線陣列圓盤支架的旋轉角度，使其從0到M度順時針旋轉，100≤M≤170度，其包括：伺服機構、測量反饋機構和伺服控制器，

其中：

伺服機構包括交流伺服電機(1)、電機驅動器(2)、電源適配器(3)、減速器(4)和皮帶輪(5)；交流伺服電機主軸通過法蘭盤連接減速器，減速器驅動皮帶輪運動，皮帶輪同天線陣列圓盤支架相連，驅動安檢門天線陣列圓盤支架完成各種功能運動，交流伺服電機由電機驅動器直接控制，電機驅動器連接電源適配器實現交直流轉換為電機系統提供電源并實現保護功能；

測量反饋機構包括光柵尺(7)、光電開關(8)，光柵尺(7)安裝于天線陣列圓盤支架主軸上，光柵尺(7)讀數頭固定于天線陣列圓盤支架并隨框架轉動產生編碼信號脈沖從而測量天線陣列圓盤支架旋轉的角度信息，光電開關(8)安裝于天線陣列圓盤支架(6)頂部與角度指示圓盤相接觸，可實現中心零位和極限位置的指示；

伺服控制器包括：交互通信模塊、信號采集模塊、自檢校正控制模塊以及伺服機構的掃描曲線控制模塊；交互通信模塊分為兩部分：一部分完成同信號處理分機的通信，接收其下發的指令信號并反饋當前伺服系統狀態信息；另一部分完成與電機驅動器的通信，對伺服執行機構實施控制；其中，信號采集模塊處理光柵的正交編碼脈沖信號以及光電開關信號；自檢校正控制模塊完成信號處理分機下發的自檢校正指令；掃描曲線控制模塊完成信號處理分機下發的掃描工組指令；

頻率合成模塊包括用于產生寬帶發射信號的高速直接頻率合成器、用于將寬帶發射信號倍頻到所需頻段的倍頻器、用于產生射頻本陣信號的混頻器、用于產生基準時鐘的晶振；

發射模塊包括用于功率放大的固態功率放大器和用于波形調制的發射波形調制器；

發射天線陣列有N個天線單元，每個天線單元對應一路發射通道，天線陣列有N路電開關以控制發射通道的分時工作，即開通和關斷，其中64≤N≤256；

接收天線陣列有N個天線單元，每個天線單元對應一路接收通道，天線陣列有N路電開關以控制接收通道的分時工作，即開通和關斷，其中64≤N≤256；

接收模塊包括用于功率放大的低噪聲功率放大器、用于濾波的濾波器和用于將射頻回波信號變換到中頻回波信號的混頻器；

信號處理模塊包括：用于對中頻回波信號進行采樣的高速模數轉換器、用于對采樣后的數字中頻回波信號進行下變頻的可編程邏輯器件、用于對經數字下變頻的回波數據進行三維成像處理的數字信號處理器、存儲器、用于將三維圖像數據高速發送給顯控模塊的光電轉換器；

該成像方法包括：

第一步：成像系統上電，各模塊進行初始化設置和自檢，并進行發射天線陣列和接收天線陣列的收發通道以及輻相特性校正；

第二步：伺服控制模塊開始控制電機的驅動軸以一種正弦曲線的速率轉動，從而帶動天線陣列圓盤支架旋轉，并且伺服控制模塊控制和測量天線陣列圓盤支架的旋轉角度，使其從0到M度順時針旋轉，100≤M≤170度；

第三步：頻率合成模塊產生基準時鐘并將其發送給信號處理模塊、接收到信號處理模塊的控制命令以產生寬帶發射信號和射頻本陣信號，并且將寬帶發射信號發送給發射模塊和將射頻本陣信號發送給延時模塊；

第四步：發射模塊將寬帶發射信號進行功率放大和波形調制并發送給發射天線陣列；

第五步：信號處理模塊接收到基準時鐘后產生一個工作時序，由此控制發射和接收天線陣列的N個天線單元中的第i個發射和接收通道開啟以及其余的發射和接收通道關斷，由發射天線陣列的第i個天線單元向外輻射寬帶發射信號，其中1≤i≤N，64≤N≤256；

第六步：該寬帶發射信號到達目標的表面并反射到接收天線陣列并由其第i個天線單元接收到該射頻回波信號并將其發送給接收模塊；

第七步：延時模塊將接收到的射頻本陣信號進行精確延時以使其相位與從目標的中心表面反射的射頻回波信號的相位一致，然后將該延時的射頻本陣信號發送給接收模塊；

第八步：接收模塊中將接收到的射頻回波信號的功率放大至與接收到的射頻本陣信號的功率近似相等或者在同一數量級，接著該接收模塊中的濾波器對經功率放大的射頻回波信號進行濾波，然后混頻器將經過功率放大和濾波的射頻回波信號與接收到的射頻本陣信號進行混頻以將該射頻回波信號變換到中頻回波信號，最后再將該中頻回波信號傳輸給信號處理模塊；

第九步：該信號處理模塊中的高速模數轉換器對輸入的中頻回波信號進行采樣，將其轉換為數字回波信號并發送給可編程邏輯器件，可編程邏輯器件將數字回波信號下變頻到基帶信號并將其保存到存儲器中；

第十步：重復步驟三至步驟九，直到將N個通道的經下變頻的數字回波數據保存到存儲器中，由此完成天線陣列圓盤支架在0度位置時通過天線陣列掃描得到的回波數據；

第十一步：天線陣列圓盤支架每旋轉0.2度至1度之間的任一角度，天線陣列掃描一次目標，重復步驟三至步驟十，直到天線陣列圓盤支架旋轉到M度，可編程邏輯器件將掃描得到的N個通道的數字回波信號下變頻到基帶信號并將其保存到存儲器中；

第十二步：數字信號處理器從存儲器中讀取所有回波數據并進行三維成像處理，其中采用公知的圖像處理方法來處理回波數據，得到毫米波三維圖像數據；

第十三步：數字信號處理器將該毫米波三維圖像數據發送給光電轉換器，由此將電信號轉換為光信號，并且以光信號的方式將毫米波三維圖像數據發送給顯控模塊；

第十四步：該顯控模塊將毫米波三維圖像顯示在屏幕上。