本發(fā)明屬于雷達成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種毫米波/太赫茲安檢成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，國際國內(nèi)的反恐維穩(wěn)形式呈現(xiàn)出襲擊領(lǐng)域多、危害程度大、影響范圍廣的復(fù)雜態(tài)勢，各國安全部門面臨嚴(yán)峻考驗。在公共安全場所對人員及物品進行安全檢查是預(yù)防公共安全事件最有效手段之一。然而，目前通用的人體安檢方式是金屬安檢門和手持式金屬探測器，該方式僅能探測金屬物品，無法準(zhǔn)確辨明違禁物品，且漏檢率高、效率低。

太赫茲波處在毫米波向紅外可見光過渡的波段，兼具微波和紅外的優(yōu)勢，具有成像分辨率高、幀率高、穿透能力強、對人體無傷害等特點。因此，太赫茲成像是一項新的可靠的站開式(非接觸)安檢技術(shù)。目前，該頻段現(xiàn)有的成像系統(tǒng)主要有準(zhǔn)光掃描、合成孔徑、陣列實孔徑、編碼孔徑等方式，其中準(zhǔn)光掃描成像方法掃描時間長，成像速度緩慢，同時所需的快速掃描平面反射鏡部件價格昂貴，若提高成像速度，需要復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)。合成孔徑成像方法下的線性掃描存在重復(fù)的往返掃描，且每次掃描均為同一起點和終點，會導(dǎo)致成像速度變慢。陣列實孔徑成像方法雖然成像速度快，但需要大量的天線陣元，成本高昂，并且陣元的相位一致性難以保證。因此，探索太赫茲安檢新體制新方法，提高安檢效率，達到實時安檢成像的效果，是一項亟待研究的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種太赫茲頻段旋轉(zhuǎn)陣列掃描成像系統(tǒng)，其通過太赫茲天線陣列的快速旋轉(zhuǎn)掃描實現(xiàn)對人體的高精度實時成像，兼顧了太赫茲頻段現(xiàn)有器件水平、成像速率、成像分辨率和系統(tǒng)成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種太赫茲頻段旋轉(zhuǎn)陣列掃描成像系統(tǒng)，包括太赫茲天線陣列、旋轉(zhuǎn)電機、太赫茲信號產(chǎn)生裝置、太赫茲信號采集裝置和主控計算機。

太赫茲天線陣列是由呈線性排布的n個太赫茲發(fā)射天線和m個太赫茲接收天線組成，等效為n×m個等效相位中心；太赫茲天線陣列采用多發(fā)多收體制，負(fù)責(zé)向待測人體發(fā)射太赫茲信號和接收待測人體的散射回波。

太赫茲天線陣列固定安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上，旋轉(zhuǎn)平臺由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺上的太赫茲天線陣列的勻速旋轉(zhuǎn)掃描運動。

所述旋轉(zhuǎn)平臺上安裝有太赫茲信號產(chǎn)生裝置和太赫茲信號采集裝置。太赫茲信號產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生成像系統(tǒng)所需的太赫茲信號，采用線性調(diào)頻連續(xù)波體制，所產(chǎn)生的太赫茲信號由信號傳輸線輸出到太赫茲天線陣列中的n個太赫茲發(fā)射天線，實現(xiàn)太赫茲信號的發(fā)射。受限于現(xiàn)有太赫茲器件水平，無法發(fā)射正交信號，僅能采用n個發(fā)射天線順序發(fā)射太赫茲信號的方式。

太赫茲信號采集裝置用于采集太赫茲天線陣列中的m個太赫茲接收天線接收到的散射回波，并通過旋轉(zhuǎn)連通裝置(旋轉(zhuǎn)連通裝置也即機械工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的滑環(huán))向主控計算機實時傳輸。

太赫茲天線陣列、旋轉(zhuǎn)電機、太赫茲信號產(chǎn)生裝置以及太赫茲信號采集裝置均與主控計算機連接。主控計算機通過旋轉(zhuǎn)連通裝置負(fù)責(zé)整個成像系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和目標(biāo)散射信息的成像處理，旋轉(zhuǎn)連通裝置(旋轉(zhuǎn)連通裝置也即機械工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的滑環(huán))安裝在旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)圓心，其中整個成像系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制包括旋轉(zhuǎn)電機的速度控制以及太赫茲天線陣列的收發(fā)時序控制；目標(biāo)散射信息的成像處理是利用后向投影算法或波數(shù)域成像算法對目標(biāo)區(qū)域進行成像。

值得說明的是，在實際系統(tǒng)中太赫茲信號產(chǎn)生裝置和太赫茲信號采集裝置可根據(jù)旋轉(zhuǎn)的平衡性穩(wěn)定性調(diào)整所在位置。

組成太赫茲天線陣列的n個太赫茲發(fā)射天線和m個太赫茲接收天線分布在同一直線上。n個太赫茲發(fā)射天線和m個太赫茲接收天線之間的分布間距需保證等效后的n×m個等效相位中心的間距相等、呈均勻分布，收發(fā)天線個數(shù)n和m根據(jù)系統(tǒng)成本和應(yīng)用場景進行確定。

本發(fā)明中線性排布的太赫茲天線陣列形成用于成像的實孔徑，可降低旁瓣、提高系統(tǒng)信噪比、獲得良好的成像效果，太赫茲天線陣列的旋轉(zhuǎn)掃描運動路徑形成用于成像的圓形合成孔徑，保證了本發(fā)明成像的高分辨率，實孔徑和合成孔徑結(jié)合的方式體現(xiàn)了本發(fā)明成像系統(tǒng)優(yōu)越性，即在利用少量陣元數(shù)目的基礎(chǔ)上同時保證了成像分辨率和成像速率，提高了成像效果。

本發(fā)明中由旋轉(zhuǎn)電機控制的旋轉(zhuǎn)掃描運動具有旋轉(zhuǎn)掃描速度穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)掃描速度快的優(yōu)點，相比于目前常用的線性掃描方式，旋轉(zhuǎn)掃描運動路徑具有中心對稱的特點，成像處理可選擇從勻速旋轉(zhuǎn)過程中的任意時刻開始，不限定為同一起點同一終點，且避免了線性掃描方式的加減速過程，有利于實時成像技術(shù)的實現(xiàn)。

本發(fā)明中成像系統(tǒng)高分辨率的有益效果主要體現(xiàn)在方位向和俯仰向的二維高分辨率以及距離向高分辨率兩個方面。在太赫茲天線陣列的旋轉(zhuǎn)掃描平面內(nèi)，方位向和俯仰向耦合，分辨率相同，本發(fā)明中統(tǒng)稱為方位向分辨率。根據(jù)雷達成像基本理論，本發(fā)明中成像系統(tǒng)的方位向分辨率ρa和距離向分辨率ρr分別為

其中，λ為太赫茲信號波長，α為旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)圓心與太赫茲天線陣列相對成像場景中心的夾角，c為光速，b為太赫茲信號帶寬。由于太赫茲波頻率高、波長短，且在太赫茲頻段容易實現(xiàn)大帶寬信號，根據(jù)公式(1)、(2)，方位向分辨率與信號波長成正比，距離向分辨率與信號帶寬成反比，因此，本發(fā)明中成像系統(tǒng)能夠獲得方位向高分辨率和距離向高分辨率。

本發(fā)明中成像系統(tǒng)的操作步驟如下：

(1)旋轉(zhuǎn)電機控制太赫茲天線陣列開始進行勻速旋轉(zhuǎn)掃描運動，由主控計算機控制旋轉(zhuǎn)掃描速度；

(2)待測人體進入太赫茲天線陣列輻射區(qū)域；

(3)太赫茲信號產(chǎn)生裝置產(chǎn)生太赫茲信號并輸入到太赫茲發(fā)射天線和太赫茲接收天線；

(4)多個太赫茲發(fā)射天線依次發(fā)射太赫茲波，多個太赫茲接收天線持續(xù)接收待測人體的散射回波，收發(fā)天線(太赫茲發(fā)射天線以及太赫茲接收天線)的時序由主控計算機控制；

(5)多個太赫茲發(fā)射天線依次發(fā)射完畢為一個發(fā)射周期，一個發(fā)射周期結(jié)束后馬上進入下一個發(fā)射周期，保證整個成像系統(tǒng)持續(xù)發(fā)射太赫茲波和接收散射回波；

(6)主控計算機在太赫茲天線陣列旋轉(zhuǎn)一圈后對接收到的散射回波進行成像處理，得到目標(biāo)高分辨成像結(jié)果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1.本發(fā)明成像系統(tǒng)采用的旋轉(zhuǎn)掃描方式，具有掃描速度穩(wěn)定、掃描速度快的優(yōu)點，且避免了現(xiàn)有線性掃描方式加減速的過程，有利于實現(xiàn)實時成像。

2.由于勻速旋轉(zhuǎn)掃描的穩(wěn)定性和中心對稱性，本發(fā)明方法中的成像處理可選擇從旋轉(zhuǎn)過程的任意時刻開始，不限定為同一起點同一終點，只需旋轉(zhuǎn)一周，系統(tǒng)實現(xiàn)簡單。

3.本發(fā)明成像系統(tǒng)采用多發(fā)多收線陣形式，所需陣元數(shù)少，成本較低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法適用的成像場景與裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明中成像系統(tǒng)適用的成像幾何關(guān)系圖，兩塊陰影部分分別表示與旋轉(zhuǎn)圓心距離最近的天線和最遠的天線的波束覆蓋指向。其中：α為旋轉(zhuǎn)圓心與太赫茲天線相對成像場景中心的夾角；

圖3為本發(fā)明中成像系統(tǒng)適用的一個太赫茲天線陣列示意圖，采用多發(fā)多收雷達常用的發(fā)射陣元在兩端、接收陣元在中間的布局，在1m旋轉(zhuǎn)半徑上設(shè)計實現(xiàn)的4發(fā)8收陣列，其中d＝0.03m，發(fā)射陣元間距為2d，接收陣元間距為4d，發(fā)射陣元和接收陣元間距d。

圖4為圖3所示太赫茲天線陣列的等效相位中心示意圖，4發(fā)8收陣列可等效為32個間距為d的陣元。

圖5為本發(fā)明中成像系統(tǒng)對點目標(biāo)的成像結(jié)果圖，(a)為三個間距為0.005m的目標(biāo)的成像結(jié)果，(b)為(a)中成像結(jié)果的橫向剖面圖。

本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結(jié)合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明一種太赫茲頻段旋轉(zhuǎn)陣列掃描成像系統(tǒng)所適用的成像場景以及結(jié)構(gòu)示意圖。一種太赫茲頻段旋轉(zhuǎn)陣列掃描成像系統(tǒng)，包括太赫茲天線陣列、旋轉(zhuǎn)電機、太太赫茲信號產(chǎn)生裝置、太赫茲信號采集裝置和主控計算機。

參照圖1，太赫茲天線陣列是由呈線性排布的多個太赫茲發(fā)射天線和多個太赫茲接收天線組成，太赫茲天線陣列采用多發(fā)多收體制，負(fù)責(zé)向待測人體發(fā)射太赫茲信號和接收待測人體的散射回波。

太赫茲天線陣列固定安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上，旋轉(zhuǎn)平臺由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺上的太赫茲天線陣列的勻速旋轉(zhuǎn)掃描運動。參照圖1，本實施例中的旋轉(zhuǎn)平臺為一根長條形的旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿上安裝有多個太赫茲發(fā)射天線和多個太赫茲接收天線，多個太赫茲發(fā)射天線和多個太赫茲接收天線分布在與旋轉(zhuǎn)桿平行的同一直線上。所述旋轉(zhuǎn)桿上還安裝有太赫茲信號產(chǎn)生裝置和太赫茲信號采集裝置。旋轉(zhuǎn)桿的中心位置即圖中的o點處安裝有旋轉(zhuǎn)電機，太赫茲天線陣列、太赫茲信號產(chǎn)生裝置和太赫茲信號采集裝置所在旋轉(zhuǎn)桿由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動圍繞o點(旋轉(zhuǎn)圓心)旋轉(zhuǎn)。本實施例中，旋轉(zhuǎn)桿能夠在旋轉(zhuǎn)電機的驅(qū)動下在與地面垂直的平面內(nèi)進行360°穩(wěn)定勻速旋轉(zhuǎn)。

太赫茲信號產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生成像系統(tǒng)所需的太赫茲信號，采用線性調(diào)頻連續(xù)波體制，所產(chǎn)生的太赫茲信號由信號傳輸線輸出到太赫茲天線陣列中的多個太赫茲發(fā)射天線，實現(xiàn)太赫茲信號的發(fā)射。

太赫茲信號采集裝置用于采集太赫茲天線陣列中的多個太赫茲接收天線接收到的散射回波，并通過旋轉(zhuǎn)連通裝置向主控計算機實時傳輸。

太赫茲天線陣列、旋轉(zhuǎn)電機、太赫茲信號產(chǎn)生裝置以及太赫茲信號采集裝置均與主控計算機連接。主控計算機通過旋轉(zhuǎn)連通裝置負(fù)責(zé)整個成像系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和目標(biāo)散射信息的成像處理，其中整個成像系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制包括旋轉(zhuǎn)電機的速度控制以及太赫茲天線陣列的收發(fā)時序控制；目標(biāo)散射信息的成像處理是利用后向投影算法或波數(shù)域成像算法對目標(biāo)區(qū)域進行成像。

本實施例中：采用太赫茲天線陣列結(jié)構(gòu)，以o為旋轉(zhuǎn)圓心，在與地面垂直的平面內(nèi)進行360°穩(wěn)定勻速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中陣列波束持續(xù)覆蓋待測人體目標(biāo)，采集一個旋轉(zhuǎn)周期的回波信號即可進行高精度成像，由于旋轉(zhuǎn)速度快，人體安檢時不需要停留。圖2為本發(fā)明中成像系統(tǒng)適用的成像幾何關(guān)系圖，本圖中只顯示了一個旋轉(zhuǎn)角度下的幾何關(guān)系圖，由于旋轉(zhuǎn)掃描的中心對稱性，其他旋轉(zhuǎn)角度時的幾何關(guān)系同本圖是一致的。從圖2中可以看出，實際實施時，需要調(diào)節(jié)每個天線波束中心指向場景中心，保證成像區(qū)域中的行人始終被波束覆蓋、雷達能接收人體散射回波。

在本實施例中，設(shè)定太赫茲信號中心頻率為220ghz，帶寬為10ghz，對應(yīng)波長約為1.4mm。如圖3所示，在1m旋轉(zhuǎn)半徑上設(shè)計實現(xiàn)了4發(fā)8收陣列，采用多發(fā)多收雷達常用的發(fā)射陣元在兩端、接收陣元在中間的布局，其中d＝0.03m，發(fā)射陣元間距為2d，接收陣元間距為4d，發(fā)射陣元和接收陣元間距d。圖4為圖3所示太赫茲天線陣列的等效相位中心示意圖，4發(fā)8收陣列可等效為32個間距為d的陣元，最大陣元半徑為0.96m。根據(jù)人體安檢成像需求，設(shè)定成像場景大小為2m×2m，掃描平面與成像場景之間的距離為5m，由式(1)和式(2)可計算出方位向分辨率和距離向分辨率分別為

實際實施時，太赫茲信號產(chǎn)生裝置為發(fā)射天線和接收天線輸入太赫茲信號，由主控計算機控制收發(fā)天線時序，采用4個發(fā)射天線順序發(fā)射、8個接收天線持續(xù)接收的工作方式，每一個發(fā)射周期內(nèi)可接收到32個回波信號，太赫茲天線陣列保持持續(xù)的勻速旋轉(zhuǎn)，對旋轉(zhuǎn)一周后的回波信號進行成像處理，即可獲得一幅高分辨成像結(jié)果。

最后，為驗證本發(fā)明中成像系統(tǒng)高分辨率的優(yōu)點，對點目標(biāo)模型進行了成像仿真，采用的后向投影成像算法，該成像算法不受天線陣列形式的限制，能夠直接對發(fā)明方法的成像模型進行雷達成像處理。圖5為本發(fā)明中成像系統(tǒng)對點目標(biāo)的成像結(jié)果圖，(a)為三個間距為0.005m的目標(biāo)的成像結(jié)果，(b)為(a)中成像結(jié)果的橫向剖面圖，說明本發(fā)明方法對間隔5mm的點目標(biāo)仍具有很好的分辨能力，成像分辨率高。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。