一種太赫茲成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太赫茲波成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種三角波調(diào)制的太赫茲調(diào)頻連續(xù)波的單通道掃描式成像系統(tǒng)并用于對地面的低速運動的目標成像。該系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成。本系統(tǒng)采用300GHZ的太赫茲頻率、0.1W發(fā)射功率、波束角為1°的喇叭天線，單通道移動掃描方式來接收回波信號。喇叭天線置于移動平臺上，移動平臺由轉(zhuǎn)臺帶動與鉛直方向成30°的夾角做往復的勻速運動，對被測物體進行往復的掃描獲得太赫茲回波信號，此回波信號經(jīng)過放大濾波，下變頻，經(jīng)過采集卡采集到FPGA信號處理單元經(jīng)成像算法處理獲得成像的復圖像數(shù)據(jù)，在顯示器上成像。
【專利說明】
一種太赫茲成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及雷達成像領(lǐng)域，以太赫茲波成像為研究對象，在此基礎上提出了一種 太赫茲波的單通道掃描成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波(THz)是指頻率在300GHz-3000GHz之間的電磁波。太赫茲波具有能穿透 一些可見光所不能穿透的材料(布料、紙張等)且對人體沒有電離傷害的獨特性質(zhì)。目前已 有的脈沖波成像雷達受到廣泛的關(guān)注，但調(diào)頻連續(xù)波雷達與傳統(tǒng)的脈沖雷達相比，由于發(fā) 射的是調(diào)頻連續(xù)波，具有連續(xù)波沒有盲區(qū)的優(yōu)點，并且時寬較大，容易獲得較高的帶寬，并 且在技術(shù)和硬件實現(xiàn)上較脈沖雷達容易。此外，現(xiàn)有的凝視成像雷達大都采用多通道的成 像方式，與單通道運動掃描成像方式相比，后者較容易實現(xiàn)，因此，本發(fā)明提出了一種太赫 茲調(diào)頻連續(xù)波的單通道掃描成像系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于以上太赫茲波的特性和調(diào)頻連續(xù)波的優(yōu)點，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種太 赫茲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種三角波調(diào)制的太赫茲調(diào)頻連續(xù)波的單通道掃描式成像系統(tǒng) (系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖見說明書附圖1)并用于對地面的低速運動的目標成像。該系統(tǒng)由硬件和 軟件部分組成。硬件部分由太赫茲源、環(huán)形器、放大濾波器、下變頻器、采集卡、控制器、顯示 器、FPGA信號處理單元、伺服系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺、喇機天線組成，喇機天線的真實半徑：lmm〈D〈5cm; 軟件部分由主控程序和信號處理程序組成。
[0004] 太赫茲源產(chǎn)生300GHz的太赫茲波，環(huán)形器與喇叭天線相連接，利用環(huán)形器的單向 傳輸特性能夠同時實現(xiàn)喇叭天線的發(fā)送與接收；喇叭天線置于轉(zhuǎn)臺上。該系統(tǒng)由太赫茲源 產(chǎn)生頻率為300GHz的太赫茲波信號，經(jīng)過環(huán)形器，環(huán)形器與發(fā)射功率為0.1W的矩形波導接 口的喇叭天線連接，喇叭天線置于由轉(zhuǎn)臺帶動的移動平臺上，移動平臺與鉛直方向成30°的 夾角，由FPGA信號處理單元的主控程序控制伺服系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動來帶動移動平臺做往 復的勻速直線運動掃描被測物體獲得回波信號，利用環(huán)形器的單方向傳輸特性使信號的發(fā) 送與接收同時進行，接收到的太赫茲回波信號功率比較弱并且太赫茲的頻率比較高，采集 起來比較困難，因此需要經(jīng)過放大濾波器進行功率放大，再進行下變頻降低信號的頻率，再 次經(jīng)過放大濾波器放大濾波，然后由FPGA信號處理單元的主控程序控制采集卡采集信號， 然后經(jīng)過信號處理程序、成像算法和校正算法的處理最終在顯示器上成像。
[0005] 由于接收到的太赫茲波比較弱，因此需要放大濾波器對接收到的弱太赫茲波進行 放大濾波，太赫茲波的頻率相當高，需要經(jīng)過下變頻降低頻率，然后在經(jīng)過放大濾波器進行 一次放大，以便于采集卡對信號進行采集;FPGA信號處理單元通過控制器控制采集卡實時 采集數(shù)據(jù)，并控制顯示器成像;本發(fā)明的關(guān)鍵在于喇叭天線在轉(zhuǎn)臺上的運動掃描方式，F(xiàn)PGA 信號處理單元通過伺服系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺的連續(xù)轉(zhuǎn)動帶動移動平臺上的喇叭天線做往復的勻 速直線運動，喇叭天線與水平地面的夾角0°〈9〈90°，運動方向與鉛直方向成30°的夾角，這 樣喇叭天線與被測的物體之間存在相對運動，從而形成了喇叭天線的合成孔徑，因此達到 成像的目的（喇叭天線和轉(zhuǎn)臺移動裝置圖見說明書附圖2.1-2.2,喇叭天線的運動掃描軌跡 圖如圖3)。
[0006] 主控程序主要控制伺服系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)臺帶動移動平臺勻速運動，實現(xiàn)喇叭天線對 目標的掃描，此外還控制FPGA信號處理單元發(fā)指令給控制器控制采集卡實時采集獲取信 號，然后經(jīng)過信號處理程序處理，再由FPGA信號處理單元發(fā)出指令由控制器控制顯示器顯 示重構(gòu)的灰度圖像;信號處理程序主要負責對所采集的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過太赫 茲成像算法和校正算法處理獲得目標物體的信息進行圖像重構(gòu)(主控程序框圖見說明書附 圖4,信號處理程序框圖見說明書附圖5)。
[0007] 所述的移動平臺包括橡膠軌道、鋁合金支架；橡膠軌道安裝在鋁合金支架上；其 中，橡膠軌道用于放置天線模塊并做勻速直線運動;鋁合金支架用于支撐橡膠軌道和放置 轉(zhuǎn)臺。
[0008] 一種基于太赫茲波成像系統(tǒng)的工作方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1:太赫茲波源產(chǎn)生300GHZ的太赫茲波；
[0010] 步驟2:太赫茲波經(jīng)過環(huán)形器單方向傳輸給喇叭天線，把300GHz的太赫茲波發(fā)射出 去；
[0011] 步驟3:主控程序控制轉(zhuǎn)臺帶動移動平臺運動，實現(xiàn)喇叭天線對被測物體的掃描獲 取太赫茲回波信號；
[0012] 步驟4:回波信號經(jīng)過環(huán)形器單方向傳輸給放大濾波器，實現(xiàn)信號的接收；
[0013] 步驟5:經(jīng)過放大的回波信號進行下變頻降低信號的頻率，再次進行放大濾波，是 f目號適于米集卡米集；
[0014] 步驟6:主控程序控制控制器控制采集卡實時采集信號，送給FPGA信號處理單元； [0015] 步驟7:FPGA信號處理單元通過校正算法對數(shù)據(jù)進行校正，再由成像算法從校正后 的信號中獲得目標物體特征的數(shù)據(jù)，重構(gòu)獲得復數(shù)圖像；
[0016] 步驟8:在顯示器上顯示目標圖像。
【附圖說明】
[0017] 圖1:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖2.1:轉(zhuǎn)臺移動裝置主視圖。
[0019] 圖2.2:轉(zhuǎn)臺移動裝置側(cè)視圖。
[0020] 圖3:天線運動掃描軌跡圖。
[0021] 圖4:主控程序框圖。
[0022]圖5:信號處理程序框圖。
[0023]圖6:掃描得到的點數(shù)據(jù)圖。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明可應用于類似于地鐵通道的環(huán)境中。
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0026]本發(fā)明中，太赫茲的頻率為300GHZ，喇叭天線的發(fā)射功率為0.1W，最遠可對20m處 的物體成像。喇叭天線的波束角為1°，太赫茲波的波長A為0.1mm，根據(jù)波束角與喇叭天線尺 寸D和波長A的關(guān)系：
[0027] (p=：7〇0xX/D
[0028] 可以得到D = 7mm，尺寸非常小，因為實孔徑雷達成像的方位向分辨率為：
[0029] o = RX A/D
[0030] 與被測物到天線的距離有關(guān)，很難實現(xiàn)高分辨率。而合成孔徑雷達的方位向分辨 率為：
[0031] o = D/2
[0032] 因此方位向分辨率達到〇 = 3.5mm。
[0033] 距離向分辨率為：
[0035] 因此距離向分辨率達到a = 〇.5mm。
[0036] 接下來著重介紹本發(fā)明的掃描方式。
[0037] 將天線接收部分置于一個移動平臺上，此平臺由轉(zhuǎn)臺帶動做勻速運動，距離此平 臺20m外的物體水平方向移動，移動平臺載著天線模塊與鉛直方向成30°的夾角以3m/s速度 往復移動，對物體進行掃描獲取回波信號。天線運動掃描軌跡圖見說明書附圖3。在天線運 動方向上獲得的合成孔徑大小關(guān)系式為：
[0039] A為太赫茲波的波長，D為天線的真實孔徑，R為天線與目標之間的斜距。
[0040]最大高度為3m的被測物以1.5m/s的速度沿著y軸方向勾速運動，在距離目標20m處 放置載有喇叭天線的移動平臺掃描裝置，移動方向與鉛直方向成30°的夾角，天線的水平分 速度與被測物的移動速度相等，所以天線以3m/s的速度勻速移動。因為波束角(p=l°，因此可 計算天線的初始位置A點距離地面的高度為H = 2.65m，此時天線就可以掃描到被測物體的 最高點。當天線移動到B點時就可以掃描到被測物的最低點，計算的BE = 0.35m，從而根據(jù)三 角關(guān)系可以計算出天線運動軌道的長度AB = 2.66m。因此掃描一次的時間只需用0.9s，來回 往返掃描5次僅用4.5s。由于接收天線與被測物體之間存在不同運動方向上的相對運動，掃 描得到的點數(shù)據(jù)如圖6所示，這樣形成的被測物體圖像是傾斜的，因此先經(jīng)過校正算法對得 到的數(shù)據(jù)進行校正，然后經(jīng)過成像算法的處理，得到復圖像數(shù)據(jù)，在顯示器成像。
【主權(quán)項】
1. 一種太赫茲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種三角波調(diào)制的太赫茲調(diào)頻連續(xù)波的單通道掃描 式成像系統(tǒng)并用于對地面的低速運動的目標成像;其特征在于:該系統(tǒng)由硬件和軟件部分 組成;硬件部分由太赫茲源、環(huán)形器、放大濾波器、下變頻器、采集卡、控制器、顯示器、FPGA 信號處理單元、伺服系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺、喇叭天線組成，喇叭天線的真實半徑：lmm〈D〈5cm;軟件部分 由主控程序和信號處理程序組成； 太赫茲源產(chǎn)生300GHz的太赫茲波，環(huán)形器與喇叭天線相連接，利用環(huán)形器的單向傳輸 特性能夠同時實現(xiàn)喇叭天線的發(fā)送與接收；喇叭天線置于轉(zhuǎn)臺上;該系統(tǒng)由太赫茲源產(chǎn)生 頻率為300GHz的太赫茲波信號，經(jīng)過環(huán)形器，環(huán)形器與發(fā)射功率為0.1W的矩形波導接口的 喇叭天線連接，喇叭天線置于由轉(zhuǎn)臺帶動的移動平臺上，移動平臺與鉛直方向成30°的夾 角，由FPGA信號處理單元的主控程序控制伺服系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動來帶動移動平臺做往復 的勻速直線運動掃描被測物體獲得回波信號，利用環(huán)形器的單方向傳輸特性使信號的發(fā)送 與接收同時進行，接收到的太赫茲回波信號功率比較弱并且太赫茲的頻率比較高，采集起 來比較困難，因此需要經(jīng)過放大濾波器進行功率放大，再進行下變頻降低信號的頻率，再次 經(jīng)過放大濾波器放大濾波，然后由FPGA信號處理單元的主控程序控制采集卡采集信號，然 后經(jīng)過信號處理程序、成像算法和校正算法的處理最終在顯示器上成像； 由于接收到的太赫茲波比較弱，因此需要放大濾波器對接收到的弱太赫茲波進行放大 濾波，太赫茲波的頻率相當高，需要經(jīng)過下變頻降低頻率，然后在經(jīng)過放大濾波器進行一次 放大，以便于采集卡對信號進行采集;FPGA信號處理單元通過控制器控制采集卡實時采集 數(shù)據(jù)，并控制顯示器成像;本發(fā)明的關(guān)鍵在于喇叭天線在轉(zhuǎn)臺上的運動掃描方式，F(xiàn)PGA信號 處理單元通過伺服系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺的連續(xù)轉(zhuǎn)動帶動移動平臺上的喇叭天線做往復的勻速直 線運動，喇叭天線與水平地面的夾角0°〈θ〈90°，運動方向與鉛直方向成30°的夾角，這樣喇 叭天線與被測的物體之間存在相對運動，從而形成了喇叭天線的合成孔徑，因此達到成像 的目的。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太赫茲成像系統(tǒng)，其特征在于:主控程序主要控制伺服系 統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)臺帶動移動平臺勻速運動，實現(xiàn)喇叭天線對目標的掃描，此外還控制FPGA信號 處理單元發(fā)指令給控制器控制采集卡實時采集獲取信號，然后經(jīng)過信號處理程序處理，再 由FPGA信號處理單元發(fā)出指令由控制器控制顯示器顯示重構(gòu)的灰度圖像;信號處理程序主 要負責對所采集的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過太赫茲成像算法和校正算法處理獲得目標 物體的信息進行圖像重構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于太赫茲波的成像系統(tǒng)，其特征是，所述的移動平臺包括橡 膠軌道、鋁合金支架;橡膠軌道安裝在鋁合金支架上;其中，橡膠軌道用于放置天線模塊并 做勻速直線運動;鋁合金支架用于支撐橡膠軌道和放置轉(zhuǎn)臺。4. 利用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)進行的一種基于太赫茲波成像系統(tǒng)的工作方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟， 步驟1:太赫茲波源產(chǎn)生300GHZ的太赫茲波； 步驟2:太赫茲波經(jīng)過環(huán)形器單方向傳輸給喇叭天線，把300GHz的太赫茲波發(fā)射出去； 步驟3:主控程序控制轉(zhuǎn)臺帶動移動平臺運動，實現(xiàn)喇叭天線對被測物體的掃描獲取太 赫茲回波信號； 步驟4:回波信號經(jīng)過環(huán)形器單方向傳輸給放大濾波器，實現(xiàn)信號的接收； 步驟5:經(jīng)過放大的回波信號進行下變頻降低信號的頻率，再次進行放大濾波，是信號 適于米集卡米集； 步驟6:主控程序控制控制器控制采集卡實時采集信號，送給FPGA信號處理單元； 步驟7:FPGA信號處理單元通過校正算法對數(shù)據(jù)進行校正，再由成像算法從校正后的信 號中獲得目標物體特征的數(shù)據(jù)，重構(gòu)獲得復數(shù)圖像； 步驟8:在顯示器上顯示目標圖像。
【文檔編號】G01S13/90GK106054182SQ201610320335
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】賽景波, 伊經(jīng)偉
【申請人】北京工業(yè)大學