本發(fā)明涉及太赫茲波雷達成像技術(shù)，特別涉及一種太赫茲快速二維掃描系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

太赫茲(THz)指的是頻率在0.1THz～10THz(波長在3mm～30μm)之間的電磁波。THz頻段帶寬遠高于微波波段，波長更短，具有更大的信號帶寬，能夠較好的克服微波波段成像分辨率低的缺點，同時太赫茲波段具有良好的穿透能力，能克服可見光、激光穿透性差等不足。

目前太赫茲波成像系統(tǒng)多為透射成像，具有掃描成像功能的系統(tǒng)較少，增加掃描功能的系統(tǒng)也只適用于近距且距離恒定，掃描角度較小的應(yīng)用場合，如安全檢查、樣品分析等應(yīng)用領(lǐng)域，適用于遠距離、大范圍的主動太赫茲探測成像系統(tǒng)較少。

太赫茲遠距離、大范圍實孔徑成像系統(tǒng)采用的掃描方式有電掃描和機械掃描。電掃描系統(tǒng)通過電控天線波束來實現(xiàn)掃描，頻掃天線因為電掃描不需要進行機械運動，所以掃描速度比較快、精度也比較高，但是也有很多原因制約著太赫茲電掃描成像的發(fā)展，如天線的設(shè)計難度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幅射的效率較低，損耗大，目前國內(nèi)外還沒有電控天線工程化成功的相關(guān)報道。機械掃描通過機械移動或機械旋轉(zhuǎn)抑或在角度上的擺動來改變天線波束的指向，機械掃描最大的優(yōu)點是可以利用較少的接收通道實現(xiàn)掃描成像，實現(xiàn)也相對簡單，但掃描時間較長，在系統(tǒng)設(shè)計上通過優(yōu)化，可以提高掃描時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種太赫茲快速二維掃描系統(tǒng)和方法，通過傾斜平面反射鏡的二維有限轉(zhuǎn)動代替往返掃描，使波束往返移動掃描。由于平面反射鏡質(zhì)量遠比整機質(zhì)量輕，由二維掃描裝置驅(qū)動平面反射鏡，轉(zhuǎn)動靈活，減少了整機機械振動等不利因素，使成像速度加快；具有使用距離不受限，掃描角度大的特點，主要應(yīng)用于太赫茲波遠距離(成像距離不受限)、大范圍實孔徑掃描成像，可兼顧成像分辨率和成像速度。

為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種太赫茲快速二維掃描系統(tǒng)，其特點是，包含：

發(fā)射天線；

接收天線，其接收方向與發(fā)射天線的發(fā)射方向相平行；

平面反射鏡，所述發(fā)射天線的發(fā)射天線波束經(jīng)過平面反射鏡反射至掃描區(qū)域，所述掃描區(qū)域形成的接收天線波束經(jīng)過平面反射鏡反射至接收天線，使得所述接收天線波束與發(fā)射天線波束同步運動；

第一掃描電機，其旋轉(zhuǎn)軸連接平面反射鏡，使得所述的平面反射鏡繞水平面旋轉(zhuǎn)；

第二掃描電機，其旋轉(zhuǎn)軸與水平面垂直，控制第一掃描電機和平面反射鏡繞鉛垂線旋轉(zhuǎn)。

所述的發(fā)射天線波束、接收天線波束、平面反射鏡法線及第二掃描電機旋轉(zhuǎn)軸軸線共面，且具有共同交點，所述的第一掃描電機的旋轉(zhuǎn)軸軸線通過該共同交點。

一種太赫茲快速二維掃描方法，其特點是，該方法包含如下步驟：

S1，太赫茲主機的發(fā)射天線生成一發(fā)射天線波束；

S2，平面反射鏡反射發(fā)射天線波束至掃描區(qū)域，所述掃描區(qū)域形成的接收天線波束經(jīng)過平面反射鏡反射至接收天線，使得所述接收天線波束與發(fā)射天線波束同步運動；

S3，調(diào)整第一掃描電機的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，使得所述的平面反射鏡繞水平面旋轉(zhuǎn)；

S4，調(diào)整第二掃描電機的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，使得所述的平面反射鏡繞鉛垂線旋轉(zhuǎn)，完成太赫茲主機在掃描區(qū)域掃描。

所述接收天線的接收方向與發(fā)射天線的發(fā)射方向相平行。

所述的發(fā)射天線波束、接收天線波束、平面反射鏡法線及第二掃描電機旋轉(zhuǎn)軸軸線共面，且具有共同交點，所述的第一掃描電機的旋轉(zhuǎn)軸軸線通過該共同交點。

所述的太赫茲主機掃描的同時進行數(shù)據(jù)采集。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明通過傾斜平面反射鏡的二維有限轉(zhuǎn)動代替往返掃描，使波束往返移動掃描。由于平面反射鏡質(zhì)量遠比整機質(zhì)量輕，由二維掃描裝置驅(qū)動平面反射鏡，轉(zhuǎn)動靈活，減少了整機機械振動等不利因素，使成像速度加快；具有使用距離不受限，掃描角度大的特點，主要應(yīng)用于太赫茲波遠距離(成像距離不受限)、大范圍實孔徑掃描成像，可兼顧成像分辨率和成像速度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種太赫茲快速二維掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為俯仰向角速度和掃描波束關(guān)系示意圖；

圖3為方位向角速度和掃描波束關(guān)系示意圖；

圖4A為二維平面掃描方式示意圖；

圖4B為二維平面掃描方式示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。

如圖1所示，一種太赫茲快速二維掃描系統(tǒng)，包含：發(fā)射天線1；接收天線2，其接收方向與發(fā)射天線1的發(fā)射方向相平行，發(fā)射天線1和接收天線2分別連接在太赫茲主機3上；平面反射鏡4，發(fā)射天線1的發(fā)射天線波束經(jīng)過平面反射鏡4反射至掃描區(qū)域5，所述掃描區(qū)域5形成的接收天線波束經(jīng)過平面反射鏡4反射至接收天線2，使得所述接收天線波束與發(fā)射天線波束同步運動；第一掃描電機6，其旋轉(zhuǎn)軸連接平面反射鏡4，使得所述的平面反射鏡4繞水平面旋轉(zhuǎn)；第二掃描電機7，其旋轉(zhuǎn)軸與水平面垂直，控制第一掃描電機6和平面反射鏡4繞鉛垂線旋轉(zhuǎn)。具體安裝時，平面反射鏡4鎖定在U形框架內(nèi)，第一掃描電機6安裝在U形框架一端外側(cè)端部，U形框架通過底部鎖緊在第二掃描電機7上。第一掃描電機6控制平面反射鏡4繞鏡旋轉(zhuǎn)軸(水平面)轉(zhuǎn)動，第二掃描電機7控制U形架(含第一掃描電機、平面反射鏡)繞電機旋轉(zhuǎn)軸(垂直水平面)轉(zhuǎn)動。

上述的發(fā)射天線波束、接收天線波束、平面反射鏡法線及第二掃描電機旋轉(zhuǎn)軸軸線共面，且具有共同交點，第一掃描電機的旋轉(zhuǎn)軸軸線通過該共同交點。

由于角度關(guān)系，太赫茲快速掃描系統(tǒng)在掃描過程中旋轉(zhuǎn)的角速度和掃描波束的速度并不是線性的，俯仰向波束角度關(guān)系如圖2所示。天線波束和平面反射鏡初始夾角為30°，在平面反射鏡擺動α角度后，則掃描波束在距離為h的平面上移動了距離l，三角關(guān)系如式(1)所示。

圖2中平面反射鏡傾斜一定的角度α，則波束變化了2α，角速度與面鏡傾斜的角度成正比，為了提高成像質(zhì)量，要求波束盡可能勻速移動，移動速度設(shè)為v，和天線掃描角度之間關(guān)系如下式所示。

l＝h tan(2α) (1)

vt＝h tan(2α)＝h tan(2ωt) (2)

求導(dǎo)可得波束移動v與掃描角速度ω的關(guān)系式：

v＝2ωt/sin²(2ωt) (3)

方位向波束角度關(guān)系如圖3所示。天線波束和平面反射鏡初始夾角為90°，在平面反射鏡擺動β角度后，則掃描波束在距離為h的平面上移動了距離l_β，三角關(guān)系如式(4)所示。

移動速度設(shè)為v_β，和天線掃描角度之間關(guān)系如下式所示。

l_β＝h tan(β) (4)

求導(dǎo)可得波束移動v_β與掃描角速度ω的關(guān)系式：

v_β＝ωt/sin²(ωt) (5)

一種太赫茲快速二維掃描方法，該方法包含如下步驟：

S1，掃描過程太赫茲主機4固定不動，太赫茲主機的發(fā)射天線1生成一發(fā)射天線波束；

S2，平面反射鏡4反射發(fā)射天線波束至掃描區(qū)域5，所述掃描區(qū)域5形成的接收天線波束經(jīng)過平面反射鏡4反射至接收天線，使得所述接收天線波束與發(fā)射天線波束同步運動；

S3，調(diào)整第一掃描電機6的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，使得所述的平面反射鏡4繞水平面旋轉(zhuǎn)；

S4，調(diào)整第二掃描電機7的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，使得所述的平面反射鏡4繞鉛垂線旋轉(zhuǎn)，完成太赫茲主機4在掃描區(qū)域掃描。

通常情況下可以分為兩種掃描方式，如圖4A、4B所示，其中實線部分為掃描的同時釆集數(shù)據(jù)，虛線表示只進行掃描而不進行數(shù)據(jù)采集。其中a為回程采集數(shù)據(jù)，這樣掃描的話成像速度較快，速度約為方式b的兩倍；但這樣的掃描會在轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生齒距誤差，不過這種誤差是均勻的，可以用幾何校正就可以進行彌補。b為回程掃描但不采集數(shù)據(jù)，這樣會增加掃描采樣的時間，但是它的優(yōu)點是各行各列之間不會產(chǎn)生齒距誤差。本實施例中采用方案a即太赫茲主機掃描的同時進行數(shù)據(jù)采集。

為保證上述掃描方式和能量有效利用，平面反射鏡的有效面積設(shè)計為440mm×300mm。

為了實現(xiàn)±15°區(qū)域掃描，且保持掃描波束勻速，第一掃描電機1需要擺動的角度為±8.5°，第二掃描電機2需要擺動的角度為±21°。掃描過程成像過程中掃描電機2控制的β角只轉(zhuǎn)動一次，折回時間損失很小，對速度要求不高。掃描電機1控制的α角需要完成多次掃描才能覆蓋±15°區(qū)域。

按照圖1的空間布局，實現(xiàn)±15°的區(qū)域二維掃描，電機轉(zhuǎn)動角度和探測區(qū)域角度對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1電機轉(zhuǎn)動角度和探測區(qū)域角度對應(yīng)表

綜上所述，本發(fā)明一種太赫茲快速二維掃描系統(tǒng)和方法，通過傾斜平面反射鏡的二維有限轉(zhuǎn)動代替往返掃描，使波束往返移動掃描。由于平面反射鏡質(zhì)量遠比整機質(zhì)量輕，由二維掃描裝置驅(qū)動平面反射鏡，轉(zhuǎn)動靈活，減少了整機機械振動等不利因素，使成像速度加快；具有使用距離不受限，掃描角度大的特點，主要應(yīng)用于太赫茲波遠距離(成像距離不受限)、大范圍實孔徑掃描成像，可兼顧成像分辨率和成像速度。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當認識到上述的描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。