一種太赫茲成像系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)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(duì)地面的低速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)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(dòng)掃描方式來(lái)接收回波信號(hào)。喇叭天線置于移動(dòng)平臺(tái)上，移動(dòng)平臺(tái)由轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)與鉛直方向成30°的夾角做往復(fù)的勻速運(yùn)動(dòng)，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行往復(fù)的掃描獲得太赫茲回波信號(hào)，此回波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波，下變頻，經(jīng)過(guò)采集卡采集到FPGA信號(hào)處理單元經(jīng)成像算法處理獲得成像的復(fù)圖像數(shù)據(jù)，在顯示器上成像。
【專(zhuān)利說(shuō)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(dá)成像領(lǐng)域，以太赫茲波成像為研究對(duì)象，在此基礎(chǔ)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(jiàn)光所不能穿透的材料(布料、紙張等)且對(duì)人體沒(méi)有電離傷害的獨(dú)特性質(zhì)。目前已 有的脈沖波成像雷達(dá)受到廣泛的關(guān)注，但調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)與傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)相比，由于發(fā) 射的是調(diào)頻連續(xù)波，具有連續(xù)波沒(méi)有盲區(qū)的優(yōu)點(diǎn)，并且時(shí)寬較大，容易獲得較高的帶寬，并 且在技術(shù)和硬件實(shí)現(xiàn)上較脈沖雷達(dá)容易。此外，現(xiàn)有的凝視成像雷達(dá)大都采用多通道的成 像方式，與單通道運(yùn)動(dòng)掃描成像方式相比，后者較容易實(shí)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(diǎn)，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(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖1)并用于對(duì)地面的低速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)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(hào)處理單元、伺服系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)、喇機(jī)天線組成，喇機(jī)天線的真實(shí)半徑：lmm〈D〈5cm; 軟件部分由主控程序和信號(hào)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(shí)實(shí)現(xiàn)喇叭天線的發(fā)送與接收；喇叭天線置于轉(zhuǎn)臺(tái)上。該系統(tǒng)由太赫茲源 產(chǎn)生頻率為300GHz的太赫茲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)環(huán)形器，環(huán)形器與發(fā)射功率為0.1W的矩形波導(dǎo)接 口的喇叭天線連接，喇叭天線置于由轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)上，移動(dòng)平臺(tái)與鉛直方向成30°的 夾角，由FPGA信號(hào)處理單元的主控程序控制伺服系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)做往 復(fù)的勻速直線運(yùn)動(dòng)掃描被測(cè)物體獲得回波信號(hào)，利用環(huán)形器的單方向傳輸特性使信號(hào)的發(fā) 送與接收同時(shí)進(jìn)行，接收到的太赫茲回波信號(hào)功率比較弱并且太赫茲的頻率比較高，采集 起來(lái)比較困難，因此需要經(jīng)過(guò)放大濾波器進(jìn)行功率放大，再進(jìn)行下變頻降低信號(hào)的頻率，再 次經(jīng)過(guò)放大濾波器放大濾波，然后由FPGA信號(hào)處理單元的主控程序控制采集卡采集信號(hào)， 然后經(jīng)過(guò)信號(hào)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(duì)接收到的弱太赫茲波進(jìn)行 放大濾波，太赫茲波的頻率相當(dāng)高，需要經(jīng)過(guò)下變頻降低頻率，然后在經(jīng)過(guò)放大濾波器進(jìn)行 一次放大，以便于采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集;FPGA信號(hào)處理單元通過(guò)控制器控制采集卡實(shí)時(shí) 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(tái)上的運(yùn)動(dòng)掃描方式，F(xiàn)PGA 信號(hào)處理單元通過(guò)伺服系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上的喇叭天線做往復(fù)的勻 速直線運(yùn)動(dòng)，喇叭天線與水平地面的夾角0°〈9〈90°，運(yùn)動(dòng)方向與鉛直方向成30°的夾角，這 樣喇叭天線與被測(cè)的物體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成了喇叭天線的合成孔徑，因此達(dá)到 成像的目的（喇叭天線和轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)裝置圖見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖2.1-2.2,喇叭天線的運(yùn)動(dòng)掃描軌跡 圖如圖3)。
[0006] 主控程序主要控制伺服系統(tǒng)來(lái)控制轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)喇叭天線對(duì) 目標(biāo)的掃描，此外還控制FPGA信號(hào)處理單元發(fā)指令給控制器控制采集卡實(shí)時(shí)采集獲取信 號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理程序處理，再由FPGA信號(hào)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(hào)處理程序主要負(fù)責(zé)對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)太赫 茲成像算法和校正算法處理獲得目標(biāo)物體的信息進(jìn)行圖像重構(gòu)(主控程序框圖見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附 圖4,信號(hào)處理程序框圖見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖5)。
[0007] 所述的移動(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng);鋁合金支架用于支撐橡膠軌道和放置 轉(zhuǎn)臺(tái)。
[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(guò)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(tái)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)喇叭天線對(duì)被測(cè)物體的掃描獲 取太赫茲回波信號(hào)；
[0012] 步驟4:回波信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器單方向傳輸給放大濾波器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收；
[0013] 步驟5:經(jīng)過(guò)放大的回波信號(hào)進(jìn)行下變頻降低信號(hào)的頻率，再次進(jìn)行放大濾波，是 f目號(hào)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(shí)時(shí)采集信號(hào)，送給FPGA信號(hào)處理單元； [0015] 步驟7:FPGA信號(hào)處理單元通過(guò)校正算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，再由成像算法從校正后 的信號(hào)中獲得目標(biāo)物體特征的數(shù)據(jù)，重構(gòu)獲得復(fù)數(shù)圖像；
[0016] 步驟8:在顯示器上顯示目標(biāo)圖像。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖2.1:轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)裝置主視圖。
[0019] 圖2.2:轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)裝置側(cè)視圖。
[0020] 圖3:天線運(yùn)動(dòng)掃描軌跡圖。
[0021] 圖4:主控程序框圖。
[0022]圖5:信號(hào)處理程序框圖。
[0023]圖6:掃描得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明可應(yīng)用于類(lèi)似于地鐵通道的環(huán)境中。
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(yuǎn)可對(duì)20m處 的物體成像。喇叭天線的波束角為1°，太赫茲波的波長(zhǎng)A為0.1mm，根據(jù)波束角與喇叭天線尺 寸D和波長(zhǎng)A的關(guān)系：
[0027] (p=：7〇0xX/D
[0028] 可以得到D = 7mm，尺寸非常小，因?yàn)閷?shí)孔徑雷達(dá)成像的方位向分辨率為：
[0029] o = RX A/D
[0030] 與被測(cè)物到天線的距離有關(guān)，很難實(shí)現(xiàn)高分辨率。而合成孔徑雷達(dá)的方位向分辨 率為：
[0031] o = D/2
[0032] 因此方位向分辨率達(dá)到〇 = 3.5mm。
[0033] 距離向分辨率為：
[0035] 因此距離向分辨率達(dá)到a = 〇.5mm。
[0036] 接下來(lái)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(gè)移動(dòng)平臺(tái)上，此平臺(tái)由轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)做勻速運(yùn)動(dòng)，距離此平 臺(tái)20m外的物體水平方向移動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)載著天線模塊與鉛直方向成30°的夾角以3m/s速度 往復(fù)移動(dòng)，對(duì)物體進(jìn)行掃描獲取回波信號(hào)。天線運(yùn)動(dòng)掃描軌跡圖見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖3。在天線運(yùn) 動(dòng)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(zhǎng)，D為天線的真實(shí)孔徑，R為天線與目標(biāo)之間的斜距。
[0040]最大高度為3m的被測(cè)物以1.5m/s的速度沿著y軸方向勾速運(yùn)動(dòng)，在距離目標(biāo)20m處 放置載有喇叭天線的移動(dòng)平臺(tái)掃描裝置，移動(dòng)方向與鉛直方向成30°的夾角，天線的水平分 速度與被測(cè)物的移動(dòng)速度相等，所以天線以3m/s的速度勻速移動(dòng)。因?yàn)椴ㄊ?p=l°，因此可 計(jì)算天線的初始位置A點(diǎn)距離地面的高度為H = 2.65m，此時(shí)天線就可以掃描到被測(cè)物體的 最高點(diǎn)。當(dāng)天線移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)就可以掃描到被測(cè)物的最低點(diǎn)，計(jì)算的BE = 0.35m，從而根據(jù)三 角關(guān)系可以計(jì)算出天線運(yùn)動(dòng)軌道的長(zhǎng)度AB = 2.66m。因此掃描一次的時(shí)間只需用0.9s，來(lái)回 往返掃描5次僅用4.5s。由于接收天線與被測(cè)物體之間存在不同運(yùn)動(dòng)方向上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，掃 描得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖6所示，這樣形成的被測(cè)物體圖像是傾斜的，因此先經(jīng)過(guò)校正算法對(duì)得 到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，然后經(jīng)過(guò)成像算法的處理，得到復(fù)圖像數(shù)據(jù)，在顯示器成像。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(duì)地面的低速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)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(hào)處理單元、伺服系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)、喇叭天線組成，喇叭天線的真實(shí)半徑：lmm〈D〈5cm;軟件部分 由主控程序和信號(hào)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(shí)實(shí)現(xiàn)喇叭天線的發(fā)送與接收；喇叭天線置于轉(zhuǎn)臺(tái)上;該系統(tǒng)由太赫茲源產(chǎn)生 頻率為300GHz的太赫茲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)環(huán)形器，環(huán)形器與發(fā)射功率為0.1W的矩形波導(dǎo)接口的 喇叭天線連接，喇叭天線置于由轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)上，移動(dòng)平臺(tái)與鉛直方向成30°的夾 角，由FPGA信號(hào)處理單元的主控程序控制伺服系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)做往復(fù) 的勻速直線運(yùn)動(dòng)掃描被測(cè)物體獲得回波信號(hào)，利用環(huán)形器的單方向傳輸特性使信號(hào)的發(fā)送 與接收同時(shí)進(jìn)行，接收到的太赫茲回波信號(hào)功率比較弱并且太赫茲的頻率比較高，采集起 來(lái)比較困難，因此需要經(jīng)過(guò)放大濾波器進(jìn)行功率放大，再進(jìn)行下變頻降低信號(hào)的頻率，再次 經(jīng)過(guò)放大濾波器放大濾波，然后由FPGA信號(hào)處理單元的主控程序控制采集卡采集信號(hào)，然 后經(jīng)過(guò)信號(hào)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(duì)接收到的弱太赫茲波進(jìn)行放大 濾波，太赫茲波的頻率相當(dāng)高，需要經(jīng)過(guò)下變頻降低頻率，然后在經(jīng)過(guò)放大濾波器進(jìn)行一次 放大，以便于采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集;FPGA信號(hào)處理單元通過(guò)控制器控制采集卡實(shí)時(shí)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(tái)上的運(yùn)動(dòng)掃描方式，F(xiàn)PGA信號(hào) 處理單元通過(guò)伺服系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上的喇叭天線做往復(fù)的勻速直 線運(yùn)動(dòng)，喇叭天線與水平地面的夾角0°〈θ〈90°，運(yùn)動(dòng)方向與鉛直方向成30°的夾角，這樣喇 叭天線與被測(cè)的物體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成了喇叭天線的合成孔徑，因此達(dá)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(lái)控制轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)勻速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)喇叭天線對(duì)目標(biāo)的掃描，此外還控制FPGA信號(hào) 處理單元發(fā)指令給控制器控制采集卡實(shí)時(shí)采集獲取信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理程序處理，再 由FPGA信號(hào)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(hào)處理程序主 要負(fù)責(zé)對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)太赫茲成像算法和校正算法處理獲得目標(biāo) 物體的信息進(jìn)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(dòng)平臺(tái)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(yùn)動(dòng);鋁合金支架用于支撐橡膠軌道和放置轉(zhuǎn)臺(tái)。4. 利用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)進(jìn)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(guò)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(tái)帶動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)喇叭天線對(duì)被測(cè)物體的掃描獲取太 赫茲回波信號(hào)； 步驟4:回波信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器單方向傳輸給放大濾波器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收； 步驟5:經(jīng)過(guò)放大的回波信號(hào)進(jìn)行下變頻降低信號(hào)的頻率，再次進(jìn)行放大濾波，是信號(hào) 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(shí)時(shí)采集信號(hào)，送給FPGA信號(hào)處理單元； 步驟7:FPGA信號(hào)處理單元通過(guò)校正算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，再由成像算法從校正后的信 號(hào)中獲得目標(biāo)物體特征的數(shù)據(jù)，重構(gòu)獲得復(fù)數(shù)圖像； 步驟8:在顯示器上顯示目標(biāo)圖像。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK106054182SQ201610320335
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月13日
【發(fā)明人】賽景波, 伊經(jīng)偉
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)