專利名稱：一種焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)源毫米波成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種焦平面線陣無(wú)源毫米波成 像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在毫米波頻段(30 300GHz)內(nèi)，濃霧、云層處于相對(duì)透明的狀態(tài)，電磁波在其中 傳播的損耗較小，與紅外成像和光學(xué)成像相比，毫米波無(wú)源成像有如下特點(diǎn)1)能穿透云 霧、硝煙等，具有全天時(shí)、全天候工作能力；幻金屬物體、建筑物、水泥路面、飛機(jī)跑道等物 體主要反射冷空輻射，其輻射特性與自然物體輻射特性差異較大，故成像對(duì)比度高，有利于 目標(biāo)識(shí)別與探測(cè)；幻對(duì)非金屬材料有某種程度的穿透特性，因此具有一定反偽裝能力；因 此無(wú)源毫米波成像技術(shù)在安全檢查、反恐探測(cè)等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用前景，可以發(fā)現(xiàn)隱藏 在衣物下的金屬物體(如手槍、匕首)和非金屬物體(如陶瓷武器、塑料炸藥)，也可以透過(guò) 某些材料(如木板)制成的建筑物墻面，發(fā)現(xiàn)屋內(nèi)的金屬物體；無(wú)源毫米波成像技術(shù)在惡劣 天氣條件下飛機(jī)著陸、內(nèi)河船舶導(dǎo)航防撞、機(jī)場(chǎng)港口場(chǎng)面監(jiān)視等領(lǐng)域均有著良好的應(yīng)用前 景。而與有源雷達(dá)成像相比，基于輻射計(jì)的無(wú)源毫米波成像技術(shù)又具有以下特點(diǎn)其一.被 動(dòng)接收信號(hào)，不易被敵方所發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)場(chǎng)生存能力大大增強(qiáng)；其二 .接收的物體熱輻射信號(hào)頻 帶寬，所成圖像外形準(zhǔn)確、層次豐富，利于目標(biāo)識(shí)別；其三.利用物體自身的輻射，物體形狀 和反雷達(dá)涂層對(duì)成像效果影響很小，利于反隱身。由于無(wú)源毫米波探測(cè)成像技術(shù)具有上述特點(diǎn)，因而已成為繼光學(xué)成像、紅外成像 外的一種新興的無(wú)源探測(cè)成像技術(shù)，是未來(lái)無(wú)源探測(cè)成像技術(shù)發(fā)展的新方向。傳統(tǒng)的無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)，如烏克蘭“Iceberg”國(guó)家研究中心研制的“8mm頻段 無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包括采用錯(cuò)位排列的16 X 2的32通道線陣掃描，天線孔徑為 900mm，饋源尺寸為14X13mm2的多波束陣列天線，設(shè)于陣列天線左右兩側(cè)用于進(jìn)行通道校 正(定標(biāo))處理的冷熱定標(biāo)源，設(shè)有32通道的信號(hào)接收處理器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處 理器(模塊)，用作對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行后期增強(qiáng)處理及圖像顯示的計(jì)算機(jī)，以及驅(qū)動(dòng)陣列天線 掃描運(yùn)行的陣列天線驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)工作在35GHz (8mm)頻段，天線波束3dB 帶寬為0.6°。該成像系統(tǒng)工作時(shí)前端首先利用定標(biāo)源采集通道校正數(shù)據(jù)，然后32通道 多波束陣列天線通過(guò)饋源陣列接收外部探測(cè)目標(biāo)的輻射亮溫，經(jīng)過(guò)設(shè)有32通道的接收處 理器將輻射亮溫信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并完成放大及濾波處理，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及 存儲(chǔ)處理器將模擬信號(hào)(電壓信號(hào))轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行通道校正、再經(jīng)排序及存儲(chǔ)處 理后，傳遞給計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行后期增強(qiáng)處理及圖像顯示，而掃描控制系統(tǒng)則控制32通道陣列天線的運(yùn)行。傳統(tǒng)的毫米波成像系統(tǒng)中，采用32通道陣列掃描及8mm頻段成像系統(tǒng)，一是成本 過(guò)高、二是圖像分辨率較低；毫米波成像系統(tǒng)類似于一個(gè)低通透鏡，由于頻譜帶限的原因， 導(dǎo)致圖像的部分高頻成分即圖像細(xì)節(jié)丟失、圖像分辨率降低；該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào) 增強(qiáng)處理，恢復(fù)其高頻成分以提高獲取圖像分辨率、并將圖像顯示出來(lái)，雖然具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，但卻存在數(shù)據(jù)處理速度慢、即時(shí)性差，而掃描控制系統(tǒng)為一獨(dú)立裝置，又不便于操 作。此外，該系統(tǒng)的天線孔徑為900mm、頻率為35GHz，其所需采樣的空間間隔彡4. 76mm，而 饋源尺寸為14X 13mm2、加之錯(cuò)位排列，通道間采樣的間隔大于6. 5mm，故該系統(tǒng)不能對(duì)探測(cè) 目標(biāo)進(jìn)行Nyquist (奈奎斯特)采樣，僅能采用含信息量少(欠高頻成份)的瑞利采樣方式， 這又存在采樣的完整性差。因而，上述背景技術(shù)存在系統(tǒng)成本高、采樣方式落后，數(shù)據(jù)處理 速度慢、成像的即時(shí)性差，且所成圖像的分辨率較低等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)一種焦平面線陣無(wú)源毫米波 成像系統(tǒng)，以達(dá)到降低系統(tǒng)成本，可利用Nyquist采樣(完全采樣)及3mm頻段成像系統(tǒng)和 獨(dú)立的信號(hào)處理器、有效提高數(shù)據(jù)的處理速度、實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣連續(xù)成像顯示，成像的即時(shí)性 和所成圖像的分辨率等目的。本發(fā)明的解決方案是在傳統(tǒng)毫米波成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將16 X 2的32通道陣列掃 描及8mm頻段成像系統(tǒng)，改為16通道多波束焦平面陣列(天線)掃描，以降低系統(tǒng)成本并 實(shí)現(xiàn)Nyquist采樣；同時(shí)取消對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理及圖像顯示的計(jì)算機(jī)，而采用3mm頻段成 像系統(tǒng)及專用的高速數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)獲取毫米波圖像信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理、以大幅度提高 所獲取圖像的分辨率，同時(shí)與顯示控制器配合、對(duì)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器處理后的圖像信號(hào)進(jìn) 行顯示、對(duì)16通道多波束陣列天線系統(tǒng)的運(yùn)行及信號(hào)采集進(jìn)行控制、實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣連續(xù)成 像顯示，大幅度提高了成像的即時(shí)性。因此，本發(fā)明焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)包括多 波束焦平面陣列天線，冷、熱定標(biāo)源，信號(hào)接收處理器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器，信 號(hào)增強(qiáng)處理及圖像顯示系統(tǒng)，陣列天線驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)，關(guān)鍵在于多波束陣列天線及與之 配套的信號(hào)接收處理機(jī)分別為16通道多波束焦平面陣列天線及16通道信號(hào)接收處理器， 信號(hào)增強(qiáng)處理及圖像顯示系統(tǒng)則為含數(shù)字信號(hào)處理器、顯示控制器的分體式信號(hào)增強(qiáng)處理 及圖像顯示控制系統(tǒng)，陣列天線驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)中的控制單元?jiǎng)t設(shè)于顯示控制器內(nèi)、而陣 列天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則包括伺服驅(qū)動(dòng)器及傳動(dòng)電機(jī)；16通道多波束焦平面陣列天線及冷、熱定 標(biāo)源均固定于轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上，16通道信號(hào)接收處理器分別經(jīng)各通道與多波束焦平面陣列天線對(duì) 應(yīng)的饋源接口連接、而通過(guò)數(shù)據(jù)線與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器的輸入端口連接，數(shù)字 信號(hào)處理器的輸入端通過(guò)數(shù)據(jù)線與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器的輸出端連接、而輸出 端則通過(guò)數(shù)據(jù)線與顯示控制器內(nèi)的圖像顯示端口連接，顯示控制器內(nèi)的控制信號(hào)輸出端則 通過(guò)信號(hào)線與陣列天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的伺服驅(qū)動(dòng)器輸入端連接。上述16通道多波束焦平面陣列天線中的饋源陣列排列方式為4行X4列的交錯(cuò) 排列模式大間距線陣，以實(shí)現(xiàn)Nyquist采樣。所述4行X4列的交錯(cuò)排列模式大間距線 陣，各相鄰饋源水平間距為11. 25mm、垂直間距為9mm。所述信號(hào)接收處理器為射頻總增益 45dB、帶寬為10GHz、檢波器正切靈敏度Tss < -35dBm、檢波器動(dòng)態(tài)范圍> 20dB的全功率輻 射計(jì)類型中的小型寬帶高靈敏通道陣列的16通道信號(hào)接收處理器。所述數(shù)字信號(hào)處理器 采用型號(hào)為TS201、600MHz晶振的DSP處理器(ADI公司生產(chǎn))。所述顯示控制器中的控制 芯片采用型號(hào)為S3C2440a的ARM9芯片，而顯示器則為TFT IXD觸摸屏(三星公司生產(chǎn))； 以實(shí)現(xiàn)終端圖像顯示及向陣列天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)、控制其運(yùn)行。本發(fā)明由于采用16通道多波束焦平面陣列天線、錯(cuò)位排列的四列線陣的大間距饋源陣列及相應(yīng)的16通道信號(hào)接收處理器和3mm頻段成像系統(tǒng)，以降低系統(tǒng)成本、實(shí)現(xiàn) Nyquist采樣，并大幅度提高所成圖像的分辨率，系統(tǒng)成本可較背景技術(shù)降低40%左右；而 采用獨(dú)立的高速數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)獲取毫米波圖像信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)處理，不但有效提高了處 理速度、且空間分辨率也可提高2 3倍，同時(shí)與顯示控制器配合、對(duì)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器處 理后的圖像信號(hào)進(jìn)行顯示及對(duì)16通道多波束陣列天線系統(tǒng)的運(yùn)行及信號(hào)采集進(jìn)行控制， 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采樣連續(xù)成像顯示，從而大幅度提高獲取高分辨圖像的即時(shí)性，通過(guò)觸摸屏顯 示并進(jìn)行控制操作、更加直觀方便。因而具有系統(tǒng)生產(chǎn)成本低，可采用完全采樣、采樣手段 先進(jìn)，有效提高了所成圖像的分辨率及數(shù)據(jù)信號(hào)的處理速度，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采樣連續(xù)成像顯 示、大幅度提高了成像的即時(shí)性且操作直觀方便等特點(diǎn)。


圖1為烏克蘭8mm波段無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施方式饋源陣列排列方式示意圖；圖中圓點(diǎn)為饋源陣列的中心。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施方式16通道多波束焦平面陣列天線中的天線孔徑500mm、系統(tǒng)中心頻 率89GHz、系統(tǒng)帶寬IOGHz、積分時(shí)間23. 75ms ；系統(tǒng)掃描覆蓋的視場(chǎng)角為60 ° (水平方 向)X7. 2° (垂直方向)，工作時(shí)系統(tǒng)在水平方向上從左至右做一維掃描后得到圖像的上 半幀，天線向下低頭3. 6°再?gòu)挠抑磷髵呙璧玫綀D像的下半幀，然后回到水平方向進(jìn)行下一 循環(huán)掃描，各饋源尺寸為10mmX5mm、饋源間隔為水平間隔11. 25mm、垂直間隔9mm ；信號(hào)接 收處理器采用射頻總增益為45dB、帶寬為10GHz、檢波器正切靈敏度Tss < -35dBm、檢波器 動(dòng)態(tài)范圍>20dB的全功率輻射計(jì)類型中的小型寬帶高靈敏通道陣列的16通道信號(hào)接收 處理器；模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器與背景技術(shù)相同，即由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及現(xiàn)場(chǎng)可編程 門陣列(FPGA)組成的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器；數(shù)字信號(hào)處理器采用ADI公司生產(chǎn) 的型號(hào)為TS201、600MHz晶振DSP處理器，原始圖像信號(hào)經(jīng)處理后、其空間分辨率可以提高 2 3倍；顯示控制器中的控制芯片采用型號(hào)為S3C2440a的ARM9芯片，而顯示器則采用TFT LCD觸摸屏(三星公司生產(chǎn))；以實(shí)現(xiàn)終端圖像顯示及向陣列天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng) 器發(fā)送控制信號(hào)、控制其運(yùn)行；本實(shí)施方式伺服驅(qū)動(dòng)器及相應(yīng)的傳動(dòng)電機(jī)分別采用水平及 俯(仰)掃描運(yùn)行兩套相對(duì)獨(dú)立的裝置，伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)分別為MADDT1205及MADDT1207， 相應(yīng)的傳動(dòng)電機(jī)型號(hào)分別為MSMD012P1及MSMD022P1、功率分別為100W及200W、電壓均為 220V。工作時(shí)首先通過(guò)觸摸屏經(jīng)顯示控制器的SCI串口為陣列天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置掃描 方式、并發(fā)送啟動(dòng)指令，然后前端利用定標(biāo)源采集通道校正數(shù)據(jù)，16通道多波束焦平面陣列 天線通過(guò)饋源陣列接收外部探測(cè)目標(biāo)的輻射亮溫，通過(guò)直接耦合連接方式經(jīng)過(guò)設(shè)有16通 道的信號(hào)接收處理器將輻射亮溫信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并完成放大及濾波處理，再通過(guò)SMA 頭雙絞屏蔽線傳遞給模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器將模擬信號(hào)(電壓信號(hào))轉(zhuǎn)化為數(shù)字 信號(hào)并進(jìn)行通道校正、再經(jīng)排序及存儲(chǔ)處理后，通過(guò)HPI并口傳遞給數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行 信號(hào)增強(qiáng)處理，最后通過(guò)SPI 口傳遞給顯示控制器進(jìn)行對(duì)比圖像顯示，而陣列天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則利用GPIO信號(hào)控制16通道陣列天線的運(yùn)行。本實(shí)施方式利用3mm(89GHz)頻段成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在不同天氣下、對(duì)典型目標(biāo)的 實(shí)時(shí)成像，系統(tǒng)主要性能參數(shù)為亮溫分辨力2K、亮溫探測(cè)范圍50Κ 400Κ、角分辨力δ 0 = 0. 4°、視場(chǎng)范圍 60° (H) X 7. 2° (V)、成像速率幀/5 秒。
權(quán)利要求
1.一種焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)，包括多波束焦平面陣列天線，冷、熱定標(biāo)源， 信號(hào)接收處理器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器，信號(hào)增強(qiáng)處理及圖像顯示系統(tǒng)，陣列天 線驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)，其特征在于多波束陣列天線及與之配套的信號(hào)接收處理機(jī)分別為16 通道多波束焦平面陣列天線及16通道信號(hào)接收處理器，信號(hào)增強(qiáng)處理及圖像顯示系統(tǒng)則 為含數(shù)字信號(hào)處理器、顯示控制器的分體式信號(hào)增強(qiáng)處理及圖像顯示控制系統(tǒng)，陣列天線 驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)中的控制單元?jiǎng)t設(shè)于顯示控制器內(nèi)、而陣列天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則包括伺服驅(qū)動(dòng) 器及傳動(dòng)電機(jī)；16通道多波束焦平面陣列天線及冷、熱定標(biāo)源均固定于轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)上，16通道 信號(hào)接收處理器分別經(jīng)各通道與多波束焦平面陣列天線對(duì)應(yīng)的饋源接口連接、而通過(guò)數(shù)據(jù) 線與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器的輸入端口連接，數(shù)字信號(hào)處理器的輸入端通過(guò)數(shù)據(jù) 線與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器的輸出端連接、而輸出端則通過(guò)數(shù)據(jù)線與顯示控制器 內(nèi)的圖像顯示端口連接，顯示控制器內(nèi)的控制信號(hào)輸出端則通過(guò)信號(hào)線與陣列天線驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)內(nèi)的伺服驅(qū)動(dòng)器輸入端連接。
2.按權(quán)利要求1所述焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)，其特征在于所述16通道多波束 焦平面陣列天線中的饋源陣列排列方式為4行X4列的交錯(cuò)排列模式大間距線陣。
3.按權(quán)利要求2所述焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)，其特征在于所述4行X4列的 交錯(cuò)排列模式大間距線陣中各相鄰饋源水平間距為11. 25mm、垂直間距為9mm。
4.按權(quán)利要求1所述焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)，其特征在于所述信號(hào)接收處理 器為射頻總增益45dB、帶寬為10GHz、檢波器正切靈敏度Tss < -35dBm、檢波器動(dòng)態(tài)范圍> 20dB的全功率輻射計(jì)類型中的小型寬帶高靈敏通道陣列的16通道信號(hào)接收處理器。
5.按權(quán)利要求1所述焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理 器采用型號(hào)為TS201、600MHz晶振的DSP處理器。
6.按權(quán)利要求1所述焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)，其特征在于所述顯示控制器中 的控制芯片采用型號(hào)為S3C2440a的ARM9芯片，而顯示器則為TFT IXD觸摸屏。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種焦平面線陣無(wú)源毫米波成像系統(tǒng)。包括16通道多波束焦平面陣列天線、錯(cuò)位排列的四列線陣大間距饋源陣列及與之配套的16通道信號(hào)接收處理器，冷、熱定標(biāo)源，模/數(shù)轉(zhuǎn)換、排序及存儲(chǔ)處理器，獨(dú)立的高速數(shù)數(shù)字信號(hào)處理器及顯示控制器，陣列天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該發(fā)明系統(tǒng)成本可較背景技術(shù)降低40％左右，處理速度快且空間分辨率可提高2～3倍，并實(shí)現(xiàn)了Nyquist采樣及連續(xù)采樣連續(xù)成像顯示、高辨率圖像顯示的即時(shí)性好。因而具有系統(tǒng)生產(chǎn)成本低，可采用完全采樣、采樣方法先進(jìn)，有效提高了所成圖像的分辨率及數(shù)據(jù)信號(hào)的處理速度，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采樣連續(xù)成像顯示、大幅度提高了成像的即時(shí)性且操作直觀方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S7/02GK102087358SQ20101056413
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月29日
發(fā)明者李慎之, 李良超, 楊建宇, 樊勇, 熊金濤 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)