一種太赫茲成像系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種太赫茲波成像系統，該系統是一種三角波調制的太赫茲調頻連續波的單通道掃描式成像系統并用于對地面的低速運動的目標成像。該系統由硬件和軟件部分組成。本系統采用300GHZ的太赫茲頻率、0.1W發射功率、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，此回波信號經過放大濾波，下變頻，經過采集卡采集到FPGA信號處理單元經成像算法處理獲得成像的復圖像數據，在顯示器上成像。
【專利說明】
一種太赫茲成像系統
技術領域
[0001] 本發明涉及雷達成像領域，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。
【背景技術】
[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。目前已 有的脈沖波成像雷達受到廣泛的關注，但調頻連續波雷達與傳統的脈沖雷達相比，由于發 射的是調頻連續波，具有連續波沒有盲區的優點，并且時寬較大，容易獲得較高的帶寬，并 且在技術和硬件實現上較脈沖雷達容易。此外，現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，因此，本發明提出了一種太赫 茲調頻連續波的單通道掃描成像系統。

【發明內容】

[0003] 鑒于以上太赫茲波的特性和調頻連續波的優點，本發明采用的技術方案為一種太 赫茲成像系統，該系統是一種三角波調制的太赫茲調頻連續波的單通道掃描式成像系統 (系統總體結構圖見說明書附圖1)并用于對地面的低速運動的目標成像。該系統由硬件和 軟件部分組成。硬件部分由太赫茲源、環形器、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、轉臺、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] 太赫茲源產生300GHz的太赫茲波，環形器與喇叭天線相連接，利用環形器的單向 傳輸特性能夠同時實現喇叭天線的發送與接收；喇叭天線置于轉臺上。該系統由太赫茲源 產生頻率為300GHz的太赫茲波信號，經過環形器，環形器與發射功率為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控制轉臺的轉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，利用環形器的單方向傳輸特性使信號的發 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，需要經過下變頻降低頻率，然后在經過放大濾波器進行 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 采集數據，并控制顯示器成像;本發明的關鍵在于喇叭天線在轉臺上的運動掃描方式，FPGA 信號處理單元通過伺服系統控制轉臺的連續轉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來控制轉臺帶動移動平臺勻速運動，實現喇叭天線對 目標的掃描，此外還控制FPGA信號處理單元發指令給控制器控制采集卡實時采集獲取信 號，然后經過信號處理程序處理，再由FPGA信號處理單元發出指令由控制器控制顯示器顯 示重構的灰度圖像;信號處理程序主要負責對所采集的信號進行模數轉換，然后經過太赫 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(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 轉臺。
[0008] 一種基于太赫茲波成像系統的工作方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟1:太赫茲波源產生300GHZ的太赫茲波；
[0010] 步驟2:太赫茲波經過環形器單方向傳輸給喇叭天線，把300GHz的太赫茲波發射出 去；
[0011] 步驟3:主控程序控制轉臺帶動移動平臺運動，實現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:回波信號經過環形器單方向傳輸給放大濾波器，實現信號的接收；
[0013] 步驟5:經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據進行校正，再由成像算法從校正后 的信號中獲得目標物體特征的數據，重構獲得復數圖像；
[0016] 步驟8:在顯示器上顯示目標圖像。
【附圖說明】
[0017] 圖1:系統結構圖。
[0018] 圖2.1:轉臺移動裝置主視圖。
[0019] 圖2.2:轉臺移動裝置側視圖。
[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:掃描得到的點數據圖。
【具體實施方式】
[0024] 本發明可應用于類似于地鐵通道的環境中。
[0025] 下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0026]本發明中，太赫茲的頻率為300GHZ，喇叭天線的發射功率為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，根據波束角與喇叭天線尺 寸D和波長A的關系：
[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，很難實現高分辨率。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，從而根據三 角關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 描得到的點數據如圖6所示，這樣形成的被測物體圖像是傾斜的，因此先經過校正算法對得 到的數據進行校正，然后經過成像算法的處理，得到復圖像數據，在顯示器成像。
【主權項】
1. 一種太赫茲成像系統，該系統是一種三角波調制的太赫茲調頻連續波的單通道掃描 式成像系統并用于對地面的低速運動的目標成像;其特征在于:該系統由硬件和軟件部分 組成;硬件部分由太赫茲源、環形器、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、轉臺、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； 太赫茲源產生300GHz的太赫茲波，環形器與喇叭天線相連接，利用環形器的單向傳輸 特性能夠同時實現喇叭天線的發送與接收；喇叭天線置于轉臺上;該系統由太赫茲源產生 頻率為300GHz的太赫茲波信號，經過環形器，環形器與發射功率為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控制轉臺的轉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，利用環形器的單方向傳輸特性使信號的發送 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，需要經過下變頻降低頻率，然后在經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 數據，并控制顯示器成像;本發明的關鍵在于喇叭天線在轉臺上的運動掃描方式，FPGA信號 處理單元通過伺服系統控制轉臺的連續轉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. 根據權利要求1所述的一種太赫茲成像系統，其特征在于:主控程序主要控制伺服系 統來控制轉臺帶動移動平臺勻速運動，實現喇叭天線對目標的掃描，此外還控制FPGA信號 處理單元發指令給控制器控制采集卡實時采集獲取信號，然后經過信號處理程序處理，再 由FPGA信號處理單元發出指令由控制器控制顯示器顯示重構的灰度圖像;信號處理程序主 要負責對所采集的信號進行模數轉換，然后經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。3. 根據權利要求1所述的基于太赫茲波的成像系統，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臺。4. 利用權利要求1所述系統進行的一種基于太赫茲波成像系統的工作方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟， 步驟1:太赫茲波源產生300GHZ的太赫茲波； 步驟2:太赫茲波經過環形器單方向傳輸給喇叭天線，把300GHz的太赫茲波發射出去； 步驟3:主控程序控制轉臺帶動移動平臺運動，實現喇叭天線對被測物體的掃描獲取太 赫茲回波信號； 步驟4:回波信號經過環形器單方向傳輸給放大濾波器，實現信號的接收； 步驟5:經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據進行校正，再由成像算法從校正后的信 號中獲得目標物體特征的數據，重構獲得復數圖像； 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
【發明人】賽景波, 伊經偉
【申請人】北京工業大學