一种近程微波全息成像实验系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种近程微波全息成像实验系统，其通过重构目标、扫描装置、扫描控制装置、图像处理装置和矢量网络分析仪搭建实验平台来对近程微波全息成像技术研究。扫描装置只使用2个喇叭天线完成重构目标的扫描，大大降低成本，减少实验误差。采用矢量网络分析仪实现信号互相关相位求解得到目标S参数数据，实时性强，效率高，大大降低设计成本和复杂度；图像处理装置采用卷积核网格化方法处理目标全息数据，有效消除了网格错位引起的混叠效应，提高了目标重构图像的清晰度和成像质量。本实用新型能够更好地发现和解决近程微波全息成像技术在实际应用中可能存在的问题，以促进近程微波全息成像技术在实际应用方面的发展。
【专利说明】一种近程微波全息成像实验系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及微波全息成像领域，具体涉及一种近程微波全息成像实验系统。
【背景技术】
[0002]微波成像技术能探测生物组织、陶瓷、塑料等不透明物体下的目标，已经广泛应用于生物医疗成像、隐匿武器检测、透墙成像、无损检测和人体安检等。在微波成像技术中，微波全息是一种快速的反演技术，它主要依靠测量目标散射波的幅度和相位来获得目标全息图，再经过反演得到目标微波图像，微波全息中的近程目标成像已被考虑应用于生物医疗成像、断层成像和人体安检等。
[0003]关于微波全息最早的研究可以追溯到1956年，当时英国科学家Rogers首次将光全息延伸到微波波段，于1965年利用微波全息技术获得第一张微波全息图。1970年，Farhat和Guard又将微波全息延伸到毫米波波段，经过几年研究研制出一种用于人体安检的毫米波全息成像系统。近年来，微波全息技术得到了较大发展，美国西北太平洋国家实验室的McMakin和Sheen等人提出了一种融合了合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)成像和微波全息的近程毫米波全息成像技术，并研制出一种三维全息主动毫米波成像系统，具有高效率全聚集三维成像能力，已在美国部分敏感机场投入部分使用。国内一些机构也围绕该技术的成像算法和成像系统做了研究，但还处于起步阶段，成像算法和样机还有待完善。
[0004]此外，近程毫米波全息成像技术本身也存在许多不足之处:首先，这种成像技术主要采用天线阵列扫描，成本高；其次，成像系统装置采用天线阵列位于目标一侧，只采集后向散射数据，成像分辨率受限制；再者，成像算法上假设目标的入射场和格林函数近似为球面波来演算最终推导出成像公式，对于近程成像而言，这种假设是不合理的，目标的入射场和格林函数应为数值函数。针对近程毫米波全息成像技术中存在的问题，加拿大麦克马斯特大学Amineh等人提出了一种新型近程微波全息成像算法及其改进方法，很好的解决了上述问题，其优势有:(1)对入射场和格林函数不做假设，解决了近程毫米波全息成像技术中对入射场和格林函数假设为球面波的不合理性；(2)抗噪声性能强；(3)采集前、后向散射数据，提高了成像质量，适用于断层成像；(4)在非均匀介质成像方面进一步发展将适用于医疗成像；(5)对于三维全息成像，不使用三维傅里叶反变换重构目标图像，而是使用纵深z轴方向的二维切片构成三维目标图像，这样只使用二维傅里叶反变换，消除了 z方向波数采样的误差。目前，该技术及其改进技术在理论和仿真实验方面都取得较好成果，仿真实验结果也从多方面证明了该技术优于现有的近程毫米波全息成像技术，无论是理论还是仿真实验工作都相当成熟了。然而，多数的近程毫米波全息成像技术的实验工作都是基于通用电磁仿真软件来实现，搭建实验平台来做研究的只占极少部分且有待改进，导致许多实际应用中可能存在的问题无法发现和解决，这对今后实际成像系统的研制极为不利。为此，急需提供一套完备的近程微波全息成像实验系统方案。实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种近程微波全息成像实验系统，其能够完善近程微波全息成像技术，以促进近程微波全息成像技术在实际应用方面的发展。
[0006]为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种近程微波全息成像实验系统，主要由重构目标、扫描装置、扫描控制装置、图像处理装置和矢量网络分析仪组成；
[0008]上述扫描装置包括2套相同的扫描单元，即发射扫描单元和接收扫描单元；每套扫描单元均由十字滑台、旋转台、喇叭天线和2个光栅位移传感器组成；其中旋转台安装在十字滑台上，并沿着十字滑台上做X和Y轴方向移动；2个光栅位移传感器分别安装在旋转台的X和Y轴的移动方向上，并测量旋转滑台的X和Y轴的位移量；喇叭天线固定在旋转台的顶板上；2套扫描单元的2个十字滑台的X轴方向相平行，2套扫描单元的2个十字滑台的Y轴方向相平行，2套扫描单元的2个十字滑台的XY轴平面平行，且相对处于2个不同的Z轴平面上；2套扫描单元的2个喇叭天线的Z方向位于同一直线上，且Z方向与十字滑台的Z轴方向平行，2套扫描单元的2个喇叭天线的开口相对，且开口角度相一致；
[0009]上述重构目标设置在2套扫描单元之间，且2套扫描单元的2个喇叭天线的开口均朝向该重构目标；
[0010]上述扫描控制装置包括单片机控制单元和上位机；单片机控制单元的控制信号输出端与2个十字滑台和2个旋转台的驱动电机相连；单片机控制单元的数据采集输入端连接4个光栅位移传感器的输出端；单片机控制单元的数据输出端连接上位机的数据输入端;
[0011]上述矢量网络分析仪的控制信号输入端与上位机的控制输出端相连接；矢量网络分析仪的2个控制信号输出端分别连接I个喇叭天线的输出端；矢量网络分析仪的数据输出端与上位机的数据输入端相连；
[0012]上述图像处理装置包括目标图像重构单元。待实验的近程微波全息成像算法内置在该目标图像重构单元内，上位机的数据输出端连接目标图像重构单元的数据输入端，目标图像重构单元的数据输出端连接上位机的显示输入端。
[0013]上述近程微波全息成像实验系统的扫描控制装置还进一步包括接口转换器；单片机控制单元的数据输出端经该接口转换器连接上位机的数据输入端。
[0014]上述近程微波全息成像实验系统的重构目标为金属目标。
[0015]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
[0016]1、通过重构目标、扫描装置、扫描控制装置、图像处理装置和矢量网络分析仪搭建实验平台来对近程微波全息成像技术研究，相较于传统通过软件仿真来对近程微波全息成像技术进行研究而言，能够更好地发现和解决近程微波全息成像技术在实际应用中可能存在的问题，以促进近程微波全息成像技术在实际应用方面的发展；
[0017]2、只使用2个喇叭天线完成重构目标的扫描，而不是使用天线开关阵列实现扫描，从而大大降低成本，减少了实验误差；
[0018]3、采用光栅位移传感器测量扫描时喇叭天线的X、Y方向坐标，精度高，误差小；
[0019]4、采用矢量网络分析仪作微波信号发射和接收并实现信号互相关相位求解得到目标S参数数据，实时性强，效率高，大大降低设计成本和复杂度。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本实用新型的近程微波全息成像实验系统框图。
[0021]图2为扫描装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]一种近程微波全息成像实验系统，如图1和图2所示，其主要由重构目标、扫描装置、扫描控制装置、图像处理装置和矢量网络分析仪组成。
[0023]上述扫描装置包括2套相同的扫描单元，即发射扫描单元和接收扫描单元。每套扫描单元均由十字滑台、旋转台、喇叭天线和2个光栅位移传感器组成。其中旋转台安装在十字滑台上，并沿着十字滑台上做X和Y轴方向移动。2个光栅位移传感器分别安装在旋转台的X和Y轴的移动方向上，并测量旋转滑台的X和Y轴的位移量。喇叭天线固定在旋转台的顶板上。2套扫描单元的2个十字滑台的X轴方向相平行，2套扫描单元的2个十字滑台的Y轴方向相平行，2套扫描单元的2个十字滑台的XY轴平面平行，且相对处于2个不同的Z轴平面上。2套扫描单元的2个喇叭天线的Z方向位于同一直线上，且Z方向与十字滑台的Z轴方向平行，2套扫描单元的2个喇叭天线的开口相对，且开口角度相一致。
[0024]上述重构目标为导体目标，在本实用新型优选实施例中，所述重构目标为金属目标。重构目标设置在2套扫描单元之间，且2套扫描单元的2个喇叭天线的开口均朝向该重构目标。
[0025]上述扫描控制装置包括单片机控制单元、接口转换器和上位机。单片机控制单元的控制信号输出端与2个十字滑台和2个旋转台的驱动电机相连；单片机控制单元的数据采集输入端连接4个光栅位移传感器的输出端；单片机控制单元的数据输出端连接上位机的数据输入端。
[0026]上述矢量网络分析仪的控制信号输入端与上位机的控制输出端相连接。矢量网络分析仪的2个控制信号输出端分别连接I个喇叭天线的输出端。即矢量网络分析仪的第一端口连接发射扫描单元的喇叭天线作为发射天线，第二端口连接接收扫描单元的喇叭天线作为接收天线，用于求解目标的S参数幅度和相位。矢量网络分析仪的数据输出端与上位机的数据输入端相连。
[0027]上述图像处理装置包括目标图像重构单元。待实验的近程微波全息成像算法内置在该目标图像重构单元内，上位机的数据输出端连接目标图像重构单元的数据输入端，目标图像重构单元的数据输出端连接上位机的显示输入端。
【权利要求】
1.一种近程微波全息成像实验系统，其特征在于:主要由重构目标、扫描装置、扫描控制装置、图像处理装置和矢量网络分析仪组成； 上述扫描装置包括2套相同的扫描单元，即发射扫描单元和接收扫描单元；每套扫描单元均由十字滑台、旋转台、喇叭天线和2个光栅位移传感器组成；其中旋转台安装在十字滑台上，并沿着十字滑台上做X和V轴方向移动；2个光栅位移传感器分别安装在旋转台的X和V轴的移动方向上，并测量旋转滑台的X和V轴的位移量；喇叭天线固定在旋转台的顶板上；2套扫描单元的2个十字滑台的X轴方向相平行，2套扫描单元的2个十字滑台的V轴方向相平行，2套扫描单元的2个十字滑台的XV轴平面平行，且相对处于2个不同的2轴平面上；2套扫描单元的2个喇叭天线的2方向位于同一直线上，且2方向与十字滑台的2轴方向平行，2套扫描单元的2个喇叭天线的开口相对，且开口角度相一致； 上述重构目标设置在2套扫描单元之间，且2套扫描单元的2个喇叭天线的开口均朝向该重构目标； 上述扫描控制装置包括单片机控制单元和上位机；单片机控制单元的控制信号输出端与2个十字滑台和2个旋转台的驱动电机相连；单片机控制单元的数据采集输入端连接4个光栅位移传感器的输出端；单片机控制单元的数据输出端连接上位机的数据输入端； 上述矢量网络分析仪的控制信号输入端与上位机的控制输出端相连接；矢量网络分析仪的2个控制信号输出端分别连接1个喇叭天线的输出端；矢量网络分析仪的数据输出端与上位机的数据输入端相连； 上述图像处理装置包括目标图像重构单元；待实验的近程微波全息成像算法内置在该目标图像重构单元内，上位机的数据输出端连接目标图像重构单元的数据输入端，目标图像重构单元的数据输出端连接上位机的显示输入端。
2.根据权利要求1所述的一种近程微波全息成像实验系统，其特征在于:所述扫描控制装置还进一步包括接口转换器；单片机控制单元的数据输出端经该接口转换器连接上位机的数据输入端。
3.根据权利要求1所述的一种近程微波全息成像实验系统，其特征在于:所述重构目标为金属目标。
【文档编号】G01S13/89GK204116605SQ201420477553
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】王俊义, 劳保强, 符杰林, 王锦清, 安涛, 郑霖, 仇洪冰 申请人:桂林电子科技大学