11包括:发射链路，由信号源301、定向耦合器302、功 率放大器303、二倍频器304组成，用于生成发送给被测高铁24的毫米波发射信号；以及接收 链路，由信号源307、定向耦合器309、混频器310、312、313、功率放大器311、314、二倍频器 312、315以及低噪声放大器317组成，用于接收被测高铁24返回的回波信号并对回波信号进 行处理以发送给数据采集和处理模块12。
[0041 ] 具体来说，信号源301是工作频率在一定频率范围（例如，13.5GHZ-16.5GHz)的调 频信号源，可以表示为：
[0043] 其中41表示为初始幅值，匕为初始扫描频率13.56他4为时间，(()1为信号源301 的初始相位值，B为调频信号带宽，T为调频周期。
[0044] 此外，信号源307是工作频率在一固定频率(例如，35MHz)的单频率连续波信号源， 可以表示为：
[0046] 其初始幅值和相位分别为A2和喊,，频率为f 2。
[0047] 注意，上述信号源301的频率范围和信号源307的频率可以根据分辨率要求等来选 择，这对于本领域技术人员来说是共知的，此处不再进行描述。
[0048]定向耦合器302是一个三端口器件，其输入端接收信号源301的输出信号，直通端 连接至功率放大器303,从而使发射链路的功率达到二倍频器304安全输入功率范围。在经 过二倍频器3 0 4后，发射链路的频率倍频至第二频率范围（在信号源3 01的频率范围为 13.5GHZ-16.5GHz的情况下，此处的频率范围为27GHz-33GHz)，最终由一个发射天线辐射到 空间中到达被测高铁。此处，发射信号可以表示为：
[0050]其中，A/是发射信号的幅值。
[0051 ]第二信号源307的输出信号连接至定向耦合器309的输入端。混频器310是一个三 端口器件，其中中频IF端连接定向耦合器309的直通端以输入例如35MHz的中频信号，射频 RF端连接定向耦合器302的耦合端以输入例如13.5GHZ-16.5GHz的调频信号，本振L0端则输 出RF和IF端输入的信号的差频信号来提高给功率放大器311。功率放大器311使该信号功率 放大到二倍频器312的安全工作范围内。此时，二倍频器312的输出信号为两信号源混频、然 后再二倍频后的信号，可以表示为：
[0053] 混频器313是一个三端口器件，其中本振L0端连接二倍频器312的输出信号S (t)， 射频RF端得到接收天线15所接收的从被测高铁反射的回波信号。此时的回波信号可以表示 为：
[0055]其中，α为回波信号衰减系数，t = 2R/c为被测物体产生的回波延时，c为电磁波在 空间的传播速度。
[0056]混频器313的中频IF端则输出本振L0与射频RF端接收的信号的超外差信号，其中 该信号中带有一定的空间目标信息，可以表示为：
[0058]从(6)式中可以看出两个信号源的非相干性，为了得到相干信号，引入混频器316。 混频器316输出带有目标信息的相干的超外差信号，其射频端输入来自混频器313的首次下 变频信号SIF(t)，本振端输入由信号源307经过定向耦合器309耦合端、功率放大器314以及 二倍频器315输出的例如70MHz的连续波信号，即：
[0000]其中，A2'为信号幅值。
[0061]混频器316中频IF端则输出带有目标信息的第二次下变频信号SIF(t)，即：
[0063] 从公式(8)可以看出，采用该方法消除了非相干双信号源引入的相位不同步。
[0064] 低噪声放大器317能够使经过两次下变频的微弱中频信号进行放大，提高输出信 号的信噪比、探测灵敏度，其输出信号被送入数据采集和处理模块12。
[0065]图4是本发明的高铁无损检测系统的数据采集和处理模块中进行的全息三维成像 算法的流程图。
[0066]如图4所示，数据采集和处理模块12将采集得到的信号首先进行回波信息的采集 (401) ，将其与空间位置信号联系在一起。然后利用傅里叶变换进行几何特性的傅里叶变换 (402) ，化简变形后进行傅里叶逆变换(403)，最终得到目标三维像(404)，结合空间域位置 信息进行最终数据的获取。
[0067]图5是本发明的高铁无损检测系统的三维目标成像原理图。
[0068]如图5所示，毫米波经过目标502的位置点（x，y，z)处的散射后，位置为(Χ，Υ，Ζ0)的 接收天线501开始接收散射后的宽带回波信号。天线将接收到的信号送入毫米波电路和高 度相干的本振信号进行下变频，再通过低噪声放大器317。设得到的信号为Ε(Χ，Υ，ω )，其中 ω是发射源的瞬时角频率，Ε(Χ，Υ，ω)是关于ω的函数，其表达式为：
[0070]其中，；是天线与目标点之间的距离，i为电磁波波束，指数部分表示目标散射的 球面波信号，对目标三维散射成像起重要作用。且：
[0072] Ε(Χ，Υ，ω )为时域信号，它是对时间维信号E(X，Y，t)进行傅里叶变换后的表达式， 即：
[0073] Ε(Χ,Υ, ω )=FT[E(X,Y,t)l (11)
[0074] 将式（10)带入式(9)，将式(9)的矢量运算简化成标量运算，从物理意义上理解，可 以看成把一个球面波展开，表示成平面波的叠加，得到：
[0082]对式(15)进行逆变换，可以得到最终的宽带毫米波全息成像公式为：
[0084] 从式（16)中可以看出，只要得到各个频率点的回波信号的电磁信息，就可以通过 一系列反演得到f(x，y，z)，最后得到成像目标的三维毫米波全息图像。
[0085] 图6是本发明的高铁无损检测方法的流程图。
[0086] 如图6所述，利用上述高铁无损检测系统进行被测高铁的毫米波全息三维成像检 测方法包括以下步骤:扫描装置移动毫米波收发模块、发射天线和接收天线来扫描被测高 铁;毫米波收发模块生成毫米波发射信号;发射天线将毫米波收发模块生成的毫米波发射 信号发射给被测高铁;接收天线接收被测高铁返回的回波信号并将回波信号发送给毫米波 收发模块;毫米波收发模块对回波信号进行处理并发送给数据采集和处理模块;数据采集 和处理模块对来自毫米波收发模块的信号进行处理以生成被测高铁的三维图像；以及图像 显示单元显示由数据采集和处理模块生成的三维图像。
[0087] 本发明通过采用上述高铁无损检测系统和方法，与现有的毫米波成像仪器相比， 具有以下突出的优点：
[0088] (1)价格低廉:本发明利用驱动电机使一维阵列天线实现面阵列的扫描效果，极大 地降低了成本。
[0089] (2)结构简单，易集成:本发明例如采用单刀多掷开关等控制毫米波收发模块通道 的工作顺序，并且采用调频信号源及毫米波器件进行系统的搭建，大大降低了系统的复杂 度，同时也提高了系统的集成度。
[0090] (3)分辨率高:本发明采用调频连续波技术、超外差技术以及全息成像技术，提高 了三维图像平面和深度的分辨率。
[0091] (4)成像时间快:本发明采用电机带动收发天线上下移动的同时也可以让被测高 铁以一定的速度向前运动，大大提高了成像速度。
[0092] (5)视场增加：与现有的50厘米以下的视场相比，本发明的实施例可以达到几米， 甚至几十米的视场。
[0093]