短毫米波交流辐射成像法及成像装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种短毫米波交流辐射成像法及成像装置，短毫米波交流辐射成像法包括天线接收信息，信息信号射频放大，信号检波，低频信号放大与选通，A/D采样，电压-灰度成像，图像几何校正，图像能量补偿，伪彩色图像显示等步骤，短毫米波交流辐射成像装置，包括天线模块、射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块、A/D采样模块、扫描控制模块、交流成像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块，本发明结构简单、使用成本低，且使用效果良好。
【专利说明】短毫米波交流辐射成像法及成像装置
【技术领域】
[0001]本发明属于辐射计成像领域，特别是一种短毫米波交流辐射成像法及成像装置。【背景技术】
[0002]与现有各类主动和被动体制的成像探测相比，毫米波、亚毫米波被动成像的最主要困难就在于自然界的各种物体所辐射的毫米波、亚毫米波能量太微弱，通常只有微微瓦级甚至更低，而自然界的各种干扰及接收机自身的噪声远远高于有用信号的能量。因此，如何从被噪声淹没信号中检出有用信息是一个很大的挑战。由于自然物的自然本征辐射无法改变，因此根本的方法就是要努力提高接收机的灵敏度，例如尽量对信号进行前置低噪声放大、尽量减小系统本身的增益起伏、降低系统噪声等等。
[0003]毫米波辐射计输出起伏由系统噪声不确定性和系统增益不确定性决定,一般后者比前者要大两个数量级，因而系统增益的被动起决定性作用。一般来说，采用高性能的微波器件和增加检波前带宽可以将辐射计的灵敏度提高到满足各种实际应用要求的水平。但对微波短毫米波辐射与散射系统而言，系统电路类型的突破性改进非常困难。长期以来，人们一直采用各种办法来减少和消除系统增益起伏和本机噪声不确定性的影响。主要采取如下方法:
首先，目前国内外辐射探测应用的大多是直流体制的辐射计，在全功率微波辐射计的基础上，1946年Dicke研制出Dicke福射计。Dicke福射计为消除本机增益起伏的影响,采用单刀双掷微波开关，使接收机输入端交替地接到天线端口和参考源端口。在平方律检波后进行相关检波和相减处理，大大减少了增益起伏的影响，使微波辐射计走向实用化。但这种方法只有在天线温度同参考源温度相等时，才能全部消除接收机增益起伏的影响。其它如采用脉冲调制的恒流源开关直接调制固态噪声源，实现脉冲噪声注入的零平衡工作方式，并为此研制了一种高稳定的脉冲调制恒流源开关；采用整体恒温结构，保证辐射计的环境温度稳定不变仅等于参考负载温度。这样可消除由于前端损耗及反射的存在和变化而引起的测量误差，进一步提高系统的绝对精度；且由于整机电路和器件工作于恒温环境中，可保证系统工作性能稳定可靠。但其硬件系统也比较复杂。
[0004]目前有两种方式检测天线接收的信号，即超外差式和直接检波式，超外差式是比较传统的结构，它的射频信号可能经过或不经过放大，但都会进入混频器下变频到中频信号后再进行放大检波等处理；而直接检波式接收机接收的信号经过低噪声放大器后直接检波。通常直流辐射计为了抵消机内直流噪声，需要采用迪克比较式、周期定标式或者注入噪声式得辐射计体制，成像系统需要增加定标负载及冷热噪声源。而交流辐射计利用交流能量来获取目标的信息，有自己独特的定标方式，独特的图像解读与处理方式。
[0005]根据国内外的相关文献报道和发明专利，目前无论何种接收机，主要都是利用直流能量来获取目标的特殊信息。而采用交流辐射计可以作为被动毫米波领域获取目标信息的一种重要形式，与直流信息相比交流信息既有相同的目标图像判读方法又具有自己独特的图像解释与判读方法。[0006]直流辐射计无论扫描还是不扫描都有电压输出，可以获取目标的信息。交流辐射计必须通过扫描才能获取目标的对比度信息。采用高速扫描交流辐射计后，图像的直流能量将部分丢失，成像的灵敏度将会较低。但对目标之间的对比关系影响不大。从能量的角度来看，虽然交流辐射计损失了一部分直流能量，但对目标之间的对比信息影响不大，因此利用交流辐射计体制的被动毫米波图像可以反映的目标及目标之间的位置关系。另外在不计增益起伏的理想条件下，全功率辐射计比狄克式辐射计灵敏度高一倍。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种结构简单、使用成本低，且使用效果良好的短毫米波交流辐射成像法及成像装置。
[0008]实现本发明目的的技术解决方案为:
一种短毫米波交流辐射成像法，包括以下步骤:
步骤一:利用大口径的短毫米波天线接收目标的短毫米波天线相应波段自然辐射信
息；
步骤二:利用短毫米波射频低噪放模块将目标辐射信息的射频信号放大；
步骤三:利用检波模块将射频信号转化为低频信号；
步骤四:利用选通低放模块选出目标的低频交流信号；
步骤五:利用峰值法选择合适的正或负能量电压进行成像，利用单片机Α/D采样模块将低频的模拟交流信号数字化，负电压需利用导相电路转化为正电压；
步骤六:成像结束后将数字化后的电压转化为256等级原始灰度图像；
步骤七:将原始灰度图像根据扫描方式进行图像几何校正，消除扫描畸变；
步骤八:将校正后的灰度图像根据不同目标的灰度特征进行能量补偿；
步骤九:将能量补偿后的灰度图像根据灰度一伪彩色映射显示为伪彩色图像。
[0009]一种短毫米波交流辐射成像装置，包括天线模块、射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块、Α/D采样模块、扫描控制模块、交流成像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块，其中天线模块、射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块、Α/D采样模块、交流成像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块依次连接，扫描控制模块分别与天线模块和Α/D采样模块连接；背景信息经天线模块接收，然后进入到射频低噪放模块经低噪放放大后的射频信息进入检波模块检波，再送入选通低放模块，经过选通低放模块获得低频信息；接着经Α/D采样模块进入到交流成像模块，在交流成像模块处理后送入几何校正模块，对于机械扫描和交流形状畸变进行校正纠偏，经几何校正模块处理后送入能量补偿模块进行能量补偿，弥补不能区分大目标的技术缺陷，最后送入图像显示模块，显示的接近自然地物辐射的场景图像，其中扫描控制模块，控制天线进行二维扫描成像。
[0010]本发明与现有技术相比，其显著优点:
(I)揭示了利用毫米波交流辐射计探测成像这种认识自然现象的新型技术手段和方法，尤其适于实现短毫米波段系统实现与探测。
[0011](2)与通常的直流辐射计信息相比，交流辐射计信息同样包含了目标的几何尺寸，材质特征等信息，但是图像的表现形式和解读方法存在不同，利用交流体制同样可以获取准确获取目标信息。[0012](3)交流能量信息与直流能量信息既有区别又有联系，都是获取目标信息的重要方式，具有动态特征的交流辐射计图像不仅开辟了新的信息获取方式，图像还具有自己独特的判读和解释方式。
[0013](4)与直流辐射计图像相比，交流辐射图像的空间分辨率适中，不会引起旅客对于隐私暴露的担忧，具有更高的检测目标性质和轮廓的能力，具有更好地焦平面系统集成性和一致性。
[0014](5)与直流福射计成像相比,交流成像福射计是一种高速扫描的全功率福射计。它通过选通低放隔去机内的直流分量，利用交流分量来获得目标的信息。它避开了机内的直流噪声，省去了匹配负载和3_开关及复杂的同步检波电路，具有更加简单的电路结构，具有更短的积分时间l-5ms，以及更低的成本和测试系统。
[0015]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明短毫米波交流辐射成像法及成像装置的方法流程图。
[0017]图2是本发明短毫米波交流辐射成像法及成像装置的模块连接图。
[0018]图3是本发明短毫米波交流辐射成像法及成像装置的结构示意图。
[0019]图4是本发明短毫米波交流辐射成像法及成像装置的3_波段交流和直流辐射成像信号比较示意图。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示:本发明一种短毫米波交流辐射成像法，包括以下步骤:
步骤一:利用大口径的短毫米波天线接收目标相应波段自然辐射信息，天线的口径直接决定了分辨率，本发明中采用600mm 口径的卡式天线，可以兼容IOOmm — 600mm之间所有口径的卡式天线，根据天线的频率范围如92-lOOGHz，可以接收相应目标的同频率范围信息；需要短于3_波段辐射天线系统，长于3_波段的毫米波交流成像系统成像分辨率较难满足安全检查和环境监控中目标图像分辨率和特征分析的要求，目前短于3mm波段的无论主动雷达系统还是直流辐射计系统实现都存在巨大的技术障碍，而交流辐射计体制是最简单、最易实现的。
[0021]步骤二:利用短毫米波射频低噪放模块将目标辐射信息的射频信号放大，射频低噪放的工作频带为70 - 110GHz，增益大于50dB。
[0022]步骤三:利用检波模块将射频信号转化为低频信号，检波模块的灵敏度800W/V，可以满足系统灵敏度的要求。
[0023]步骤四:利用选通低放模块选出目标的低频交流信号；选通低放的输出电阻I千欧，积分电容为2微法，这样系统的积分时间为t=2ms，这就要求选通低放的频带带宽为B=250Hz ;选通低放模块的作用是隔去目标和噪声的直流信息分量，保留交流信息分量，必须保证选通低放模块的积分时间与扫描速度相匹配(相等)，必须利用选择器截取合适的正、负数值电平进行交流成像。
[0024]步骤五:利用峰值法选择合适的正或负能量电压进行成像，利用单片机Α/D采样模块将低频的模拟交流信号数字化，数字化的电压数值最小为0.0lmV。[0025]步骤六:判断成像结束后(如未结束继续扫描成像)，将数字化后的信息采用256等级电压-灰度转化为原始灰度图像；交流成像与通常的直流毫米波辐射计相比，交流辐射图像类似一个不规则的几何微分，不规则的形状参数由系统阻抗和积分器确定。
[0026]步骤七:将原始灰度图像根据圆锥扫描方式进行图像几何校正，消除扫描畸变；另外，交流辐射图像类似一个不规则的微分特性对目标的几何形状进行了变化，需要根据不规则的微分特性参数来还原目标的真实尺寸；除了校正普通的机械圆锥扫描失真，原始交流辐射图像类似一个不规则的几何微分，不规则的形状参数由系统阻抗和积分器确定，为了保证选择大致的几何形状，需要根据参数来校正目标的真实尺寸。
[0027]步骤八:将校正后的灰度图像根据不同目标的灰度特征进行能量补偿；因为交流辐射图像对于大面积目标的采样电压均接近零值，所以需要根据不同目标的峰值均值重新确定目标的电压-灰度值，以区分不同的目标；采用交流辐射成像需要进行能量补偿，比通常的直流毫米波辐射计相比，交流辐射图像对于点目标的测试相同，对于阶跃目标的图像完全不同，大目标的直流信息极为一稳定的直流电平，目标不同这个直流电平通常不同，而交流辐射计的大目标的都是一个接近O伏的噪声电平，这时需要利用两端目标的峰值点作为参考点进行能量补偿以区分不同的大面积目标。
[0028]步骤九:将能量补偿后的灰度图像根据灰度一伪彩色映射显示为伪彩色图像。能量补偿，比通常的直流毫米波辐射计相比，交流辐射图像对于点目标的测试相同，对于阶跃目标的测试明显不同，这时需要利用两端目标的峰值点作为参考点进行能量补偿。的图像显示的是交流辐射计的图像，接近于目标真实自然辐射。
[0029]如图4所示:
直流辐射计无论扫描还是不扫描都有电压输出，可以获取目标的信息，交流辐射计必须通过相对运动才能获取目标的对比度信息。采用交流辐射计后，图像的直流能量将部分丢失，成像的灵敏度将会较低。但对目标之间的对比关系影响不大。
[0030]实施例1:违禁物品的毫米波辐射特性测试实验:
利用PC机和单片机进行扫描控制与成像，在单片机控制的成像扫描过程中，在一个中断周期内，利用3_波段天线接收人体衣物(及藏匿物品)的自然辐射信息，经射频低噪放模块放大后进入检波模块，然后通过选通低放模块的选通作用，产生一个电压信号，这个电压信号经Α/D采样后变为数字化信号，根据电压信号的幅度确定相应的灰度等级，产生一个原始图像，原始图像经过几何校正后(如藏匿圆环的形状)，再经过直流能量补偿，如图像中大面积不同的颜色表示区域，最后利用赋色值法产生了一副伪彩色图像，还可以利用Matlab系统色值产生灰度一伪彩色的违禁品模拟安检图像。
[0031]实施例2:场景的毫米波辐射特性测试实验:
利用PC机和单片机进行扫描控制与成像，在单片机控制的成像扫描过程中，在一个中断周期内，利用3mm波段天线接收场景(地物目标)的自然辐射信息，经射频低噪放模块放大后进入检波模块，然后通过选通低放模块的选通作用，产生一个电压信号，这个电压信号经Α/D采样后变为数字化信号，根据电压信号的幅度确定相应的灰度等级，产生一个原始图像，原始图像经过几何校正后(如矩形和圆形目标)，再经过直流能量补偿，如图像中大面积不同的颜色表示区域，最后利用Matlab系统色值产生灰度一伪彩色的操场图像。
[0032]如图2所示:本发明一种短毫米波交流辐射成像装置，包括天线模块、射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块、Α/D采样模块、扫描控制模块、交流成像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块，其中天线模块、射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块、Α/D采样模块、交流成像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块依次连接，扫描控制模块分别与天线模块和Α/D采样模块连接；背景信息经天线模块接收，然后进入到射频低噪放模块经低噪放放大后的射频信息进入检波模块检波，再送入选通低放模块，经过选通低放模块获得低频信息；接着经Α/D采样模块进入到交流成像模块，在交流成像模块处理后送入几何校正模块，对于机械扫描和交流形状畸变进行校正纠偏，经几何校正模块处理后送入能量补偿模块进行能量补偿，弥补不能区分大目标的技术缺陷，最后送入图像显示模块，显示的接近自然地物辐射的场景图像，其中扫描控制模块，控制天线进行二维扫描成像。
[0033]如图3所示:本发明控制垂直方向的垂直步进电机I和它的配重金属块2位于水平旋转框架5的左右两侧，在垂直旋转框架16上放置天线和辐射计4，辐射计4的信号线和电源线以及步进电机的相线经过水平旋转框架5的内壁开过线槽6，再经过中空的水平旋转轴7进入到减速室，经过空间隔板进入下一层的控制室，其中减速室内装有水平步进电机9和蜗轮蜗杆减速箱8，控制室内装有驱动装置10、直流稳压电源11和单片机控制模块12，电源线连接到电源座13，信号线通过信号线接口 14连接计算机进行数据处理与成像，整个装置安装在支撑支架15上；其中，辐射计4中包含射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块，单片机控制模块12中包含Α/D采样模块、扫描控制模块，信号线通过信号线接口 14连接的计算机中包含交流成像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块。
[0034]实施例3:如图3所示，交流能量体制的毫米波辐射成像装置主要尺寸和技术参数如下:高度1.Sm,重量小于50kg，占地面积0.2m2 ;成像范围180°X90 ° (其中水平旋转可根据实际需要扩展到360° )，除了电源座和SMA信号座，整个系统无明线，各部分成像功能模块均位于一体化结构内。系统设计和连接结构如下:控制垂直方向的垂直步进电机I和它的配重金属块2位于水平旋转框架5的左右两侧，在垂直旋转框架16上放置可以兼容600mm之内口径的卡塞格伦天线3和福射计4,福射计4的信号线和电源线以及步进电机的相线经过水平旋转框架5的内壁开过线槽6，再经过中空的水平旋转轴7进入到减速室其中减速室内装有水平步进电机9和蜗轮蜗杆减速箱8，控制室内装有驱动装置10、直流稳压电源11和单片机控制模块12，电源线连接到电源座13，SMA信号线通过信号线接口 14连接计算机进行数据处理与成像，整个装置安装在支撑支架15上。
[0035]其中，垂直步进电机I和水平步进电机9，均为体积小、重量轻、精度高、噪声低的步进电机。装置中的过线槽6，使得辐射计4需要的电源线和信号线以及垂直步进电机I的六根相线均通过隐藏、封闭的金属框架开槽以及中空的水平旋转轴7，穿过减速室和控制室的连接面板，进行电源供电、扫描控制和数据传送。这种无明线的设计大大降低了扫描系统的缠绕和电磁屏蔽。
[0036]不同于传统的直流辐射计成像，交流成像辐射计是一种高速扫描的全功率辐射计。它通过选通低放隔去机内的直流分量，利用交流分量来获得目标的信息。它避开了机内的直流噪声，省去了匹配负载和3mm开关及复杂的同步检波电路，具有更加简单的电路结构，具有更短的积分时间l-5ms，以及更低的成本和测试系统，尤其易于实现短于3mm的毫米波系统。可以机场、海关、港口等处的安检提供一种新的技术方法。被动毫米波成像技术本身不发射任何电磁波，因此对人体是安全的，另外由于毫米波对衣物、纸箱、皮革等具有一定的穿透性，因此可用毫米波交流成像辐射计检测出隐匿在衣物下的物体。
[0037]交流体制的辐射计成像方法尤其适合短毫米波波段的应用，而这个波段是目前主动和被动毫米波探测器发展存在着巨大技术障碍。本发明提出一种短毫米波辐射图像的成像处理和解读方法，为进一步拓展和大规模应用毫米波交流体制成像提供理论前提和技术基础。
[0038]本发明一种短毫米波辐射成像方法，首先与雷达、红外及直流辐射计一样，它是一种探测目标特性的方法，可以利用成像的方式来获得目标的信息，由于具有全天时全天候的工作能力，优于红外与光学探测系统，又由于不发射电磁波，所以又具有较高的隐蔽性与安全性，与直流辐射计相比，具有简单易集成的结构，更低的成本，方便的测试系统，对于短毫米及亚毫米波波段，比相同波段的雷达和辐射计具有技术上的优先易实现性。
【权利要求】
1.一种短毫米波交流辐射成像法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:利用大口径的短毫米波天线接收目标的短毫米波天线相应波段自然辐射信息； 步骤二:利用短毫米波射频低噪放模块将目标辐射信息的射频信号放大； 步骤三:利用检波模块将射频信号转化为低频信号； 步骤四:利用选通低放模块选出目标的低频交流信号； 步骤五:利用峰值法选择合适的正或负能量电压进行成像，利用单片机Α/D采样模块将低频的模拟交流信号数字化，负电压需利用导相电路转化为正电压； 步骤六:成像结束后将数字化后的电压转化为256等级原始灰度图像； 步骤七:将原始灰度图像根据扫描方式进行图像几何校正，消除扫描畸变； 步骤八:将校正后的灰度图像根据不同目标的灰度特征进行能量补偿； 步骤九:将能量补偿后的灰度图像根据灰度一伪彩色映射显示为伪彩色图像。
2.根据权利要求1所述的一种短毫米波交流辐射成像法，其特征在于:步骤一中所述的大口径的短毫米波天线是 指直径小于600mm的所有口径的卡式天线。
3.根据权利要求1所述的一种短毫米波交流辐射成像法，其特征在于:步骤二中所述的射频低噪放的工作频带为70 - 110GHz，增益大于50dB。
4.根据权利要求1所述的一种短毫米波交流辐射成像法，其特征在于:步骤三中所述的检波模块的灵敏度500 ff/V -800W/V。
5.根据权利要求1所述的一种短毫米波交流辐射成像法，其特征在于:步骤四中所述的选通低放的输出电阻I千欧，积分电容为2微法。
6.根据权利要求1所述的一种短毫米波交流辐射成像法，其特征在于:步骤五中所述的数字化的电压数值精确到0.01mV。
7.根据权利要求1所述的一种短毫米波交流辐射成像法，其特征在于:步骤七中所述的扫描方式为圆锥扫描方式。
8.根据权利要求1所述的一种短毫米波交流辐射成像法，其特征在于:步骤八中所述的能量补偿是根据不同目标的峰值均值重新确定目标的电压-灰度值，以区分不同的目标。
9.一种短毫米波交流辐射成像装置，其特征在于:包括天线模块、射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块、Α/D采样模块、扫描控制模块、交流成像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块，其中天线模块、射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块、Α/D采样模块、交流成像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块依次连接，扫描控制模块分别与天线模块和Α/D采样模块连接；背景信息经天线模块接收，然后进入到射频低噪放模块经低噪放放大后的射频信息进入检波模块检波，再送入选通低放模块，经过选通低放模块获得低频信息；接着经Α/D采样模块进入到交流成像模块，在交流成像模块处理后送入几何校正模块，对于机械扫描和交流形状畸变进行校正纠偏，经几何校正模块处理后送入能量补偿模块进行能量补偿，弥补不能区分大目标的技术缺陷，最后送入图像显示模块，显示的接近自然地物辐射的场景图像，其中扫描控制模块，控制天线进行二维扫描成像。
10.根据权利要求9所述的一种短毫米波交流辐射成像装置，其特征在于:控制垂直方向的垂直步进电机(I)和它的配重金属块(2)位于水平旋转框架(5)的左右两侧，在垂直旋转框架(16)上放置天线(3)和辐射计(4)，辐射计(4)的信号线和电源线以及步进电机的相线经过水平旋转框架(5)的内壁开过线槽(6)，再经过中空的水平旋转轴(7)进入到减速室，经过空间隔板进入下一层的控制室，其中减速室内装有水平步进电机(9)和蜗轮蜗杆减速箱(8)，控制室内装有驱动装置(10)、直流稳压电源(11)和单片机控制模块(12)，电源线连接到电源座(13)，信号线通过信号线接口( 14)连接计算机进行数据处理与成像，整个装置安装在支撑支架(15)上；其中，辐射计(4)中包含射频低噪放模块、检波模块、选通低放模块，单片机控制模块(12)中包含Α/D采样模块、扫描控制模块，信号线通过信号线接口(14)连接的计算机中包含交流成`像模块、几何校正模块、能量补偿模块、图像显示模块。
【文档编号】G01S13/89GK103576144SQ201210283666
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月10日 优先权日:2012年8月10日
【发明者】张光锋, 娄国伟, 李跃华, 李兴国, 朱莉, 王虹, 王琪 申请人:南京理工大学