专利名称：电磁波成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁波成像系统，具体说是一种毫米波成像系统。更详细地说，本发明涉及到检测毫米波长辐射并由此产生图像的小型摄像机。
隐藏在衣服下面的塑料武器和爆炸物对普通的违禁品检测技术提出了独有的挑战。非金属，非磁性物体不能利用低频磁场的普通系统检测。能显露这些种类违禁品的通用方法涉及到X射线或其他电离辐射。这些方法是，或被认为是危险的，因此其用途受到限制。
然而大家知道，所有物体自然发射和反射宽频带电磁辐射，一个物体发射或反射的辐射强度是由许多因素决定的，诸如物体的材料及表面性质，物体的温度。大家也知道，人体是一特别好的毫米波发射体，即，电磁辐射的波长特征是在1至10mm范围，相应的频率为300GHz至30GHz。与此相反，金属物体是很差的毫米波发射体和极好的毫米波反射体。诸如塑料、陶瓷、塑料爆炸物、粉末状药物等介电物体的发射特性是介于人体与金属发射特性之间。大部分衣服和很多建筑材料对于毫米波实际上是透明的。
因为所有物体或反射或发射毫米波，逐步开发出两种不同的技术来利用这些性质中的一个或另一个。无源成像利用高灵敏度摄像机检测物体或人发射的自然毫米波，并要求有一灵敏的接收器以区别发射中的微小差异。发射出的辐射被摄像机中的接收器加以处理，它使毫米波信号降频转换到视频信号。视频信号的强度大致与发射的辐射功率大小成正比。不同的视频信号强度被编码，在视觉显示器上显示成从黑色经过灰色到白色的像素。
隐藏在个人衣服中的塑料武器显示成明亮(黑暗)人体背景下的黑暗(明亮)影像。温暖人体究竟是黑暗或明亮取决于数据采集程序。当(1)照射活体是不可接受时和当(2)使用者不希望来自成像系统的发射，这种发射被监示器检测时，无源成像是更好的。在本文中描述的成像系统是一无源成像摄像机。
有源成像利用来自物体或人的毫米波发射。在此方法中，使用者将来自毫米波发生器的信号发射到被研究的对象。此毫米波被反射回到摄像机，在摄像机中将这些毫米波降频转换成视频信号，并被处理成显示器上不同强度或颜色的像素。照射对象的发射信号可以依附在摄像机上或者可以分开安装，有源成像仪可以使用无源成像中所用的同样高灵敏摄影机。
上述特性在使用毫米波作违禁品检测的系统中已经被开发出来。这些系统的实施例在下述美国专利中有描述。
美国专利，专利号5,227,800，披露一个有源成像的毫米波违禁品检测系统。在该系统中，装备了毫米波发生器，它用于照射毫米波摄像机视场中的物体。从视场中物体反射回来的毫米波被摄像机组件接收，并在焦平面接收器陈列中加以处理，利用阵列中每个单元测定信号强度以形成视场中物体的像。
美国专利，专利号5,047,783，披露一个改进了图像分辨率的毫米波无源成像系统。它装备一个旋转的折射式楔块，改变入射到焦平面阵列上信号能量的方向。在信号能量改向时，焦平面阵列中每个单元取样的面积被扩大了。在这个扩大的面积上处理信号从而改善了图像分辨率。
虽然上述系统比其他现有技术的成像方法有了重大的进展，但是这种系统通常不适用于小型装置。因此，现有系统的图像分辨技术需要附加透镜和电机，于是导致增大尺寸和复杂性。
本发明在很大程度上满足了一个小型毫米波成像系统的上述需要，它是通过提供一个入射毫米波长辐射的成像方法达到的，其中在透射反射器第一表面接收的信号被透射反射器过滤，使得只有那些具有予选偏振的信号通过；然后偏振的信号被反射，偏振的方向被一负载切换扭转反射器(load switching twist reflector)转过了90°；反射的旋转了的偏振信号从透射反射器的第二表面再反射，然后在辐射探测器组件上被接收和检测。在辐射探测器组件上接收和检测的信号用于产生一个图像。通过扫描负载切换扭转反射器引导探测器阵列上的反射旋转偏振信号，以改善图像的分辨率。压电换能器可以用来驱动负载切换扭转反射器实现扫描。
此发明的另一个方面，是调整透射反射器与负载切换扭转反射器之间的距离，将反射的旋转偏振信号聚焦到辐射探测器组合上。这一调整可以利用超声距离传感器测量被研究对象的距离来完成。
在其仪器方面，提供了一个具有毫米波长带通滤波器的成像系统，允许通过在30GHz至300GHz范围内预定频率的信号。提供了一个第一表面具有偏振滤波作用的透射反射器，它可以通过预定偏振的信号，用于过滤带通滤波信号。具有反射层和偏振旋转层的层状负载切换扭转反射器反射并旋转被透射反射器滤波的偏振信号。被反射和旋转了的信号然后从透射反射器的第二反射表面反射，并被辐射探测器组件接收和检测。压电换能器安装在负载切换扭转反射器上，其作用是提高图像的分辨率，它是通过驱动扭转反射器来改变方向并因此在辐射探测器组件上扫描一个被接收的图像而实现的。其他的实施例可以使用音圈或线性电机以替代压电换能器。
在上述系统中也可以提供调整装置，用于调整透射反射器与负载切换扭转反射器之间的距离，把接收信号聚焦在辐射探测器组件上。
本发明的一个目的是提供一个小型的违禁品检测成像系统，用来产生毫米波图像以检测金属物体和非金属，非磁性物体，并且提供一个改变在辐射探测器阵列上的接收的图像的方向的机构以提高图像的分辨率。
此发明的另一个目的是提供一个前一段描述的毫米波摄像机，它具有折叠的光路以减小摄像机的尺寸。
此发明的又一个目的是提供一个具有自动聚焦该系统机构的毫米波成像系统。
通过参照下面本发明的详细描述，所附权利要求书以及附上的若干张绘图，本发明的这些和其他目的，优点以及特征会变得更加显而易见，本发明的真谛可以更清楚地理解。
图1是本发明一优选实施例的毫米波摄像机的方框图表示。
图2是按照本发明一优选实施例的控制单元的方框图表示。
图3是本发明一优选实施例的毫米波摄像机的部分剖开透视图。
图4是图3中毫米波摄像机的一部分焦平面阵列平面图。
图5是焦平面阵列信号处理电路的方框图。
图6是图3中毫米波摄像机的侧面图。
图7是图3中毫米波摄像机负载切换扭转反射器的分解图。
图8是图7中负载切换扭转反射器二极管阵列的实施例。
图9是图3中毫米波摄像机的背面图。
图10是沿图6中剖线X-X截取的毫米波摄像机的剖面图。
图11是图10中毫米波摄像机的本振器的透视图。
图12是图10中毫米波摄像机的CCD摄像机壳体总成的部分剖开透视图。
图13是图2中辐射测量成像处理器的软件运行的功能流程图。
图14是图2中超分辨率处理器的软件运行的功能流程图。
现参照附图，其中相同的参考数字表示相同的单元，图3表示按照本发明一优选实施例的毫米波摄像机20。图3中的毫米波摄像机20设计成接收来自摄像机视场中物体的毫米波长辐射，并从中产生图像。
图1和图2中所示是按照本发明一优选实施例的毫米波摄像机系统的光学、电学、自聚焦和冷却系统的方框图。毫米波摄像机系统包含图1的毫米波摄像机20和图2的控制单元206，它用于提供电力和对毫米波摄像机20的控制信号，并用于输出系统产生的图像。
首先陈述图1中的光学系统，来自视场的辐射22首先在微距镜头208上被接收。在本发明的实施例中，微距镜头是一附加的透镜，它是用来扩大毫米波摄像机20的聚焦范围。其次，来自视场的辐射或直接地或通过微距镜头208传送到毫米波摄像机20的无源光学系统210。无源光学系统210包括带通滤波器24，透镜28和透射反射器34，透射反射器的作用将结合图3在以下描述。
当要产生毫米波图像时，通过无源光学系统210的信号36(图1)被传送到负载切换扭转反射器38(图1)的可切换扭转反射器108(图7)。可切换扭转反射器108通过电压源144加偏置以反射信号36。被反射的信号然后传送到焦平面阵列30上由阵列天线加以处理。按照以下结合图7描述的方法，在产生毫米波图像期间，压电换能器组件212连接到负载切换扭转反射器38以提高在焦平面阵列处被接收图像的分辨率。可切换的扭转反射器108包括一个二极管阵列133(图8)，它是从控制单元206(图2)经过STR驱动器214传送的信号控制下加偏置的。
被可切换扭转反射器108反射和在焦平面阵列30处接收的信号36包括来自视场的辐射信号以及由本振器166产生的约47GHz本振信号。本振信号与来自视场的辐射信号在焦平面阵列30结合在一起。如以下结合图12所描述的，本振信号用来将来自视场接收到的信号22降频转换到约2.5Ghz。供给本振器166的功率是由本振偏置电源216提供的。
在焦平面阵列30中处理的信号然后传送给视频多路复用器218，其中信号被组合起来用于控制单元206(图2)内传送和处理。这些信号通过毫米波摄像机的输入输出端口220(图1)传送给控制单元。在图2所示的控制单元206中，组合成的信号存贮在控制台主计算机222中，这些信号可以由主计算机内一辐射测量成像处理器224进行运算。
辐射测量成像处理器负责完成五项运算，包括1)响应来自主计算机的命令，控制数据采集硬件(即，A/D转换器，负载切换扭转反射器38(图1)，噪声发生器174和压电换能器212)，2)在一数据块的负载，噪声和16个扫描位置部分上对数据排序及数字化，3)通过在数据块的负载和噪声部分收集的信息，对16个扫描位置的数据定标，4)将全部数据整理成一连贯的图像，以及5)将最终的图像放入一缓冲器(未画出)，用于图像处理和显示时的传送。
现在参照图3，毫米波摄像机元件的结构和运行在此处结合从视场接收的辐射信号给以描述，此辐射信号通常用参照数字22来标明。从视场中一物体发射的辐射信号22首先入射到这秋波摄像机20的带通滤波器24上。带通滤波长24允许所需频率范围内的毫米波信号26通过，而阻挡所需频率范围之外的信号。在本实施例中，带通滤波器24选取可以通过91.5GHz至96.5GHz频率范围内的信号。
通过带通滤波器24的信号26然后被一透镜28聚焦，传送到焦平面阵列30上。本发明实施例从透镜28是一双凸面的双曲线型透镜，选择这种透镜是为了在所需波长范围内聚焦毫米波长辐射。
然而，在聚焦的信号32被焦平在阵列30接收之前，它被传送到一透射反射器34。透射反射器34是偏振化的，它仅仅允许具有所需偏振(即，竖直的，水平的或园的)的那些信号36通过。不具有所需偏振的毫米波长信号被透射反射器34反射。在本实施例的摄像机中，透射反射器34选取通过竖直偏振信号。
通过透射反射器34的偏振信号36入射到负载切换扭转反射器38的可切换扭转反射器108(图7)上，并在其上反射。除了反射偏振的信号以外，可切换扭转反射器108将反射信号的偏振方向扭转90°，形成旋转过的偏振信号40。
旋转过的偏振信号40传送回透射反射器34，由于这些信号是水平偏振的，它们被透射反射器34反射。反射的旋转过的偏振信号42然后传送到检测毫米波信号的焦平面阵列30上。
图3中毫米波摄像机的焦平面阵列30最好是一16×16元素阵列。这些256个元素以4×4屏面扫描方式(参照图13)被扫描，产生4,096个像素。4,096个像素被处理，生成一幅具有1,024个像素的图像。处理后图像的分辨率(见图14)在距离为0.5m处为3mm×3mm，在距离为3.0m处为19mm×19mm。
焦平面阵列30是由诸如DuroidTM(Rogers公司)的介电层构成，在层的两侧是金属化的。天线64和电路是用刻蚀方法除去金属成适当图案而制成的。图4表示焦平面阵列30的射频(RF)部分，它有两个分开的膜层。线性楔形缝隙天线64用虚线画出，因为它在电路的背面一侧。阴影线表示背面侧上的金属化部分，而没有断面线的区域是电介质，天线部分的上面一侧没有金属化。此电路中的天线阵一有开槽线结构。这种天线64在专业上称之为“端射行波缝隙天线”，最初是由P.J.Gibson提出的，“Thevivaldi Aerial”Proc.of the European Microwave Conf(欧洲微波会议文集)，Brghton，UK(1979)，pp 101-105。
RF电路的其余部分使用微带结构。如图4中所示，电路元件是介质底板上的金属，接地面在整体部分的下面。电场是从天线经过过渡区68和传输线70耦合到混频器66。直流偏置是通过偏置垫片和导线72加到混频器上。电路的中频(IF)部分延伸到偏置垫片的左侧，如图5中更详细表示的，它包含IF放大器76，探测器78和视频放大器80。微分视频输出来自微波摄像机输出220(图1)，并通过控制台主机222(图2)加到视频输出器件228(图2)。图4的电路板是一标准的印刷电路板，它也包含所需电路元件和集成电路以形成图5中画出的焦平面阵列处理电路。介质电路IF部分的背面一侧是完全金属化的，形成一个接地面。焦平面阵列30的IF和微带RF部分为了有刚性安装在金属盘74上。这些金属盘74按精确的间隔堆码，形成焦平面阵列30，如图3中所示，使得天线64之间保持正确的水平和竖直距离。天线64延伸到金属盘74以外(图4)。
可以用于本发明系统中的焦平面阵列30是美国专利中描述的类型，专利号5,227,800，1993年7月13日发布和专利号5,202,692，1993年4月13日发布，在此所公开的内容供参考。
本发明的无源毫米波摄像机必须能检测微弱信号。为了增强微弱信号，滤去无用的噪声，并获得大的动态范围，焦平面阵列在每一个天线64上有一超外差接收器。这种类型接收器是由Tiuri，M.E.在“射电望远镜接收机”中描述的，书名“射电天文学”第七章236-293页，Krans J.D.(McGraw-Hill 1966)。
超外差接收器有一分谐波混频器和本振器166(见图11)。入射微米波信号带宽跨越91.5GHz至96.5GHz。约47GHz的本振信号向上倍频到约94GHz，并且与约2.5GHz带宽的上、下边带混频。换言之，此摄像机有一中频带宽约2.5GHz的双边带接收器。本振信号是从馈电系统170发出，并且被焦平面阵列30(图3，4)检测，而没有从负载切换扭转反射器38(图3)或透射反射器34反射。
在毫米波摄像机中以这种方式使用本振器在同行中是熟知的，在很多美国专利中有描述，包括美国专利号5,227,800，1993年7月13日发布和美国专利号4,910,528，1990年3月发布，在此引用这些披露的美国专利供参考。
如图11中所示，本实施例的本振器由两个信号发生器178和180组成。每个信号发生器产生一个约47GHz的信号。每个信号发生器178和180的功率在一功率合并器182中组合，以产生单个约47GHz并有每个信号发生器178和180组合功率的信号。每个信号发生器178和180的相位是用注入锁相方法锁定的，注入锁相是藉助两个信号发生器源之间的泄漏来锁定相位。
约47Ghz的组合信号通过一隔离器184来抑制无用的反射。此信号然后通过波导168提供给喇叭天线170传送到焦平面阵列30。电路引线186，188，190，192用于驱动信号发生器178，180。此外，冷却块194是为耗散信号发生器178，180产生的热量设置的。水或其他合适的流体通过输入的软管接头196流入冷却块194。流体在流出软管接头198之前流过冷却块194中的一条通道(未画出)。
焦平面阵列30超外差接收器的另一个方面也由Tiuri(1d.)描述过，是负载比较处理，即Dicke切换。负载比较处理能使增益涨落的效应被寂偿。噪声源174(图12)是在94Ghz上，且直接传送到焦平面阵列天线64(图4)中，而没有经负载切换扭转反射器38(图3)的可切换扭转反射器(图7)或透射反射器34(图3)反射。这种情况是在工作循环中可切换扭转反射器108正在传送期间发生的。噪声信号被焦平面阵列天线64(图4)接收和检测。此噪声信号的强度是已知的，且做为一个标准去测量来自调查对象所有的其他入射毫米波信号强度或噪声温度。在工作循环中噪声正在被检测的期间，可切换扭转反射器108(图7)将毫米波信号从景物传送到碳化硅膜层128(图7)，该毫米波信号在此处消耗。
在运行中，图12中所示的噪声发生器174用于图3焦平面阵列30中各天线64之间增益的规格化。规格化过程首先是运行图3中负载切换扭转反射器38以传送从视场中接收到的信号36。有了被负载切换扭转反射器38传送来的视场信号36，焦平面阵列30便收不到来自视场的辐射。然后噪声发生器174将一已知强度且与来自视场被测信号有相同特性的信号通过喇叭天线176传送到焦平面阵30。当具有已知信号强度的信号在焦平面阵列30的每个天线64上被接收时，通道之间的增益便可以规格化。这一过程通常称之为平场(flat fielding)。金属化的石英园盘204是阻挡射频通过而准备的，否则射频会干扰摄像机的工作，本发明优选实施例中的石英园盘是镀金的。
如图7中所示，负载切换扭转反射器38是由三个子部分组成的铝板106，可切换扭转反射器108和准光学负载107。铝板106用做可切换扭转反射器108和准光学负载107的安装衬底，并作为连接轴承组件的底座。可切换扭转反射器108是由包含准光学单片阵列层132，多孔板滤波器134和1/4波片110三个夹层组成的。1/4波片110的作用是改变来自透射反射器34接收的偏振信号36的偏振态。可切换扭转反射器108可以利用偏置使之反射接收到的信号或传送接收到的信号。如下所述，通过使用可切换扭转反射器108，在焦平面阵列30上接收到的辐射可以在负载与一已知信号之间切换，此负载就是从视场接收到的辐射，而已知信号是用于调节焦平面阵列30中天线64间增益而产生的。准光学负载107包含碳化硅层128和熔融石英层130。碳化硅膜层128安装在铝板106上。
毫米波辐射通过1/4波长110从线性竖直偏振转换成园偏振。然后此园偏振毫米波辐射入射到多孔板高通滤波器134上，它反射全部在截止频率约80GHz以下频率的辐射。在被多孔板滤波器134反射以后，辐射束入射到准光学单片阵列层132上。图8表示面向透镜28(图3)的单片阵列层132表面上的二极管阵列133。使用的二极管阵列133类似于美国专利No.5,170,169和K.D.Stephan，P.H.Spoorer and P.F.Goldsmith文章“准光学毫米波混合和单片PIN二极管开关”中描述的二极管阵列，此文章登在IEEE Tramo.Microwave Theory Tech.，41卷，pp 1791-1798，1993年10月。
如图8中所示，二极管阵列133的结构单元是12.7×12.7mm平板，它包括GaAs衬底135，一侧是无源网另一侧是有源网。该网由成平行和垂直排列的薄金属带组成二维阵列。有源网有一PIN二极管142，它在两个方向上位于网的结点138之间。无源网具有与有源网相同的金属化图样，但是用实心金属替代PIN二极管142。有源网和无源网都制成在GaAs衬底134上。网本身是有电感的，起到了高通滤波器的作用。两个无源网串联起来形成一个准光学带通滤波器。
二极管阵列133的切换功能是由PIN二极管142控制的。这些器件在无偏置或反向偏置时有高阻抗，而在正向偏置时有很低的阻抗。当二极管阵列133正向偏置时，整块平板阵列132传送毫米波信号，而当二极管阵列133反向偏置或零偏置时，阵列132反射信号。传送和反射如何进行的细节在美国专利No.5,170,169中有描述。
二极管142是由电压源144偏置的，此电压源连接到电路板136上围绕单片阵列的偏置引线146。在ON状态，通过单片阵列层132(图7)的信号在熔融石英层130上被接收。熔融石英层130的第一表面是印刷电路板136(图8)的安装面，此印刷电路板是给单片阵列132提供偏置的。熔融石英层130也用作增透层，阻止信号在碳化硅层128上的反射。
通过单片阵列层132传送的信号然后在碳化硅层128上被接收，该碳化硅层是作为吸收传来信号的负载材料。此外，碳化硅是一坚硬材料，因此碳化硅层128允许压电换能器以高共振频率驱动可切换扭转反射器108，这是用铝板106不能实现的。碳化硅层128也可以当作热导体，耗散单片阵列层132上二极管产生的热量。
为了便于控制功率的需求，本实施例的二极管阵列层132分成四象限加偏置。如图9中所示，有四个二极管阵列驱动器118，120，122，124给二极管阵列层132的四个象限加偏置。本发明毫米波摄像机中也可以用的可切换扭转反射器是1992年12月8日公布的美国专利No.5,170,169中描述的那种类型，此处引用这个披露专利供作参考。
如图9中所示，将毫米波摄像机20的焦平面阵列30封装在一冷却块126内。冷却块126安装在焦平面阵列的固定架48上。当焦平面阵列的固定架移动时，焦平面阵列30(图3)因而也移动。因为热是由焦平面阵列30产生的，流经冷却块126的流体吸收并带走该热量。放在流体导管中的热交换器(未画出)是用于耗散流体吸收的热量。也准备了一个泵(未画出)用于循环通过冷却块126的流体。
在运行中，水或其他合适流体通过入口软管接头150进入冷却块126。然后流体流过冷却块126一侧的内管道(未画出)，从出口软管接头154流出。流体是经过软管156传送到冷却块126相对一侧处的入口软管接头158。流体然后流过冷却块126内部的第二内管道(未画出)，从出口管道152流出。
图9中还画出一个固定在螺杆52上的传动齿轮160。固定在聚焦电机50(图3)上的第二传动齿轮162带动传动齿轮160。电机控制器164提供驱动信号给聚焦电机50，驱动螺杆52使焦平面阵列固定架48向前或向后移动，提供给聚焦电机的驱动信号是由电机控制器164产生的，该驱动信号对使用超声聚焦探测器44(图3)生成的测量距离的响应。
图10中画出了沿图6中直线X-X截取的毫米波摄像机20的剖面图。装在透镜箱46内的是一个带波导168和喇叭天线170的本振器组合166，一个CCD摄像机172和一个带喇叭天线176的噪声发生器174。本振器组合166和噪声发生器174的工作方式结合图11和12在上面已描述过了。
现参照图6，可以看出，前固定架58是用三个紧固杆(只画出两个)84，86与后固定架60扣紧。焦平面阵列固定架48是放在前固定架58与后固定架60之间，并且有三个孔让紧固杆84，86(第三根紧固杆未画出)从中穿过。一个滑动轴承90是放在紧固杆84上，便于平滑移动焦平面阵列固定架46。同样地，一个滑动轴承92放在紧固杆86上，未画出的一个滑动轴承放在第三根未画出的紧固杆上。
安装在焦平面阵列固定架48的上段和下段有压电换能器94，96。利用一个夹具98，100，固定在每个压电换能器上的是一轴承组102，104。放在轴承组102，104与压电换能器94，96之间的是球面轴承106，105。负载切换扭转反射器38连接到齿轮组102，104上，从而将负载切换扭转反射器单元38固定到焦平面阵列固定架48上。同样地，负载切换扭转反射器38固定在焦平面阵列固定架48的左段和右段，靠近压电换能器(未画出)。
从图3和图4中可以看出，焦平面阵列板30上各个天线64之间以及焦平面阵列30各个板之间都是有有限的距离。由于仅仅测量在各个天线64上接收到的信号强度，而相邻天线64之间和焦平面阵列板30之间的区域上不测量。当图6中的上94，下96，左或右压电换能器中任一个被激励时，负载切换扭转反射器38就移到不同的位置，使得从负载切换扭转反射器38上反射的信号40(图3)改变其落在焦平面阵列30上的位置。
由于本实施例中提供了四个压电换能器，负载切换扭转反射器38就有十六个不同位置可以选择。通过十六个不同位置的循环，从而可以在焦平面阵列上扫描图像。由于在天线上扫描图象，变成一个其面积由每个天线64量度的图像，从而提高了分辨率。
从图3中可以看出，通过反射来自负载切换扭转反射器38和透射反射器34上的信号，可以维持透镜28与焦平面阵列30之间的焦距，而透镜28与焦平面阵列30之间的实际距离减少至约为焦距的三分之一。容易明白，上述折叠光路的布置是如何减小毫米波摄像机20长度的。即，透镜的焦距略大于反射器38与透射反射器34之间距离的三倍，所以摄像机20可以做小。
另外，在本实施例的毫米波摄像机20中，透镜28与焦平面阵列30之间的焦距可以调节，适应于视场物体的自聚焦。实现自聚焦时，固定在含有带通滤波器24，透镜28和透射反射器34箱体前端的超声探测器44发射出超声波。超声波从视场物体反射并被超声探测器44接收。接收到的超声波然后被处理，这在以下参照图1和2还要讨论，以确定把像聚焦至焦平面阵列30所需焦距。
确定了焦距后，载有焦平在阵列30和负载切换扭转反射器38的焦平面阵列固定架48就向前或向后移动，将信号42聚焦到焦平面阵列30上。焦平面阵列固定架48的移动是经过聚焦电机50的转动，再使螺杆52转动。螺杆52的转动促使安装在焦平面阵列固定架48上一个孔内的螺纹轴承54向前或向后移动，从而调节了焦距。
放在前固定架58上的轴承56和放在毫米波摄像机后固定架60上的轴承(未画出)，使螺杆52容易转动，其中透镜箱46是连接在前固定架58上。
在本实施例的摄像机20中，准备了一个CCD摄像机172(图12)以便产生一个毫米波摄像机20视场中物体独立的像。操作者可以利用CCD摄像机产生的像来对准摄像机20。毫米波图像然后可以覆盖到CCD产生的图像上，与视场中物体的毫米波图像相配。或者，毫米波图像和CCD产生的图像可以显示在各自的显示装置上。毫米波图像也可以不用CCD产生的相应图像来观察。
图12中画出了部分显露的CCD摄像机箱体196。在CCD摄像机箱体196内部有一固定支架198，在其上面安装了本振器166的喇叭天线170，CCD摄像机172以及与喇叭天线176联系在一起的噪声发生器174。一对放在噪声发生器174上接线端子200，202用于驱动该发生器。
现参照图1和图2，辐射测量成像处理器224在正常运行期间执行与主计算机222无关的汇编语言程序。辐射测量成像处理器224在其空闲模式下等待并接收来自主计算机222的命令。在接收到这一种命令后，辐射测量成像处理器224执行此命令，并回到空闲状态。
辐射测量成像处理器包含接通和断开参考负载的子程序，接通和断开噪声源174(图1)的子程序，复位依次读出全部像素通道所需逻辑的子程序，以及激励压电换能器组合212以改变负载切换扭转反射器38位置的子程序。当图像数据正在被收集时，辐射测量成像处理器224控制硬件装置，完成以下顺序的操作接通负载源并对图像阵列取样；断开负载源，接通噪声源，并对图像阵列取样；断开噪声源，然后计算用于标定焦平面阵列30各个天线64的信息；逐个经过十六个不同的负载切换扭转反射器38的位置；对每一位置上的图像阵列取样，应用标定数据；将每一位置上的数据放入最终图像的适当区域；以及将最终图像放入缓冲器中用于输出到超分辨率处理器226。
数据从辐射测量成像处理器224传送给超分辨率处理器226，用提高图像分辨率的算法在处理器226中处理数据。从超分辨率处理器226输出的图像数据然后传送给视频输出装置228，格式化后传送到视频显示开关装置230。除了毫米波数据以外，CCD摄像机172(图1)产生的数据也输入到输出显示开关装置230。显示开关装置230控制毫米波图像数据和CCD摄像机172图像到视频监示器234的传送，输出的数据为三个格式中之一种。
在第一种格式中，只输出CCD摄像机172生成的数据并且由视频监示器234显示。操作者通常利用这种格式来定位摄像机以对准摄像机20视场内所需的物体。第二种格式是一组合格式，其中毫米波图像数据是覆盖在CCD摄像机172生成数据的上部。操作者使用第二种显示格式是为了协调毫米波图像和视场中的物体。或者，毫米波图像数据和CCD摄像机生成的数据可以显示在各自的显示装置上。最后，在第三种显示格式中，毫米波图像数据单独地输出。除了将毫米波图像数据和CCD摄像机172生成的图像数据输出到视频监示器234以外，此图像数据也可以分别记录在控制台的一对视频记录器单元232上。
当不生成图像时，可以完成焦平面阵列30的平场。在此实施例中，各通道之间的规格化是在18个子帧中之一完成的，这些子帧是放在毫米波摄像机系统的操作顺序中。在这一子帧期间，噪声发生器174被激励，产生一个传送到焦平面阵列30的已知信号。给负载切换扭转反射器38加偏置以传送来自视场的数据，且使这些数据不会反射到焦平面阵列30。来自焦平面阵列30的输出数据然后传送到主计算机由辐射电成像处理器224运算。在规格化子帧期间，辐射测量成像处理器224利用焦平面阵列30的输出去调整和规格化焦平面阵列30每个天线64之间的增益。噪声源偏置功率源236和焦平面阵列偏置功率源向噪声发生器174和焦平面阵列30提供电力。
自聚焦距离接口单元240利用来自超声探测器44的输入，确定从透镜28到焦平面阵列30的合适焦距。自聚焦距离接口单元240然后将此信息传送给电机控制器164以激励聚焦电机，从而实现摄像机20的聚焦。同样，当利用微距镜头208时，自聚焦距离接口单元接收来自微距镜头208的辐射信号输入，并利用这些信号和来自超声探测器44的信号去调焦。
除了经过毫米波摄像机输入输出端口220从主计算机222传送的控制信号以外，驱动摄像机20各个硬件的元件242的功率是由控制器上功率源244提供的。放在摄像机20中多个监示器246跟踪摄像机中各种元件的温度和湿度以及焦平面阵列30中的电流。若温度、湿度或焦平面阵列中的电7流超过预定极限，监示器将通过毫米波摄像机输入输出端口220传送的控制信号通知主计算机。
当焦平面阵列30中的电流超过预定值时，专用硬件能限制电流或关闭摄像机20的运行。当本振器116，负载切换扭转反射器38，焦平面阵列30或噪声发生器174中的温度超过预定值时，专用硬件能关闭摄像机20的运行。
一个为主计算机配备的输入装置252允许操作者改动毫米波摄像机系统的运行参数。这些运行参数是在主计算机222的显示装置254上由操作者监视。
辐射测量成像处理器224和超分辨率处理器226的软件运行将分别参照图13和图14给以描述。辐射测量成像处理器的图像画面采集算法参照图13首先给以说明。
在辐射测量成像处理器开始上电时候，执行初始化步骤256，于是毫米波摄像机成像系统的硬件设备复位，而各种软年变量初始化。初始化的软件变量是标明硬件状态的变量，用于图像数据的标定变量，标明数据显示可选项的变量和数据分析变量。
在初始化步骤256之后，辐射测量成像处理器在获取图像画面算法触发之前等待系统时钟信号258。之后，辐射测量成像处理器在每个30Hz系统时钟信号258下触发获取图像画面的算法。
一幅图像画面是由FPA指数标明的256(＝16×16)个FPA通道的主帧组成。每个FPA通道是由位置指数标明的16(＝4×4)个像素的基本帧组成。
当时钟信号被检测时，辐射测量成像处理器在步骤259对FPA指数清零。
在图像采集期间，负载切换扭转反射器38的作用是将从视场接收的负载参考值反射到焦平面阵列260。通过对焦平面阵列多次取样并求平均值，从焦平面阵列得到一组平均的像素值262。在本实施例的毫米波摄像机中，在取平均值步骤262期间，对焦平面阵列取样两次，但在其他实施例中取样可以高达6次。
采集一组平均的像素值262之后，噪声发生器174(图12)加偏置接通噪声标定源264。在噪声发生器接通的周期内，负载切换扭转反射器38的作用是传送从视场接收到的毫米波信号。通过对焦平面阵列多次取样并求平均值，得到了一组噪声标定源的平均像素值268。在本实施例的毫米波摄像机中，在取平均值步骤268期间，对焦平面阵列取样两次，但在其他实施例中取样可以高达6次。从焦平面阵列得到的噪声标定源平均像素值被用于计算焦平面阵列每个像素的增益修正因子270。
在计算增益修正因子270之后，由负载切换扭转反射器在16个位置中的每一个反射的图像产生的组合输出数据，生成一个图像，在生成该图像期间，标志负载切换扭转反射器位置的寄存器首先设置为0，272。于是，负载切换扭转反射器转向到与位置标志寄存器的值相关的位置上，即零位置，274。
在负载切换扭转反射器处在与寄存器零位置相关的位置上时，对焦平面阵列取样，并对前60桢上产生的取样值求平均，得到了一组平均的像素值276。然后利用在增益修正因子的计算步骤270期间得到的因子，修正该组平均的像素值，并将此结果放入一输出图像缓冲器278。
然后位置标志寄存器加1，280，并执行询问程序，以确定位置标志寄存器值是否大于或等于16，281。若该值小于16，负载切换扭转反射器转到与位置标志寄存器新值相关的位置上，274。在负载切换扭转反射器处在新的位置上时，从焦平面阵列得到一组新的平均像素值276，并对这组新的平均像素值加以修正，放入输出图像缓冲器278。位置标志寄存器再加1，280。
对负载切换扭转反射器16个位置中的每一个执行此运行环路，并由这此位置中产生的数据更新输出图像。在位置标志寄存器增加到15以后，且负载切换扭转反射器在第16个位置上已经产生了FPA通道的图像数据，位置标志寄存器增加到16，这意味着位置指数等于16。
然后，辐射测量成像处理器在步骤282时对FPA指数加1，并在步骤283上查询FPA指数是否等于或大于256。若FPA指数小于256，就重复执行步骤260至282。当辐射测量成像处理器在步骤283上检测到的FPA指数等于或大于256时，辐射测量成像处理器将图像数据从输出图像缓冲器转移到辐射测量成像处理器和超分辨率处理器共享的存储器中，一个新图像贮存在存储器中并待待处理，284。除了初始化步骤256之外，上述过程是每30Hz执行一次，使每一秒的1/30得到一幅新的图像。
现在参照图14，超分辨率处理器的初始化步骤是在上电期间执行的在。这个初始化步骤286期间，图像增强处理所需的软件变量复位。
初始化这后，执行询问程序288，确定辐射测量成像处理器是否已设置成新图像数据可以处理的标志。若没有新的数据，超分辨率处理器不断地询问新的数据，直至有了新的数据。
当有了新的图像数据时，该数据就从共享存储器读出到工作区，且标志置位，告诉辐射测量成像处理器共享的存储器可以接受新的数据，290。在此标志置位之前，禁止辐射处理器将新数据存入共享存储器。
写入工作区的图像数据用图像增强算法进行处理，292，以提高分辨率。在本发明优选的实施例中，超分辨率处理器使用“用于2μm分辨率技术的Fortran源码”，这是承DRA，Farnbarough，England许可的软件。
在增强过程之后，对图像数据按比例缩放，使它与选用输出装置的范围匹配并输出该数据，294。于是数据转移到所选的输出装置296，且控制返回到询问程序步骤288，待待供处理的新图像数据。
以上描述及附图仅仅说明实现本发明目的，特征和优点的优选实施例，但并不意味本发明受此限制。在下面权利要求书中精神实质和范围内对本发明的任何变更都是本发明的组成部分。
权利要求
1.一种电磁波摄像机，它包括一个聚焦物体电磁波信号的透镜(208)；以及一个将所述透镜聚焦的电磁波信号变换成电信号的换能器(212)；其特征在于还包括一个位于所述换能器附近的第一反射器(38)，用于反射穿过所述透镜到所述透镜的电磁波信号；和一个位于所述透镜与所述第一反射器之间的第二反射器(34)，它允许所述波信号穿过，并且将所述波信号从第一反射器反射到所述换能器；及其特征在于，透镜的焦距略微大于所述第一反射器与第二反射器之间距离的三倍，使得所述摄像机可以很小。
2.权利要求1的摄像机，其中所述第一反射器将反射波信号的偏振面移位90°。
3.权利要求2的摄像机，其中所述第二反射器只准许预定偏振面的波信号穿过第二反射器。
4.一个形成电磁波图像的方法，它包括的步骤是；只准许预定偏振面的波穿过第二反射器；反射该波并将反射波的偏振面在第一反射器上移位90°；在第二反射器上再次反射来自第一反射器的波；以及接收来自第二反射器的波，并在换能器上将该波变换成电信号。
5.一个形成毫米波图像的方法，它包括的步骤是在透镜反射器的第一表面接收来自视场的毫米波信号；利用所述透射反射器对所述接收的信号滤波，使具有预定偏振方向的信号穿过；用一负载切换扭转反射器反射并旋转所述偏振信号；从所述透射反射器第二表面反射所述旋转了偏振面的信号；在辐射探测器组合上接收所述反射旋转的偏振信号；扫描所述负载切换扭转反射器，将所述反射旋转的偏振信号改变方向到所述辐射控制器组合上；以及对所述辐射控制器组全接收到的所述反射旋转的偏振信号进行处理，产生第一图像。
6.权利要求5的方法，其中所述扫描步骤的实现是利用定位装置移动所述负载切换扭转反射器。
7.一个形成毫米波图像的方法，它包括的步骤是在透射反射器的第一表面接收来自视场的毫米波信号；利用所述透射反射器对所述接收的信号滤波，使得具有预选偏振方向的信号穿过；用负载切换扭转反射器反射并旋转所述偏振信号；从所述透射反射器的第二表面反射所述旋转过的偏振信号；在辐射探测器组合上接收所述反射旋转的偏振信号；扫描所述负载切换扭转反射器，将所述反射旋转的偏振信号改变方向到所述辐射探测器组合上；以及对所述辐射探测器组合接收到的所述反射旋转的偏振信号进行处理，产生第一个图像。
8.权利要求7的方法，其中所述扫描步骤的实现是利用定位装置移动所述负载切换扭转反射器。
9.权利要求8的方法，其中所述定位装置是压电换能器。
10.权利要求7的方法，它还包括的步骤是，对所述负载切换扭转反射器的每次扫描提供多组图像数据。
11.权利要求7的方法，它还包括的步骤是，调节所述透射反射器与所述负载切换扭转反射器之间的距离，对在所述辐射探测器组合上接收到的所述反射旋转的偏振信号聚焦。
12.权利要求11的方法，其中所述调节步骤是利用超声探测器实现的。
13.权利要求12的方法，还包括一步骤是，对从所述视场接收到的所述信号进行带通滤波，使在预选频带内的信号通过。
14.权利要求13的方法，其中所述预选频带是在30GHz至300GHz范围。
15.权利要求14的方法，还包括的步骤是，用一透镜对所述带通滤波信号聚焦。
16.权利要求15的方法，其中所述辐射探测器组合是一辐射探测器阵列。
17.权利要求16的方法，还包括的步骤是，在所述辐射探测器组合上接收一本振信号，对所述反射旋转的偏振信号与所述本振信号进行外差。
18.权利要求17的方法，还包括的步骤是，产生一个噪声信号，并在所述辐射探测器组合上接收所述噪声信号。
19.权利要求18的方法，还包括的步骤是，将所述反射旋转的偏振信号转换成所述信号幅度的数字信号表示。
20.权利要求19的方法，其中所述本振信号是由多个信号发生器产生的。
21.权利要求20的方法，其中所述多个信号发生器是用注入锁定方法锁定相位。
22.权利要求21的方法，其中所述预选频段约为94GHz，其中所述本振信号的频率约为47Ghz。
23.权利要求22的方法，其中所述负载切换扭转反射器将所述偏振信号的偏振状态从线偏振变换到圆偏振。
24.权利要求22的方法，其中所述负载切换扭转反射器将所述偏振信号的线偏振方向旋转90°。
25.权利要求7的方法，还包括的步骤是，用一摄像机生成第二个图像，并且显示所述第一个图像和所述第二个图像。
26.权利要求25的方法，其中所述第一个图像和第二个图像显示在相同的显示装置上。
27.一个毫米波成像系统，它包括一个毫米波带通滤波器；一个有偏振滤波作用的第一表面和反射作用的第二表面的透射反射器；一个有反射层和偏振旋转层的层状负载切换扭转反射器；移动所述负载切换扭转反射器的装置；一个辐射探测器组合；以及把从所述辐射探测器组合接收的信号形成第一个图像的装置；其中所述毫米波带通滤波器通过一预定频率的信号，所述透射反射器的所述第一表面对所述带通滤波信号滤波，使预定偏振方向的信号通过，所述层状负载切换扭转反射器反射并旋转所述偏振信号，所述透射反射器的所述第二表面反射所述旋转过的偏振信号；以及其中所述辐射探测器组合接收并处理所述反射旋转的偏振信号。
28.权利要求27的成像系统，其中所述移动装置包括安装在所述负载切换扭转反射器上的定位元件。
29.权利要求28的成像系统，其中所述定位元件是压电换能器。
30.权利要求29的成像系统，它还包括将所述压电换能器安装到所述负载切换扭转反射器上的球面轴承。
31.权利要求30的成像系统，它还包括调节装置，用于调节所述透射反射器与所述负载切换扭转反射器之间的距离。
32.权利要求31的成像系统，其中所述调节装置包括一超声发射器和探测器，以及响应所述超声发射器和探测器的输出而移动所述辐射探测器组合的装置。
33.权利要求32的成像系统，它还包括一透镜，其中所述透镜聚焦所述带通信号。
34.权利要求33的成像系统，它还包括一本振器，本振器的输出天线指向所述辐射探测器组合。
35.权利要求32的成像系统，它还包括一产生第二个图像的摄像机和同时显示所述第一个图像和第二个图像的装置。
36.权利要求35的成像系统，其中所述显示装置是一单个显示器件。
37.权利要求35的成像系统，其中所述摄像机在空间上位于所述带通滤波器内。
38.权利要求37的成像系统，其中所述摄像机在空间上位于所述带通滤波器的中心。
39.权利要求27的成像系统，其中所述预定频率是在30GHz至300GHz范围。
全文摘要
一个为了减小尺寸利用折叠光路的毫米波探测和图像生成系统。提供了为提高分辨率在辐射检测阵列上扫描接收到的图像的装置。还提供了对毫米波检测和图像生成系统视场中物体进行自聚焦的方法。
文档编号G01N22/00GK1170306SQ9711310
公开日1998年1月14日 申请日期1997年5月21日 优先权日1996年5月22日
发明者G·理查德·胡古尼, 埃伦·穆勒, 罗伯特·考洛金斯基, 约翰·K·卡皮兹齐 申请人:欧姆龙株式会社