高铁无损检测系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于线性调频技术、超外差探测原理和全息成像原理的毫米波三维成 像系统，具体地，涉及高铁无损检测系统和方法。
【背景技术】
[0002] 毫米波的频率为30GHz到300GHz (波长从1mm到10mm)，在实际工程应用中，常把毫 米波的低端频率降到26GHz。在电磁波谱中，毫米波频率的位置介于微波与红外之间。与微 波相比，毫米波的典型特点是波长短、频带宽(具有很广阔的利用空间）以及在大气中的传 播特性。与红外相比，毫米波具有全天候工作的能力并且可用于烟尘，云雾等恶劣环境下。 在微波频段越来越拥挤的情况下，毫米波兼顾微波的优点，并且还具备低频段微波所不具 备的一些优点。
[0003] 具体来说，毫米波主要有以下几个特点：1、精度高，毫米波雷达更容易获得窄的波 束和大的绝对带宽，使得毫米波雷达系统抗电子干扰能力更强;2、在多普勒雷达中，毫米波 的多普勒频率分辨率高;3、在毫米波成像系统中，毫米波对目标的形状结构敏感，区别金属 目标和背景环境的能力强，获得的图像分辨率高，因此可提高对目标识别与探测能力4、毫 米波能够穿透等离子体;5、与红外激光相比，毫米波受恶劣自然环境的影响小;6、毫米波系 统体积小、重量轻，因此与微波电路相比，毫米波电路尺寸要小很多，从而毫米波系统更易 集成。正是这些独特的性质赋予了毫米波技术的广泛应用前景，尤其是在无损检测和安检 领域。
[0004] 在毫米波成像发展初期，毫米波成像系统都使用单通道的机械扫描体制，这种成 像体制结构简单但扫描时间比较长。为了缩短扫描时间，Millivision公司研制了 Vetal25 成像仪，该成像仪除发射扫描系统外，还具有8X8的阵列接收机制，但这种成像仪更适合于 室外大范围的远程监测，而且视场不到50厘米。Trex公司还研制了一套PMC-2成像系统，此 成像系统中的天线单元采用了3mm相控阵天线的技术。PMC-2成像系统采用了中心频率为 84GHz的毫米波，这种成像系统的工作频率由于接近太赫兹频段，因而成本较高。Lockheed Martin公司也研制了一套焦平面成像阵列成像系统，其采用的毫米波的中心频率为94GHz。 TRW公司研制了 一套被动的毫米波成像系统，此套系统采用的毫米波的中心频率为89GHz。 Lockheed Martin和TRW这两家公司的成像系统的视场都较小，通常也不到50厘米。
[0005] 现阶段在毫米波成像领域，毫米波成像研究成果主要集中在西北太平洋实验室 (Pacific Northwest National Laboratory)。此实验室中的McMakin等人，开发了一套三 维全息成像扫描系统，此套成像系统的扫描机制是基于圆柱扫描，并且这套系统已经实现 了毫米波成像系统的商业化。该成像系统采用的是主动成像机制，通过全息算法反演得到 目标的三维毫米波图像。此项技术已经授权L_3Communications和Save View有限公司，他 们生产出的产品分别用于车站码头等场所的安检系统中和试选服装之中。但是由于这种系 统采用了384个收发单元，因而成本始终没法降下来。目前西北太平洋实验室正致力于更高 频率的_米波成像系统的开发研制。
[0006]除上面介绍的实验室和公司外，在英国、美国等国家，也有很多的科研院所和企业 参与了毫米波成像技术的研究，如美国的陆军海军空军研究实验室和海军沿海基地等公司 以及Delaware，Arizona等大学、英国的Reading大学、Durham大学和Farran公司等。
[0007] 除英美国之外，德国的微波与雷达研究所(Microwave and Radar Institute)和 德国的航空中心(German Aerospace Center)也有参与毫米波成像技术的研究。澳大利亚 的ICT中心，日本的NEC公司等都有相关毫米波成像研究成果的报道。但是，这些单位的毫米 波研究要么处于实验室阶段，要么研制出的产品价格非常高昂，或者检测的视场较小。
[0008] 近年来，全国范围内的高铁网络建设成为社会关注的焦点之一，之所以受到大家 的青睐，主要是具有速度快、输送能力大、安全性好、舒适方便、能耗低、经济效益好等特点。 因此，加强高铁的安全性检测也会显得尤为必要，通过检测高铁外层及零部件有无疲劳裂 痕，对其安全性进行评估具有重要意义。集合毫米波的一些优势及通过特定的机械结构，可 以高效的进行高铁外层及零部件裂痕的检测。
[0009] 因此，需要一种价格低、视场大的毫米波三维成像检测系统来实现对高铁的无损 检测。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种结构简单、分辨率高、成像时间短的高铁无损检测系 统。
[0011] 根据本发明的一个方面，提供了一种高铁无损检测系统，包括:发射天线，用于向 被测高铁发送毫米波发射信号;接收天线，用于接收从被测高铁返回的回波信号;毫米波收 发模块，用于生成发送给被测高铁的毫米波发射信号并接收和处理来自接收天线的回波信 号；扫描装置，用于固定并移动毫米波收发模块、发射天线和接收天线;数据采集和处理模 块，用于采集和处理从毫米波收发模块输出的回波信号以生成被测高铁的三维图像；以及 图像显示单元，用于显示由数据采集和处理模块生成的三维图像。
[0012] 进一步地，扫描装置包括:两块平面检测面板，用于支撑毫米波收发模块、发射天 线和接收天线，被测高铁置于两块平面检测面板之间;两对导轨，分别设置在每块平面检测 面板的两侧，毫米波收发模块、发射天线和接收天线沿导轨上下移动；以及电机，用于控制 毫米波收发模块、发射天线和接收天线沿导轨的上下移动。
[0013] 进一步地，在每块平面检测面板上设置N个毫米波收发模块、N个发射天线和N个接 收天线，每一个毫米波收发模块对应一个发射天线和一个接收天线，N个毫米波收发模块并 排设置以形成一排毫米波收发系统，N个发射天线并排设置以形成发射天线阵列，以及N个 接收天线并排设置以形成接收天线阵列其中N是大于等于2的整数。
[0014] 进一步地，N个毫米波收发模块根据时序控制逐个进行毫米波的发射和接收。
[0015]进一步地，毫米波收发模块包括:发射链路，用于生成发送给被测高铁的毫米波发 射信号；以及接收链路，用于接收被测高铁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。
[0016]进一步地，发射链路包括:第一信号源，第一信号源是工作在第一频率范围内的调 频信号源;第一定向耦合器，第一定向耦合器的输入端连接至第一信号源，直通端连接至第 一功率放大器;第一功率放大器，对第一定向耦合器的输出信号的功率进行放大以达到第 一二倍频器的安全输入功率范围；以及第一二倍频器，将第一功率放大器输出的信号二倍 频至第二频率范围，并将二倍频后的信号输出至发射天线。
[0017] 进一步地，接收链路包括:第二信号源，第二信号源是工作在第一频率的点频信号 源;第二定向耦合器，第一定向耦合器的输入端连接至第二信号源;第一混频器，第一混频 器的中频端连接至第二定向耦合器的直通端，射频端连接至第一定向耦合器的耦合端，以 产生第一信号源和第二信号源的差频信号；第二功率放大器，第二功率放大器的输入端连 接至第一混频器的本振端以接收差频信号，并对差频信号的功率进行放大以达到第二二倍 频器的安全输入功率范围；第