近场毫米波成像的制作方法
【专利摘要】提供了用于近场毫米波成像的系统和方法，具体而言，提供了通过使用子波长探针元件扫描物体并捕捉和测量反射能的相位和强度以产生图像来实现子波长分辨率成像的近场毫米波成像系统和方法。
【专利说明】近场毫米波成像
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张2011年7月29日提交的编号为61/513，138的美国临时专利申请的优先权益，该申请的公开在此全部纳入作为参考。
【技术领域】
[0003]本发明一般地涉及提供了用于近场毫米波成像的系统和方法，具体而言，本发明涉及通过使用子波长探针元件扫描物体并捕捉和测量反射能的相位和强度以产生图像来实现子波长分辨率成像的近场晕米波成像系统和方法。
【背景技术】
[0004]一般而言，常规远场毫米波成像系统已经广泛用于各种应用，例如安检(例如，夹藏武器检查)、避免碰撞雷达，并且用于低能见度条件下的安全着陆。这些常规系统通常非常昂贵、复杂并且体积庞大。例如，一个公知的常规成像系统基于具有1024个在89GHz上工作的接收器模块的复杂被动毫米波摄像机。在该系统中，18英寸直径塑料透镜用于收集和聚焦辐射，从而产生衍射限制的0.5°角分辨率。
[0005]尽管这些系统的图像质量令人印象深刻，但是由于这些远场成像器的复杂性及其成本，它们并未用于众多大容量应用，例如，医疗成像。除了高成本之外，这些成像器实现的分辨率并非高得足以用于其中需要Imm或更小分辨率的医疗应用。这些系统执行远场成像，其中可实现的最高图像分辨率由衍射限制设定。例如，可购买到18英寸89GHz相机的角分辨率为0.5°，该分辨率等同于用于Im的天线物距的8.7_空间分辨率。这样，当前的远场成像器的两个阻止其用于医疗应用的主要缺陷是高成本以及由衍射限制设定的低分辨率。
【发明内容】
[0006]一般而言，本发明的示例性实施例包括用于近场毫米波成像的系统和方法，具体而言，包括通过使用子波长探针元件扫描物体并捕捉和测量反射能的相位和强度以产生图像来实现子波长分辨率成像的近场毫米波成像系统和方法。
[0007]在本发明的一个示例性实施例中，一种近场成像系统包括扫描设备和成像器。所述扫描设备适合于通过在给定工作频率上发射具有某一波长的电磁能，捕捉从所述目标物体反射的电磁能，以及测量所述反射能的强度和相位来扫描目标物体的表面。所述扫描设备包括具有子波长尺度(dimension)的探针，该探针用于发射所述电磁能以及捕捉所述反射能。所述成像器使用所述反射能的所述测量的强度和相位呈现(render)所述目标物体的图像，其中所述图像被呈现为具有子波长分辨率。
[0008]在另一不例性实施例中，一种用于近场成像的手持式扫描设备包括外壳、被置于所述外壳内的探针设备，以及被置于所述外壳内的第一半导体芯片。所述探针设备适合于通过在给定工作频率上发射具有某一波长电磁能，以及捕捉从所述目标物体反射的电磁能来扫描目标物体的表面。所述探针设备包括至少一个探针元件。所述第一半导体芯片包括集成电路，用于产生由所述探针设备发射的所述电磁能以及测量所述探针设备捕捉的所述反射能的强度和相位。所述探针设备可以一体化的方式在所述第一半导体芯片或在与所述第一半导体芯片分离的第二半导体芯片上形成。所述探针元件可以包括探针元件的阵列，每个探针元件具有子波长尺度。
[0009]在本发明的又一示例性实施例中，提供一种近场成像方法。所述方法包括在给定工作频率上使用具有某一波长的电磁能扫描目标物体的表面；捕捉从所述目标物体反射的电磁能；测量所述反射能的强度和相位；以及使用所述反射能的所述测量的强度和相位呈现所述目标物体的图像，其中所述扫描和捕捉使用具有子波长尺度的探针执行，并且其中所述图像被呈现为具有子波长分辨率。
[0010]将描述本发明的上述及其它示例性实施例，或者当结合附图阅读下面对示例性实施例的详细描述时，本发明的上述及其它示例性实施例变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1以图形方式示出针对在IOOGHz的频率上工作的远场成像系统的不同天线物距的天线大小与远场空间分辨率。
[0012]图2以图形方式示出(i) IOOGHz的频率上的天线大小与近场空间分辨率，以及(?)针对在IOOGHz的频率上工作的近场成像系统的最大允许天线距离与近场空间分辨率。
[0013]图3示出根据本发明的示例性实施例的用于模拟用于扫描目标物体的近场成像系统的计算机模型。
[0014]图4A和4B分别是基于图3的计算机模型获取的模拟S11振幅数据的三维(3D)和二维(2D)图形,其中目标物体的介电常数为ε =2.1。
[0015]图5Α和5Β分别是基于图3的计算机模型获取的模拟S11振幅数据的3D和2D图形，其中目标物体的介电常数为E1=LO15
[0016]图6Α和6Β分别是基于图3的计算机模型获取的模拟S11振幅数据的3D和2D图形，其中目标物体的介电常数为S1=I0.0。
[0017]图7Α和7Β分别是基于图3的计算机模型获取的模拟S11相位数据的3D和2D图形，其中目标物体的介电常数为￡^2.1。
[0018]图8Α和SB分别是基于图3的计算机模型获取的模拟S11相位数据的3D和2D图形，其中目标物体的介电常数为E1=LO15
[0019]图9Α和9Β分别是基于图3的计算机模型获取的模拟S11相位数据的3D和2D图形，其中目标物体的介电常数为S1=I0.0。
[0020]图10是根据本发明的另一示例性实施例的用于模拟`用于扫描目标物体的近场成像系统的计算机模型。
[0021]图11示意性地示出使用根据本发明的示例性实施例的近场成像系统扫描的实验性特氟龙(Teflon)板，该特氟龙板被构建为具有在其表面形成的不同大小和介电常数的各种特征。
[0022]图12A和12B示出通过对图11的实验性特氟龙板中形成的各种特征进行成像获取的原始S11振幅和相位数据的实验性测量值。
[0023]图13A示出通过处理图12A的原始S11振幅数据产生的图像。
[0024]图13B是图13A的图像的一部分的分解图。
[0025]图13C示出通过处理图12B的原始S11相位数据产生的图像。
[0026]图14是根据本发明的示例性实施例的近场毫米波成像系统的高级图。
[0027]图15是根据本发明的示例性实施例的用于执行近场毫米波成像的方法的流程图。
[0028]图16示出根据本发明的实施例的计算机系统，根据该计算机系统，可实现本发明的技术的一个或多个组件/步骤。
【具体实施方式】
[0029]现在进一步详细地介绍本发明的示例性实施例，其中涉及用于近场毫米波成像的系统和方法，具体而言，涉及通过使用子波长探针元件扫描物体并捕捉和测量反射能的相位和强度以产生图像来实现子波长分辨率成像的近场毫米波成像系统和方法。根据本发明的示例性实施例，近场成像系统可在大约65GHz及更大(例如,大约IlOGHz或更大)的频率范围内工作，同时实现比衍射限制高几个数量级的子波长分辨率。
[0030]远场与沂场
[0031]远场天线的分辨率可根据其方向性计算。天线的方向性Dtl被定义为从天线出发的给定方向的辐射强度与所有方向上平均辐射强度的比率。该数量可根据天线束宽表示，如下所示:
[0032]D0 ~4 Θ(I)
[0033]其中Θ是对于对称图案的以弧度表示的天线束宽。方向性还可根据天线孔径大小和波长计算，如下所示:
[0034]D。~4 A λ(2)
[0035]其中A是有效天线孔径大小，λ是波长。
[0036]根据方程式⑴和(2)，可计算天线束宽，如下所示:
[0037]Θ ~λ Ak1.5 (3)
[0038]并且，空间分辨率Rres可如下表示:
[0039]Rres=Z Θ ~ζ λ Ak1.5 (4)
[0040]其中ζ是离天线的距离。对于正方形孔径，可计算Rms的更精确的表达式，如下所示:
【权利要求】
1.一种近场成像系统，包括:扫描设备，其适合于通过在给定工作频率上发射具有某一波长的电磁能，捕捉从目标物体反射的电磁能，以及测量所述反射能的强度和相位来扫描目标物体的表面，其中所述扫描设备包括具有子波长尺度的探针，该探针用于发射所述电磁能以及捕捉所述反射能；成像器，其使用所述反射能的所述测量的强度和相位来呈现所述目标物体的图像，其中所述图像被呈现为具有子波长分辨率。
2.根据权利要求1的近场成像系统，其中所述探针包括在半导体芯片的表面上形成的探针元件阵列。
3.根据权利要求2的近场成像系统，其中所述探针元件为环形元件。
4.根据权利要求3的近场成像系统，其中所述环形元件各具有大约2_或更小的直径。
5.根据权利要求1的近场成像系统，其中所述反射能的所述测量的强度和相位为S11参数。
6.根据权利要求1的近场成像系统，其中所述扫描设备包括半导体芯片，该半导体芯片具有实现矢量网络分析器功能以计算S11参数的集成电路。
7.根据权利要求1的近场成像系统，其中所述成像器计算所述S11参数。
8.根据权利要求1的 近场成像系统，其中所述成像器使用所述反射能的所述测量的强度和相位估计所述扫描的目标物体的组成元件的介电常数，并且基于所述扫描的物体的所述组成元件的介电常数的估计的差值呈现所述图像。
9.根据权利要求8的近场成像系统，其中所述反射能的所述测量的强度和相位为S11参数。
10.根据权利要求8的近场成像系统，其中所述图像的像素被计算为: famp (x0, y0) =var {amp (S11 (x, y)) | (dist (x, x0) <d) and (dist (y, y0) <d)}
fphase (xo，y0)=var {phase (S11 (x, y)) | (dist (x, x0) <d) and (dist (y, y0) <d)} 其中(x，y)表示图像像素的坐标，famp是从S11的振幅推导的函数，fphase是从S11的相位推导的函数，var表示在点(X，y)上取的变化函数，使得x与X0的距离小于d，并且y与y(l的距离小于d。
11.根据权利要求1的近场成像系统，其中所述给定工作频率约为IOOGHz或更大，其中所述波长约为3mm或更小，并且其中所述图像的所述子波长分辨率约为0.5mm或更小。
12.—种成像方法，包括: 在给定工作频率上通过用具有某一波长的电磁能扫描目标物体的表面； 捕捉从所述目标物体反射的电磁能； 测量所述反射能的强度和相位；以及 使用所述反射能的所述测量的强度和相位呈现所述目标物体的图像， 其中所述扫描和捕捉使用具有子波长尺度的探针执行，并且 其中所述图像被呈现为具有子波长分辨率。
13.根据权利要求12的方法，其中所述探针包括探针元件阵列。
14.根据权利要求13的方法，其中所述探针元件为环形元件。
15.根据权利要求14的方法，其中所述环形元件各具有大约2mm或更小的直径。
16.根据权利要求12的方法，其中使用所述反射能的所述测量的强度和相位呈现所述目标物体的图像包括估计所述扫描的目标物体的组成元件的介电常数，以及基于所述扫描的物体的所述组成元件的介电常数的估计的差值呈现所述图像。
17.根据权利要求16的方法，其中所述反射能的所述测量的强度和相位为S11参数。
18.根据权利要求17的方法，其中呈现所述图像包括将所述图像的像素值计算为:
famp (xo，y0)=var {amp (S11 (X，y)) | (dist (x, x0) <d) and (dist (y, y0) <d)}
fphase (xo，Y0)=var {phase (S11 (x, y)) | (dist (x, x0) <d) and (dist (y, y0) <d)} 其中(X，y)表示图像像素的坐标，famp是从S11的振幅推导的函数，fphase是从S11的相位推导的函数，var表示在点(X，y)上取的变化函数，使得x与X0的距离小于d，并且y与y(l的距离小于d。
19.根据权利要求12的方法，其中所述给定工作频率约为IOOGHz或更大，其中所述波长约为3mm或更小，并且其中所述图像的所述子波长分辨率约为0.5mm或更小。
20.一种包括计算机可读存储介质的制造品，所述计算机可读存储介质包括有形地位于上面的程序代码，该程序代码当被计算机执行时，执行近场成像的方法步骤，所述方法步骤包括: 捕捉从所述目标物体反射的电磁能； 测量所述反射能的强度和相位；以及 使用所述反射能的所述测量的强度和相位呈现所述目标物体的图像，其中所述扫描和捕捉使用具有子波长尺度的探针执行，并且其中所述图像被呈现为具有子波长分辨率。
21.一种用于近场成像的装置，包括: 存储器；以及 处理器，其与所述存储器相连并被配置为执行存储在所述存储器中的代码，以用于: 捕捉从所述目标物体反射的电磁能； 测量所述反射能的强度和相位；以及 使用所述反射能的所述测量的强度和相位呈现所述目标物体的图像，其中所述扫描和捕捉使用具有子波长尺度的探针执行，并且其中所述图像被呈现为具有子波长分辨率。
22.一种用于近场成像的手持式扫描设备，所述扫描设备包括: 外壳; 被置于所述外壳内的探针设备，所述探针设备适合于通过在给定工作频率上发射具有某一波长电磁能，以及捕捉从所述目标物体反射的电磁能来扫描目标物体的表面，其中所述探针设备具有至少一个探针元件；以及 被置于所述外壳内的第一半导体芯片，其中所述第一半导体芯片包括集成电路，用于产生由所述探针设备发射的所述电磁能以及测量所述探针设备捕捉的所述反射能的强度和相位。
23.根据权利要求22的手持式扫描设备，其中所述探针设备以一体化的方式在所述第一半导体芯片上形成。
24.根据权利要求22的手持式扫描设备，其中所述探针设备以一体化的方式在第二半导体芯片上形成。
25.根据权利要求22的手持式扫描设备，其中所述至少一个探针元件包括探针元件阵列，每个探针元件具有子波长尺度。`
【文档编号】H01Q3/00GK103718377SQ201280037941
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月11日 优先权日:2011年7月29日
【发明者】A·巴巴卡尼, 刘兑现, S·K·雷诺兹, M·A·桑度莱努 申请人:国际商业机器公司