专利名称：一种焦平面线阵无源毫米波成像系统的制作方法
技术领域：
本发明属于无源毫米波成像技术领域，特别是涉及一种焦平面线阵无源毫米波成 像系统。
背景技术：
在毫米波频段(30 300GHz)内，浓雾、云层处于相对透明的状态，电磁波在其中 传播的损耗较小，与红外成像和光学成像相比，毫米波无源成像有如下特点1)能穿透云 雾、硝烟等，具有全天时、全天候工作能力；幻金属物体、建筑物、水泥路面、飞机跑道等物 体主要反射冷空辐射，其辐射特性与自然物体辐射特性差异较大，故成像对比度高，有利于 目标识别与探测；幻对非金属材料有某种程度的穿透特性，因此具有一定反伪装能力；因 此无源毫米波成像技术在安全检查、反恐探测等领域也有着广泛应用前景，可以发现隐藏 在衣物下的金属物体(如手枪、匕首)和非金属物体(如陶瓷武器、塑料炸药)，也可以透过 某些材料(如木板)制成的建筑物墙面，发现屋内的金属物体；无源毫米波成像技术在恶劣 天气条件下飞机着陆、内河船舶导航防撞、机场港口场面监视等领域均有着良好的应用前 景。而与有源雷达成像相比，基于辐射计的无源毫米波成像技术又具有以下特点其一.被 动接收信号，不易被敌方所发现，战场生存能力大大增强；其二 .接收的物体热辐射信号频 带宽，所成图像外形准确、层次丰富，利于目标识别；其三.利用物体自身的辐射，物体形状 和反雷达涂层对成像效果影响很小，利于反隐身。由于无源毫米波探测成像技术具有上述特点，因而已成为继光学成像、红外成像 外的一种新兴的无源探测成像技术，是未来无源探测成像技术发展的新方向。传统的无源毫米波成像系统，如乌克兰“Iceberg”国家研究中心研制的“8mm频段 无源毫米波成像系统”，该系统包括采用错位排列的16 X 2的32通道线阵扫描，天线孔径为 900mm，馈源尺寸为14X13mm2的多波束阵列天线，设于阵列天线左右两侧用于进行通道校 正(定标)处理的冷热定标源，设有32通道的信号接收处理器，模/数转换、排序及存储处 理器(模块)，用作对采集信号进行后期增强处理及图像显示的计算机，以及驱动阵列天线 扫描运行的阵列天线驱动及控制系统。该成像系统工作在35GHz (8mm)频段，天线波束3dB 带宽为0.6°。该成像系统工作时前端首先利用定标源采集通道校正数据，然后32通道 多波束阵列天线通过馈源阵列接收外部探测目标的辐射亮温，经过设有32通道的接收处 理器将辐射亮温信号转化为电压信号，并完成放大及滤波处理，再经过模/数转换、排序及 存储处理器将模拟信号(电压信号)转化为数字信号并进行通道校正、再经排序及存储处 理后，传递给计算机对信号进行后期增强处理及图像显示，而扫描控制系统则控制32通道阵列天线的运行。传统的毫米波成像系统中，采用32通道阵列扫描及8mm频段成像系统，一是成本 过高、二是图像分辨率较低；毫米波成像系统类似于一个低通透镜，由于频谱带限的原因， 导致图像的部分高频成分即图像细节丢失、图像分辨率降低；该系统利用计算机进行信号 增强处理，恢复其高频成分以提高获取图像分辨率、并将图像显示出来，虽然具有通用性强的特点，但却存在数据处理速度慢、即时性差，而扫描控制系统为一独立装置，又不便于操 作。此外，该系统的天线孔径为900mm、频率为35GHz，其所需采样的空间间隔彡4. 76mm，而 馈源尺寸为14X 13mm2、加之错位排列，通道间采样的间隔大于6. 5mm，故该系统不能对探测 目标进行Nyquist (奈奎斯特)采样，仅能采用含信息量少(欠高频成份)的瑞利采样方式， 这又存在采样的完整性差。因而，上述背景技术存在系统成本高、采样方式落后，数据处理 速度慢、成像的即时性差，且所成图像的分辨率较低等缺陷。

发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种焦平面线阵无源毫米波 成像系统，以达到降低系统成本，可利用Nyquist采样(完全采样)及3mm频段成像系统和 独立的信号处理器、有效提高数据的处理速度、实现连续采样连续成像显示，成像的即时性 和所成图像的分辨率等目的。本发明的解决方案是在传统毫米波成像系统的基础上，将16 X 2的32通道阵列扫 描及8mm频段成像系统，改为16通道多波束焦平面阵列(天线)扫描，以降低系统成本并 实现Nyquist采样；同时取消对信号进行增强处理及图像显示的计算机，而采用3mm频段成 像系统及专用的高速数字信号处理器对获取毫米波图像信号进行增强处理、以大幅度提高 所获取图像的分辨率，同时与显示控制器配合、对经数字信号处理器处理后的图像信号进 行显示、对16通道多波束阵列天线系统的运行及信号采集进行控制、实现连续采样连续成 像显示，大幅度提高了成像的即时性。因此，本发明焦平面线阵无源毫米波成像系统包括多 波束焦平面阵列天线，冷、热定标源，信号接收处理器，模/数转换、排序及存储处理器，信 号增强处理及图像显示系统，阵列天线驱动及控制系统，关键在于多波束阵列天线及与之 配套的信号接收处理机分别为16通道多波束焦平面阵列天线及16通道信号接收处理器， 信号增强处理及图像显示系统则为含数字信号处理器、显示控制器的分体式信号增强处理 及图像显示控制系统，阵列天线驱动及控制系统中的控制单元则设于显示控制器内、而阵 列天线驱动系统则包括伺服驱动器及传动电机；16通道多波束焦平面阵列天线及冷、热定 标源均固定于转动台上，16通道信号接收处理器分别经各通道与多波束焦平面阵列天线对 应的馈源接口连接、而通过数据线与模/数转换、排序及存储处理器的输入端口连接，数字 信号处理器的输入端通过数据线与模/数转换、排序及存储处理器的输出端连接、而输出 端则通过数据线与显示控制器内的图像显示端口连接，显示控制器内的控制信号输出端则 通过信号线与阵列天线驱动系统内的伺服驱动器输入端连接。上述16通道多波束焦平面阵列天线中的馈源阵列排列方式为4行X4列的交错 排列模式大间距线阵，以实现Nyquist采样。所述4行X4列的交错排列模式大间距线 阵，各相邻馈源水平间距为11. 25mm、垂直间距为9mm。所述信号接收处理器为射频总增益 45dB、带宽为10GHz、检波器正切灵敏度Tss < -35dBm、检波器动态范围> 20dB的全功率辐 射计类型中的小型宽带高灵敏通道阵列的16通道信号接收处理器。所述数字信号处理器 采用型号为TS201、600MHz晶振的DSP处理器(ADI公司生产)。所述显示控制器中的控制 芯片采用型号为S3C2440a的ARM9芯片，而显示器则为TFT IXD触摸屏(三星公司生产)； 以实现终端图像显示及向阵列天线驱动系统中的伺服驱动器发送控制信号、控制其运行。本发明由于采用16通道多波束焦平面阵列天线、错位排列的四列线阵的大间距馈源阵列及相应的16通道信号接收处理器和3mm频段成像系统，以降低系统成本、实现 Nyquist采样，并大幅度提高所成图像的分辨率，系统成本可较背景技术降低40%左右；而 采用独立的高速数字信号处理器对获取毫米波图像信号进行增强处理，不但有效提高了处 理速度、且空间分辨率也可提高2 3倍，同时与显示控制器配合、对经数字信号处理器处 理后的图像信号进行显示及对16通道多波束阵列天线系统的运行及信号采集进行控制， 实现了连续采样连续成像显示，从而大幅度提高获取高分辨图像的即时性，通过触摸屏显 示并进行控制操作、更加直观方便。因而具有系统生产成本低，可采用完全采样、采样手段 先进，有效提高了所成图像的分辨率及数据信号的处理速度，实现了连续采样连续成像显 示、大幅度提高了成像的即时性且操作直观方便等特点。


图1为乌克兰8mm波段无源毫米波成像系统结构框图；图2为本发明焦平面线阵无源毫米波成像系统结构框图；图3为本发明实施方式馈源阵列排列方式示意图；图中圆点为馈源阵列的中心。
具体实施例方式本实施方式16通道多波束焦平面阵列天线中的天线孔径500mm、系统中心频 率89GHz、系统带宽IOGHz、积分时间23. 75ms ；系统扫描覆盖的视场角为60 ° (水平方 向)X7. 2° (垂直方向)，工作时系统在水平方向上从左至右做一维扫描后得到图像的上 半帧，天线向下低头3. 6°再从右至左扫描得到图像的下半帧，然后回到水平方向进行下一 循环扫描，各馈源尺寸为10mmX5mm、馈源间隔为水平间隔11. 25mm、垂直间隔9mm ；信号接 收处理器采用射频总增益为45dB、带宽为10GHz、检波器正切灵敏度Tss < -35dBm、检波器 动态范围>20dB的全功率辐射计类型中的小型宽带高灵敏通道阵列的16通道信号接收 处理器；模/数转换、排序及存储处理器与背景技术相同，即由模数转换芯片及现场可编程 门阵列(FPGA)组成的模/数转换、排序及存储处理器；数字信号处理器采用ADI公司生产 的型号为TS201、600MHz晶振DSP处理器，原始图像信号经处理后、其空间分辨率可以提高 2 3倍；显示控制器中的控制芯片采用型号为S3C2440a的ARM9芯片，而显示器则采用TFT LCD触摸屏(三星公司生产)；以实现终端图像显示及向阵列天线驱动系统中的伺服驱动 器发送控制信号、控制其运行；本实施方式伺服驱动器及相应的传动电机分别采用水平及 俯(仰)扫描运行两套相对独立的装置，伺服驱动器型号分别为MADDT1205及MADDT1207， 相应的传动电机型号分别为MSMD012P1及MSMD022P1、功率分别为100W及200W、电压均为 220V。工作时首先通过触摸屏经显示控制器的SCI串口为阵列天线驱动系统设置扫描 方式、并发送启动指令，然后前端利用定标源采集通道校正数据，16通道多波束焦平面阵列 天线通过馈源阵列接收外部探测目标的辐射亮温，通过直接耦合连接方式经过设有16通 道的信号接收处理器将辐射亮温信号转化为电压信号，并完成放大及滤波处理，再通过SMA 头双绞屏蔽线传递给模/数转换、排序及存储处理器将模拟信号(电压信号)转化为数字 信号并进行通道校正、再经排序及存储处理后，通过HPI并口传递给数字信号处理器进行 信号增强处理，最后通过SPI 口传递给显示控制器进行对比图像显示，而阵列天线驱动系统则利用GPIO信号控制16通道阵列天线的运行。本实施方式利用3mm(89GHz)频段成像系统实现了在不同天气下、对典型目标的 实时成像，系统主要性能参数为亮温分辨力2K、亮温探测范围50Κ 400Κ、角分辨力δ 0 = 0. 4°、视场范围 60° (H) X 7. 2° (V)、成像速率帧/5 秒。
权利要求
1.一种焦平面线阵无源毫米波成像系统，包括多波束焦平面阵列天线，冷、热定标源， 信号接收处理器，模/数转换、排序及存储处理器，信号增强处理及图像显示系统，阵列天 线驱动及控制系统，其特征在于多波束阵列天线及与之配套的信号接收处理机分别为16 通道多波束焦平面阵列天线及16通道信号接收处理器，信号增强处理及图像显示系统则 为含数字信号处理器、显示控制器的分体式信号增强处理及图像显示控制系统，阵列天线 驱动及控制系统中的控制单元则设于显示控制器内、而阵列天线驱动系统则包括伺服驱动 器及传动电机；16通道多波束焦平面阵列天线及冷、热定标源均固定于转动台上，16通道 信号接收处理器分别经各通道与多波束焦平面阵列天线对应的馈源接口连接、而通过数据 线与模/数转换、排序及存储处理器的输入端口连接，数字信号处理器的输入端通过数据 线与模/数转换、排序及存储处理器的输出端连接、而输出端则通过数据线与显示控制器 内的图像显示端口连接，显示控制器内的控制信号输出端则通过信号线与阵列天线驱动系 统内的伺服驱动器输入端连接。
2.按权利要求1所述焦平面线阵无源毫米波成像系统，其特征在于所述16通道多波束 焦平面阵列天线中的馈源阵列排列方式为4行X4列的交错排列模式大间距线阵。
3.按权利要求2所述焦平面线阵无源毫米波成像系统，其特征在于所述4行X4列的 交错排列模式大间距线阵中各相邻馈源水平间距为11. 25mm、垂直间距为9mm。
4.按权利要求1所述焦平面线阵无源毫米波成像系统，其特征在于所述信号接收处理 器为射频总增益45dB、带宽为10GHz、检波器正切灵敏度Tss < -35dBm、检波器动态范围> 20dB的全功率辐射计类型中的小型宽带高灵敏通道阵列的16通道信号接收处理器。
5.按权利要求1所述焦平面线阵无源毫米波成像系统，其特征在于所述数字信号处理 器采用型号为TS201、600MHz晶振的DSP处理器。
6.按权利要求1所述焦平面线阵无源毫米波成像系统，其特征在于所述显示控制器中 的控制芯片采用型号为S3C2440a的ARM9芯片，而显示器则为TFT IXD触摸屏。
全文摘要
本发明属于一种焦平面线阵无源毫米波成像系统。包括16通道多波束焦平面阵列天线、错位排列的四列线阵大间距馈源阵列及与之配套的16通道信号接收处理器，冷、热定标源，模/数转换、排序及存储处理器，独立的高速数数字信号处理器及显示控制器，阵列天线驱动系统。该发明系统成本可较背景技术降低40％左右，处理速度快且空间分辨率可提高2～3倍，并实现了Nyquist采样及连续采样连续成像显示、高辨率图像显示的即时性好。因而具有系统生产成本低，可采用完全采样、采样方法先进，有效提高了所成图像的分辨率及数据信号的处理速度，实现了连续采样连续成像显示、大幅度提高了成像的即时性且操作直观方便等特点。
文档编号G01S7/02GK102087358SQ20101056413
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者李慎之, 李良超, 杨建宇, 樊勇, 熊金涛 申请人:电子科技大学