一种微波单像素成像前端器件制造技术

本发明专利技术公开了一种微波单像素成像前端器件，包括成像衍射透镜、掩膜板、衍射透镜、传感器馈源喇叭和电磁波照明喇叭，其中，掩膜板包括PCB板和制作在PCB板上的亚波长金属阵列，亚波长金属阵列包括多个单元，至少有一个单元的谐振频率与其他单元的谐振频率不同。由于掩膜板具有多个谐振频率，因此，只采用这一块掩膜板就可以适应多种频率的电磁波得到多个测量模式，不需要更换掩膜板，器件结构简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微波单像素成像前端器件。
技术介绍
微波(包括毫米波)成像技术在战场预警与监视、舰船和飞机的导航、人身安检等方面都具有极大的应用需求。与可见光和红外成像相比，微波能够以很小的衰减穿透烟雾、尘埃和纺织物，具备全天候工作以及探测藏匿于衣物之下的危险品的能力。传统的微波成像系统基本上可以分成两类：单传感器(像素)扫描成像系统和多元(像素)相控阵系统。单传感器扫描系统(包括对场景的扫描和成像器件的焦平面扫描)如图1所示，它具有低成本优势，但由于一次只能获取一个像素点，其性能特别是实时成像方面很难满足应用需求。多元成像系统可以同时获取图像的全部像素点，在性能上优于单传感器系统，但体积、重量及成本方面牺牲太多。无论是单传感器扫描成像系统还是多元相控阵系统，制约它们性能的根本原因在于其所基于的传统成像方式。这种传统成像方式的图像信号获取和处理过程如图2所示，首先以奈奎斯特采样定理为准则对原始场景信号进行信号采样(得到N个采样点)，然后进行压缩，再传输到处理器进行信号处理，最后解压得到电子图像并输出到显示器上。从上述成像过程可以看到，传统的\先采样-再压缩-后处理\的数据获取方法，只是在压缩过程中的扔掉大量的冗余信息，为了得到真实的图像，需要对原始场景进行大量的数据采样、存储和传输。实际上一幅原始图像中通常包含大量无用的数据(即图像信号通常是稀疏的)，但是传统的成像方式将这些数据全部采集、处理，既浪费大量的存储和计算资源又使得微波成像系统非常复杂且性能不佳，单传感器扫描系统需要机械驱动装置来扫描，成像速度慢，而多元成像系统则成本昂贵、体积重量较大。自然界的大多数图像信号都是稀疏的，对于这类信号，Candes等人于2006年提出了压缩感知理论(CompressiveSensing-CS)，基于这一理论的CS成像技术是解决前述传统毫米波成像问题的良方。CS理论突破了奈奎斯特采样定理瓶颈，认为对图像信号X的采样量不取决于信号的带宽，而取决于信号的内部结构。如果信号X是稀疏的或者在某个变换域内是稀疏的，那么就可以用一个与变换基不相关并且满足约束等距性(RIP)的测量矩阵Φ将高维信号投影至低维空间—即得到降维的信号数据Y，然后通过求解l0范数最小优化问题从少量的投影测量中以高概率重构出原始信号。CS理论证明：如果被探测的信号X具备稀疏特性，则获取信号所必需的测量数据与其稀疏度K量级相当，而远小于信号的维数N。显然，这里“测量数据”不再是Shannon-Nyquist定理中的矩形脉冲均匀采样，而是信号在特定矩阵上的投影Y，即Y＝ΦX(1)其中M维向量Y为测量数据，称M×N维矩阵Φ为测量矩阵(事实上，当M＝N，且取Φ为单位矩阵的时候，式(1)退化为传统的采样方式)。在压缩感知理论中，获取X所需的测量数(即矩阵Φ的行数)约为M＝O(Klog(N/K))，这是一个远远小于N的数。与传统成像相比，CS理论的核心思想是将\采样\与\压缩\这两项工作整合在一个过程中实现，图3为基于压缩感知的图像信号获取和处理流程。利用比Nyquist采样少得多的非相干的一组(M个)线性测量实现一个稀疏或可压缩信号X的测量集Y，然后从测量集Y中恢复信号X，从而节省大量资源。具体到CS成像系统的实现，其中的关键是如何利用硬件设备，电控实现测量矩阵Φ，一个可供参考的基于CS理论的单传感器成像光学系统如图4所示。在成像透镜和像平面之间设有掩模板，场景物体散射的电磁波经过透镜后被掩模板压缩取样，取样后的电磁信号，可通过设置在像平面的传感器接收、储存，从而得到一个压缩取样的测量数据，多数文献将之称为一个测量模式。更换掩模板，可以获取另一个测量模式，只要有足够多的掩模板，就可以获得CS成像所需的足够测量模式(作为示例，图3下方仅给出了更换4次掩模板得到的四个测量模式)，再通过信号处理程序，反演得到场景的图像。从前面的叙述可以看到，通过M个掩模板压缩取样，可以得到M个测量模式，这M个测量模式合在一起即构成测量矩阵Φ，且矩阵Φ的行数为M。可见，现有技术中的CS成像系统需要通过多次更换掩膜板才能获得多个测量模式，这样就要求CS成像系统具有足够多的掩膜板，系统复杂，成本高。并且，现有技术中的CS成像系统需要通过机械方式更换掩膜版，操作起来较复杂。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种只需一块掩膜板，不用更换掩膜板的微波单像素成像前端器件。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述的微波单像素成像前端器件，包括成像衍射透镜、掩膜板、衍射透镜、传感器馈源喇叭和电磁波照明喇叭，其中，掩膜板包括PCB板和制作在PCB板上的亚波长金属阵列，亚波长金属阵列包括多个单元，至少有一个单元的谐振频率与其他单元的谐振频率不同。进一步，所述单元为互补电感电容单元，至少一个互补电感电容单元的尺寸与其他互补电感电容单元的尺寸不同；互补电感电容单元包括刻蚀了沟道的金属层，沟道包括矩形环状沟道，自矩形环状沟道的两条平行边分别延伸出第一T形沟道和第二T形沟道。进一步，所述第一T形沟道和第二T形沟道的尺寸相同。有益效果：本专利技术提出了一种微波单像素成像前端器件，其中的掩膜板具有多个谐振频率，因此，只采用这一块掩膜板就可以适应多种频率的电磁波得到多个测量模式，不需要更换掩膜板，器件结构简单，成本低，操作简便。附图说明图1为现有技术中的单传感器(像素)扫描成像原理示意图；图2为现有技术中的传统成像信号获取和处理方式示意图；图3为现有技术中的压缩感知成像信号获取和处理方式示意图；图4为现有技术中的CS成像光学系统原理示意图；图5为本专利技术具体实施方式中的微波单像素成像前端器件的示意图；图6为本专利技术具体实施方式中的掩膜板的示意图；图7为本专利技术具体实施方式中的互补电感电容单元的示意图；图8为本专利技术具体实施方式中采用一种频率电磁波源照射场景物体时掩膜板中相应的互补电感电容单元的示意图；图9为本专利技术具体实施方式中采用一种频率电磁波源照射场景物体后得到的掩膜样式示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种微波单像素成像前端器件，如图5所示，包括成像衍射透镜1、掩膜板2、衍射透镜3、传感器馈源喇叭4和电磁波照明喇叭5。其中，掩膜板2包括PCB板和制作在PCB板上的亚波长金属阵列，如图6所示，亚波长金属阵列包括多个互补电感电容单元(ComplementaryElectricInductorCapacitorsElements)。互补电感电容单元对特定频率的电磁波透过率最大，而对其他频率的电磁波呈高阻特性，由于其谐振时高Q值的特点，非常适合实现不同单元对不同频率电磁波的选择性。因此，至少有一个互补电感电容单元的尺寸与其他互补电感电容单元的尺寸不同，导致至少有一个互补电感电容单元的谐振频率与其他互补电感电容单元的谐振频率不同。互补电感电容单元包括刻蚀了沟道的金属层，如图7所示，沟道包括矩形环状沟道21，自矩形环状沟道21的两条平行边分别延伸出第一T形沟道22和第二T形沟道23。下面介绍一下微波单像素成像前端器件的工作原理：首先以某频率的电磁波源照射场景物体，场景物体反射的电磁波经过成像衍射透镜1成像在其焦平面处，焦平面处的掩膜板2的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波单像素成像前端器件，其特征在于：包括成像衍射透镜(1)、掩膜板(2)、衍射透镜(3)、传感器馈源喇叭(4)和电磁波照明喇叭(5)，其中，掩膜板(2)包括PCB板和制作在PCB板上的亚波长金属阵列，亚波长金属阵列包括多个单元，至少有一个单元的谐振频率与其他单元的谐振频率不同。

【技术特征摘要】
1.一种微波单像素成像前端器件，其特征在于：包括成像衍射透镜(1)、掩膜板(2)、衍射透镜(3)、传感器馈源喇叭(4)和电磁波照明喇叭(5)，其中，掩膜板(2)包括PCB板和制作在PCB板上的亚波长金属阵列，亚波长金属阵列包括多个单元，至少有一个单元的谐振频率与其他单元的谐振频率不同。2.根据权利要求1所述的微波单像素成像前端器件，其特征在于：所述单元为...

【专利技术属性】
技术研发人员：权计超，王伶，王宗新，
申请(专利权)人：中电科技扬州宝军电子有限公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32