一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列及系统，本发明专利技术改变现有的阵列天线均匀排列的布局，根据人体安检特点，在需要重点安检的地方增加分辨率，即提高频率，增加接收天线和发射天线的通道数量。在非重点部位，可以适当的降低分辨率，这样可以降低频率和天线的通道数量。新型复合型毫米波阵列系统将高低频通道进行分离，采用不同的收发模块，如此高低频通道可以各自独立工作，不受干扰，所以可以同时进行信息采样，在不增加成本的前提下，提升人体关键区域的分辨率，增加危险物品识别率。

A New Composite Array and System for Millimeter Wave Imaging Technology

【技术实现步骤摘要】
一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列及系统
本专利技术涉及毫米微波成像
，具体涉及一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列及系统。
技术介绍
为了更加高效安全的人体安检，美国西北太平洋实验室开发了基于毫米波的安检设备。如今，美国与欧盟的机场大部分都安装了L3公司的毫米波安检设备，国内首都机场也在积极试用。现有的毫米波成像技术的分辨率为5mm左右，对于一般的危险品检查也可以胜任。但用户的需求是成本不变或者更低的成本上实现更高的分辨率，若采用现有的传统技术(即使用原有的成像算法和软件)将分辨率提升一倍，那么整个硬件，即阵列的毫米波收发通道都将提升一倍，所使用的芯片的频率和数量也要高一倍，总体成本几何级增长。硬件通道数的翻倍，系统采样的数据也要翻倍，传输速率也要翻倍。为了保证每个通道足够的采样时间，通道翻倍，意味着整个设备的扫描时间就要增长一倍。若保持设备的扫描时间不变，那么也就意味了每个通道的采样时间降低一半，也就降低了信噪比。总而言之，采用现有技术强行提升系统分辨率，不仅成本将大大增加，且系统复杂度和技术难度将几倍的增加。现在用于毫米波成像的阵列，都是使用同一个频率，然后接收与发射的天线中心的间隔都是均匀的，接收天线与发射天线错开半个间隔。比如2米长的阵列，要实现5.25mm分辨率，那么需要383个采样点，由于接收天线与发射天线错开半个间隙，那么接收和发射192通道可以满足。如图1所示，图1中，T1、T2、……、Tn表示发射天线，R1、R2、……、Rn表示接收天线，D1、D2、……、D2n-1表示对应的采样点。现有的毫米波阵列，由于硬件布局方式和现有成像算法，其系统结构如图2所示，为了减少成本，所有的通道(即采样点)采用开关进行切换，都共用一个收发模块、频率源以及ADC等。其大致工作原理如下：FPGA控制频率源和开关模块的切换，因此可以自主的控制每个通道和每个频率的自由切换。频率源产生电磁波，然后由发射模块通过天线通道向目标辐射电磁波，而接收模块接收由目标反射带有信息的电磁波，然后通过ADC模块，传输至计算机成像并进行智能AI识别。现有的毫米波成像阵列系统架构，若将分辨率提升一倍，工作频率提升一倍，对应发射天线和接收天线的数量也变成了2n(n为原来的数量)。翻倍增加天线的通道，意味着系统整个的采样点都要翻倍，那么数据量也要翻倍，传输的数据也翻倍，此时ADC模块的复杂度也将成几倍增长。若保持系统扫描成像的时间不变，那么每个采样点的采样时间就必须减半，由此带来的信噪比降低，降低图像的质量。此外，翻倍增加的通道数量，也使得芯片的使用量翻倍，本来频率增加一倍后，芯片的成本增加不止一倍，数量又增加一倍，总的导致成本将增加一个数量级，也极大的增加了系统的复杂度。因此若不改变阵列系统架构和计算机成像算法，现有的工作方式很难进行分辨率提升。
技术实现思路
为了解决现有的毫米微波成像技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种用于毫米微波成像技术的新型复合型阵列及系统，本专利技术根据人体安检的特点，改变天线通道的布局，在用户需求的地方提升分辨率，改变整个硬件系统的架构，适当的增加硬件，改变成像算法和中央FPGA控制。巧妙合理的解决了这一矛盾性，更加增强了安检的识别性和可靠性，而又不大幅度增加成本，还可以加快成像时间。该新型毫米波阵列配合机械扫描系统，用于后续的毫米波安检设备。本专利技术通过下述技术方案实现：一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列，该阵列至少包括两段不同分辨率的阵列段，每段阵列段均包括至少一对发射天线和接收天线；其中，高分辨率阵列段对应重点关注区域的采样，低分辨率阵列段对应非重点关注区域的采样。优选的，该阵列包括两段不同分辨率的阵列段，依次为第1段、第2段；第1段为低分辨率，对应人体非重点检查部位；第2段为高分辨率，对应人体重点检查部位。优选的，第1段为10mm或5mm；第2段的分辨率为2.5mm或2mm。优选的，该阵列包括三段不同分辨率的阵列段，依次为第1段、第2段和第3段；第1段的分辨率最低，对应检查人体大脑段；第2段的分辨率最高，对应检查人体大腿至肩部段；第3段的分辨率次高，对应检查人体大腿至足部段。优选的，所述第1段的分辨率为10mm；第2段的分辨率为2.5mm或2mm；第3段的分辨率为5mm。另一方面，基于上述新型复合型阵列，本专利技术还提出了一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列系统，该系统包括上述新型复合型阵列、对应不同分辨率阵列段分别设置的不同频率收发模块和不同频率开关模块、FPGA控制器、频率源、ADC模块以及成像识别模块；系统中频率源、ADC模块及所有开关模块均由FPGA的时序进行精确控制；由FPGA控制频率源产生的低频信号经过低频收发模块、低频开关模块，通过低分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、低频开关通道，被低频收发模块接收；产生的高频信号经高频收发模块、高频开关模块，通过高分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、高频开关通道，被高频收发模块接收；所述高频收发模块和低频收发模块接收的反射信号经ADC模块传输至成像识别模块进行处理及识别。优选的，所述频率源使用一个微波锁相信号源，通过倍频方式产生不同频率的信号源，作为不同分辨率阵列段的信号源。优选的，由FPGA控制所述微波锁相信号源，产生3～4GHz的微波信号，间隔10MHz或者8MHz或者5MHz，锁相信号源产生的微波信号通过4倍频得到12～16GHz的信号，分辨率为10mm；再通过2倍频由12～16GHz得到24～32GHz的信号，分辨率为5mm；最后再通过一级2倍频由24～32GHz得到48～64GHz的信号，分辨率为2.5mm。优选的，为了获得更高频率信号，所述频率源使用两个微波锁相信号源，两个微波锁相信号源相参，由FPGA控制所述两个相参的微波锁相信号源其中一个产生3～4GHz的微波信号，间隔10MHz或者8MHz或者5MHz，锁相信号源产生的微波信号通过4倍频得到12～16GHz的信号，分辨率为10mm；再通过2倍频由12～16GHz得到24～32GHz的信号，分辨率为5mm；另一个产生2.95～3.6GHz，通过24倍频得到71-86GHz高频信号，分辨率为2mm。优选的，每一段分辨率阵列段的信号源各自与中频进行上变频后进入收发模块的发射电路Tx，由开关进行控制通道的切换，通过天线照射到被检测的人体，然后由接收天线接收被人体反射的信号，由开关进行控制通道的切换，该反射的信号由收发模块中的接收电路Rx接收；系统中不同频率段可同时工作，互不干扰，各自接收的信号由下变频到中频，并进行IQ解调，将解调后的IQ信号送入相应的ADC模块进行数据次啊及，ADC采集的数据由FPGA控制送入成像识别模块。本专利技术具有如下的优点和有益效果：本专利技术改变了现有的阵列天线均匀排列的布局，根据人体安检特点，在需要重点安检的地方增加分辨率，即提高频率，增加接收天线和发射天线的通道数量。在非重点部位，可以适当的降低分辨率，这样可以降低频率和天线的通道数量。如此一增一减，基本上可以维持总体的通道数量变化不大，这样也没有显著增加数据量。由于低分辨率与高分辨率使用不同的收发模块，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列，其特征在于，该阵列至少包括两段不同分辨率的阵列段，每段阵列段均包括至少一对发射天线和接收天线；其中，高分辨率阵列段对应重点关注区域的采样，低分辨率阵列段对应非重点关注区域的采样。

【技术特征摘要】
1.一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列，其特征在于，该阵列至少包括两段不同分辨率的阵列段，每段阵列段均包括至少一对发射天线和接收天线；其中，高分辨率阵列段对应重点关注区域的采样，低分辨率阵列段对应非重点关注区域的采样。2.根据权利要求1所述的新型复合型阵列系统，其特征在于，该阵列包括两段不同分辨率的阵列段，依次为第1段、第2段；第1段为低分辨率，对应人体非重点检查部位；第2段为高分辨率，对应人体重点检查部位。3.根据权利要求2所述的新型复合型阵列系统，其特征在于，第1段为10mm或5mm；第2段的分辨率为2.5mm或2mm。4.根据权利要求1所述的新型复合型阵列，其特征在于，该阵列包括三段不同分辨率的阵列段，依次为第1段、第2段和第3段；第1段的分辨率最低，对应检查人体大脑段；第2段的分辨率最高，对应检查人体大腿至肩部段；第3段的分辨率次高，对应检查人体大腿至足部段。5.根据权利要求4所述的新型复合型阵列，其特征在于，所述第1段的分辨率为10mm；第2段的分辨率为2.5mm或2mm；第3段的分辨率为5mm。6.一种用于毫米波成像技术的新型复合型阵列系统，其特征在于，该系统包括如权利要求1-5任一项所述的新型复合型阵列、对应不同分辨率阵列段分别设置的不同频率收发模块和不同频率开关模块、FPGA控制器、频率源、ADC模块以及成像识别模块；系统中频率源、ADC模块及所有开关模块均由FPGA的时序进行精确控制；由FPGA控制频率源产生的低频信号经过低频收发模块、低频开关模块，通过低分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、低频开关通道，被低频收发模块接收；产生的高频信号经高频收发模块、高频开关模块，通过高分辨率阵列段的发送天线照射被检测的人体，由人体反射的信号依次经由该阵列段的接收天线、高频开关通道，被高频收发模块接收；所述高频收发...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宁波，陈成，李志强，李志翔，
申请(专利权)人：四川久成泰安科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51