《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》是北京華航無線電測量研究所於2011年12月30日申請的專利，該專利的申請號為2011104581289，公布號為CN102540186A，授權公布日為2012年7月4日，發明人是陳曄、張遠航、張炳煌、張永暘、余華章。
《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》涉及一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統，包括：天線陣列圓盤支架、伺服控制模組、頻率合成模組、發射模組、2個發射天線陣列、2個接收天線陣列、接收模組、延時模組、信號處理模組和顯控模組，其中伺服控制模組控制電機的驅動軸以正弦曲線的速率轉動並且控制和檢測天線陣列圓盤支架的旋轉角度，使其從0到M度順時針旋轉，100≤M≤170度，發射天線陣列輻射射頻信號到目標的表面並經其反射被接收天線陣列接收，經接收模組對回波信號處理以形成中頻回波信號且發給信號處理模組，以由其進行三維成像處理，獲取目標的三維圖像數據並將其傳輸到顯控模組。
2018年12月20日，《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統
- 公告號：CN102540186A
- 授權日：2012年7月4日
- 申請號：2011104581289
- 申請日：2011年12月30日
- 申請人：北京華航無線電測量研究所
- 地址：北京市東城區和平里南街3號
- 發明人：陳曄、張遠航、張炳煌、張永暘、余華章
- Int.Cl.：G01S13/89(2006.01)I
- 代理機構：北京天達智慧財產權代理事務所（普通合夥）
- 代理人：王宇楊、王慶海
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2011年12月，隨著毫米波技術和成像技術的發展，產生了許多這兩種技術相結合的套用。毫米波成像技術在許多領域都有成熟的套用，比如地圖遙感、軍事探測、毫米波合成孔徑雷達成像，遠距離探測地面、海面以及空中目標等。隨著科學技術的發展，毫米波器件在中國國內外基本成熟，可以進行大規模低成本套用。
隨著毫米波成像技術的發展，其在各行各業的套用逐漸成熟，套用於近距離成像探測基本成熟，可實現物體表面、人體表面以及其他表面散射特性探測。
截至2011年12月，在近距離成像方面，有多種成像方法，如可見光、紅外以及雷射成像等，但是這些成像都有自身的缺陷。可見光無法看到某些隱蔽物下的東西；而紅外的成像解析度和可靠識別性存在一定的問題；雷射成像的套用領域比較窄。而毫米波近距離成像可以穿透某些隱蔽物，對隱蔽物下面的東西進行高精度的成像，通過圖像檢測識別的方法可實現某些特殊東西的甄別。
發明內容
技術方案
《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》提供了一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統，其包括：天線陣列圓盤支架、伺服控制模組、頻率合成模組、發射模組、2個發射天線陣列、2個接收天線陣列、接收模組、延時模組、信號處理模組和顯控模組，其中：
天線陣列圓盤支架包括可旋轉的中心軸和由該中心軸帶動旋轉的金屬圓形盤；
伺服控制模組用於控制交流伺服電機的驅動軸以正弦曲線的速率轉動並且控制和檢測天線陣列圓盤支架的旋轉角度，使其從0到M度順時針旋轉，100≤M≤170度，其包括：伺服機構、測量反饋機構和伺服控制器，其中：
伺服機構包括交流伺服電機（1）、電機驅動器（2）、電源適配器（3）、減速器（4）和皮帶輪（5）；交流伺服電機主軸通過法蘭盤連線減速器，減速器驅動皮帶輪運動，皮帶輪同天線陣列圓盤支架相連，驅動安檢門天線陣列圓盤支架完成各種功能運動，交流伺服電機由電機驅動器直接控制，電機驅動器連線電源適配器實現交直流轉換為電機系統提供電源並實現保護功能；
測量反饋機構包括光柵尺（7）、光電開關（8），光柵尺（7）安裝於天線陣列圓盤支架主軸上，光柵尺（7）讀數頭固定於天線陣列圓盤支架並隨框架轉動產生編碼信號脈衝從而測量天線陣列圓盤支架旋轉的角度信息，光電開關（8）安裝於天線陣列圓盤支架（6）頂部與角度指示圓盤相接觸，可實現中心零位和極限位置的指示；
伺服控制器包括：互動通信模組、信號採集模組、自檢校正控制模組以及伺服機構的掃描曲線控制模組；互動通信模組分為兩部分：一部分完成同信號處理分機的通信，接收其下發的指令信號並反饋當前伺服系統狀態信息；另一部分完成與電機驅動器的通信，對伺服執行機構實施控制；其中，信號採集模組處理光柵的正交編碼脈衝信號以及光電開關信號；自檢校正控制模組完成信號處理分機下發的自檢校正指令；掃描曲線控制模組完成信號處理分機下發的掃描工組指令；
頻率合成模組用於產生基準時鐘並將其傳送給信號處理模組、和接收信號處理模組的控制命令以產生寬頻發射信號和射頻本振信號，並且將寬頻發射信號傳送給發射模組和將射頻本振信號傳送給延時模組，其包括用於產生寬頻發射信號的高速直接頻率合成器、用於將寬頻發射信號倍頻到所需頻段的倍頻器、用於產生射頻本振信號的混頻器、用於產生基準時鐘的晶振；
發射模組用於對來自頻率合成模組的寬頻發射信號進行功率放大和波形調製，並將其傳送給發射天線陣列，其包括用於功率放大的固態功率放大器和用於波形調製的發射波形調製器；
發射天線陣列，用於輻射射頻信號，每一個發射天線陣列有N個天線單元，每個天線單元對應一路發射通道，每一個天線陣列有N路電開關以控制發射通道的分時工作，即開通和關斷，其中64≤N≤256；
接收天線陣列，用於接收回波信號，每一個接收天線陣列有N個天線單元，每個天線單元對應一路接收通道，每一個天線陣列有N路電開關以控制接收通道的分時工作，即開通和關斷，其中64≤N≤256；
延時模組用於對接收到的射頻本振信號進行精確延時以使其相位與從目標的中心表面反射的射頻回波信號的相位一致，並將延時的射頻本振信號傳送給接收模組；
接收模組包括用於功率放大的低噪聲功率放大器、用於濾波的濾波器和用於將射頻回波信號變換到中頻回波信號的混頻器，其中低噪聲功率放大器將接收到的射頻回波信號的功率放大至與接收到的射頻本振信號的功率近似相等或者在同一數量級，該濾波器對經功率放大的射頻回波信號進行濾波，混頻器將經過功率放大和濾波的射頻回波信號和接收到的射頻本振信號進行混頻以將該射頻回波信號變換到中頻回波信號並將其傳輸給信號處理模組；
信號處理模組用於產生指示頻率合成模組產生各種信號的控制命令、根據基準時鐘產生成像裝置的工作時序、對中頻回波信號進行採樣和數字下變頻，進行三維成像處理，獲取目標的三維圖像數據並將其傳輸到顯控模組，其包括：用於對中頻回波信號進行採樣的高速模數轉換器、用於對採樣後的數字中頻回波信號進行下變頻的可程式邏輯器件、用於對經數字下變頻的回波數據進行三維成像處理的數位訊號處理器、存儲器、用於將三維圖像數據高速傳送給顯控模組的光電轉換器；
顯控模組用於將接收到的三維圖像數據實時顯示成三維圖像。
有益效果
《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的毫米波成像系統在距離目標物體的表面1米範圍內進行毫米波掃描成像，其結構設計簡單、成本低、圖像質量高、解析度可高達厘米級且成像時間短，可實現目標物體表面的不同角度的多幅三維立體圖像。
附圖說明
圖1是《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統的結構立體示意圖；
圖2是《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的天線陣列形式的示意圖；
圖3是《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統的結構框圖；
圖4是《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的毫米波成像裝置的工作時序圖；
圖5是伺服控制器模組框圖。
其中：1-交流伺服電機，2-電機驅動器，3-電源適配器，4-減速器，5-皮帶輪，6-天線陣列圓盤支架，7-光柵尺，8-光電開關，9-伺服控制器，10-信號採集模組，11-自檢校正控制模組，12-掃描曲線控制模組，13-互動通信模組，14-信號處理分機。
技術領域
《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》涉及毫米波成像技術領域，特別是涉及一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統。
權利要求
1.一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統，其包括：天線陣列圓盤支架、伺服控制模組、頻率合成模組、發射模組、2個發射天線陣列、2個接收天線陣列、接收模組、延時模組、信號處理模組和顯控模組，其中：天線陣列圓盤支架包括可旋轉的中心軸和由該中心軸帶動旋轉的金屬圓形盤；伺服控制模組用於控制交流伺服電機的驅動軸以正弦曲線的速率轉動並且控制和檢測天線陣列圓盤支架的旋轉角度，使其從0到M度順時針旋轉，100≤M≤170度，其包括：伺服機構、測量反饋機構和伺服控制器，其中：伺服機構包括交流伺服電機（1）、電機驅動器（2）、電源適配器（3）、減速器（4）和皮帶輪（5）；交流伺服電機主軸通過法蘭盤連線減速器，減速器驅動皮帶輪運動，皮帶輪同天線陣列圓盤支架相連，驅動安檢門天線陣列圓盤支架完成各種功能運動，交流伺服電機由電機驅動器直接控制，電機驅動器連線電源適配器實現交直流轉換為電機系統提供電源並實現保護功能；測量反饋機構包括光柵尺（7）、光電開關（8），光柵尺（7）安裝於天線陣列圓盤支架主軸上，光柵尺（7）讀數頭固定於天線陣列圓盤支架並隨框架轉動產生編碼信號脈衝從而測量天線陣列圓盤支架旋轉的角度信息，光電開關（8）安裝於天線陣列圓盤支架（6）頂部與角度指示圓盤相接觸，可實現中心零位和極限位置的指示；伺服控制器包括：互動通信模組、信號採集模組、自檢校正控制模組以及伺服機構的掃描曲線控制模組；互動通信模組分為兩部分：一部分完成同信號處理分機的通信，接收其下發的指令信號並反饋當前伺服系統狀態信息；另一部分完成與電機驅動器的通信，對伺服執行機構實施控制；其中，信號採集模組處理光柵的正交編碼脈衝信號以及光電開關信號；自檢校正控制模組完成信號處理分機下發的自檢校正指令；掃描曲線控制模組完成信號處理分機下發的掃描工組指令；頻率合成模組用於產生基準時鐘並將其傳送給信號處理模組、和接收信號處理模組的控制命令以產生寬頻發射信號和射頻本振信號，並且將寬頻發射信號傳送給發射模組和將射頻本振信號傳送給延時模組，其包括用於產生寬頻發射信號的高速直接頻率合成器、用於將寬頻發射信號倍頻到所需頻段的倍頻器、用於產生射頻本振信號的混頻器、用於產生基準時鐘的晶振；發射模組用於對來自頻率合成模組的寬頻發射信號進行功率放大和波形調製，並將其傳送給發射天線陣列，其包括用於功率放大的固態功率放大器和用於波形調製的發射波形調製器；發射天線陣列，用於輻射射頻信號，每一個發射天線陣列有N個天線單元，每個天線單元對應一路發射通道，每一個天線陣列有N路電開關以控制發射通道的分時工作，即開通和關斷，其中64≤N≤256；接收天線陣列，用於接收回波信號，每一個接收天線陣列有N個天線單元，每個天線單元對應一路接收通道，每一個天線陣列有N路電開關以控制接收通道的分時工作，即開通和關斷，其中64≤N≤256；延時模組用於對接收到的射頻本振信號進行精確延時以使其相位與從目標的中心表面反射的射頻回波信號的相位一致，並將延時的射頻本振信號傳送給接收模組；接收模組包括用於功率放大的低噪聲功率放大器、用於濾波的濾波器和用於將射頻回波信號變換到中頻回波信號的混頻器，其中低噪聲功率放大器將接收到的射頻回波信號的功率放大至與接收到的射頻本振信號的功率近似相等或者在同一數量級，該濾波器對經功率放大的射頻回波信號進行濾波，混頻器將經過功率放大和濾波的射頻回波信號和接收到的射頻本振信號進行混頻以將該射頻回波信號變換到中頻回波信號並將其傳輸給信號處理模組；信號處理模組用於產生指示頻率合成模組產生各種信號的控制命令、根據基準時鐘產生成像裝置的工作時序、對中頻回波信號進行採樣和數字下變頻，進行三維成像處理，獲取目標的三維圖像數據並將其傳輸到顯控模組，其包括：用於對中頻回波信號進行採樣的高速模數轉換器、用於對採樣後的數字中頻回波信號進行下變頻的可程式邏輯器件、用於對經數字下變頻的回波數據進行三維成像處理的數位訊號處理器、存儲器、用於將三維圖像數據高速傳送給顯控模組的光電轉換器；顯控模組用於將接收到的三維圖像數據實時顯示成三維圖像。
2.根據權利要求1的毫米波成像系統，其中每一個發射天線陣列和每一個接收天線陣列形成一對，用螺釘形式將其固定在天線陣列圓盤的邊緣上，其中每一組發射天線陣列和接收天線陣列對之間的間隔是0.5-5厘米，該2組發射天線陣列和接收天線陣列對以相對且在一條直線上的方式安裝在天線陣列圓盤的邊緣兩端，每個天線陣列以豎直方式固定在天線陣列圓盤的邊緣上。
3.根據權利要求1的毫米波成像系統，其中發射和接收天線單元是微帶天線、波導縫隙天線、偶極子或者喇叭口天線，發射和接收天線單元的大小是長和寬均為一個波長λ，波束寬度是30-120度。
4.根據權利要求1的毫米波成像系統，其中寬頻發射信號的最高信號頻寬B為1.2吉赫，脈寬τ為10微秒，基準時鐘為60兆赫，倍頻器將高速直接頻率合成器產生的寬頻發射信號倍頻到20吉赫到40吉赫之間或者90吉赫到110吉赫之間。
5.根據權利要求1的毫米波成像系統，其中中頻回波信號的中心頻率是60兆赫。
6.根據權利要求1的毫米波成像系統，其中天線陣列圓盤支架每旋轉0.5度，天線陣列掃描一次目標。
7.根據權利要求1的毫米波成像系統，其中N=208個，兩個天線單元之間間隔大小為一個波長λ。
8.根據權利要求2的毫米波成像系統，其中每一組發射天線陣列和接收天線陣列對之間的間隔是1厘米。
9.根據權利要求3的毫米波成像系統，其中所述波束寬度是60度。10.根據權利要求1的毫米波成像系統，其中所述伺服控制器按照以下模式進行工作：第一模式：完成自檢校正，自檢校正工作過程中由伺服控制器（9）採集光柵尺（7）讀數頭信號計算出負載位置並控制電機進行回零運動，完成校正後，將伺服狀態信息上報信號處理分機等待下發掃描工作指令；第二模式：完成掃描工作，掃描工作過程中由伺服控制器（9）按照設定的掃描運動曲線計算參數並控制電機驅動器（2）使伺服系統天線陣列圓盤支架（6）進行掃描運動。
實施方式
《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統包括：2個發射天線陣列、2個接收天線陣列、天線陣列圓盤支架、發射模組、接收模組、伺服控制模組、頻率合成模組、延時模組、信號處理模組和顯控模組；其中：
天線陣列圓盤支架包括可旋轉的中心軸和由該中心軸帶動旋轉的金屬圓形盤。該圓形盤的半徑在0.5-2米之間。
在天線陣列圓盤的邊緣以螺釘形式固定2組發射天線陣列和接收天線陣列對，其中每一組發射天線陣列和接收天線陣列對之間的間隔是0.5-5厘米，優選間隔是2厘米，更優選間隔是1厘米。該2組發射天線陣列和接收天線陣列對以相對且在一條直線上的方式安裝在天線陣列圓盤支架的邊緣兩端，每個天線陣列是以豎直方式固定在圓盤的邊緣上，如圖1所示。另外，每一組發射天線陣列和接收天線陣列對是等長的，如圖2所示。
伺服控制模組用於控制交流伺服電機的驅動軸以一種正弦曲線的速率轉動和控制和檢測天線陣列圓盤支架的旋轉角度，以使其可以正反旋轉100度，或者100度-170度之間的任意角度，如140度。
該伺服控制模組包括伺服機構、測量反饋機構和伺服控制器，其中：
伺服機構由交流伺服電機1、電機驅動器2、電源適配器3、減速器4和皮帶輪5構成。交流伺服電機1作為控制動力的出處，帶動傳動機構以及天線陣列圓盤支架運動。電機驅動器2接收伺服控制器的運動指令信號並轉化為交流伺服電機1的控制脈衝並結合交流伺服電機1軸端配置的編碼器信號直接控制電機運動的速度和位置，使得該電機的驅動軸以一種正弦曲線的速率轉動。《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》所使用的是GV6驅動器及其配套的N0系列的交流伺服電機1，具有控制參數可調節、速度位置易規劃等特點。電源適配器3將交流電源轉換為直流電源並具備整流功能，為電機及驅動器實現電源供給且可實現過壓保護功能，其連續輸出功率300W，最大輸出功率為9KW。電機的輸出軸經過減速器及皮帶輪構成的傳動機構帶動天線陣列圓盤支架運動，系統總的減速比為86.2367。
測量反饋機構由光柵尺7、光電開關8構成。光柵尺7安裝於天線陣列圓盤支架6的中心軸上，其絕對零位處於天線陣列圓盤支架6運行範圍的中心位置，光柵尺7讀數頭固定於天線陣列圓盤支架6並隨支架轉動產生正交編碼脈衝信號解算角度信息。《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》使用的光柵尺7為RESD系列的增量式圓光柵，增量式光柵尺7較絕對式光柵尺7系統連線少、接口簡單，其刻線數為32768，系統精度能達到1.08角秒，適高速系統及精度要求很高的測量場合。該伺服控制模組配備兩個光電開關8，配合角度限位及運行中心指示圓盤使用，安裝於天線陣列圓盤支架6的頂部，可指示極限位置以及粗精度的中心位置。光電開關8具有無觸點、無機械碰撞、回響速度快的特點，可以滿足《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》中設計的限位功能套用。
伺服控制器9的結構框圖如圖5所示，伺服控制器9包括互動通信模組13、信號採集模組10、自檢校正控制模組11以及伺服機構的掃描曲線控制模組12，伺服控制器9採用TI公司的TMS320F2812作為主控晶片處理整個控制流程。
互動通信模組13包括同信號處理分機14進行工作指令及工作狀態的互動，以及同電機驅動器2運動曲線規劃控制指令的互動。此模組可通過RS422/RS232實現串口通信，同信號處理分機14的通信協定包括幀頭、指令字、狀態字、幀計數以及校驗位信息；同電機驅動器2的通信協定滿足驅動器的設計要求。
信號採集模組10需處理光柵的正交編碼脈衝信號以及光電開關8信號。光柵信號通過光柵尺7讀數頭連線器同伺服控制器相連線，經正交編碼脈衝計數器晶片處理後與DSP通過並口進行數據通信，DSP定時採集計數器晶片的計數值。光電開關8信號經電平轉換後連線到DSP上，供主控晶片採集。
自檢校正控制模組11完成信號處理分機下發的自檢校正指令，實現天線陣列圓盤支架精準回零，並為掃描工作指令做準備。
掃描曲線控制模組12完成信號處理分機下發的掃描工作指令，最終實現天線陣列圓盤支架按照掃描曲線運行。
伺服控制器按照兩種模式進行：
第一模式：完成自檢校正，自檢校正工作過程中由伺服控制器9採集光柵尺7讀數頭信號計算出負載位置並控制電機進行回零運動，完成校正後，將伺服狀態信息上報信號處理分機等待下發工作指令，具體工作如下：
控制器收到自檢校正指令後，驅動電機運動15度停止，系統採集運動過程中經過的匯流排數，以及相鄰兩個Z脈衝處的線數值。根據上述算法計算運動過程中經過第一個Z脈衝處的絕對線數，由此可計算出負載當前的絕對線數。根據絕對位置換算控制電機使天線陣列圓盤支架6運行至零位處完成回零工作。為準備執行掃描工作，控制天線陣列圓盤支架6運行至+55度位置處，並上傳信號處理分機完成自檢校正。
第二模式：完成掃描工作，掃描工作過程中由伺服控制器9按照預定的掃描運動曲線計算參數並裝訂電機驅動器2使天線陣列圓盤支架6進行掃描運動。其工作過程為：
通過中心指示光電開關8信號判斷天線陣列圓盤支架6當前相對零位的方向，並控制天線陣列圓盤支架6進行掃描運動，運行結束後傳送掃描完成狀態字。由於自檢校正指令或每次掃描工作結束後電機已經運行至工作準備角度處，且掃描工作每次運行的角度以及規劃曲線固定不變，因此僅需判斷零位方向來確定下次掃描運動的方向，並控制天線陣列圓盤支架6按預定曲線運動。
發射天線陣列用於輻射射頻信號，發射天線陣列有N個天線單元，每個天線單元對應一路發射通道，天線陣列有N路電開關以控制發射通道的分時工作，即開通和關斷。在《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》中，N在64-256之間，優選208個。兩個天線單元之間間隔大小為一個波長λ。
接收天線陣列用於接收射頻回波信號，接收天線陣列有N個天線單元，每個天線單元對應一路接收通道，天線陣列有N路電開關以控制接收通道的分時工作，即開通和關斷。在《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》中，N在64-256之間，優選208個。兩個天線單元之間間隔大小為一個波長λ。
發射和接收天線單元的形式有多種，可以是微帶天線、波導縫隙天線、偶極子以及喇叭口天線等。發射和接收天線單元的大小可以是長和寬均為一個波長λ，天線單元的波束寬度是30-120度，優選60度。
頻率合成模組用於產生基準時鐘並將其傳送給信號處理模組、和接收信號處理模組的控制命令以產生寬頻發射信號和射頻本振信號，並且將寬頻發射信號傳送給發射模組和將射頻本振信號傳送給延時模組。其包括：用於產生寬頻發射信號的高速直接頻率合成器（簡稱：高速DDS）、用於將寬頻發射信號倍頻到所需頻段的倍頻器、用於產生射頻本振信號的混頻器、用於產生基準時鐘的晶振等。在《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》中，該高速DDS產生的寬頻發射信號的最高信號頻寬B為1.2吉赫，脈寬τ為10微秒。倍頻器將高速DDS產生的寬頻發射信號倍頻到20吉赫到40吉赫之間或者90吉赫到110吉赫之間。基準時鐘為60兆赫。
延時模組用於對接收到的射頻本振信號進行精確延時以使其相位與從目標的中心表面反射的射頻回波信號的相位一致，並將延時的射頻本振信號傳送給接收模組。
發射模組用於對來自頻率合成模組的寬頻發射信號進行功率放大和波形調製，並將其傳送給發射天線陣列，其包括用於功率放大的固態功率放大器和用於波形調製的發射波形調製器。
接收模組用於對接收到的射頻回波信號進行功率放大、濾波、混頻等處理，實現將射頻回波信號變換到中頻回波信號，其包括用於功率放大的低噪聲功率放大器、用於濾波的濾波器和用於將射頻回波信號變換到中頻回波信號的混頻器等。
具體過程是：低噪聲功率放大器將接收到的射頻回波信號的功率放大至與接收到的射頻本振信號的功率近似相等或者在同一數量級即可，接著該濾波器對經功率放大的射頻回波信號進行濾波，然後混頻器將經過功率放大和濾波的射頻回波信號和接收到的射頻本振信號進行混頻以將該射頻回波信號變換到中頻回波信號並將其傳輸給信號處理模組。
信號處理模組用於產生指示頻率合成模組產生各種信號的控制命令、根據基準時鐘產生成像裝置的工作時序、對中頻回波信號進行採樣和數字下變頻，進行三維成像處理，獲取目標的三維圖像數據並將其傳輸到顯控模組。其包括：用於對中頻回波信號進行採樣的高速模數轉換器、用於對採樣後的數字中頻回波信號進行下變頻的可程式邏輯器件、用於對經數字下變頻的回波數據進行三維成像處理的數位訊號處理器、存儲器、用於將三維圖像數據高速傳送給顯控模組的光電轉換器等。工作時序圖可以如圖4所示。
顯控模組用於將接收到的三維圖像數據實時顯示成三維圖像。還可以通過顯控模組的人機互動界面向伺服控制模組和信號處理模組輸入工作參數和發出控制指令。例如，該顯控模組可以是一台帶有顯示螢幕的計算機。
圖3是本實用新型的單天線陣列全方位掃描的毫米波成像系統的結構框圖。
下面介紹一下《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統的工作過程：
首先在系統上電啟動後，各模組進行初始化設定和自檢，並進行成像系統中的發射天線陣列和接收天線陣列的收發通道以及輻相特性校正；接著伺服控制模組開始控制電機的驅動軸以一種正弦曲線的速率轉動，從而帶動天線陣列圓盤支架旋轉，並且伺服控制模組控制和測量天線陣列圓盤支架的旋轉角度，使其從0到140度正向（順時針）旋轉，在此過程中，頻率合成模組產生基準時鐘並將其傳送給信號處理模組、接收到信號處理模組的控制命令以產生寬頻發射信號和射頻本振信號，並且將寬頻發射信號傳送給發射模組和將射頻本振信號傳送給延時模組，該發射模組將寬頻發射信號進行功率放大和波形調製並傳送給發射天線陣列；信號處理模組接收到基準時鐘後產生一個工作時序，由此控制發射和接收天線陣列的N個天線單元中的第i（1≤i≤N）個發射和接收通道開啟以及其餘的發射和接收通道關斷，由發射天線陣列的第i個天線單元向外輻射寬頻發射信號，該寬頻發射信號到達目標的表面並反射到接收天線陣列並由其第i個天線單元接收到該射頻回波信號並將其傳送給接收模組，而延時模組將接收到的射頻本振信號進行精確延時以使其相位與從目標的中心表面反射的射頻回波信號的相位一致，然後將該延時的射頻本振信號傳送給接收模組，該接收模組中的低噪聲功率放大器將接收到的射頻回波信號的功率放大至與接收到的射頻本振信號的功率相等或者近似相等或者在同一數量級即可，接著該接收模組中的濾波器對經功率放大的射頻回波信號進行濾波，然後混頻器將經過功率放大和濾波的射頻回波信號和接收到的射頻本振信號進行混頻以將該射頻回波信號變換到中頻回波信號，該中頻回波信號的中心頻率優選是60兆赫，最後再將該中頻回波信號傳輸給信號處理模組；該信號處理模組中的高速模數轉換器對輸入的中頻回波信號進行採樣，將其轉換為數字回波信號並傳送給可程式邏輯器件，該可程式邏輯器件將數字回波信號下變頻到基帶信號並將其保存到存儲器中；……，以此方式，將N個通道的經下變頻的數字回波數據保存到存儲器中，此時保存的回波數據僅僅是天線陣列圓盤支架在0度位置時通過天線陣列掃描得到的回波數據。
可以以任意設定的角度間隔進行掃描來獲得回波數據，例如角度間隔為0.2-1度。優選地，天線陣列圓盤支架每旋轉0.1度，天線陣列掃描一次目標物體，當然也可以是每旋轉1度掃描一次。
當天線陣列圓盤支架旋轉到140度並且所有回波數據都保存到存儲器中後，此時數位訊號處理器從存儲器中讀取所有回波數據並進行三維成像處理，其中採用公知的圖像處理算法來處理回波數據，如BP算法，得到毫米波三維圖像數據；再通過光電轉換器將該毫米波三維圖像數據傳送給顯控模組。該顯控模組將毫米波三維圖像顯示在螢幕上。另外，工作人員也可以通過顯控模組的人機互動界面向伺服控制模組和信號處理模組輸入工作參數和發出控制指令。
上述工作過程完成了對一個目標物體的三維成像，此時天線陣列圓盤支架正向旋轉140度。本領域的技術人員都知道，也可以將天線陣列圓盤支架正向旋轉120、160度或170度等來完成對目標物體的掃描和三維成像。
上述自檢的目的主要獲取收發通道的初始幅度和相位的信息，利用該信息進行的收發通道以及輻相特性的校正，使得每個收發通道的輻相特性一致。
當開始對下一個目標物體進行掃描成像時，天線陣列圓盤支架剛好可以反向旋轉如140度來完成整個三維成像過程。當然，本領域的技術人員都知道，也可以先執行反向旋轉對一個目標物體進行掃描成像，再執行正向旋轉對下一個目標物體進行掃描成像。
下面介紹一下《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統的成像方法：
第一步：成像系統上電，各模組進行初始化設定和自檢，並進行發射天線陣列和接收天線陣列的收發通道以及輻相特性校正。
自檢的目的主要獲取收發通道的初始幅度和相位的信息，利用該信息進行的收發通道以及輻相特性的校正，使得每個收發通道的輻相特性一致。
第二步：伺服控制模組開始控制電機的驅動軸以一種正弦曲線的速率轉動，從而帶動天線陣列圓盤支架旋轉，並且伺服控制模組控制和測量天線陣列圓盤支架的旋轉角度，使其從0到M度順時針旋轉，100≤M≤170度。
第三步：頻率合成模組產生基準時鐘並將其傳送給信號處理模組、接收到信號處理模組的控制命令以產生寬頻發射信號和射頻本振信號，並且將寬頻發射信號傳送給發射模組和將射頻本振信號傳送給延時模組。
第四步：發射模組將寬頻發射信號進行功率放大和波形調製並傳送給發射天線陣列。
第五步：信號處理模組接收到基準時鐘後產生一個工作時序，由此控制發射和接收天線陣列的N個天線單元中的第i（1≤i≤N）個發射和接收通道開啟以及其餘的發射和接收通道關斷，由發射天線陣列的第i個天線單元向外輻射寬頻發射信號。
第六步：該寬頻發射信號到達目標的表面並反射到接收天線陣列並由其第i個天線單元接收到該射頻回波信號並將其傳送給接收模組。
第七步：延時模組將接收到的射頻本振信號進行精確延時以使其相位與從目標的中心表面反射的射頻回波信號的相位一致，然後將該延時的射頻本振信號傳送給接收模組。
第八步：接收模組中將接收到的射頻回波信號的功率放大至與接收到的射頻本振信號的功率相等或近似相等或者在同一數量級，接著該接收模組中的濾波器對經功率放大的射頻回波信號進行濾波，然後混頻器將經過功率放大和濾波的射頻回波信號與接收到的射頻本振信號進行混頻以將該射頻回波信號變換到中頻回波信號，最後再將該中頻回波信號傳輸給信號處理模組。
第九步：該信號處理模組中的高速模數轉換器對輸入的中頻回波信號進行採樣，將其轉換為數字回波信號並傳送給可程式邏輯器件，可程式邏輯器件將數字回波信號下變頻到基帶信號並將其保存到存儲器中。
第十步：重複步驟三至步驟九，直到將N個通道的經下變頻的數字回波數據保存到存儲器中，由此完成天線陣列圓盤支架在0度位置時通過天線陣列掃描得到的回波數據。
第十一步：天線陣列圓盤支架每旋轉0.2度至1度之間的任一角度，天線陣列掃描一次目標物體，重複步驟三至步驟十，……直到天線陣列圓盤支架旋轉到M度，可程式邏輯器件將掃描得到的N個通道的數字回波信號下變頻到基帶信號並將其保存到存儲器中。
第十二步：數位訊號處理器從存儲器中讀取所有回波數據並進行三維成像處理，其中採用公知的圖像處理方法來處理回波數據，得到毫米波三維圖像數據。
公知的圖像處理方法可以是RD方法、BP方法、CS方法、wk方法和後向散射方法等。《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》優選採用BP方法來處理回波數據。
第十三步：數位訊號處理器將該毫米波三維圖像數據傳送給光電轉換器，由此將電信號轉換為光信號，並且以光信號的方式將毫米波三維圖像數據傳送給顯控模組。
第十四步：該顯控模組將毫米波三維圖像顯示在螢幕上。
優選的，M為120度、140度或160度。
優選的，N為在64-256之間的值，優選的，N=208。
優選的，寬頻發射信號的最高信號頻寬B為1.2吉赫，脈寬τ為10微秒。
優選的，基準時鐘為60兆赫。
優選的，中頻回波信號的中心頻率是60兆赫。
優選的，天線陣列圓盤支架每旋轉0.5度，天線陣列掃描一次目標物體。
《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》的陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統及成像方法的優點：
（1）該成像系統採用了基於高速DDS的信號產生方案，使得控制電路設計簡單，通過倍頻可實現大頻寬，並且不需要進行頻率線性校正，系統複雜度降低，成本低。
（2）該成像系統為全相參體制，有利於回波信號的相參積累，可獲得高質量的圖像，降低了對系統成像補償的要求。
（3）該成像系統採用將回波信號數字下變頻到基帶信號的方案，避免了模擬下變頻帶來的通道不一致性對成像質量帶來的不利影響。
（4）該成像系統及其成像方法能夠對目標物體表面成像，獲取厘米級的高解析度的毫米波三維立體圖像，並且三維成像的實時性可以高達1秒，特別適用於安全檢查領域。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種陣列天線弧形掃描的毫米波成像系統》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
