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CN106324594A - 一种太赫兹快速二维扫描系统和方法 - Google Patents

一种太赫兹快速二维扫描系统和方法 Download PDF

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CN106324594A
CN106324594A CN201610607355.6A CN201610607355A CN106324594A CN 106324594 A CN106324594 A CN 106324594A CN 201610607355 A CN201610607355 A CN 201610607355A CN 106324594 A CN106324594 A CN 106324594A
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plane mirror
scanning
terahertz
reception antenna
antenna
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CN201610607355.6A
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何静
王海涛
王斌
王平
韩永金
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Shanghai Radio Equipment Research Institute
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Shanghai Radio Equipment Research Institute
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种太赫兹快速二维扫描系统和方法，该扫描系统包含发射天线；接收天线，其接收方向与发射天线的发射方向相平行；平面反射镜，发射天线的发射天线波束经过平面反射镜反射至扫描区域，扫描区域形成的接收天线波束经过平面反射镜反射至接收天线，使得接收天线波束与发射天线波束同步运动；第一扫描电机，其旋转轴连接平面反射镜，使得所述的平面反射镜绕水平面旋转；第二扫描电机，其旋转轴与水平面垂直，控制第一扫描电机和平面反射镜绕铅垂线旋转。本发明扫描角度大、成像速度快。

Description

一种太赫兹快速二维扫描系统和方法
技术领域
本发明涉及太赫兹波雷达成像技术，特别涉及一种太赫兹快速二维扫描系统和方法。
背景技术
太赫兹(THz)指的是频率在0.1THz～10THz(波长在3mm～30μm)之间的电磁波。THz频段带宽远高于微波波段，波长更短，具有更大的信号带宽，能够较好的克服微波波段成像分辨率低的缺点，同时太赫兹波段具有良好的穿透能力，能克服可见光、激光穿透性差等不足。
目前太赫兹波成像系统多为透射成像，具有扫描成像功能的系统较少，增加扫描功能的系统也只适用于近距且距离恒定，扫描角度较小的应用场合，如安全检查、样品分析等应用领域，适用于远距离、大范围的主动太赫兹探测成像系统较少。
太赫兹远距离、大范围实孔径成像系统采用的扫描方式有电扫描和机械扫描。电扫描系统通过电控天线波束来实现扫描，频扫天线因为电扫描不需要进行机械运动，所以扫描速度比较快、精度也比较高，但是也有很多原因制约着太赫兹电扫描成像的发展，如天线的设计难度大，结构复杂，幅射的效率较低，损耗大，目前国内外还没有电控天线工程化成功的相关报道。机械扫描通过机械移动或机械旋转抑或在角度上的摆动来改变天线波束的指向，机械扫描最大的优点是可以利用较少的接收通道实现扫描成像，实现也相对简单，但扫描时间较长，在系统设计上通过优化，可以提高扫描时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹快速二维扫描系统和方法，通过倾斜平面反射镜的二维有限转动代替往返扫描，使波束往返移动扫描。由于平面反射镜质量远比整机质量轻，由二维扫描装置驱动平面反射镜，转动灵活，减少了整机机械振动等不利因素，使成像速度加快；具有使用距离不受限，扫描角度大的特点，主要应用于太赫兹波远距离(成像距离不受限)、大范围实孔径扫描成像，可兼顾成像分辨率和成像速度。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种太赫兹快速二维扫描系统，其特点是，包含：
发射天线；
接收天线，其接收方向与发射天线的发射方向相平行；
平面反射镜，所述发射天线的发射天线波束经过平面反射镜反射至扫描区域，所述扫描区域形成的接收天线波束经过平面反射镜反射至接收天线，使得所述接收天线波束与发射天线波束同步运动；
第一扫描电机，其旋转轴连接平面反射镜，使得所述的平面反射镜绕水平面旋转；
第二扫描电机，其旋转轴与水平面垂直，控制第一扫描电机和平面反射镜绕铅垂线旋转。
所述的发射天线波束、接收天线波束、平面反射镜法线及第二扫描电机旋转轴轴线共面，且具有共同交点，所述的第一扫描电机的旋转轴轴线通过该共同交点。
一种太赫兹快速二维扫描方法，其特点是，该方法包含如下步骤：
S1，太赫兹主机的发射天线生成一发射天线波束；
S2，平面反射镜反射发射天线波束至扫描区域，所述扫描区域形成的接收天线波束经过平面反射镜反射至接收天线，使得所述接收天线波束与发射天线波束同步运动；
S3，调整第一扫描电机的旋转轴旋转角度，使得所述的平面反射镜绕水平面旋转；
S4，调整第二扫描电机的旋转轴旋转角度，使得所述的平面反射镜绕铅垂线旋转，完成太赫兹主机在扫描区域扫描。
所述接收天线的接收方向与发射天线的发射方向相平行。
所述的发射天线波束、接收天线波束、平面反射镜法线及第二扫描电机旋转轴轴线共面，且具有共同交点，所述的第一扫描电机的旋转轴轴线通过该共同交点。
所述的太赫兹主机扫描的同时进行数据采集。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过倾斜平面反射镜的二维有限转动代替往返扫描，使波束往返移动扫描。由于平面反射镜质量远比整机质量轻，由二维扫描装置驱动平面反射镜，转动灵活，减少了整机机械振动等不利因素，使成像速度加快；具有使用距离不受限，扫描角度大的特点，主要应用于太赫兹波远距离(成像距离不受限)、大范围实孔径扫描成像，可兼顾成像分辨率和成像速度。
附图说明
图1为本发明一种太赫兹快速二维扫描系统的结构示意图；
图2为俯仰向角速度和扫描波束关系示意图；
图3为方位向角速度和扫描波束关系示意图；
图4A为二维平面扫描方式示意图；
图4B为二维平面扫描方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，一种太赫兹快速二维扫描系统，包含：发射天线1；接收天线2，其接收方向与发射天线1的发射方向相平行，发射天线1和接收天线2分别连接在太赫兹主机3上；平面反射镜4，发射天线1的发射天线波束经过平面反射镜4反射至扫描区域5，所述扫描区域5形成的接收天线波束经过平面反射镜4反射至接收天线2，使得所述接收天线波束与发射天线波束同步运动；第一扫描电机6，其旋转轴连接平面反射镜4，使得所述的平面反射镜4绕水平面旋转；第二扫描电机7，其旋转轴与水平面垂直，控制第一扫描电机6和平面反射镜4绕铅垂线旋转。具体安装时，平面反射镜4锁定在U形框架内，第一扫描电机6安装在U形框架一端外侧端部，U形框架通过底部锁紧在第二扫描电机7上。第一扫描电机6控制平面反射镜4绕镜旋转轴(水平面)转动，第二扫描电机7控制U形架(含第一扫描电机、平面反射镜)绕电机旋转轴(垂直水平面)转动。
上述的发射天线波束、接收天线波束、平面反射镜法线及第二扫描电机旋转轴轴线共面，且具有共同交点，第一扫描电机的旋转轴轴线通过该共同交点。
由于角度关系，太赫兹快速扫描系统在扫描过程中旋转的角速度和扫描波束的速度并不是线性的，俯仰向波束角度关系如图2所示。天线波束和平面反射镜初始夹角为30°，在平面反射镜摆动α角度后，则扫描波束在距离为h的平面上移动了距离l，三角关系如式(1)所示。
图2中平面反射镜倾斜一定的角度α，则波束变化了2α，角速度与面镜倾斜的角度成正比，为了提高成像质量，要求波束尽可能匀速移动，移动速度设为v，和天线扫描角度之间关系如下式所示。
l＝h tan(2α) (1)
vt＝h tan(2α)＝h tan(2ωt) (2)
求导可得波束移动v与扫描角速度ω的关系式：
v＝2ωt/sin2(2ωt) (3)
方位向波束角度关系如图3所示。天线波束和平面反射镜初始夹角为90°，在平面反射镜摆动β角度后，则扫描波束在距离为h的平面上移动了距离lβ，三角关系如式(4)所示。
移动速度设为vβ，和天线扫描角度之间关系如下式所示。
lβ＝h tan(β) (4)
求导可得波束移动vβ与扫描角速度ω的关系式：
vβ＝ωt/sin2(ωt) (5)
一种太赫兹快速二维扫描方法，该方法包含如下步骤：
S1，扫描过程太赫兹主机4固定不动，太赫兹主机的发射天线1生成一发射天线波束；
S2，平面反射镜4反射发射天线波束至扫描区域5，所述扫描区域5形成的接收天线波束经过平面反射镜4反射至接收天线，使得所述接收天线波束与发射天线波束同步运动；
S3，调整第一扫描电机6的旋转轴旋转角度，使得所述的平面反射镜4绕水平面旋转；
S4，调整第二扫描电机7的旋转轴旋转角度，使得所述的平面反射镜4绕铅垂线旋转，完成太赫兹主机4在扫描区域扫描。
通常情况下可以分为两种扫描方式，如图4A、4B所示，其中实线部分为扫描的同时釆集数据，虚线表示只进行扫描而不进行数据采集。其中a为回程采集数据，这样扫描的话成像速度较快，速度约为方式b的两倍；但这样的扫描会在转向时产生齿距误差，不过这种误差是均匀的，可以用几何校正就可以进行弥补。b为回程扫描但不采集数据，这样会增加扫描采样的时间，但是它的优点是各行各列之间不会产生齿距误差。本实施例中采用方案a即太赫兹主机扫描的同时进行数据采集。
为保证上述扫描方式和能量有效利用，平面反射镜的有效面积设计为440mm×300mm。
为了实现±15°区域扫描，且保持扫描波束匀速，第一扫描电机1需要摆动的角度为±8.5°，第二扫描电机2需要摆动的角度为±21°。扫描过程成像过程中扫描电机2控制的β角只转动一次，折回时间损失很小，对速度要求不高。扫描电机1控制的α角需要完成多次扫描才能覆盖±15°区域。
按照图1的空间布局，实现±15°的区域二维扫描，电机转动角度和探测区域角度对应关系如表1所示。
表1电机转动角度和探测区域角度对应表
综上所述，本发明一种太赫兹快速二维扫描系统和方法，通过倾斜平面反射镜的二维有限转动代替往返扫描，使波束往返移动扫描。由于平面反射镜质量远比整机质量轻，由二维扫描装置驱动平面反射镜，转动灵活，减少了整机机械振动等不利因素，使成像速度加快；具有使用距离不受限，扫描角度大的特点，主要应用于太赫兹波远距离(成像距离不受限)、大范围实孔径扫描成像，可兼顾成像分辨率和成像速度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种太赫兹快速二维扫描系统，其特征在于，包含：
发射天线；
接收天线，其接收方向与发射天线的发射方向相平行；
平面反射镜，所述发射天线的发射天线波束经过平面反射镜反射至扫描区域，所述扫描区域形成的接收天线波束经过平面反射镜反射至接收天线，使得所述接收天线波束与发射天线波束同步运动；
第一扫描电机，其旋转轴连接平面反射镜，使得所述的平面反射镜绕水平面旋转；
第二扫描电机，其旋转轴与水平面垂直，控制第一扫描电机和平面反射镜绕铅垂线旋转。
2.如权利要求1所述的太赫兹快速二维扫描系统，其特征在于，所述的发射天线波束、接收天线波束、平面反射镜法线及第二扫描电机旋转轴轴线共面，且具有共同交点，所述的第一扫描电机的旋转轴轴线通过该共同交点。
3.一种太赫兹快速二维扫描方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：
S1，太赫兹主机的发射天线生成一发射天线波束；
S2，平面反射镜反射发射天线波束至扫描区域，所述扫描区域形成的接收天线波束经过平面反射镜反射至接收天线，使得所述接收天线波束与发射天线波束同步运动；
S3，调整第一扫描电机的旋转轴旋转角度，使得所述的平面反射镜绕水平面旋转；
S4，调整第二扫描电机的旋转轴旋转角度，使得所述的平面反射镜绕铅垂线旋转，完成太赫兹主机在扫描区域扫描。
4.如权利要求3所述的太赫兹快速二维扫描方法，其特征在于，所述接收天线的接收方向与发射天线的发射方向相平行。
5.如权利要求3所述的太赫兹快速二维扫描方法，其特征在于，所述的发射天线波束、接收天线波束、平面反射镜法线及第二扫描电机旋转轴轴线共面，且具有共同交点，所述的第一扫描电机的旋转轴轴线通过该共同交点。
6.如权利要求3所述的太赫兹快速二维扫描方法，其特征在于，所述的太赫兹主机扫描的同时进行数据采集。
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