CN110806590B - 太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，包括：主动成像发射线阵，发射第一太赫兹信号；第一反射镜，反射第一太赫兹信号；聚焦透镜，为双曲型平凸聚焦透镜，聚焦第一反射镜反射后的第一太赫兹信号；第二反射镜，将聚焦透镜聚焦后的第一太赫兹信号反射至待成像目标生成回波信号；主动成像接收线阵，接收回波信号并处理得到回波信号的幅度与相位信息；极化线栅，将待成像目标自身辐射出的、经第二反射镜反射进入聚焦透镜聚焦后再经第一反射镜反射后的第二太赫兹信号反射至被动成像辐射计阵列，同时透过回波信号；主动成像发射线阵与接收线阵之间设置有分束器和吸波板实现第一太赫兹信号的收、发隔离；实现太赫兹主、被动复合成像。

Description

太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统

技术领域

本公开涉及太赫兹成像技术领域，尤其涉及一种太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统。

背景技术

太赫兹科学技术备受世界各国重视，它具有重要的科学价值与应用价值。太赫兹波介于微波与红外光之间，属于远红外波段，具有宽频带、低能量性、指纹谱等特点，多应用于成像领域。太赫兹成像是太赫兹波段的重要应用之一，相较于微波成像，太赫兹波具有更短的波长，因而有更高的分辨率；相较于红外和光学成像，太赫兹波对纤维、皮革和塑料等非极性材料具有很好的穿透性；相较于X射线成像，太赫兹的光子能量只有X射线光子能量的百万分之一，不会对生物机体造成损耗。综合种种优势，太赫兹成像在安全监测、生物医学等领域有着重大的应用价值。

对于太赫兹成像技术，有多种分类方式。其中按是否使用太赫兹辐射源，可分为太赫兹主动成像模式和太赫兹被动成像模式。被动模式的太赫兹成像，是利用高灵敏度的太赫兹辐射计探测、接收被测场景中目标、背景的电磁辐射。不同物质有着不同的辐射特性，根据目标各景物之间以及景物各部分之间太赫兹辐射能力的差异，可识别出不同的物体，这就是太赫兹被动成像模式的基本工作原理。优点是成像结构简单，室内成像图像均匀性好，无安全辐射问题，不存在隐私侵犯，且目标的姿态角对成像效果的影响小。但由于目标自身的辐射强度弱，信噪比较低，所以成像结果对比度比较低，成像不够清晰，如图1(a)所示。且被动成像模式受环境的影响大。例如在室外空旷处的成像效果要远好于室内有其他辐射体的情况。主动模式的太赫兹成像系统，工作时太赫兹发射源辐射太赫兹波，经过辐射天线照射到目标上，目标反射、散射或投射的相干信号，经过光学系统的收集和汇聚进入探测器中，经图像处理系统处理后得到目标的太赫兹图像，从而分析得知成像目标的性质和特征。特点是相干检测信噪比高，成像效果不易受环境影响，而且具备三维成像能力，如图1(b)所示。但是主动成像模式也有局限性，由于如水等极性目标对太赫兹波的吸收性很强，也就导致无法对这些目标进行成像，此外主动式太赫兹成像存在多次反射伪影，这是由于太赫兹波在人体表面的多次反射信号被天线接收形成。

国内外针对太赫兹成像方面的研究，绝大多数都是单独的主动式成像或被动式成像，未能结合两种成像模式各自的特点。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，以缓解现有技术中的太赫兹成像系统大多数都是单独的主动式成像或被动式成像，不能有效结合两种成像模式各自的特点等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，包括：

主动成像发射线阵，用于发射第一太赫兹信号；

第一反射镜，用于反射所述第一太赫兹信号；

聚焦透镜，为双曲型平凸聚焦透镜，用于聚焦所述第一反射镜反射后的第一太赫兹信号；

第二反射镜，用于将聚焦透镜聚焦后的第一太赫兹信号反射至待成像目标生成回波信号；

主动成像接收线阵，用于接收回波信号并处理得到所述回波信号的幅度与相位信息；

极化线栅，用于将待成像目标自身辐射出的、经第二反射镜反射进入聚焦透镜聚焦后再经第一反射镜反射后的第二太赫兹信号反射至被动成像辐射计阵列，同时透过所述回波信号；

所述主动成像发射线阵与接收线阵之间设置有分束器和吸波板实现第一太赫兹信号的收、发隔离；从而实现对太赫兹主动成像模式和被动成像模式进行复合成像。

在本公开实施例中，所述待成像目标宽度为width，600≤width≤1000mm；高度为height，1500mm≤height≤2000mm；待成像目标距离第二反射镜中点距离为Z2，3000mm≤Z2≤5000mm。

在本公开实施例中，主动成像模式下，工作频率为F_a＝340GHz；目标分辨率为2≤ρ_a≤6mm；被动成像模式下，工作频率为F_p＝220GHz；目标分辨率为6≤ρ_p≤10mm。

在本公开实施例中，所述聚焦透镜曲面的口面直径为D，表达如下：

其中，T_E为系统中各器件截获高斯波束时的边缘功率，F_a为主动成像时工作频率ρ_a为主动成像时目标分辨率，F_p为被动成像时工作频率，ρ_p为被动成像时目标分表率，Z₂为待成像目标距离，C₀为自由空间中的光速。

在本公开实施例中，所述聚焦透镜曲面的焦距为f，表达如下：

在本公开实施例中，所述主动成像发射线阵，包括多个锥形喇叭阵元，每个锥形喇叭阵元的喇叭口面为矩形，其尺寸为a₁×b₁，则：

所述主动成像接收线阵与所述主动成像发射线阵中阵元尺寸设置相同。

在本公开实施例中，所述第一反射镜的宽为wide_ref1，表达式如下：

wide_ref1＝max(wide_a1，wide_p1)；

其中，wide_a1为主动模式下所需第一反射镜的宽度，wide_p1为被动模式下所需第一反射镜的宽度；wide_a1表达式如下：

其中，d₁为主动成像发射线阵与分束器之间的距离，d₃为极化线栅与分束器的距离，d₅为第一反射镜与极化线栅之间的距离，height为待成像目标的高度；w₀₁_a为主动成像发射线阵/主动成像接收线阵处的高斯波束束腰半径，表达如下：

w01_p为被动成像辐射计线阵天线口面处高斯波束的束腰半径，表达式如下：

其中，Z_{1_p}为高斯波束从聚焦透镜表面到辐射计前端线阵所传播的距离；

所述第一反射镜的长为length_ref1，其表达式如下：

length_ref1＝max(length_a1，length_p1)；

其中，length_a1为主动模式下所需第一反射镜的长度，length_p1为被动模式下所需第一反射镜的宽度。

在本公开实施例中，所述第二反射镜的宽为wide_ref2，表达式如下：

wide_ref2＝max(wide_a2，wide_p2)；

其中d₈为第二反射镜与待成像目标之间的距离，width为待成像目标宽度；

所述第二反射镜的长度为length_ref2，其表达式如下：

length_ref2＝max(length_a2，length_p2)；

在本公开实施例中，所述极化线栅的宽度为wide_d₄，表达式如下：

所述极化线栅的长度为length_d₄，表达式如下：

在本公开实施例中，所述分束器的宽度为wide_d₁，表达式如下；

所述分束器的长度度为length_d₁，表达式如下；

在本公开实施例中，所述被动成像的辐射计前端阵列，包括多个单元天线，单元天线的喇叭口面尺寸为；a₂×b₂，具体表达式如下：

在本公开实施例中，所述吸波板的宽度为wide_d₂，其表达式如下：

所述吸波板的长度为length_d₂，其表达式如下：

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)能够实现主、被动两种成像模式共用一套光路系统；

(2)实现主、被动成像的共焦和像素级配准，方便图像融合。

附图说明

图1为太赫兹成像效果示意图；其中，图1(a)为被动模式的太赫兹成像效果示意图；图1(b)为主动模式的太赫兹成像效果示意图。

图2为本公开实施例太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统的工作原理示意图。

图3为本公开实施例太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统中被动成像辐射计前端与主动成像的收、发阵列前端实现收发隔离和主被动隔离的原理示意图。

图4为本公开实施例太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统的组成结构示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，采用独特的准光学扫描结构，能够实现主、被动两种成像模式共用一套光路系统，实现主被动成像的共焦和像素级配准，方便图像融合；图像融合技术对于提高成像效果和目标识别能力有突出优势，太赫兹成像中，对太赫兹主、被动成像模式进行复合成像，能够进一步提高成像效果和目标识别能力。

太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，如图4所示，所述太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，包括：

主动成像发射线阵，用于发射第一太赫兹信号；

第一反射镜，用于反射所述第一太赫兹信号；

聚焦透镜，为双曲型平凸聚焦透镜，用于聚焦所述第一反射镜反射后的第一太赫兹信号；

第二反射镜，用于将聚焦透镜聚焦后的第一太赫兹信号反射至待成像目标生成回波信号；

主动成像接收线阵，其包括主动成像阵列接收机，用于处理得到所述回波信号的幅度与相位信息；

极化线栅，用于将待成像目标自身辐射出的、经第二反射镜反射进入聚焦透镜聚焦后再经第一反射镜反射后的第二太赫兹信号反射至被动成像辐射计阵列，同时透过所述回波信号；

所述主动成像发射线阵与接收线阵之间设置有分束器和吸波板实现第一太赫兹信号的收、发隔离；从而实现对太赫兹主、被动成像模式进行复合成像。

所述待成像目标距离第二反射镜中点距离(成像视场距离)为Z2，3000mm≤Z2≤5000mm；

在本公开实施例中，待成像目标中心点与第二反射镜中点距离为d₈＝3500mm，成像目标的中心点坐标为(500mm，0，3500mm)；

待成像目标的范围(也称视场范围，平行于XOY平面)为：

成像视场宽度(待成像目标宽度)为width，600≤width≤1000mm；

成像视场高度(待成像目标高度)为height，1500mm≤height≤2000mm；width×height＝800mm×1800mm。

主动成像模式下，工作频率为F_a＝340GHz；目标分辨率为2≤ρ_a≤6mm；

被动成像模式下，工作频率为F_p＝220GHz；目标分辨率为6≤ρ_p≤10mm；

准光结构中各器件截获高斯波束时的边缘功率：T_E＝-15dB；

在本公开实施例中，将太赫兹波信号描述为高斯波束形式进行表达。

在本公开实施例中，所述聚焦透镜曲面的口面直径为D，表达如下：

其中，T_E为系统中各器件截获高斯波束时的边缘功率，F_a为主动成像时工作频率ρ_a为主动成像时目标分辨率，F_p为被动成像时工作频率，ρ_p为被动成像时目标分表率，Z₂为待成像目标距离，C₀为自由空间中的光速。

所述聚焦透镜曲面的焦距为f，表达如下：

在本公开实施例中，在准光扫描结构所在的直角坐标系中，聚焦透镜中心点坐标为(0，0，0)。聚焦透镜所用材料的相对介电常数为ε_r＝2.25，也即折射率为n＝1.5。透镜的口面直径为D＝612.394mm，焦距为f＝747.11mm，透镜的厚度为t＝106.51mm，聚焦透镜曲面的曲线方程为：

其中y∈[-D/2，D/2]。

所述主动成像发射线阵，包括多个锥形喇叭阵元，每个锥形喇叭阵元的喇叭口面为矩形，其尺寸为a₁×b₁，则：

在本公开具体实施例中，主动成像发射线阵，采用4元线阵，线阵中点与分束器中点之间的距离为d₁＝100mm，线阵中点坐标为(-524.47mm，500.63mm，0)。阵元选用锥形喇叭天线，口面尺寸为a₁×b₁＝3.4579mm×2.5148mm。

在本公开实施例中，所述主动成像接收线阵与所述主动成像发射线阵中阵元尺寸设置相同。采用4元线阵，线阵中点与分束器中点之间的距离也为d₁＝100mm，线阵中点坐标为(-624.47mm，400.63mm，0)。阵元选用锥形喇叭天线，口面尺寸为a₁×b₁＝3.4579mm×2.5148mm。

在本公开实施例中，所述第一反射镜的宽为wide_ref1，表达式如下：

wide_ref1＝max(wide_a1，wide_p1)；

其中，wide_a1为主动模式下所需第一反射镜的宽度，wide_p1为被动模式下所需第一反射镜的宽度；wide_a1表达式如下：

其中，d₁为主动成像发射线阵与分束器之间的距离，d₃为极化线栅与分束器的距离，d₅为第一反射镜与极化线栅之间的距离，height为待成像目标的高度；w₀₁_a为主动成像发射线阵/主动成像接收线阵处的高斯波束束腰半径，表达如下：

w01_p为被动成像辐射计线阵天线口面处高斯波束的束腰半径，表达式如下：

其中，Z_{1_p}为高斯波束从聚焦透镜表面到辐射计前端线阵所传播的距离；

所述第一反射镜的长为length_ref1，其表达式如下：

length_ref1＝max(length_a1，length_p1)；

其中，length_a1为主动模式下所需第一反射镜的长度，length_p1为被动模式下所需第一反射镜的宽度；

在本公开实施例中，第一反射镜，中心点与聚焦透镜中心点距离为d₆＝524.47mm，第一反射镜的中心点坐标为(-524.47mm，0，0)，则第一反射镜的尺寸为wide_ref1×length_ref1＝534.28mm×333.76mm。

所述第二反射镜的宽为wide_ref2，表达式如下：

wide_ref2＝max(wide_a2，wide_p2)；

其中d₈为第二反射镜与待成像目标之间的距离，width为待成像目标宽度；

所述第二反射镜的长度为length_ref2，其表达式如下：

length_ref2＝max(length_a2，length_p2)；

在本公开实施例中，第二反射镜，中心点与聚焦透镜中心点距离为d₇＝500mm，第二反射镜的中心点坐标为(500mm，0，0)，第二反射镜的尺寸为wide_ref2×length_ref2＝798.62mm×535.88mm。

所述极化线栅的宽度为wide_d₄，表达式如下：

所述极化线栅的长度为length_d₄，表达式如下：

在本公开实施例中，极化线栅中心点与第一反射镜中心点距离为d₅＝300mm。极化线栅的中心点坐标为(-524.47mm，300mm，0)，极化线栅的尺寸为wide_d₄×length_d₄＝146.20mm×103.38mm。此外，线栅由圆导线做成，导线的半径为r₀＝0.0545mm，相邻线距为g₀＝0.27mm。

所述分束器的宽度为wide_d₁，表达式如下；

所述分束器的长度度为length_d₁，表达式如下；

在本公开实施例中，分束器中心点与极化线栅中心点距离为d₃＝100.63mm。分束器的中心点坐标为(-524.47mm，400.63mm，0)，分束器的尺寸为wide_d₁×length_d₁＝94.37mm×66.73mm。

所述被动成像的辐射计前端阵列，包括多个单元天线，单元天线的喇叭口面尺寸为；a₂×b₂，具体表达式如下：

辐射计线阵天线口面处，高斯波束的束腰半径为w₀₁_p：

被动成像辐射计前端阵列采用4元线阵，线阵中点与极化线栅中点之间的距离为d₄＝200mm，线阵中点坐标为(-724.47mm，300mm，0)。阵元选用锥形喇叭天线，口面尺寸为a₂×b₂＝6.9030mm×5.0204mm。

所述吸波板的宽度为wide_d₂，其表达式如下：

所述吸波板的长度为length_d₂，其表达式如下：

在本公开实施例中，吸波板中心点与分束器中点距离为d₂＝100mm，吸波板中点坐标为(-424.47mm，400.63mm，0)。吸波板的尺寸为：wide_d₂×length_d₂＝133.36mm×133.36mm。

在本公开实施例中，所述太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统中各准光器件的尺寸基于高斯波束法进行设置，以成像系统所要求的目标分辨率以及视域范围为设计起点，以各准光器件对波束的截断功率为约束条件，同时考虑各准光器件之间的光路遮挡问题，以下将太赫兹波信号描述为高斯波束形式，来描述太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统中的各准光器件的尺寸参数和位置参数及工作原理。

(1)根据成像系统的所要求的主动成像模式分辨率ρ_a、被动成像模式分辨率ρ_p，计算出主、被动两种工作模式在成像目标处所需的高斯波束的束腰半径w₀₂_a、w₀₂_p：

(2)根据成像目标处的束腰半径w₀₂_a、w₀₂_p以及目标距离(高斯波束出射距离)Z₂算出聚焦透镜出射表面处的波束半径w_a、w_p，并选择合适的截断功率T_E，此计算出主动模式和被动模式下聚焦透镜的直径D_a、D_p：

选择两种模式下所需聚焦透镜尺寸的最大值：

D＝max(D_a，D_p)；

多数情况下D_a＞D_p，所以以主动模式的尺寸参数为基准，先确定主动模式下收、发线阵(即指主动成像接收线阵和发射线阵)与透镜之间的距离(收、发线阵与透镜之间的距离相等)，也即高斯波束的入射距离Z₁_a＝1.3D，值得注意的是Z₁_a的值需要考虑Mylar分束器、极化线栅、第一反射镜的大小和位置摆放。

(3)主动模式下，已知聚焦透镜表面处的波束半径w_a、入射距离Z₁_a及工作波长lam_a，可求出收、发线阵处的高斯波束束腰半径w₀₁_a：

收、发线阵均选用锥形喇叭作阵元，初始口面尺寸为a₁×b₁：

a₁＝w₀₁_a/0.32；

b₁＝w₀₁_a/0.44；

要得到更优的喇叭口面尺寸，需要在初始尺寸的基础上做进一步的优化选择。

根据入射波束束腰半径w₀₁_a、入射距离Z₁_a、出射波束束腰半径w₀₂_a、出射距离Z₂，求出高斯波束经透镜变换前后在透镜表面处的曲率半径R₁、R₂，得到聚焦透镜的焦距f：

(4)由于被动模式与主动模式共用聚焦透镜，所以需要根据被动成像时的工作波长lam_p、出射距离Z₂、出射束腰w₀₂_p、透镜焦距f，确定被动模式的入射波束曲率半径R₁_p。

而后由曲率半径R₁_p、透镜表面处的波束半径w_p，联立解出波束的束腰半径w₀₁_p、入射距离Z₁_p：

太赫兹被动成像辐射计线阵阵元同样选用锥形喇叭天线，初始口面尺寸为：a₂×b₂：

(5)前4步确定了聚焦透镜的尺寸，成像目标的距离，收发线阵、被动辐射计线阵的喇叭口面尺寸。而后要根据高斯波束的传播规律，确定波束传播路径上Mylar分束器、线栅、第一反射镜、第二反射镜、吸波板的位置及尺寸，同时要考虑器件彼此之间的遮挡问题。

(6)Mylar分束器位置、尺寸。Mylar分束器实现主动模式下的收发隔离，Mylar分束器中心点与入射波束束腰位置之间距离为d₁，与波束传播方向(-y)呈45°夹角，如图4所示。Mylar分束器尺寸为wide_d₁×length_d₁：

(7)吸波板位置、尺寸。吸波板放置位置如图4所示，与Mylar分束器中心距离为d₂，垂直于入射波束方向放置。吸波板尺寸为wide_d₂×length_d₂：

(8)线栅位置、尺寸。线栅摆放位置如图4所示，中心位置与Mylar分束器之间距离为d₃，与太赫兹被动辐射计之间距离为d₄，由于极化线栅主要是对被动模式起作用，所以利用波束传播距离d₄来计算线栅尺寸。极化线栅尺寸为wide_d₄×length_d₄：

(9)俯仰扫描第一反射镜位置、尺寸。第一反射镜的作用是实现波束对视场范围的俯仰向扫描，波束扫描角度与目标距离、视场范围有关：θ₀＝±tan^-1(height/(2Z₂))，波束偏转±θ₀，反射镜只需偏转±θ₀/2。

第一反射镜与极化线栅、分束器、发射线阵共轴线(y轴)放置，并与轴线夹角为45°，与极化线栅之间距离为d₅，与聚焦透镜的入射表面距离为d₆，摆动过程中与波束入射轴线(-y向)最小夹角为θ_min＝45°-θ₀/2。

第一反射镜尺寸为wide_ref1×length_ref1。

主动模式情况：

被动模式情况：

取主、被动模式间最大值：

(10)方位扫描第二反射镜位置、尺寸。第二反射镜的作用是实现波束对视场范围的方位向扫描，波束扫描角度与目标距离、视场范围有关：α₀＝±tan^-1(width/(2Z₂))。波束偏转±α₀，反射镜只需偏转±α₀/2。

第二反射镜与第一反射镜、聚焦透镜共轴线(x轴)放置，并与轴线(+x)夹角为45°，与聚焦透镜的出射表面距离为d₇，与成像目标之间距离为d₈，摆动过程中与波束入射轴线(+x向)最小夹角为α_min＝45-α₀/2。

第二反射镜尺寸为：wide_ref2×length_ref2。

主动模式情况：

被动模式情况：

取主、被动模式间最大值：

所述太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统其采用收发线阵、准光学聚焦和光机扫描相结合的成像体制，由太赫兹收发线阵、太赫兹辐射计、聚焦透镜、俯仰扫描反射镜1(第一反射镜)、方位向扫描镜2(第二反射镜)等准光器件构成。

在本公开实施例中，如图2所示，所述太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统的工作原理如下：

以主动成像为例，电子学箱里的电子学子系统由驱动源模块、中频处理模块、数据采集与信号处理模块、伺服控制模块和综合控制模块组成。驱动源模块产生的双路线性调频驱动信号分别用于驱动太赫兹主动成像收发线阵的发射倍频链路和接收本振倍频链路；驱动源模块还产生微波锁相点频信号用于驱动太赫兹被动成像辐射计通道的本振倍频链路。主被动成像接收机前端的中频输出信号被输送到电子学箱的中频处理模块进行中频处理并产生基带信号，用于后续的信号处理与图像重建。另一方面，伺服控制模块产生相应的控制信号，输送到准光学箱，用于扫面反射镜1(第一反射镜)和扫面反射镜2(第二反射镜)的伺服电机，完成二维视场的快速扫描。发射线阵发射的第一太赫兹信号经过第一反射镜反射后，入射到聚焦透镜，经过聚焦透镜聚焦后的波束被第二反射镜反射后，沿着z方向从准光学箱的出射口径出射，到达待成像目标后，反射信号沿原路径逆向返回到共焦的接收线阵，通过主动成像阵列接收机的处理得到目标回波信号的幅度与相位信息。通过第一反射镜绕z轴快速摆动(快摆)即可以获得成像平面上条带范围内的视场信息。条带的宽度与发射线阵的阵元的个数相对应，阵元个数越多，条带越宽。再通过第二反射镜绕y轴以特定速度同步摆动(所述第二反射镜配合安装有电极2)，这样即可形成多个暗色条带并沿x方向无缝拼接，从而实现x-y方向二维视场的快速扫描。对于z方向，通过发射太赫兹宽带调频连续波信号并进行脉冲压缩实现距离向高分辨，从而完成目标三维成像。

对于被动成像，目标自身辐射出的第二太赫兹信号经第二反射镜、聚焦透镜、第一反射镜、极化线栅，而后进入被动成像辐射计阵列。被动成像与主动成像共用准光学聚焦透镜、扫描第一反射镜和第二反射镜，从而实现主被动成像的共焦和像素级配准。

所述太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统中主动成像与被动成像的隔离：

太赫兹收发线阵包含了主动成像的收、发线阵，以及被动成像辐射计前端阵列。不同线阵之间通过准光学隔离技术实现准光学共焦和波束扫描装置的共用。

所述被动成像辐射计前端与主动成像的收、发阵列前端采用新型的准光隔离网络同时实现收发隔离和主被动隔离。

具体的实现方式如图3所示：主动收发馈源阵列之间利用Mylar分束器和吸波板实现收发隔离；主、被动馈源阵列之间采用极化分离器(极化线栅)实现极化隔离，其中被动馈源沿z向极化，主动发射馈源沿x向极化。极化线栅沿z方向拉丝，对于z向极化的回波，将被极化线栅反射到被动辐射计阵列，对于x方向极化的回波，则从线栅透过后再被反射到主动成像的接收机阵列。

此外，成像系统中主被动成像采用不同的工作频段(active-340GHz，passive-220GHz)，这样即使目标散射引起极化旋转，也不会对被动接收机产生影响。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，采用独特的准光学扫描结构，能够实现主、被动两种成像模式共用一套光路系统，实现主被动成像的共焦和像素级配准，完成复合成像，进一步提高成像效果和目标识别能力。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，包括：

主动成像发射线阵，用于发射第一太赫兹信号；

第一反射镜，用于反射所述第一太赫兹信号；

聚焦透镜，为双曲型平凸聚焦透镜，用于聚焦所述第一反射镜反射后的第一太赫兹信号；

第二反射镜，用于将聚焦透镜聚焦后的第一太赫兹信号反射至待成像目标生成回波信号；

主动成像接收线阵，用于接收回波信号并处理得到所述回波信号的幅度与相位信息；

极化线栅，用于将待成像目标自身辐射出的、经第二反射镜反射进入聚焦透镜聚焦后再经第一反射镜反射后的第二太赫兹信号反射至被动成像辐射计阵列，同时透过所述回波信号；

所述主动成像发射线阵与接收线阵之间设置有分束器和吸波板实现第一太赫兹信号的收、发隔离；从而实现对太赫兹主动成像模式和被动成像模式进行复合成像；

所述第一反射镜的宽为wide_ref1，表达式如下：

wide_ref1＝max(wide_a1，wide_p1)；

其中，wide_a1为主动模式下所需第一反射镜的宽度，wide_p1为被动模式下所需第一反射镜的宽度；wide_a1表达式如下：

其中，w₀₁_a为主动成像发射线阵/主动成像接收线阵处的高斯波束束腰半径，表达如下：

w₀₁_p为被动成像辐射计线阵天线口面处高斯波束的束腰半径，表达式如下：

其中，Z_{1_p}为高斯波束从聚焦透镜表面到辐射计前端线阵所传播的距离；

所述第一反射镜的长为length_ref1，其表达式如下：

length_ref1＝max(length_a1，length_p1)；

其中，length_a1为主动模式下所需第一反射镜的长度，length_p1为被动模式下所需第一反射镜的长度；

所述第二反射镜的宽为wide_ref2，表达式如下：

wide_ref2＝max(wide_a2，wide_p2)；

其中d₈为第二反射镜与待成像目标之间的距离，width为待成像目标宽度；wide_a2为主动模式下所需第二反射镜的宽度，wide_p2为被动模式下所需第二反射镜的宽度；

所述第二反射镜的长度为length_ref2，其表达式如下：

length_ref2＝max(length_a2，length_p2)；

length_a2为主动模式下所需第二反射镜的长度，length_p2为被动模式下所需第二反射镜的长度；

其中，T_E为系统中各器件截获高斯波束时的边缘功率，F_a为主动成像时工作频率ρ_a为主动成像时目标分辨率，F_p为被动成像时工作频率，ρ_p为被动成像时目标分辨率，Z₂为待成像目标距离第二反射镜中点距离，C₀为自由空间中的光速，d₁为主动成像发射线阵与分束器之间的距离，d₃为极化线栅与分束器的距离，d₄为被动成像辐射计前端阵列线阵中点与极化线栅中点之间的距离，d₅为第一反射镜与极化线栅之间的距离，height为待成像目标的高度。

2.根据权利要求1所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，其中，600≤width≤1000mm；1500mm≤height≤2000mm；3000mm≤Z2≤5000mm。

3.根据权利要求1所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，主动成像模式下，工作频率为F_a＝340GHz；目标分辨率为2≤ρ_a≤6mm；被动成像模式下，工作频率为F_p＝220GHz；目标分辨率为6≤ρ_p≤10mm。

4.根据权利要求1所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，所述聚焦透镜曲面的口面直径为D，表达如下：

。

5.根据权利要求4所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，所述聚焦透镜曲面的焦距为f，表达如下：

6.根据权利要求1所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，所述主动成像发射线阵，包括多个锥形喇叭阵元，每个锥形喇叭阵元的喇叭口面为矩形，其尺寸为a₁×b₁，则：

所述主动成像接收线阵与所述主动成像发射线阵中阵元尺寸设置相同。

7.根据权利要求1所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，

所述极化线栅的宽度为wide_d₄，表达式如下：

所述极化线栅的长度为length_d₄，表达式如下：

8.根据权利要求1所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，所述分束器的宽度为wide_d₁，表达式如下；

所述分束器的长度为length_d₁，表达式如下；

9.根据权利要求1所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，所述被动成像的辐射计前端阵列，包括多个单元天线，单元天线的喇叭口面尺寸为；a₂×b₂，具体表达式如下：

10.根据权利要求1所述的太赫兹主、被动复合成像准光学扫描系统，所述吸波板的宽度为wide_d₂，其表达式如下：

所述吸波板的长度为length_d₂，其表达式如下：

d₂为吸波板中心点与分束器中点距离。

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