專利名稱：結合機械旋轉鏡用于創建2d圖像的輻射電線傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及二維(2D)輻射成像領域。本發明特別涉及傳感器單元。
背景技術：
輻射成像使用電磁輻射來獲得任何種類物體的圖像。電磁成像被用于大量應用 中，包括軍事的、監測/安全的、幾何學的、地質的、以及工業的應用。通過使用不同的頻率 /波長，可以獲得不同的圖像以及可以獲得被成像物體的不同特性。在1000毫米到1毫米 范圍的波長通常被稱為微波。其他的定義將300毫米引用為微波頻譜的上限而將10毫米 引用為下限。在100毫米到10毫米范圍中的電磁輻射通常被稱為厘米波而在10毫米到1 毫米范圍中的輻射通常被稱為毫米波。亞毫米波通常被視為在1毫米到0. 1毫米范圍內， 但也可以包含從遠紅外線起的更小波長。亞毫米波也被稱為兆兆赫茲(Terahertz)輻射。 波長越小，則可達到的分辨率越高。微波、毫米波以及亞毫米波穿透例如衣服并且可以用來 檢測人所攜載的在衣服下面的物體。 在光學領域中，具有二維視場允許獲得物體圖像的照相機廣為人知并且可以低價 買到。在電磁波頻譜的其他頻率區域處，可操作的用來獲取二維圖像的傳感器可能無法在 商業上獲得或者可能非常昂貴。 有源和無源傳感器是已知的。有源傳感器(例如雷達傳感器)發射電磁輻射并且 檢測反射的輻射(響應輻射)，而無源傳感器不發射電磁輻射并且檢測由被感測物體發射 的輻射。舉例來說，根據普朗克定律(Planck' s Law)，無源傳感器可以檢測物體由于其溫 度而發射的黑體輻射。 結合旋轉鏡使用單像素傳感器用于創建線掃描器/傳感器是已知的。 通過將這種系統裝配在類似飛機、直升機或者衛星的活動物體上，可以創建2D圖
像。因而，2D圖像創建于鏡的旋轉以及傳感器自身的活動。 用于創建2D圖像的另一已知技術為使用例如相控陣列天線進行全電子掃描。這 些種類的天線創建于布置在二個維度上的大數量的單傳感器(single sensor)。該陣列在 兩個維度上都可以擴展數十厘米或者甚至幾米。單傳感器的數量與相控陣列的分辨率直接 有關。為了得到天線波束的特定方向，使用彼此具有特定相位關系的各個信號來操作單傳 感器。每個方向對應于特定的相位組合。相控陣列天線提供高靈活度，但是大數量的單傳 感器以及用于提供相位關系的電子電路使這種設計非常復雜和昂貴。
發明內容
本發明的一個目的是提供便宜的在微波、毫米波和/或兆兆赫茲頻率范圍的用于 獲取二維圖像的傳感器單元。通過提供根據本發明的傳感器單元解決了這個問題。
根據本發明的傳感器單元包含被裝配成圍繞旋轉軸可旋轉的反射元件以及在微 波、毫米波和/或兆兆赫茲頻率范圍工作并且使其視場指向該反射元件的線傳感器，籍此 該旋轉軸與該反射元件的反射平面相交。
因而，可以通過使用相對小而便宜的ID線傳感器(line sensor)來獲得2D圖像。
相比于現有技術，傳感器單元的尺寸、成本以及復雜度小。 優選地，旋轉軸與線傳感器的視場平面平行。 優選地，線傳感器裝配在旋轉軸上。 優選地，線傳感器適用于電掃描其視場。 優選地，線傳感器為頻率掃描線傳感器。 優選地，傳感器單元還包含圖象處理器，用于補償由反射元件旋轉引起的反射的 視場平面(the reflected field of view plane)的傾斜。 優選地，傳感器單元還包含一個或者更多另外的在微波、毫米波和/或兆兆赫茲 頻率范圍工作并且使各自的一個或者更多視場指向反射元件的線傳感器，籍此每個線傳感 器的視場平面與每個其他線傳感器的視場平面相交。因此，當線傳感器的數量為n時，優選 地以相等的角度距離o =180° /n提供n個線傳感器的n個視場平面。可選地，以角度距 離o《180° /n提供n個線傳感器的n個視場平面。
圖1顯示了根據本發明的傳感器單元的第一實施例。
圖2顯示了鏡傾斜角的定義。
圖3示出了根據第一實施例的線傳感器的視場。
圖4顯示了傳感器單元的電子部件的示意性表示。
圖5示出了傳感器單元的工作。 圖6顯示了根據本發明的進一步的實施例的線傳感器的示意性布置。
具體實施例方式
圖1顯示了根據本發明的傳感器單元的第一實施例。傳感器單元1包含固定裝配 的線傳感器l以及旋轉反射元件2，其在下文中被稱作"鏡"。如所畫出的那樣，鏡2為長方 形，但是圓形或者橢圓形或者其他形狀的鏡2是可能的。鏡可以具有平面(如所畫出的那 樣)或者可以具有彎曲的反射表面。當鏡為平時，鏡2的反射表面為(定義了 )鏡2的反射 平面。當鏡不平而為彎曲時，鏡2的主平面為(定義了)鏡2的反射平面。線傳感器2在微 波、毫米波和/或兆兆赫茲頻率范圍工作并且被布置用于觀察(view)鏡2中的反射。對于 線傳感器1的工作波長范圍，鏡2是反射的。最終，鏡可以是金屬、超材料(meta material) 或者鏡子(狹義的)或者由金屬、超材料或者鏡子(狹義的)制成。提供包含固定裝配部 分3a以及可活動部分3b的電動機3。固定裝配電動機部分3a以及可活動(可旋轉)電動 機部分3b為環形，但是其他配置是可能的。使用兩個支撐元件5將鏡2固定到可活動部分 3b上。支撐元件5為圓柱形，其一端連接到可活動部分3b而另一端連接到鏡2。支撐元件 5被布置在環形的可活動電動機部分3b的直徑位置。由于鏡2為可旋轉的而線傳感器1為 固定的，所以鏡2相對于線傳感器1為可旋轉的。 另外被顯示的是帶有坐標軸x， y， z的以右手法則確定的(righthanded)笛卡爾坐 標系統。僅僅為了便于解釋，x和y軸對應于水平方向而z軸對應于垂直方向。可活動電 動機部分4以及鏡2圍繞與z軸重合的旋轉軸6可旋轉。旋轉軸6與鏡2相交(與鏡2的
4反射平面相交)。鏡2(反射平面)可能以在0。(不包括0。)和90° (不包括9(T )之 間的任何角度S (對角度S的定義見圖2)與旋轉軸6相交。然而，當角度非常小時，鏡2 必須非常大而當角度非常大時，電動機部分3a、3b和/或線傳感器1可能擋住傳感器的視 場。旋轉軸6穿過環形可活動發送機部分3b的中心以及環形固定電動機部分3a的中心。
圖3示出了傳感器1的視場。雖然線傳感器的視場常常被稱為是一維的，但是"視 場"的概念也可以被用來指示在其中來自被感測物體的或者來自無窮遠處的輻射傳播到線 傳感器1的二維區域(area)。這個二維區域(視場)定義并且位于被稱為視場平面的平面 內。在實施例中，視場位于垂直的y-z平面內。y-z平面是線傳感器l的視場平面。然而， 一般來說視場平面有可能偏離垂直面。視場基本上是圓錐形的并且具有開度角(opening angle) Y。視場由多個天線發射和/或接收圖案(pattern)(天線波束)組成。優選地，天 線波束寬度非常小(非常窄的天線波束)以獲得高分辨率。每個天線波束具有不同的方向 7。為了表示簡單，圖3僅顯示了5個天線波束方向7。典型地，將提供數十、數百或者甚至 數千天線波束方向7。每個天線波束方向7對應于一個像素。同樣地，可能不斷地改變天 線波束方向。旋轉軸6位于視場的中心。換句話說，旋轉軸6將視場分成兩個相等的部分。 或者更一般地說，視場關于垂直的x-z平面鏡像對稱。然而一般而言，有可能視場不以旋轉 軸6或者x-z平面為中心。在這種實施例中，傳感器1以及所有天線波束方向7的原點被 置于旋轉軸上。 線傳感器1可能例如是掃描線傳感器，其中每次感測一個天線波束方向7。由于電 掃描較快而且不那么容易出錯，所以掃描優選地是電的而非機械的。舉例來說，傳感器l可 以是已知的頻率掃描線傳感器(頻率掃描天線)。可選地，可以同時感測所有天線波束方向 7。這提供了更快的掃描但是要求更復雜和更昂貴的傳感器1。 優選地，傳感器單元包含用于控制線傳感器1和電動機3的工作的處理和控制單 元8，如在圖4中示意性地畫出的那樣。 根據圖5進一步解釋傳感器單元的工作。使用傳感器單元，可以獲得傳感器單元 周圍的區域的360。全景圖像。被掃描的區域對應于(閉合的)帶(fibbon)。鏡傾斜角S 越大(鏡2越水平)，則成像區域將相對于傳感器單元被定位地越低。在完全如上文所描述 的那樣布置視場的情況下，帶基本上被水平布置。當_違背所述布置_視場平面為非垂直 時，帶將偏離水平面。相似地，當_違背上文所描述的布置_視場并非關于x-z平面或者關 于與x-z平面平行的平面鏡像對稱時，帶將偏離水平面。最后，當視場關于與x-z平面平行 的平面鏡像對稱但是_違背上文所描述的布置_并非關于x-z平面鏡面對稱時，帶將偏離 水平面。然而在最后一種情況中，當成像區域遠和/或鏡傾斜角S大時，與水平布置的偏 離很小(可忽略)。 圖5顯示了三個圖像獲取方向(對應于鏡旋轉角a )10。第一圖像獲取方向10_1 對應于0°的鏡旋轉角并且沿著y軸(更廣泛地說在y-z平面內)。當在第一圖像獲取方向 10-1中時，第一線11-1被掃描到。第二圖像獲取方向10-2對應于大于0°并且小于90° 的鏡旋轉角aj例如45。)。當在第二圖像獲取方向10-2中時，第二線11-2被掃描到。 第三圖像獲取方向10-3對應于鏡旋轉角a 2 = 90°并且沿著x軸(更廣泛地說在x-z平 面內)。當在第三圖像獲取方向中時，線ll-3被掃描到。當旋轉鏡2時，在圖像獲取方向 IO和被掃描到的線ll之間的角度改變相同的量。在所使用的慣例中，在圖片獲取方向10
5和被掃描到的線ll之間的角度與鏡旋轉角a相同。 在0°處，掃描線ll-l垂直于其延伸部分移動并且掃描帶具有最大寬度。當鏡旋 轉角a增加時，掃描線ll-2歪斜于其延伸部分移動并且掃描帶的寬度減小。在90。處，掃 描線11-3沿著其延伸部分移動并且掃描帶的寬度減小(退化)到0。相似地，在180。處 掃描帶具有全寬度而在270。處寬度減小到O。可以說掃描帶在90。和270°處有死點。
因而，可以通過使用小而便宜的1D線傳感器來獲得2D圖像。與現有技術相比，傳 感器單元的尺寸、成本以及復雜度小。 處理和控制單元8可以適用于通過使用圖像處理技術(硬件和/或軟件)來補償 在圖像獲取方向10和被掃描到的線11之間的角度的變化以獲得沒有失真的圖像。當然，其 不能補償帶寬度的減小，即在有或者沒有補償的情況下被掃描到的區域(area)是相同的。 為了補償帶寬度的減小(并且有效地提供穩定的或者更加穩定的帶寬度)，根據鏡旋轉角 a可以以不同的視場開度角Y來操作線傳感器l(the line sensor lmight be operated with different field of width opening angles ydepending on the mirror rotation angle a)。然而，無法在死點處以及在死點附近通過增加開度角進行補償。
通過鏡旋轉角a的變化A a給出圖像的寬度。假設上述使用單個線傳感器1的 解決方案被用于遠小于180°的圖像寬度，例如120。 、90° 、60° 、30°或者甚至更小。優 選地，這樣的圖像以a =0°或者a = 180°為中心。在360°圖像的情況中，提供最少鏡 面積(area)的鏡2的形狀為橢圓形。當獲取具有較小寬度A a的圖像時，可以例如通過 采用蝴蝶結形狀來進一步減少圖像面積(area)。對于非常小的圖像寬度A a ，可以采用基 本上矩形的細長鏡(線鏡)。 對于較大的圖像寬度A a ，本發明建議使用兩個或者更多線傳感器，其互相以一 角度放置。這提供了帶寬度較小的減少并且消除了死點。在圖6中畫出了傳感器可能的布 置以及它們的視場。示出了與上文所描述的線傳感器1相同的三個線傳感器21、22、23。每 個線傳感器都具有圓錐形的視場。假設所有傳感器21、22、23的視場平面都是垂直的(與 z軸平行或者包括z軸)并且每個視場關于垂直平面鏡像對稱。然而一般，并不需要這樣。 每個線傳感器都用線指示。線的方位指示視場的方位。視場的中心(所有天線波束方向7 的原點)用點指示。傳感器中每一個的視場都定位為使其接收鏡2反射的電磁輻射。
在第一布置a)中，完全如在只具有一個線傳感器1的實施例中的線傳感器1那 樣，將傳感器21沿y軸布置。第一傳感器21的視場的中心位于旋轉軸6(即z軸)上。將 第二線傳感器22沿x軸布置。因而，以角度o =90°布置傳感器21、22并且它們的視場 平面以角度o =90°相交。當鏡2相對于傳感器21在死點位置(90°或者27(T )時，該 鏡相對于傳感器22在最優位置(最大帶寬度)。因而，死點的問題被克服。
在第二布置b)中，將傳感器21沿y軸布置并且將傳感器22沿x軸布置。因而， 以角度o =90°布置傳感器21、22并且它們的視場平面以角度o =90°相交。第一傳 感器21的視場的中心和第二傳感器22的視場的中心都位于旋轉軸6上。當鏡2相對于傳 感器21在死點位置(90°或者27(T )時，由于視場平面的相交，鏡2相對于傳感器22不 在死點位置。因而，克服了死點的問題。 在第三布置c)中，以角度o <90°布置傳感器21、22并且它們的視場平面以角 度o <90°相交。沒有視場中心位于旋轉軸6上。
在第四布置d)中，以角度o <90°布置傳感器21、22并且它們的視場平面以角 度o <90°相交。兩個視場中心都位于旋轉軸6上。 在第五布置e)中，以角度o =60°布置傳感器21、22、23并且它們的視場平面以 角度o =60°相交。沒有視場中心位于旋轉軸6上。 在第六布置f)中，以角度o =60°布置傳感器21、22、23并且它們的視場平面以 角度o =60°相交。每個視場中心都位于旋轉軸6上。 在第七布置g)中，以角度o <60°布置傳感器21、22、23并且它們的視場平面以 角度o < 60°相交。 在布置b) 、 d)和f)中每個視場的中心都位于旋轉軸6上，其具有優勢，即不同的 帶基本上布置在水平面中。當這種布置不可能時(例如由于使用不能交叉(crossed)的一 般的(generic)線傳感器21、22、23)，以使最小化帶對水平面的偏離將傳感器21、22、23和 /或它們的視場中心(所有天線波束方向7的原點)定位為盡可能地接近旋轉軸6是有利 的。從這個方面看，配置a)、c)、e)和g)中的一些可能不是最優的。 在布置c) 、 d) 、 g)中以角度距離o《180° /n提供所述n個線傳感器的n個視 場，其具有優勢，即它們為n個線傳感器的任何布置在帶的特定部分中提供(provide for) 最大的最小帶寬度。 在布置a)、b)、e)和f)中以相等的角度距離。=180° /n提供n個線傳感器的 n個視場平面，其具有優勢，即它們提供n個線傳感器的任何布置的最大的最小帶寬度。優 選地，處理和控制單元8適用于將由各種線傳感器21、22、23所提供的所有(圖像)信息合 并入單個2D圖像(例如360°全景圖像)。 通過電動機3驅動鏡2。舉例來說，鏡2可以被驅動為總是以一個方向旋轉(例 如在獲取小寬度A a的圖像的實施例中)或者可以被驅動為順時針和逆時針交替旋轉 (alternately rotate clockwise andanti-clockwise)(例如在獲取大寬度A a的圖像的 實施例中)。舉例來說，可以步進式地驅動該鏡(根據線傳感器1獲取的線圖像)或者以恒 定的角速度驅動該鏡(至少在記錄圖像期間)。 使用該傳感器單元可以獲得靜止圖像和/或活動圖像(視頻)。
權利要求
傳感器單元，包含反射元件，其被裝配成圍繞旋轉軸可旋轉；以及線傳感器，其在微波、毫米波和/或兆兆赫茲頻率范圍工作并且使其視場指向所述反射元件，籍此所述旋轉軸與所述反射元件的反射平面相交。
2. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其中所述旋轉軸與所述線傳感器的視場平面平行。
3. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其中將所述線傳感器裝配在所述旋轉軸上。
4. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其中所述線傳感器適用于電掃描其視場。
5. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其中所述線傳感器為頻率掃描線傳感器。
6. 根據權利要求1所述的傳感器單元，還包含圖像處理器，用于補償由所述反射元件 旋轉引起的反射的視場平面的傾斜。
7. 根據權利要求1所述的傳感器單元，其還包含一個或者更多另外的在微波、毫米波和/或兆兆赫茲頻率范圍工作并且使相應的一個 或者更多視場指向所述反射元件的線傳感器，籍此每個線傳感器的視場平面與每個其他線傳感器的視場平面相交。
8. 根據權利要求7所述的傳感器單元，其中線傳感器的數量為n并且以相等的角度距 離0 =180° /n提供所述n個線傳感器的n個視場平面。
9. 根據權利要求7所述的傳感器單元，其中線感測器的數量為n并且以角度距離 o《180° /n提供所述n個線傳感器的n個視場平面。
全文摘要
本發明涉及二維(2D)輻射成像領域。本發明特別涉及傳感器單元。根據本發明的傳感器單元包含被裝配成圍繞旋轉軸可旋轉的反射元件以及在微波、毫米波和/或兆兆赫茲頻率范圍工作并且使其視場指向該反射元件的線傳感器，藉此該旋轉軸與該反射元件的反射平面相交。
文檔編號G01V8/00GK101782660SQ20091021532
公開日2010年7月21日 申請日期2009年12月23日 優先權日2008年12月23日
發明者M·古索爾, S·科克 申請人:索尼株式會社