一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMIMO架構的制作方法
【專利摘要】本發明公出了一種適用于太赫茲安檢儀的THz?QoMIMO架構,該架構包括信號處理與目標識別的數字硬件、太赫茲MIMO陣列前端的高頻硬件、一維準光聚焦與掃描;該架構采用MIMO陣列布局,利用MIMO合成聚焦可提高系統幀速率,減少收發通道而降低系統成本;可簡化系統整機結構,提高系統工作可靠性;多次多角度測量,降低相干斑影響,利于自動目標檢測與識別;該架構采用以距離信息z為主,以強度信息I為輔的圖像分類識別方法,特別適用于主動太赫茲快速安檢儀。
【專利說明】
-種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoM I MO架構
技術領域
[0001] 本發明設及太赫茲雷達S維成像技術,特別是一種適用于太赫茲安檢儀的THz- QoMIMO架構。
【背景技術】
[0002] 主動太赫茲快速安檢儀是太赫茲波的重要應用領域。主動太赫茲快速安檢儀的一 般應用需求:1.較大帶寬,W滿足較高的縱向分辨率要求,提高目標檢測能力;2.較快速度, W滿足正常人流量下的實時監測要求;3.太赫茲陣列盡量忍片化、固態化,W便于集成和小 型化,提高可靠性與一致性,降低批量成本;4.自動目標檢測與識別,滿足對個人隱私的保 護要求。運些需求對準光結構、太赫茲陣列前端、信號處理、目標識別等提出了較多的約束 條件。
[0003] 目前的主動太赫茲快速安檢儀主要采用單點或多點的二維準光聚焦與掃描方案, 如圖1所示:信號處理與目標識別的數字硬件(主機PC+現場可編程器件FPGA+高速ADC)、太 赫茲陣列前端的高頻硬件(線性調頻源、太赫茲本振倍頻鏈、固態功放、低噪放、混頻器、帶 通濾波器、中頻電路、太赫茲發射饋源、太赫茲接收饋源、波分器)、二維準光聚焦與掃描。
[0004] 單點或多點的二維準光聚焦與掃描方案,主要有W下缺陷:
[0005] 1、機械掃描速度受限,影響系統帖速率:
[0006] 該方案的帖速率主要由太赫茲陣列數量和準光機械掃描速率決定。陣列數越多、 掃描速度越快,則系統帖速率越快。但目前因為太赫茲本振倍頻鏈的成本相對較高,所W主 要考慮提高機械掃描速度來適當提高系統帖速率。而機械掃描速度是有限制的,從而限制 了系統帖數率的提高。
[0007] 2、準光結構復雜,使得系統結構復雜且較大,且系統工作可靠性下降:
[0008] 該方案的準光聚焦與掃描結構需要二維的聚焦(聚焦點)且快速掃描,因此準光結 構一般較為復雜;從而使得整機系統結復雜且較大,影響系統的易用性。由于需要快速的二 維機械掃描,會產生較大振動,影響光路穩定等,從而使系統工作的可靠性下降。
[0009] 3、相干斑(Speckle)較強,不利于自動目標檢測與識別:
[0010] 該方案采用二維聚焦,也即聚焦為一點,造成單點目標入射方向的選擇性較強。因 此對相同目標,其接收的背散射信號(Back-Scatter)強度變化較大,也即相干斑較強;從 而,不利于自動目標檢測與識別。
【發明內容】
[0011] 本發明為克服上述技術缺陷,提出了一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMIMO架 構,采用MIMO陣列布局,利用MIMO合成聚焦可提高系統帖速率,減少收發通道而降低系統成 本;可簡化系統整機結構,提高系統工作可靠性;多次多角度測量,降低相干斑影響,利于自 動目標檢測與識別;該架構采用W距離信息Z為主,W強度信息I為輔的圖像分類識別方法, 特別適用于主動太赫茲快速安檢儀。
[0012]本發明的技術方案如下:
[001引一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMIMO架構,主要包括如下特征:太赫茲頻段 (Ter址ertz Band)+準光聚焦與掃描(如asi-optics Focusing and Scanning)+MIM0陣列 合成孔徑(Multiple-I噸Ut Multiple-Output Array Synthetic Aperture) +目標檢測與 識另ll(Tar邑et Detection and Recognition)。
[0014] 所述THz-QoMIMO架構,包括:信號處理與目標識別的數字硬件、太赫茲MIMO陣列前 端的高頻硬件、一維準光結構,所述信號處理與目標識別的數字硬件包括主機PC、現場可編 程器件FPGA、高速模擬數字轉換器ADC,所述太赫茲MIMO陣列前端的高頻硬件包括線性調頻 源、太赫茲本振倍頻鏈、固態功放、低噪放、混頻器、帶通濾波器、中頻電路、太赫茲發射饋 源、太赫茲接收饋源;
[0015] 針對上述組成結構,其基本連接如下:
[0016] 1)信號處理與目標識別的數字硬件互連:主機PC通過PCIE總線與現場可編程器件 FPGA互連;現場可編程器件FPGA通過總線與高速ADC連接,現場可編程器件FPGA通過同軸電 纜與線性調頻源互連;高速ADC通過同軸電纜與中頻電路連接;
[0017] 2)太赫茲MIMO陣列前端的高頻硬件互連:線性調頻源與發射的太赫茲本振倍頻鏈 連接,然后發射的太赫茲本振倍頻鏈與固態功放連接,最后固態功放與THz發射饋源連接; 線性調頻源與接收的太赫茲本振倍頻鏈連接,然后接收的太赫茲本振倍頻鏈與混頻器連 接,混頻器與低噪放連接,最后低噪放與THz接收饋源連接;中頻電路與帶通濾波器連接,帶 通濾波器與所述混頻器連接;
[0018] 3)-維準光結構:太赫茲發射饋源、太赫茲接收饋源通過電磁場傳播禪合與一維 準光結構互連。
[0019] 所述主機PC內設置有通用圖像處理器GP-GPU。
[0020] 上述THz-QoMIMO架構結構的基本工作過程如下:
[0021] 首先一維準光結構掃描到目標視場中的某一行,接著THz發射饋源依次發射且THz 接收饋源同時接收獲得一行的原始數據,接著對原始數據進行信號處理-MIMO合成聚焦,獲 得當前行的聚焦圖像;然后掃描到下一行,重復前面的步驟又獲得運一行的聚焦圖像,直到 完成整個目標視場的掃描與獲取,將所有行信息組合成一個完整的原始=維圖像;最后,原 始的=維圖像,經過圖像處理,目標檢測與識別算法后,進行隱匿危險品的定位、標準顯示 和預警。
[0022] 所述一維準光結構是將饋源的發散波束采用柱面鏡(透射式或反射式)聚焦為行 波束,并在聚焦光路上采用平面鏡實現行波束的慢速垂直掃描。
[0023] 對于透射式柱面鏡成像,可W采取非球面表面透鏡來設計。太赫茲波段的透鏡材 料可采用環狀締控共聚高分子材料C0P(Cyclo Olefin Polymers)、環締控共聚物材料 T0PAS(Topas 切clo Olefin Copoly-mers)或甲基戊締聚合物材料TPX(F*oly-4Methyl- lPentene)。
[0024] 對于反射式柱面鏡成像,可W采用楠球柱面鏡來設計,將天線饋源和像面分別置 于楠球鏡的兩個幾何焦點上,利用物像共輛關系實現小像差成像。
[0025] 所述太赫茲MIMO陣列前端是一維稀疏的多入多出陣列:W較少的陣列數,采用時 分技術來實現虛擬的多個收發陣列;基本工作原理是依次切換Nt個發射通道(快速電掃),Nr 個接收通道同時去斜接收背散射信號;然后進行信號處理-合成聚焦。運樣Nt個發射和Nr個 接收,采用時分MIMO技術,可實現虛擬Nt*Nr個收發通道。
[0026] -維稀疏的多入多出陣列設計的基本依據是空間采樣間距A X需滿足:
[0027]
[002引其中,、是系統工作頻率的中屯、波長,0a為目標與合成孔徑Lsa的最大幾何張角,白b 為天線的波束角。一維稀疏多入多出陣列的等效密集陣列,其中:Nt個發射通道,Nr個接收通 道,目標距離為R,目標長度為Lx,最大幾何張角為03,天線波束角為0b。其中,邊長a等于Lx/2 +Lsa/2,邊長b等于R。在目a蘭目b且b〉〉a下:
[0029]
[0030] 根據具體的系統設計參數、心、斯、斯和3可^求解上述方程,得到空間采樣間距 Ax。
[0031] 依據上述得到的空間采樣間距A X,對Nt個發射通道和Nr個接收通道做如下布局, W達到MIMO稀疏布局的目的,其中:接收通道與接收通道間距:Nt* A X;接收通道與發射通 道間距:2* A X;發射通道與發射通道間距:2* A X。總的陣列長度Lmimo為Nt*(Nr+l )* A X。
[0032] 主機PC中實現的信號處理-MIMO合成聚焦是采用通用反投影GBP(Global Back- Projection)算法來實現。利用GBP算法的天然并行性,采用能高速并行計算的通用圖像處 理器(GP-GPU)進行算法加速(在TFLOPS量級),達到實時的信號處理。此外,采用GP-GPU的遠 程直接內存訪問(畑MA)技術,原始數據直接由FPGA傳輸到GP-GPU內存,避免了從系統主內 存中轉一次的需要,有效的減少了傳輸帶寬需求,提高數據傳輸效率。
[0033] 所述目標檢測與識別是WMIMO合成聚焦后的S維(3D)原始圖像I(x,y,z)為輸入。 具體檢測與識別流程如下:
[0034] 1.對原始圖I(x,y,z)像進行智能濾波、邊界提取等;
[0035] 2.對距離信息Z、強度信息I進行圖像提取分類;
[0036] 3.進行W距離信息Z為主,W強度信息I為輔的圖像提取分類;W提高檢測率,降低 虛警率;
[0037] 4.圖像顯示采用顏色標記標準人體外形的方式,有效保護人體的個人隱私。
[0038] 本發明具有如下優點:
[0039] UMIMO合成聚焦,可提高系統帖速率,減少收發通道而降低系統成本:
[0040] 采用一維稀疏MIMO陣列實現快速的電掃,減輕了準光掃描的壓力,提高掃描速率, 從而可提高系統帖速率。一維稀疏MIMO陣列含Nt個發射和Nr個接收,采用時分的MIMO技術, 可實現虛擬Nt*Nr個收發通道。運種稀疏方式可有效減少陣列數(Nt*Nr-Nt-Nr),由于太赫茲 本振倍頻鏈的成本相對較高,從而可有效降低系統成本。
[0041] 2、一維準光聚焦與掃描,可簡化系統整機結構,提高系統工作可靠性:
[0042] 由于準光子系統只需一維聚焦,所W可簡化準光結構,從而減小系統的體積,提高 系統易用性。此外,準光子系統只需一維的慢速掃描(約Ims/行),產生振動較小,對光路等 影響較小,從而提高系統工作的可靠性。
[0043] 3、多次多角度測量,降低相干斑影響,利于自動目標檢測與識別:
[0044] 一維稀疏MIMO陣列工作原理:依次切換Nt個發射通道(快速電掃),Nr個接收通道同 時去斜接收背散射信號;然后進行信號處理-合成聚焦。運種方式使目標經過了多角度的 Nt*Nr次觀測,也即目標背散射強度進過了Nt*Nr平均,從而可有效降低相干斑影響,因此利 于自動目標檢測與識別。
【附圖說明】
[0045] 圖1為傳統的采用單點或多點的二維準光聚焦與掃描方案的主動太赫茲快速安檢 儀的示意圖;
[0046] 圖2為本發明的結構示意圖;
[0047] 圖3為本發明的太赫茲MIMO陣列前端的一維稀疏多入多出陣列的等效密集陣列 的示意圖;
[004引圖4為本發明的一維稀疏MIMO陣列的布局圖;
[0049] 圖5為本發明的檢測與識別流程示意圖。
【具體實施方式】
[0050] -種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMIMO架構,如圖2所示,包括:信號處理與目標 識別的數字硬件、太赫茲MIMO陣列前端的高頻硬件、一維準光結構,所述信號處理與目標識 別的數字硬件包括主機PC、現場可編程器件FPGA、高速模擬數字轉換器ADC,所述太赫茲 MIMO陣列前端的高頻硬件包括線性調頻源、太赫茲本振倍頻鏈、固態功放、低噪放、混頻器、 帶通濾波器、中頻電路、太赫茲發射饋源、太赫茲接收饋源;
[0化1 ] 針對上述組成結構,其基本連接如下:
[0052] 1)信號處理與目標識別的數字硬件互連:主機PC通過PCIE總線與現場可編程器件 FPGA互連;現場可編程器件FPGA通過總線與高速ADC連接,現場可編程器件FPGA通過同軸電 纜與線性調頻源互連;高速ADC通過同軸電纜與中頻電路連接;
[0053] 2)太赫茲MIMO陣列前端的高頻硬件互連:線性調頻源與發射的太赫茲本振倍頻鏈 連接,然后發射的太赫茲本振倍頻鏈與固態功放連接,最后固態功放與THz發射饋源連接; 線性調頻源與接收的太赫茲本振倍頻鏈連接,然后接收的太赫茲本振倍頻鏈與混頻器連 接,混頻器與低噪放連接,最后低噪放與THz接收饋源連接;中頻電路與帶通濾波器連接,帶 通濾波器與所述混頻器連接;
[0054] 3)-維準光結構:太赫茲發射饋源、太赫茲接收饋源通過電磁場傳播禪合與一維 準光結構互連。
[0化5] 所述主機PC內設置有通用圖像處理器GP-GPU。
[0化6] 上述THz-QoMIMO架構結構的基本工作過程如下:
[0057]首先一維準光結構掃描到目標視場中的某一行,接著THz發射饋源依次發射且THz 接收饋源同時接收獲得一行的原始數據,接著對原始數據進行信號處理-MIMO合成聚焦,獲 得當前行的聚焦圖像;然后掃描到下一行,重復前面的步驟又獲得運一行的聚焦圖像,直到 完成整個目標視場的掃描與獲取,將所有行信息組合成一個完整的原始=維圖像;最后,原 始的=維圖像,經過圖像處理,目標檢測與識別算法后,進行隱匿危險品的定位、標準顯示 和預警。
[0058] 所述一維準光結構是將饋源的發散波束采用柱面鏡(透射式或反射式)聚焦為行 波束,并在聚焦光路上采用平面鏡實現行波束的慢速垂直掃描。
[0059] 對于透射式柱面鏡成像,可W采取非球面表面透鏡來設計。太赫茲波段的透鏡材 料可采用環狀締控共聚高分子材料COP(切clo Olefin Polymers)、環締控共聚物材料 T0PAS(Topas 切clo Olefin Copoly-mers)或甲基戊締聚合物材料TPX(F*oly-4Methyl- lPentene)。
[0060] 對于反射式柱面鏡成像,可W采用楠球柱面鏡來設計,將天線饋源和像面分別置 于楠球鏡的兩個幾何焦點上,利用物像共輛關系實現小像差成像。
[0061] 所述太赫茲MIMO陣列前端是一維稀疏的多入多出陣列:W較少的陣列數,采用時 分技術來實現虛擬的多個收發陣列;基本工作原理是依次切換Nt個發射通道(快速電掃),Nr 個接收通道同時去斜接收背散射信號;然后進行信號處理-合成聚焦。運樣Nt個發射和Nr個 接收,采用時分MIMO技術,可實現虛擬Nt*Nr個收發通道。
[0062] -維稀疏的多入多出陣列設計的基本依據是空間采樣間距A X需滿足:
[0063]
[0064] 其中,、是系統工作頻率的中屯、波長,03為目標與合成孔徑Lsa的最大幾何張角,0b 為天線的波束角。一維稀疏多入多出陣列的等效密集陣列,如圖3所示:Nt個發射通道,Nr個 接收通道,目標距離為R,目標長度為Lx,最大幾何張角為03,天線波束角為0b。其中,邊長a等 于Lx/化Lsa/2,邊長b等于R。在目a蘭目b且b〉〉a下:
[00 化]
[0066] 根據具體的《統巧計參數Ac、Lx、Nt、Nr和RW 求解上述方程,得到空間采樣間距 Ax。
[0067] 依據上述得到的空間采樣間距A X,對Nt個發射通道和Nr個接收通道做如下布局, W達到MIMO稀疏布局的目的,如圖4所示:接收通道與接收通道間距:Nt* A X;接收通道與發 射通道間距:2* A X;發射通道與發射通道間距:2* A X。總的陣列長度Lmimo為Nt*(Nr+l )* A X。
[0068] 例如,如下的一個設計實例:
[0069] 在波長、約0.9毫米、距離R為4.0米、目標區域Lx約0.8米下,采用4個發射和16個接 收的稀疏陣列方式。根據上述的方法,可計算獲得空間采樣間距A X約為2毫米,從而可確認 稀疏陣列布局方式:接收通道與接收通道間距:8毫米;接收通道與發射通道間距:4毫米;發 射通道與發射通道間距:4毫米。總的陣列長度Lmimo為136毫米。
[0070] 主機PC中實現的信號處理-MIMO合成聚焦是采用通用反投影GBP(Global Back- Projection)算法來實現。利用GBP算法的天然并行性,采用能高速并行計算的通用圖像處 理器(GP-GPU)進行算法加速(在TFLOPS量級),達到實時的信號處理。此外,采用GP-GPU的遠 程直接內存訪問(RDMA)技術,原始數據直接由FPGA傳輸到GP-GPU內存,避免了從系統主內 存中轉一次的需要,有效的減少了傳輸帶寬需求,提高數據傳輸效率。
[0071] 所述目標檢測與識別是WMIMO合成聚焦后的S維(3D)原始圖像I(x,y,z)為輸入。 具體檢測與識別流程如圖5所示:
[0072] 1.對原始圖I(x,y,z)像進行智能濾波、邊界提取等;
[0073] 2.對距離信息Z、強度信息I進行圖像提取分類;
[0074] 3.進行W距離信息Z為主,W強度信息I為輔的圖像提取分類;W提高檢測率,降低 虛警率;
[0075] 4.圖像顯示采用顏色標記標準人體外形的方式,有效保護人體的個人隱私。
【主權項】
1. 一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMMO架構,其特征在于包括:信號處理與目標識 別的數字硬件、太赫茲MM0陣列前端的高頻硬件、一維準光結構,所述信號處理與目標識別 的數字硬件包括主機PC、現場可編程器件FPGA、高速模擬數字轉換器ADC,所述太赫茲MM0 陣列前端的高頻硬件包括線性調頻源、太赫茲本振倍頻鏈、固態功放、低噪放、混頻器、帶通 濾波器、中頻電路、太赫茲發射饋源、太赫茲接收饋源; 針對上述部件的連接如下: 1) 信號處理與目標識別的數字硬件互連:主機PC通過PCIE總線與現場可編程器件FPGA 互連;現場可編程器件FPGA通過專用接口與高速ADC連接,現場可編程器件FPGA通過同軸電 纜與線性調頻源互連;高速ADC通過同軸電纜與中頻電路連接; 2) 太赫茲ΜΙΜΟ陣列前端的高頻硬件互連:線性調頻源與發射的太赫茲本振倍頻鏈連 接,然后發射的太赫茲本振倍頻鏈與固態功放連接,最后固態功放與ΤΗζ發射饋源連接;線 性調頻源與接收的太赫茲本振倍頻鏈連接,然后接收的太赫茲本振倍頻鏈與混頻器連接, 混頻器與低噪放連接,最后低噪放與ΤΗζ接收饋源連接;中頻電路與帶通濾波器連接,帶通 濾波器與所述混頻器連接; 3) -維準光結構:太赫茲發射饋源、太赫茲接收饋源通過電磁場傳播親合與一維準光 聚焦與掃描互連。2. 根據權利要求1所述的一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMnro架構,其特征在于:所 述主機PC內設置有通用圖像處理器GP-GPU。3. 根據權利要求1所述的一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMnro架構,其特征在于:所 述一維準光結構是將饋源的發散波束采用柱面鏡聚焦為行波束,并在聚焦光路上采用平面 鏡實現行波束的慢速垂直掃描;所述柱面鏡采用透射式或反射式。4. 根據權利要求3所述的一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoM頂0架構,其特征在于:對 于透射式柱面鏡成像,采取非球面表面透鏡;太赫茲波段的透鏡材料采用環狀烯烴共聚高 分子材料COP、環烯烴共聚物材料T0PAS或甲基戊烯聚合物材料TPX。5. 根據權利要求3所述的一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMnro架構,其特征在于:對 于反射式柱面鏡成像,采用橢球柱面鏡,將天線饋源和像面分別置于橢球柱面鏡的兩個幾 何焦點上,利用物像共輒關系實現小像差成像。6. 根據權利要求1所述的一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMnro架構,其特征在于:所 述太赫茲MM0陣列前端是一維稀疏的多入多出陣列,原理是:依次切換N t個發射通道、Nr個 接收通道同時去斜接收背散射信號;然后進行信號處理-合成聚焦;所述Nt個發射通道和N r 個接收通道,采用時分Μ頂0技術,則實現虛擬Nt*Nr個收發通道。7. 根據權利要求1所述的一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMnro架構,其特征在于:主 機PC中實現的信號處理-M頂0合成聚焦是采用通用反投影GBP算法來實現。8. 根據權利要求1所述的一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMnro架構,其特征在于:所 述目標檢測與識別是以MM0合成聚焦后的三維原始圖像I(x,y,z)為輸入;具體檢測與識別 流程為: a、 對原始圖I(x,y,z )像進行智能濾波、邊界提取等; b、 對距離信息z、強度信息I進行圖像提取分類; c、 進行以距離信息z為主,以強度信息I為輔的圖像提取分類; d、圖像顯示采用顏色標記標準人體外形的方式,有效保護人體的個人隱私。9.根據權利要求1所述的一種適用于太赫茲安檢儀的THz-QoMMO架構,其特征在于工 作過程如下: 首先一維準光結構掃描到目標視場中的某一行,接著THz發射饋源依次發射且THz接收 饋源同時接收獲得一行的原始數據,接著對原始數據進行信號處理-M頂0合成聚焦,獲得當 前行的聚焦圖像;然后掃描到下一行,重復前面的步驟又獲得這一行的聚焦圖像,直到完成 整個目標視場的掃描與獲取,將所有行信息組合成一個完整的原始三維圖像;最后,原始的 三維圖像,經過圖像處理,目標檢測與識別算法后,進行隱匿危險品的定位、標準顯示和預 警。
【文檔編號】G01S13/90GK106019397SQ201610215558
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】鄧賢進, 成彬彬, 林海川, 陸彬, 曾耿華, 李彪, 安健飛, 劉杰, 唐藝倫
【申請人】中國工程物理研究院電子工程研究所