三維全息成像的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]常規(guī)成像是基于:測量遠(yuǎn)程對象在已知二維(2D)空間上的相對散射場且接著使用各種成像算法(例如，合成孔隙、全息、重建技術(shù)和類似算法)來檢測所述對象的性質(zhì)?？墒褂貌煌亟夹g(shù)來產(chǎn)生對象的圖像(例如，電介質(zhì)分布和幾何特征)。盡管有許多不同方法用于微波頻率和毫米波頻率下的成像，但每種成像方法具有限制性特征(例如，硬件或重建算法)。舉例來說，使用合成孔隙雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)成像技術(shù)的微波三維(3D)成像方法通常需要在2D表面上獲得的相干向量(例如，幅值和相位)測量。
[0002]在典型系統(tǒng)中，在一維(ID)或2D平面上掃描向量反射計以獲取表示被測樣品的數(shù)據(jù)(例如，相位)。計算機(jī)控制掃描和數(shù)據(jù)獲取過程且經(jīng)由SAR算法傳遞所獲取數(shù)據(jù)以產(chǎn)生被測樣品的2D或3D圖像。
[0003]三維成像需要寬帶信號，尤其是為了獲得高距離分辨率。但是，設(shè)計在甚高頻(例如，微波和毫米波)下具有高動態(tài)范圍以提供寬帶向量測量的射頻(RF)接收器在技術(shù)上是困難的且成本高昂。為獲得圖像，必須校準(zhǔn)反射計，使得所有相位測量是參考反射計的天線孔隙或反射計的相位中心，所述相位中心對于頻帶內(nèi)的所有頻率都隨頻率而變化。
[0004]例如，零差完全正交反射計提供分別與反射波的實部和虛部成比例的同相信號和正交信號。零差完全正交反射計的優(yōu)勢是，可校準(zhǔn)接收器以去除不需要的信號(如從各種連接反射的信號)的影響且使得測量相位參考反射計的天線孔隙。對于寬帶頻率操作，這種反射計的設(shè)計必須針對外差方案大大改變，這在技術(shù)上是困難的且成本高昂，因為要求具有多個來源、混合器、放大器和濾波器。
[0005]基于調(diào)頻連續(xù)波(FM-CW)的另一常規(guī)反射計不提供向量測量。因此，這種反射計不能輕易地校準(zhǔn)(例如，相位參考)到天線孔隙以實現(xiàn)成像目的。
[0006]因此，需要一種可對其天線孔隙進(jìn)行相位參考的寬帶成像系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]簡言之，本發(fā)明的方面提供一種零差反射計，其具有與在天線的孔隙處的反射信號的同相分量成比例的真值輸出信號。所述反射計產(chǎn)生在所有頻率下都對天線的孔隙進(jìn)行相位參考的測量，從而不需要額外的校準(zhǔn)(即，相位參考)。
[0008]在一個方面中，提供一種全息成像系統(tǒng)，其包括天線，所述天線具有耦合到其的傳輸線路。所述傳輸線路在一個末端處耦合到所述天線且在另一末端處耦合到信號源。所述天線界定孔隙，由信號源產(chǎn)生的信號傳輸穿過所述孔隙而入射于位于所述孔隙遠(yuǎn)端的對象且通過所述天線孔隙接收從所述對象反射的信號。所述成像系統(tǒng)還包括位于所述天線孔隙處的用于對所述反射信號進(jìn)行取樣的駐波探針(例如，耦合器)以及連接到所述駐波探針的檢測器。所述檢測器被配置成接收所述經(jīng)取樣反射信號且提供輸出信號，所述輸出信號表示與來自所述對象的所述反射信號的同相分量成比例的真值信號。所述成像系統(tǒng)還包括處理器，所述處理器被配置成執(zhí)行成像算法以便基于來自所述檢測器的所述輸出信號生成表示所述對象的多維輪廓。
[0009]在另一方面中，提供一種成像系統(tǒng)，其包括網(wǎng)絡(luò)裝置，所述網(wǎng)絡(luò)裝置具有第一端口、差量端口(delta port)、第二端口以及求和端口。連接到所述求和端口的信號源提供甚高頻信號，且所述網(wǎng)絡(luò)裝置將所述甚高頻信號分成第一信號和第二信號。所述成像系統(tǒng)還包括連接到所述網(wǎng)絡(luò)裝置的所述第一端口以便接收所述第一信號的參考線路。另外，所述成像系統(tǒng)包括連接到所述參考線路的參考負(fù)載。所述參考負(fù)載被配置成反射所述第一信號以產(chǎn)生從所述參考負(fù)載沿著所述參考線路傳輸?shù)剿鼍W(wǎng)絡(luò)裝置的第一反射信號。另外，所述成像系統(tǒng)包括連接到所述網(wǎng)絡(luò)裝置的所述第二端口以接收所述第二信號的天線線路。所述天線線路與所述參考線線路具有大致上相等的電氣性質(zhì)。此外，天線連接到所述天線線路。所述天線被配置成:將所述第二信號傳輸?shù)竭h(yuǎn)程對象，從所述遠(yuǎn)程對象接收至少一個第二反射信號，且將所述第二反射信號沿著所述天線線路傳輸?shù)剿鼍W(wǎng)絡(luò)裝置。沿著所述參考線路傳輸?shù)乃龅谝环瓷湫盘柵c沿著所述天線線路傳輸?shù)乃龅诙瓷湫盘栐谒鼍W(wǎng)絡(luò)裝置內(nèi)組合以形成組合信號。所述成像系統(tǒng)還包括連接到所述差量端口的檢測器。所述檢測器對所述組合信號進(jìn)行取樣，使得所述檢測器測量所述組合信號的實部。所述成像系統(tǒng)還包括處理器，所述處理器被配置成執(zhí)行成像算法以基于來自所述檢測器與所述反射信號的所述實部成比例的所接收輸出電壓生成表示所述對象的多維輪廓。
[0010]在又一方面中，提供一種使用連接到X-y掃描平臺的天線對遠(yuǎn)程對象進(jìn)行成像的方法。所述方法包括經(jīng)由天線從源傳輸信號且入射于所述對象。所述信號源被配置成提供頻率范圍高達(dá)且包括太赫頻率范圍的電磁能量源。另外，所述方法包括通過定位在所述天線的孔隙附近的檢測器探針接收從所述對象反射的信號，其中所述檢測器探針被配置成對所述反射信號的幅值進(jìn)行取樣。此外，所述方法包括接收從所述檢測器探針輸出的電壓，其中所述電壓表示與來自所述對象的所述反射信號的同相分量成比例的真值信號。
[0011]提供本概述以便用簡化形式介紹下文在詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的概念選擇。本概述既不意圖識別要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或基本特征，也不意圖用來幫助確定要求保護(hù)的主題的范圍。
[0012]其它特征在下文中將會部分地顯而易見并且部分地指出。
【附圖說明】
[0013]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的利用在天線孔隙處的駐波探針的全息成像系統(tǒng)的框圖。
[0014]圖2A和2B示出定位在距天線孔隙距離d處的圖1的駐波探針。
[0015]圖3示出基于駐波探針距孔隙的距離的所測量電壓與頻率的曲線圖。
[0016]圖4示出由圖1的系統(tǒng)產(chǎn)生的示例性三維(3D)合成孔隙雷達(dá)(SAR)圖像。
[0017]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的利用魔T (magic-tee)的寬帶毫米波3D成像系統(tǒng)的示意圖。
[0018]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的在天線孔隙上的嵌入式檢測器。
[0019]對應(yīng)的參考字符在附圖中始終指示相對應(yīng)的零件。
【具體實施方式】
[0020]現(xiàn)參考圖1，全息成像系統(tǒng)10利用定位在天線孔隙16處的駐波探針13。體現(xiàn)本發(fā)明的方面的成像系統(tǒng)10提供尤其是在相對高頻率(如在電磁波譜的微波和更高頻率范圍中的頻率)下使用的穩(wěn)健且高度靈敏的系統(tǒng)。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的方面，成像系統(tǒng)10產(chǎn)生存在于系統(tǒng)視野中的實際上任何對象的圖像。當(dāng)由電磁場照射時，目標(biāo)對象使至少一些波依據(jù)對象的材料和幾何性質(zhì)而在不同方向上散射。例如，照射電磁場與入射或輻射的微波或更高頻率波相關(guān)聯(lián)。因為微波滲入電介質(zhì)材料中，所以成像系統(tǒng)10可以觀察包括這種材料的對象的內(nèi)部。同樣，成像系統(tǒng)10可檢測隱匿的或以其它方式位于電介質(zhì)材料內(nèi)部的對象并對其進(jìn)行成像。成像系統(tǒng)10測量在對應(yīng)于遠(yuǎn)離對象的所界定空間域(例如，平面的平坦部分、圓柱形部分、球形部分或任意形狀部分)的數(shù)個離散位置處的散射電場。在實施方案中，駐波探針13位于天線孔隙16處，用于對來自對象的反射信號進(jìn)行取樣。
[0022]成像系統(tǒng)10描繪一種類似于零差反射計的反射計設(shè)計，因為成像系統(tǒng)10的輸出表示與天線孔隙處的反射信號的同相分量成比例的真值信號。然而，所述輸出參考所述孔隙，因此不需要測量后的相位參考(例如，校準(zhǔn))。舉例來說，來自遠(yuǎn)程對象的反射信號在大致上所有頻率處對天線孔隙16進(jìn)行相位參考。在一些苛刻的應(yīng)用中，可能需要校正由于駐波探針13和檢測器39跨頻帶的響應(yīng)引起的振幅變化。然而，在大多數(shù)情況下，不需要這種振幅校正，因為SAR算法對于振幅變化較不敏感且更多地取決于反射信號的相位。
[0023]如圖1中所示，成像系統(tǒng)10與包括處理器19、信號源21和隔離器24的其它系統(tǒng)組件整合。處理器19連接到信號源21，信號源21耦合到隔離器24。在所示出實施方案中，隔離器24耦合到波導(dǎo)27，波導(dǎo)27具有用于接收電磁能量的孔隙16并且波導(dǎo)27被配置為用于電磁能量的傳輸線路。在一個實施方案中，波導(dǎo)27是金屬。并且，在一個實施方案中，波導(dǎo)27的形狀是矩形。可利用其它類型的傳輸線路，如同軸電纜、微帶線路、帶式線路或電介質(zhì)波導(dǎo)，來代替金屬波導(dǎo)。
[0024]隔離器24用以在一個方向上(即，朝向波導(dǎo)27)傳輸甚高頻信號，同時防止在相反方向上的傳輸。以這種方式，隔離器24防止反射信號朝向信號源21流回，且吸收這些反射信號。在實施方案中，如果信號源21具有吸收反射信號的能力，那么可以省略隔離器24。
[0025]處理器19可由微處理器、微控制器、現(xiàn)場可編程門陣列、專用集成電路、由用于生成控制信號的離散組件形成的數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)或類似者