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CN116613546A - 一种四发十六收天线阵列及使用其的太赫兹波谱成像装置 - Google Patents

一种四发十六收天线阵列及使用其的太赫兹波谱成像装置 Download PDF

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CN116613546A CN202310638854.1A CN202310638854A CN116613546A CN 116613546 A CN116613546 A CN 116613546A CN 202310638854 A CN202310638854 A CN 202310638854A CN 116613546 A CN116613546 A CN 116613546A
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万知航
赵萌
李超
刘小军
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Abstract

本发明提供一种四发十六收天线阵列及使用其的太赫兹波谱成像装置，使用两个光纤光源泵浦太赫兹天线分别作为太赫兹波发射器和接收器。发射天线和接收天线处于同一平面，发射天线在正方形四个顶点，接收天线按照特定结构分布在正方形内。一个激光器经过分光器分光作为所有发射天线和接收天线的泵浦光源，通过接收天线的一侧光路中光学延时线扫描光程差得到被样本反射的太赫兹脉冲的时域波形，进而傅里叶变换得到频谱并成像。该装置使用的四发十六收阵列结构是经过优化后旁瓣电平最小的结构，此外太赫兹波相较于常用的微波频段电磁波，波长短了3～4个数量级，可以进一步提高成像的分辨率。

Description

一种四发十六收天线阵列及使用其的太赫兹波谱成像装置
技术领域
本发明涉及太赫兹成像技术领域，尤其是涉及一种四发十六收天线阵列及使用其的太赫兹波谱成像装置。
背景技术
在MIMO(多发射多接收天线)成像装置的应用中，天线阵列的拓扑结构(排列)设计是系统设计中非常关键的一个环节。阵列设计的好坏对于成像质量、目标检测与定位、参数估计等方面都有很大影响。影响阵列性能的因素有三个：发射(接收)信号的频带，阵元个数，阵元排布。一个合理的天线阵列设计对于简化系统结构以及后期的信号处理都很有帮助。
太赫兹波的波长介于毫米波与红外线之间，因其波长低于传统雷达波长几个数量级，因而可以获得更好的分辨率。并且太赫兹波对非导电介质的穿透性良好，适合应用于符合材料的无损探伤。然而，单组太赫兹雷达仍面临着横向分辨率较低的局限性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种四发十六收天线阵列及使用其的太赫兹波谱成像装置，以解决MIMO成像装置旁瓣电平较高和横向分辨率较低的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种四发十六收天线阵列，该天线阵列的拓扑结构满足以下条件：
设定一二维平面坐标，包括坐标原点和x、y轴；
四个发射天线，其设置位置位于所述二维平面坐标内且围成一个正方形，所述四个发射天线设置位置位于所述正方形的四个顶点，所述正方形的中心点为所述坐标原点；
十六个接收天线，其设置位置位于所述正方形内部，并且所述十六个接收天线设置位置满足不混叠原则，即十六个接收天线的设置位置坐标各不相同，在x和y轴方向上的投影也不重合，并且以所述坐标原点引出任意直线，接收天线设置位置在所述任意直线上进行投影，发生混叠的天线总个数最少。
根据本发明一具体实施方案，所述四个发射天线的设置位置在所述二维平面坐标的坐标值为：
其中，a为正方形的边长。
根据本发明一具体实施方案，所述十六个接收天线的设置位置在所述二维平面坐标的坐标值需满足以按照以下方法设定：
接受天线数量NR＝16,定义参数
定义集合
则接收天线的所有可能位置由下式给出，其中Rn代表序号为n的接收天线，为其位置坐标。
其中，需要满足条件：当i≠j时，有
所述十六个接收天线设置位置在满足以上条件前提下，进一步满足以下条件：(1)通过网格法(GM)保证接收天线位置在正方形内均匀分布；(2)使用投影切片法，确保接收天线的最大阴影数(MSN，即接收天线阵列在平面内任意角度的投影中最多重叠的数量)最小。具体步骤为：首先将满足上述条件的所有四发十六收天线阵列对应为有效孔径，有效孔径为边长2a的正方形，其中包含排列方法与实际MIMO相同的64个阵元位置。
随后将有效孔径划分为8×8的网格，确保每个小格中有且只有一个有效孔径的阵元。
将以上筛选出的阵列排布方案应用投影切片法计算出每一阵列排布方案在0～180度所有角度中的最大阴影数(MSN)，选择MSN最小的MIMO阵列排布方案。根据以上方法，求得最优接收天线阵列用矩阵表示为：
本发明还提供一种太赫兹波谱成像装置，其原理相当于马赫-曾德干涉仪，包括激光器、分光器、光学延时线、太赫兹发射天线、太赫兹接收天线和光纤；所述激光器发出的激光光源被分光器分为两束，分别作为太赫兹发射天线的泵浦光和太赫兹接收天线的参考光，进而泵浦光被一分四分光器分为4束，分别泵浦四个太赫兹发射天线；参考光被一分十六分光器分为16束，分别作为16个太赫兹接收天线的参考光；光学延时线位于太赫兹接收天线的参考光的光路中，扫描参考光的光程，当且仅当参考光的光程严格等于泵浦光的光程与太赫兹波在自由空间的光程之和时，太赫兹接收天线才能够探测到太赫兹信号，对时域信号进行傅里叶变换后可获得样本反射波谱并实现成像，从而实现对经过样本反射的太赫兹波形的精确测定。
根据本发明一具体实施方案，所述太赫兹波谱成像装置还包括锁相放大器、电流放大器和偏压源；所述锁相放大器提供太赫兹发射天线的信号，获得太赫兹接收天线的信号；所述锁相放大器提供的电信号，先调制偏压源，再将此调制信号提供给太赫兹发射天线；太赫兹接收天线获得的电信号，先经过电流放大器将信号放大，再传导至锁相放大器采集和处理，由锁相放大器将波形信息传递给计算机，供变换至波谱及成像使用。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的发射天线阵列位置均匀分布，且接收天线位置在每个角度上的元素遮挡均最少，降低了旁瓣效应，提高成像效果；
(2)采用基于光学延时线的太赫兹时域波谱装置，可以精确测定样本反射的太赫兹时域信号，进而计算出波谱信息；
(3)采用四发十六收的天线阵列拓扑结构，大大提升了太赫兹时域波谱装置的横向分辨率。
附图说明
图1为四发十六收阵列中天线和目标位置分布图，其中星号表示发射天线，叉号表示接收天线，标有数字1的圆形为目标。
图2为本发明的太赫兹波谱成像装置示意图。
图3为四发十六收天线阵列的模拟成像结果图。
具体实施方式
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。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。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。另外，四发十六收天线的坐标值仅表示与平面坐标的相对关系，当平面坐标发生旋转或者变化时，天线的位置也相对发生改变。
如图1所示，本发明首先提供了一种四发十六收天线阵列的拓扑结构，该拓扑结构的发射天线均匀分布，且接收天线在每个角度上的元素遮挡均最少，降低了旁瓣效应，提高成像效果。该拓扑结构包括：
一个二维平面坐标，包括坐标原点和x、y轴；
四个发射天线，所述四个发射天线的设置位置位于所述二维平面坐标内且围成一个边长为a的正方形，四个发射天线的位置位于所述正方形的四个顶点，如图1中的五角星所示，所述正方形的中心点为所述坐标原点；
十六个接收天线，所述十六个接收天线的设置位置位于所述正方形内部，并且所述十六个接收天线的设置位置满足不混叠原则，即十六个接收天线的设置位置各不相同，并且在x和y轴方向上的投影也不重合，如图1的叉号所示。
对于天线的设置，首先保证接收天线与发射天线处在同一平面内，按照上述四发十六收天线阵列拓扑结构放置总计20个太赫兹天线。由于所用太赫兹天线一般不是全向天线，所以应根据成像目标的位置调整太赫兹天线的朝向，使每一个太赫兹天线的轴向都朝向目标，这样可以使照射到目标的功率尽可能提高，以便获得更高的成像的信噪比。
四发十六收天线阵列的模拟成像结果图如图3所示。
如图2所示，本发明的太赫兹波谱成像装置采用上述四发十六收天线阵列，包括激光器、分光器、光学延时线、太赫兹发射天线、太赫兹接收天线和光纤；所述激光器发出的激光光源被分光器分为两束，分别作为太赫兹发射天线的泵浦光和太赫兹接收天线的参考光，进而泵浦光被一分四分光器分为4束，分别泵浦四个太赫兹发射天线；参考光被一分十六分光器分为16束，分别作为16个太赫兹接收天线的参考光；光学延时线位于太赫兹接收天线的参考光的光路中，扫描参考光的光程，当且仅当参考光的光程严格等于泵浦光的光程与太赫兹波在自由空间的光程之和时，太赫兹接收天线才能够探测到太赫兹信号，对时域信号进行傅里叶变换后可获得样本反射波谱并实现成像，从而实现对经过样本反射的太赫兹波形的精确测定。
所述太赫兹波谱成像装置还包括锁相放大器、电流放大器和偏压源；所述锁相放大器提供太赫兹发射天线的信号，获得太赫兹接收天线的信号；所述锁相放大器提供的电信号，先调制偏压源，再将此调制信号提供给太赫兹发射天线；太赫兹接收天线获得的电信号，先经过电流放大器将信号放大，再传导至锁相放大器采集和处理，由锁相放大器将波形信息传递给计算机，供变换至波谱及成像使用。
对于每个太赫兹发射天线，用光纤连接到分光器，并用电线连接被锁相放大器调制的偏压源。对于每个太赫兹接收天线，用光纤连接到分光器，并用电线连接电流放大器，以便将接收到的电信号放大。锁相放大器分别连接偏压源和电流放大器，输出信号以调制偏压源，接收来自电流放大器的信号并采集。
由于本发明太赫兹天线数量较多，而所有太赫兹天线需要使用同一个激光器发出的激光以满足相干条件，因此需要使用分光器将激光分成多束光束。来自激光器的激光先由一个一分二分光器分为两束，分别作为太赫兹发射天线的泵浦光和接收天线的参考光。使用一分四分光器将总泵浦光分成4束，分别由光纤连接至4个太赫兹发射天线。总参考光先经过一个光学延时线，再使用一分十六分光器将总参考光分成16束，分别由光纤连接至16个太赫兹接收天线。需要注意调整各分光器，令传导至所有20个太赫兹天线的激光功率大致相同。
成像过程中，令光学延时线扫描参考光的光程，当且仅当参考光的光程严格等于泵浦光的光程与太赫兹波在自由空间的光程之和时，接收天线能够探测到太赫兹时域信号(即信号波形)，对时域信号进行傅里叶变换后可获得样本反射波谱，进而可利用波谱信息成像。
需要说明的是，在说明书正文中，未描述的实现方式，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，上述对方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，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；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。
综上所述，本发明设计了一种四发十六收天线阵列及使用其的太赫兹波谱成像装置，其采用多发多收阵列，综合了多发多收阵列雷达的横向成像能力和太赫兹时域信号检测的轴向测距能力，又因使用波长较短的太赫兹波，可以获得亚毫米级分辨率，并可实现对较薄的非导电介质的无损穿透成像，满足了复合材料精细结构无损探伤的需要。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种四发十六收天线阵列，其特征在于，该天线阵列的拓扑结构满足以下条件：
设定一二维平面坐标，包括坐标原点和x、y轴；
四个发射天线，其设置位置位于所述二维平面坐标内且围成一个正方形，所述四个发射天线处于正方形四个顶点处，所述正方形的中心点为所述坐标原点；
十六个接收天线，其设置位置位于所述正方形内部，并且所述十六个接收天线的设置位置满足不混叠原则，即十六个接收天线的设置位置坐标各不相同，并且在x和y轴方向上的投影也不重合。
2.根据权利要求1所述的一种四发十六收天线阵列，其特征在于，所述四个发射天线的设置位置在所述二维平面坐标的坐标值为：
其中，a为正方形的边长。
3.根据权利要求1所述的一种四发十六收天线阵列，其特征在于，所述十六个接收天线的设置位置在所述二维平面坐标的坐标值需满足以下条件：
设定接收天线的数量NR＝16,定义参数
定义集合
则接收天线的所有可能位置rR由下式给出，其中Rn代表序号为n的接收天线，为其位置坐标；
其中，满足条件：当i≠j时，有
4.根据权利要求3所述的一种四发十六收天线阵列，其特征在于，所述十六个接收天线的设置位置进一步满足以下条件：(1)通过网格法保证接收天线的位置在正方形内均匀分布；(2)使用投影切片法，确保接收天线的最大阴影数最小，最大阴影数为接收天线阵列在平面内任意角度的投影中最多重叠的数量；具体方法为：首先将满足所有条件的四发十六收天线阵列对应为有效孔径，有效孔径为边长2a的正方形，其中包含排列方法与实际MIMO相同的64个阵元的位置；
随后将有效孔径划分为8×8的网格，确保每个小格中有且只有一个有效孔径的阵元；
将以上筛选出的阵列排布方式应用投影切片法计算出每一阵列排布方式在0～180度所有角度中的最大阴影数，选择最大阴影数最小的MIMO阵列排布方式。
5.包含权利要求1-4之一所述的一种使用四发十六收天线阵列的太赫兹波谱成像装置，其特征在于，其基于光学延时线扫描，包括激光器、分光器、光学延时线、太赫兹发射天线、太赫兹接收天线和光纤；所述激光器发出的激光光源被分光器分为两束，分别作为太赫兹发射天线的泵浦光和太赫兹接收天线的参考光，进而泵浦光被一分四分光器分为4束，分别泵浦四个太赫兹发射天线；参考光被一分十六分光器分为16束，分别作为16个太赫兹接收天线的参考光；光学延时线位于太赫兹接收天线的参考光的光路中，扫描参考光的光程，当且仅当参考光的光程严格等于泵浦光的光程与太赫兹波在自由空间的光程之和时，太赫兹接收天线才能够探测到太赫兹信号，从而实现对经过样本反射的太赫兹波形的精确测定。
6.根据权利要求5所述的一种使用四发十六收天线阵列的太赫兹波谱成像装置，其特征在于，还包括锁相放大器、电流放大器和偏压源；所述锁相放大器提供太赫兹发射天线的信号，获得太赫兹接收天线的信号；所述锁相放大器提供的电信号，先调制偏压源，再将此调制信号提供给太赫兹发射天线；太赫兹接收天线获得的电信号，先经过电流放大器将信号放大，再传导至锁相放大器采集和处理，由锁相放大器将波形信息传递给计算机，供变换至波谱及成像使用。
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