一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统的制作方法
一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，是一种基于椭球面镜聚焦，楔面镜旋转扫描的准光天线系统。
【背景技术】
[0002]近些年来，国内外公共场所受到的安全威胁不断增加，公共安全问题备受关注。传统的光学、红外、X射线以及金属探测的安检系统不能检测一些潜在的隐匿物品，尤其是一些非金属武器等，因此对于人体及随带物品的安检问题亟需解决。随着成像技术的快速发展，国际安检系统的检测性能取得了突破性进展，该系统工作频段主要在毫米波及太赫兹波段范围内。
[0003]晕米波(MMW)与低频率的太赫兹(THz)波波长较长，具有更强的穿透能力与绕射能力，并且可以提供较高的分辨率，可以穿透人体衣物，检测出隐匿的金属/非金属武器、液体爆炸物、生物/化学违禁物等危险物品。在MMW与THz波成像系统中主要分为主动成像系统和被动成像系统，主动成像系统需要辐射源，一般具有较高的动态探测范围且能够实现3D成像，但辐射源对人体辐射作用以及涉及个人隐私问题，使得主动成像系统不能被人们很好的接受。被动成像系统不需要发射源，依靠人体及其他物品向外辐射电磁波，而由于不同的物体与人体的辐射温度的对比度不同，通过探测器来探测不同物体的电磁辐射，进行处理分析得到图像。相比于主动成像系统，被动成像系统设计较为复杂，灵敏度相对较低，但是其不存在辐射源，具有隐蔽和清洁的特点，成像不存在闪烁效应，不易受极化和边缘散射的影响，并且隐匿物体容易被无源成像方式探测到。因此，近几年，该领域的国内外研宄学者深入研宄快速、高空间分辨率的被动安检成像技术，并取得了一定的进展。英国的Thruvis1n，美国的 Millitech, Bri jot, Millisis1n, Trex Enterprise，日本的 NEC 等公司在被动安检成像方面已经取得一定的研宄成果，国内诸如中电38所，首都师范大学以及航天一些科研院所在被动安检成像的研宄中也取得了很大的进步。然而，目前可实际应用于海关、机场、地铁安检等公共场所的被动THz/MMW成像安检设备还存在成像时间较长、空间分辨率低、成本高等问题，导致技术研宄产品化发展缓慢。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，本发明所提出的新型准光系统，不仅采用反射组件实现低损耗的空间传输，并且采用椭球面镜更好的控制高斯光束实现聚焦，而且利用楔面反射镜旋转与多通道探测器阵列形式的结合，实现近距离高空间分辨率快速成像。该扫描天线系统的设计不仅存在技术上的创新，同时有很大的实用价值。
[0005]为了实现上述目的，本发明的方案是:一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，包括一个平面镜、一个聚光镜和一个接收天线，平面镜用于对被测物体进行场方向的扫描，聚光镜用于会聚高斯光束，接收天线用于接收聚光镜接收来的反射光信息，并将该反射光信息传递至成像服务器；其中，所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息完成对被测物体行方向的扫描，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。
[0006]方案进一步是:所述平面镜中心与被测物体水平距离为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离是0.60m，与平面镜中心水平距离是0.104m，所述楔面镜的楔面反面是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离是0.574m，所述接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离为0.17m。
[0007]方案进一步是:所述平面镜由一个摇摆装置带动平面镜以其中心为转轴做仰俯各20度角度摆动。
[0008]方案进一步是:所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角、即楔角是10度。
[0009]方案进一步是:所述椭球面镜的孔径是567mmX635mm、两个聚光点的反射夹角是60度，所述旋转楔面镜的孔径是600mm，所述俯仰平面镜的孔径是506 mm X 716mm的椭圆形平面镜。
[0010]方案进一步是:所述馈源阵列是2X3馈源阵列。
[0011]方案进一步是:所述平面镜、聚光镜、接收天线和楔面镜安装在一个长、宽、高分别是0.90m,0.57m、1.30m的框架壳体中。
[0012]本发明专利的优点在于，提供了一种高空间分辨率快速扫描成像的准光系统，采用该系统可以使THz波段安检成像系统实现快速扫描成像，并且近场成像图像分辨率可以实现7_8mm。
[0013]本发明主要基于提高系统的扫描速度与降低系统的复杂程度设计了一种准光系统成像方案。该系统水平方向的扫描方式采用楔面镜旋转扫描，不存在扫描元件的往复运动，可以保持很高的元件转动速度，进而提高成像速度。竖直方向的扫描采用平面镜俯仰配合完成整体成像目标的二维扫描。旋转式的扫描方式不仅解决了往复摆动存在加减速扫描时间长的问题，还在一定程度上减少了机械振动，提高了系统的稳定性。并且该扫描系统结合多通道接收机阵列方式，可以很好地覆盖待测目标区域。因此，该准光系统不仅实现了7-8mm的高空间分辨率，而且将近距离被动安检成像时间限制在I秒以内，此高分辨率快速成像的特性可应用于毫米波/太赫兹波段安检成像设备中，可以对藏在人体衣物中的一些非金属武器等一些违禁品进行有效的检测成像，具有很大的应用价值。
[0014]本发明改善了太赫兹波段近距离被动安检成像分辨率较低，时间较长的缺点。从实用角度出发，采用椭球面反射镜、倾斜旋转反射镜及探测器阵列结合的方式实现高效率安检成像；本系统具有低损耗传输、较高的稳定性和可靠性及近场高空间分辨率，是成像系统的一大创新，并有很大的实用价值；准光天线二维扫描采用俯仰摆动与旋转结合，扫描时间短，控制简单，精度高，可广泛应用于机场、地铁、轮渡码头及一些公共场所近距离安检成像领域。
[0015]下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。
【附图说明】
[0016]图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明楔面镜端面示意图。
【具体实施方式】
[0017]一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，如图1和图2所示，所述系统包括一个平面镜1、一个聚光镜2和一个接收天线3，平面镜用于对被测物体4进行场方向的扫描，聚光镜用于接收平面镜反射光会聚高斯光束，接收天线用于接收聚光镜接收来的反射光信息，并将该反射光信息传递至成像服务器；所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜5，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息，完成对被测物体行方向的扫描，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面501面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。
[0018]实施例中:所述平面镜中心与被测物体水平距离a为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角b是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角c为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离d是0.60m，与平面镜中心水平距离e是0.104m，所述楔面镜的楔面反面502是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角f是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离g是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离h是0.573m，所述接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角i是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线j距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离k为0.17m。
[0019]实施例中:所述平面镜由一个摇摆装置带动平面镜以其中心为转轴做仰俯各20度角度摆动。
[0020]实施例中:所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角m，即楔角是10度。
[0021]实施例中:所述椭球面镜的孔径是567X635mm、两个聚光点的反射夹角 是60度，所述旋转楔面镜的孔径是600_，所述俯仰平面镜的孔径是506 mmX716mm的椭圆形平面镜。
[0022]实施例中:所述馈源阵列是2X3馈源阵列。
[0023]实施例中:所述平面镜、聚光镜、接收天线和楔面镜安装在一个长L、宽W、高H分别是0.90m,0.57m、1.30m的框架壳体中。
[0024]上述实施例准光系统的设计主要关系到成像的视域范围和空间分辨率。为实现高空间分辨率和快速成像，而且实现大视域范围的成像则需要焦平面阵列与机械扫描机制匹配实现。所述的准光天线系统，聚焦器件采用大口径椭球面聚焦反射镜，基于设计的近距离较大区域高分辨率的扫描探测及馈源束腰，根据高斯光束的传播规律，将椭球面的口面直径采用3ω (ω为高斯波束半径)，约为567_，这样可以使得能量基本全被反射，对于被动检测系统降低传输过程中的损耗起到很大的作用。扫描系统采用楔面镜旋转与平面镜俯仰相配合的扫描方式，即楔面镜旋转一周的同时，俯仰平面镜摆动一个单位角度，并且采用6通道2X3阵列接收机阵列方式，在与接收机性能(主要是接收机的积分时间)匹配的条件下，设定楔面反射镜的转速，可以实现Im探测距离，7-8mm高空间分辨率与快速成像。并且，该准光天线系统在毫米波/太赫兹波段均可应用，关于在大角度扫描过程中出现的焦斑畸变问题，在图像的恢复处理通过一些算法可以进行校正。该系统焦平面采用接收机阵列形式，二维机械扫描包含旋转圆锥扫描与摆动俯仰扫描，此设计方法既避免了平面镜来回摆动存在加减速的问题，缩短了扫描时间，又能满足视域范围的全部覆盖，并且连续旋转控制的要求与连续俯仰摆动的控制要求低且稳定性较高，可以在一定程度上降低成本。聚焦器件同样选择反射镜一一椭球面反射镜，实现高分辨率低损耗传输成像，对于被动安检系统至关重要。
[0025]实施例中的平面镜为椭圆形，口面尺寸为506X716mm，上下俯仰±20°，通过上下俯仰进行竖直方向的扫描，俯仰的角度为40°，俯仰时间间隔为楔面镜旋转一周的时间，即楔面镜旋转一周，同时俯仰镜完成了一个俯仰间隔，整个待测区域扫描完成，旋转镜旋转34转，俯仰镜连续摆动40° ;
实施例中的椭球面反射镜，口面尺寸为567X635mm，椭球面镜与竖直方向的夹角为48°固定，安装过程中可以安装五维调整架进行位置的微调聚焦。椭球面镜与其所在的椭球的两个焦点的距离分别为1600mm，1258mm，及待测区域和馈源与椭球面的光程。该椭球面镜主要目的是实现高斯光束的聚焦；
实施例中的楔面镜，楔角为10°，楔面镜与椭球面镜的距离为600mm，楔面镜初始位置与竖直方向的夹角为46°，围绕其中心旋转轴通过连续的匀速旋转实现对水平方向的扫描;
实施例中的接收天线为喇叭馈源阵列，馈源距离楔面镜的距离为658mm，六通道采用2X3阵列方式接收，馈源阵列与竖直方向的夹角为75°固定。
[0026]上述实施例中俯仰镜的俯仰对待测目标进行场扫描，基于探测距离较近，待测区域比较大，使得俯仰镜的摆动角度范围比较大，因而要合理设计俯仰镜与椭球面镜之间的距离，使俯仰镜在俯仰过程中光束不被遮挡。
[0027]实施例中俯仰镜场扫描，在基准位置上俯仰±20°时光束及光斑的变化，从光斑的强度变化得知，虽然在基准位置变化俯仰相同的角度，但是焦斑变化却在某一方向比较明显。解决此问题的方法:1)在场镜安装时，使整个准光系统在最早设定的平衡位置基础上做一个角度的偏转，使得待测目标的底端和顶端与场镜的光程基本相等；2)在做图像恢复处理时，进行焦斑的矫正。
[0028]本系统的成像时间:
成像的视场范围为160 X 80cm，探测器6通道阵列，采样点满足采样定理，即每个3dB波束宽度内至少采样两个点，单通道扫描是其扫过一个波束单元所用的时间不低于积分时间的2倍。
[0029]本系统的机械控制:
对待测目标80cmX 160cm范围的完整扫描，则需要楔面镜与俯仰镜的匹配，因此机械控制系统很重要。为保证同步的控制，旋转镜的转动通过电机的匀速转动控制，俯仰镜通过一个电子凸轮从动于转盘的旋转，设置转盘旋转一周，控制俯仰偏移一个单位间隔，从而进行竖直方向的扫描。
[0030]本系统主要基于提高系统的扫描速度与降低系统的复杂程度而设计的。在满足设计要求的前提下，水平方向的扫描方式采用旋转扫描，圆锥扫描由于不存在扫描元件的往复运动，可以保持很高的元件转动速度，进而提高成像速度。选用单楔面镜扫描，避免了多楔面镜旋转的同步控制问题，而且在本系统中镜面的口径都相对较大，镜面的数量减少，使得系统中不易出现波传输的遮挡问题，在一定程度上也降低了传输中的绕射损耗。
[0031]系统中选择单楔面的选转，也就选择了圆锥式的扫描方式，单楔面旋转一周为一圆周，外加俯仰镜的摆动，合成轨迹为一螺旋式的扫描轨迹。这种扫描方式与接收天线的排布方式紧密相关，因圆锥扫描使得焦斑在视域范围内待测目标的边缘处覆盖很好，但是在中心处较稀疏，与成像要求不符合，因而需要接收通道的增加，提高采样率。天线排布方式也很重要，对于本系统采用2X3交错式阵列的排布方式。
【主权项】
1.一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，包括一个平面镜、一个聚光镜和一个接收天线，平面镜用于对被测物体进行场方向的扫描，聚光镜用于会聚高斯光束，接收天线用于接收聚光镜接收来的反射光信息，并将该反射光信息传递至成像服务器；其特征在于，所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息完成对被测物体行方向的扫描，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。2.根据权利要求1所述的准光系统，其特征在于，所述平面镜中心与被测物体水平距离为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离是0.60m，与平面镜中心水平距离是0.104m，所述楔面镜的楔面反面是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离是0.574m，所述接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离为0.17m。3.根据权利要求1所述的准光系统，其特征在于，所述平面镜由一个摇摆装置带动平面镜以其中心为转轴做仰俯各20度角度摆动。4.根据权利要求1所述的准光系统，其特征在于，所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角、即楔角是10度。5.根据权利要求1-4任一所述的准光系统，其特征在于，所述椭球面镜的孔径是567mmX635mm、两个聚光点的反射夹角是60度，所述旋转楔面镜的孔径是600mm，所述俯仰平面镜的孔径是506 mmX716mm的椭圆形平面镜。6.根据权利要求2所述的准光系统，其特征在于，所述馈源阵列是2X3馈源阵列。7.根据权利要求1-4任一所述的准光系统，其特征在于，所述平面镜、聚光镜、接收天线和楔面镜安装在一个长、宽、高分别是0.90m,0.57m、1.30m的框架壳体中。
【专利摘要】本发明公开了一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，包括一个平面镜、一个聚光镜、和一个接收天线，所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。本发明改善了太赫兹波段近距离被动安检成像分辨率较低，时间较长的缺点，采用椭球面反射镜、旋转楔面镜及探测器阵列结合的方式实现高分辨率快速的高效率安检成像；控制简单，精度高，可广泛应用于机场、地铁、轮渡码头及一些公共场所近距离安检成像领域。
【IPC分类】G01V3/12
【公开号】CN104898171
【申请号】CN201510294462
【发明人】郝丛静, 高翔, 王卓, 段玮倩, 丁青, 何君
【申请人】北京航天易联科技发展有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月2日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，是一种基于椭球面镜聚焦，楔面镜旋转扫描的准光天线系统。
【背景技术】
[0002]近些年来，国内外公共场所受到的安全威胁不断增加，公共安全问题备受关注。传统的光学、红外、X射线以及金属探测的安检系统不能检测一些潜在的隐匿物品，尤其是一些非金属武器等，因此对于人体及随带物品的安检问题亟需解决。随着成像技术的快速发展，国际安检系统的检测性能取得了突破性进展，该系统工作频段主要在毫米波及太赫兹波段范围内。
[0003]晕米波(MMW)与低频率的太赫兹(THz)波波长较长，具有更强的穿透能力与绕射能力，并且可以提供较高的分辨率，可以穿透人体衣物，检测出隐匿的金属/非金属武器、液体爆炸物、生物/化学违禁物等危险物品。在MMW与THz波成像系统中主要分为主动成像系统和被动成像系统，主动成像系统需要辐射源，一般具有较高的动态探测范围且能够实现3D成像，但辐射源对人体辐射作用以及涉及个人隐私问题，使得主动成像系统不能被人们很好的接受。被动成像系统不需要发射源，依靠人体及其他物品向外辐射电磁波，而由于不同的物体与人体的辐射温度的对比度不同，通过探测器来探测不同物体的电磁辐射，进行处理分析得到图像。相比于主动成像系统，被动成像系统设计较为复杂，灵敏度相对较低，但是其不存在辐射源，具有隐蔽和清洁的特点，成像不存在闪烁效应，不易受极化和边缘散射的影响，并且隐匿物体容易被无源成像方式探测到。因此，近几年，该领域的国内外研宄学者深入研宄快速、高空间分辨率的被动安检成像技术，并取得了一定的进展。英国的Thruvis1n，美国的 Millitech, Bri jot, Millisis1n, Trex Enterprise，日本的 NEC 等公司在被动安检成像方面已经取得一定的研宄成果，国内诸如中电38所，首都师范大学以及航天一些科研院所在被动安检成像的研宄中也取得了很大的进步。然而，目前可实际应用于海关、机场、地铁安检等公共场所的被动THz/MMW成像安检设备还存在成像时间较长、空间分辨率低、成本高等问题，导致技术研宄产品化发展缓慢。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，本发明所提出的新型准光系统，不仅采用反射组件实现低损耗的空间传输，并且采用椭球面镜更好的控制高斯光束实现聚焦，而且利用楔面反射镜旋转与多通道探测器阵列形式的结合，实现近距离高空间分辨率快速成像。该扫描天线系统的设计不仅存在技术上的创新，同时有很大的实用价值。
[0005]为了实现上述目的，本发明的方案是:一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，包括一个平面镜、一个聚光镜和一个接收天线，平面镜用于对被测物体进行场方向的扫描，聚光镜用于会聚高斯光束，接收天线用于接收聚光镜接收来的反射光信息，并将该反射光信息传递至成像服务器；其中，所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息完成对被测物体行方向的扫描，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。
[0006]方案进一步是:所述平面镜中心与被测物体水平距离为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离是0.60m，与平面镜中心水平距离是0.104m，所述楔面镜的楔面反面是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离是0.574m，所述接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离为0.17m。
[0007]方案进一步是:所述平面镜由一个摇摆装置带动平面镜以其中心为转轴做仰俯各20度角度摆动。
[0008]方案进一步是:所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角、即楔角是10度。
[0009]方案进一步是:所述椭球面镜的孔径是567mmX635mm、两个聚光点的反射夹角是60度，所述旋转楔面镜的孔径是600mm，所述俯仰平面镜的孔径是506 mm X 716mm的椭圆形平面镜。
[0010]方案进一步是:所述馈源阵列是2X3馈源阵列。
[0011]方案进一步是:所述平面镜、聚光镜、接收天线和楔面镜安装在一个长、宽、高分别是0.90m,0.57m、1.30m的框架壳体中。
[0012]本发明专利的优点在于，提供了一种高空间分辨率快速扫描成像的准光系统，采用该系统可以使THz波段安检成像系统实现快速扫描成像，并且近场成像图像分辨率可以实现7_8mm。
[0013]本发明主要基于提高系统的扫描速度与降低系统的复杂程度设计了一种准光系统成像方案。该系统水平方向的扫描方式采用楔面镜旋转扫描，不存在扫描元件的往复运动，可以保持很高的元件转动速度，进而提高成像速度。竖直方向的扫描采用平面镜俯仰配合完成整体成像目标的二维扫描。旋转式的扫描方式不仅解决了往复摆动存在加减速扫描时间长的问题，还在一定程度上减少了机械振动，提高了系统的稳定性。并且该扫描系统结合多通道接收机阵列方式，可以很好地覆盖待测目标区域。因此，该准光系统不仅实现了7-8mm的高空间分辨率，而且将近距离被动安检成像时间限制在I秒以内，此高分辨率快速成像的特性可应用于毫米波/太赫兹波段安检成像设备中，可以对藏在人体衣物中的一些非金属武器等一些违禁品进行有效的检测成像，具有很大的应用价值。
[0014]本发明改善了太赫兹波段近距离被动安检成像分辨率较低，时间较长的缺点。从实用角度出发，采用椭球面反射镜、倾斜旋转反射镜及探测器阵列结合的方式实现高效率安检成像；本系统具有低损耗传输、较高的稳定性和可靠性及近场高空间分辨率，是成像系统的一大创新，并有很大的实用价值；准光天线二维扫描采用俯仰摆动与旋转结合，扫描时间短，控制简单，精度高，可广泛应用于机场、地铁、轮渡码头及一些公共场所近距离安检成像领域。
[0015]下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。
【附图说明】
[0016]图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明楔面镜端面示意图。
【具体实施方式】
[0017]一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，如图1和图2所示，所述系统包括一个平面镜1、一个聚光镜2和一个接收天线3，平面镜用于对被测物体4进行场方向的扫描，聚光镜用于接收平面镜反射光会聚高斯光束，接收天线用于接收聚光镜接收来的反射光信息，并将该反射光信息传递至成像服务器；所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜5，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息，完成对被测物体行方向的扫描，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面501面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。
[0018]实施例中:所述平面镜中心与被测物体水平距离a为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角b是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角c为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离d是0.60m，与平面镜中心水平距离e是0.104m，所述楔面镜的楔面反面502是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角f是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离g是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离h是0.573m，所述接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角i是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线j距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离k为0.17m。
[0019]实施例中:所述平面镜由一个摇摆装置带动平面镜以其中心为转轴做仰俯各20度角度摆动。
[0020]实施例中:所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角m，即楔角是10度。
[0021]实施例中:所述椭球面镜的孔径是567X635mm、两个聚光点的反射夹角 是60度，所述旋转楔面镜的孔径是600_，所述俯仰平面镜的孔径是506 mmX716mm的椭圆形平面镜。
[0022]实施例中:所述馈源阵列是2X3馈源阵列。
[0023]实施例中:所述平面镜、聚光镜、接收天线和楔面镜安装在一个长L、宽W、高H分别是0.90m,0.57m、1.30m的框架壳体中。
[0024]上述实施例准光系统的设计主要关系到成像的视域范围和空间分辨率。为实现高空间分辨率和快速成像，而且实现大视域范围的成像则需要焦平面阵列与机械扫描机制匹配实现。所述的准光天线系统，聚焦器件采用大口径椭球面聚焦反射镜，基于设计的近距离较大区域高分辨率的扫描探测及馈源束腰，根据高斯光束的传播规律，将椭球面的口面直径采用3ω (ω为高斯波束半径)，约为567_，这样可以使得能量基本全被反射，对于被动检测系统降低传输过程中的损耗起到很大的作用。扫描系统采用楔面镜旋转与平面镜俯仰相配合的扫描方式，即楔面镜旋转一周的同时，俯仰平面镜摆动一个单位角度，并且采用6通道2X3阵列接收机阵列方式，在与接收机性能(主要是接收机的积分时间)匹配的条件下，设定楔面反射镜的转速，可以实现Im探测距离，7-8mm高空间分辨率与快速成像。并且，该准光天线系统在毫米波/太赫兹波段均可应用，关于在大角度扫描过程中出现的焦斑畸变问题，在图像的恢复处理通过一些算法可以进行校正。该系统焦平面采用接收机阵列形式，二维机械扫描包含旋转圆锥扫描与摆动俯仰扫描，此设计方法既避免了平面镜来回摆动存在加减速的问题，缩短了扫描时间，又能满足视域范围的全部覆盖，并且连续旋转控制的要求与连续俯仰摆动的控制要求低且稳定性较高，可以在一定程度上降低成本。聚焦器件同样选择反射镜一一椭球面反射镜，实现高分辨率低损耗传输成像，对于被动安检系统至关重要。
[0025]实施例中的平面镜为椭圆形，口面尺寸为506X716mm，上下俯仰±20°，通过上下俯仰进行竖直方向的扫描，俯仰的角度为40°，俯仰时间间隔为楔面镜旋转一周的时间，即楔面镜旋转一周，同时俯仰镜完成了一个俯仰间隔，整个待测区域扫描完成，旋转镜旋转34转，俯仰镜连续摆动40° ;
实施例中的椭球面反射镜，口面尺寸为567X635mm，椭球面镜与竖直方向的夹角为48°固定，安装过程中可以安装五维调整架进行位置的微调聚焦。椭球面镜与其所在的椭球的两个焦点的距离分别为1600mm，1258mm，及待测区域和馈源与椭球面的光程。该椭球面镜主要目的是实现高斯光束的聚焦；
实施例中的楔面镜，楔角为10°，楔面镜与椭球面镜的距离为600mm，楔面镜初始位置与竖直方向的夹角为46°，围绕其中心旋转轴通过连续的匀速旋转实现对水平方向的扫描;
实施例中的接收天线为喇叭馈源阵列，馈源距离楔面镜的距离为658mm，六通道采用2X3阵列方式接收，馈源阵列与竖直方向的夹角为75°固定。
[0026]上述实施例中俯仰镜的俯仰对待测目标进行场扫描，基于探测距离较近，待测区域比较大，使得俯仰镜的摆动角度范围比较大，因而要合理设计俯仰镜与椭球面镜之间的距离，使俯仰镜在俯仰过程中光束不被遮挡。
[0027]实施例中俯仰镜场扫描，在基准位置上俯仰±20°时光束及光斑的变化，从光斑的强度变化得知，虽然在基准位置变化俯仰相同的角度，但是焦斑变化却在某一方向比较明显。解决此问题的方法:1)在场镜安装时，使整个准光系统在最早设定的平衡位置基础上做一个角度的偏转，使得待测目标的底端和顶端与场镜的光程基本相等；2)在做图像恢复处理时，进行焦斑的矫正。
[0028]本系统的成像时间:
成像的视场范围为160 X 80cm，探测器6通道阵列，采样点满足采样定理，即每个3dB波束宽度内至少采样两个点，单通道扫描是其扫过一个波束单元所用的时间不低于积分时间的2倍。
[0029]本系统的机械控制:
对待测目标80cmX 160cm范围的完整扫描，则需要楔面镜与俯仰镜的匹配，因此机械控制系统很重要。为保证同步的控制，旋转镜的转动通过电机的匀速转动控制，俯仰镜通过一个电子凸轮从动于转盘的旋转，设置转盘旋转一周，控制俯仰偏移一个单位间隔，从而进行竖直方向的扫描。
[0030]本系统主要基于提高系统的扫描速度与降低系统的复杂程度而设计的。在满足设计要求的前提下，水平方向的扫描方式采用旋转扫描，圆锥扫描由于不存在扫描元件的往复运动，可以保持很高的元件转动速度，进而提高成像速度。选用单楔面镜扫描，避免了多楔面镜旋转的同步控制问题，而且在本系统中镜面的口径都相对较大，镜面的数量减少，使得系统中不易出现波传输的遮挡问题，在一定程度上也降低了传输中的绕射损耗。
[0031]系统中选择单楔面的选转，也就选择了圆锥式的扫描方式，单楔面旋转一周为一圆周，外加俯仰镜的摆动，合成轨迹为一螺旋式的扫描轨迹。这种扫描方式与接收天线的排布方式紧密相关，因圆锥扫描使得焦斑在视域范围内待测目标的边缘处覆盖很好，但是在中心处较稀疏，与成像要求不符合，因而需要接收通道的增加，提高采样率。天线排布方式也很重要，对于本系统采用2X3交错式阵列的排布方式。
【主权项】
1.一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，包括一个平面镜、一个聚光镜和一个接收天线，平面镜用于对被测物体进行场方向的扫描，聚光镜用于会聚高斯光束，接收天线用于接收聚光镜接收来的反射光信息，并将该反射光信息传递至成像服务器；其特征在于，所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息完成对被测物体行方向的扫描，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。2.根据权利要求1所述的准光系统，其特征在于，所述平面镜中心与被测物体水平距离为1.00m，平面镜镜面与地面垂直初始倾斜夹角是39度，所述椭球面镜在平面镜下方，其长轴与地面垂直夹角为48度，椭球面镜长短轴中心与平面镜中心直线距离是0.60m，与平面镜中心水平距离是0.104m，所述楔面镜的楔面反面是平面，其平面与地面垂直倾斜夹角是46度，其楔面中心与椭球面镜长短轴中心的直线距离是0.60m，与椭球面镜长短轴中心的水平距离是0.574m，所述接收天线是喇叭馈源阵列，馈源阵列接收面面向楔面镜的楔面，馈源阵列接收面与地面垂直倾斜夹角是75度，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的直线距离为0.658m，馈源阵列接收面中心与楔面镜中心的水平距离为0.17m。3.根据权利要求1所述的准光系统，其特征在于，所述平面镜由一个摇摆装置带动平面镜以其中心为转轴做仰俯各20度角度摆动。4.根据权利要求1所述的准光系统，其特征在于，所述楔面镜的楔面与其另一平面的夹角、即楔角是10度。5.根据权利要求1-4任一所述的准光系统，其特征在于，所述椭球面镜的孔径是567mmX635mm、两个聚光点的反射夹角是60度，所述旋转楔面镜的孔径是600mm，所述俯仰平面镜的孔径是506 mmX716mm的椭圆形平面镜。6.根据权利要求2所述的准光系统，其特征在于，所述馈源阵列是2X3馈源阵列。7.根据权利要求1-4任一所述的准光系统，其特征在于，所述平面镜、聚光镜、接收天线和楔面镜安装在一个长、宽、高分别是0.90m,0.57m、1.30m的框架壳体中。
【专利摘要】本发明公开了一种基于椭球面镜聚焦的高分辨率快速扫描成像的准光系统，包括一个平面镜、一个聚光镜、和一个接收天线，所述聚光镜是椭球面镜，在椭球面镜与接收天线之间还设置有一个楔面镜，楔面镜接收椭球面镜的反射光信息，并将该反射光信息反射至接收天线，其中，所述平面镜为镜面面向被测物体俯仰摆动的俯仰平面镜，所述楔面镜是其楔面面向椭球面镜和接收天线旋转的旋转楔面镜。本发明改善了太赫兹波段近距离被动安检成像分辨率较低，时间较长的缺点，采用椭球面反射镜、旋转楔面镜及探测器阵列结合的方式实现高分辨率快速的高效率安检成像；控制简单，精度高，可广泛应用于机场、地铁、轮渡码头及一些公共场所近距离安检成像领域。
【IPC分类】G01V3/12
【公开号】CN104898171
【申请号】CN201510294462
【发明人】郝丛静, 高翔, 王卓, 段玮倩, 丁青, 何君
【申请人】北京航天易联科技发展有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月2日
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