一種微波單像素成像前端器件制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種微波單像素成像前端器件，包括成像衍射透鏡、掩膜板、衍射透鏡、傳感器饋源喇叭和電磁波照明喇叭，其中，掩膜板包括PCB板和制作在PCB板上的亞波長(zhǎng)金屬陣列，亞波長(zhǎng)金屬陣列包括多個(gè)單元，至少有一個(gè)單元的諧振頻率與其他單元的諧振頻率不同。由于掩膜板具有多個(gè)諧振頻率，因此，只采用這一塊掩膜板就可以適應(yīng)多種頻率的電磁波得到多個(gè)測(cè)量模式，不需要更換掩膜板，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種微波單像素成像前端器件。
技術(shù)介紹
微波(包括毫米波)成像技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)預(yù)警與監(jiān)視、艦船和飛機(jī)的導(dǎo)航、人身安檢等方面都具有極大的應(yīng)用需求。與可見光和紅外成像相比，微波能夠以很小的衰減穿透煙霧、塵埃和紡織物，具備全天候工作以及探測(cè)藏匿于衣物之下的危險(xiǎn)品的能力。傳統(tǒng)的微波成像系統(tǒng)基本上可以分成兩類：?jiǎn)蝹鞲衅?像素)掃描成像系統(tǒng)和多元(像素)相控陣系統(tǒng)。單傳感器掃描系統(tǒng)(包括對(duì)場(chǎng)景的掃描和成像器件的焦平面掃描)如圖1所示，它具有低成本優(yōu)勢(shì)，但由于一次只能獲取一個(gè)像素點(diǎn)，其性能特別是實(shí)時(shí)成像方面很難滿足應(yīng)用需求。多元成像系統(tǒng)可以同時(shí)獲取圖像的全部像素點(diǎn)，在性能上優(yōu)于單傳感器系統(tǒng)，但體積、重量及成本方面犧牲太多。無論是單傳感器掃描成像系統(tǒng)還是多元相控陣系統(tǒng)，制約它們性能的根本原因在于其所基于的傳統(tǒng)成像方式。這種傳統(tǒng)成像方式的圖像信號(hào)獲取和處理過程如圖2所示，首先以奈奎斯特采樣定理為準(zhǔn)則對(duì)原始場(chǎng)景信號(hào)進(jìn)行信號(hào)采樣(得到N個(gè)采樣點(diǎn))，然后進(jìn)行壓縮，再傳輸?shù)教幚砥鬟M(jìn)行信號(hào)處理，最后解壓得到電子圖像并輸出到顯示器上。從上述成像過程可以看到，傳統(tǒng)的\先采樣-再壓縮-后處理\的數(shù)據(jù)獲取方法，只是在壓縮過程中的扔掉大量的冗余信息，為了得到真實(shí)的圖像，需要對(duì)原始場(chǎng)景進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)和傳輸。實(shí)際上一幅原始圖像中通常包含大量無用的數(shù)據(jù)(即圖像信號(hào)通常是稀疏的)，但是傳統(tǒng)的成像方式將這些數(shù)據(jù)全部采集、處理，既浪費(fèi)大量的存儲(chǔ)和計(jì)算資源又使得微波成像系統(tǒng)非常復(fù)雜且性能不佳，單傳感器掃描系統(tǒng)需要機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置來掃描，成像速度慢，而多元成像系統(tǒng)則成本昂貴、體積重量較大。自然界的大多數(shù)圖像信號(hào)都是稀疏的，對(duì)于這類信號(hào)，Candes等人于2006年提出了壓縮感知理論(CompressiveSensing-CS)，基于這一理論的CS成像技術(shù)是解決前述傳統(tǒng)毫米波成像問題的良方。CS理論突破了奈奎斯特采樣定理瓶頸，認(rèn)為對(duì)圖像信號(hào)X的采樣量不取決于信號(hào)的帶寬，而取決于信號(hào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果信號(hào)X是稀疏的或者在某個(gè)變換域內(nèi)是稀疏的，那么就可以用一個(gè)與變換基不相關(guān)并且滿足約束等距性(RIP)的測(cè)量矩陣Φ將高維信號(hào)投影至低維空間—即得到降維的信號(hào)數(shù)據(jù)Y，然后通過求解l0范數(shù)最小優(yōu)化問題從少量的投影測(cè)量中以高概率重構(gòu)出原始信號(hào)。CS理論證明：如果被探測(cè)的信號(hào)X具備稀疏特性，則獲取信號(hào)所必需的測(cè)量數(shù)據(jù)與其稀疏度K量級(jí)相當(dāng)，而遠(yuǎn)小于信號(hào)的維數(shù)N。顯然，這里“測(cè)量數(shù)據(jù)”不再是Shannon-Nyquist定理中的矩形脈沖均勻采樣，而是信號(hào)在特定矩陣上的投影Y，即Y＝ΦX(1)其中M維向量Y為測(cè)量數(shù)據(jù)，稱M×N維矩陣Φ為測(cè)量矩陣(事實(shí)上，當(dāng)M＝N，且取Φ為單位矩陣的時(shí)候，式(1)退化為傳統(tǒng)的采樣方式)。在壓縮感知理論中，獲取X所需的測(cè)量數(shù)(即矩陣Φ的行數(shù))約為M＝O(Klog(N/K))，這是一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于N的數(shù)。與傳統(tǒng)成像相比，CS理論的核心思想是將\采樣\與\壓縮\這兩項(xiàng)工作整合在一個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)，圖3為基于壓縮感知的圖像信號(hào)獲取和處理流程。利用比Nyquist采樣少得多的非相干的一組(M個(gè))線性測(cè)量實(shí)現(xiàn)一個(gè)稀疏或可壓縮信號(hào)X的測(cè)量集Y，然后從測(cè)量集Y中恢復(fù)信號(hào)X，從而節(jié)省大量資源。具體到CS成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，其中的關(guān)鍵是如何利用硬件設(shè)備，電控實(shí)現(xiàn)測(cè)量矩陣Φ，一個(gè)可供參考的基于CS理論的單傳感器成像光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示。在成像透鏡和像平面之間設(shè)有掩模板，場(chǎng)景物體散射的電磁波經(jīng)過透鏡后被掩模板壓縮取樣，取樣后的電磁信號(hào)，可通過設(shè)置在像平面的傳感器接收、儲(chǔ)存，從而得到一個(gè)壓縮取樣的測(cè)量數(shù)據(jù)，多數(shù)文獻(xiàn)將之稱為一個(gè)測(cè)量模式。更換掩模板，可以獲取另一個(gè)測(cè)量模式，只要有足夠多的掩模板，就可以獲得CS成像所需的足夠測(cè)量模式(作為示例，圖3下方僅給出了更換4次掩模板得到的四個(gè)測(cè)量模式)，再通過信號(hào)處理程序，反演得到場(chǎng)景的圖像。從前面的敘述可以看到，通過M個(gè)掩模板壓縮取樣，可以得到M個(gè)測(cè)量模式，這M個(gè)測(cè)量模式合在一起即構(gòu)成測(cè)量矩陣Φ，且矩陣Φ的行數(shù)為M。可見，現(xiàn)有技術(shù)中的CS成像系統(tǒng)需要通過多次更換掩膜板才能獲得多個(gè)測(cè)量模式，這樣就要求CS成像系統(tǒng)具有足夠多的掩膜板，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。并且，現(xiàn)有技術(shù)中的CS成像系統(tǒng)需要通過機(jī)械方式更換掩膜版，操作起來較復(fù)雜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的：本專利技術(shù)的目的是提供一種只需一塊掩膜板，不用更換掩膜板的微波單像素成像前端器件。技術(shù)方案：為達(dá)到此目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：本專利技術(shù)所述的微波單像素成像前端器件，包括成像衍射透鏡、掩膜板、衍射透鏡、傳感器饋源喇叭和電磁波照明喇叭，其中，掩膜板包括PCB板和制作在PCB板上的亞波長(zhǎng)金屬陣列，亞波長(zhǎng)金屬陣列包括多個(gè)單元，至少有一個(gè)單元的諧振頻率與其他單元的諧振頻率不同。進(jìn)一步，所述單元為互補(bǔ)電感電容單元，至少一個(gè)互補(bǔ)電感電容單元的尺寸與其他互補(bǔ)電感電容單元的尺寸不同；互補(bǔ)電感電容單元包括刻蝕了溝道的金屬層，溝道包括矩形環(huán)狀溝道，自矩形環(huán)狀溝道的兩條平行邊分別延伸出第一T形溝道和第二T形溝道。進(jìn)一步，所述第一T形溝道和第二T形溝道的尺寸相同。有益效果：本專利技術(shù)提出了一種微波單像素成像前端器件，其中的掩膜板具有多個(gè)諧振頻率，因此，只采用這一塊掩膜板就可以適應(yīng)多種頻率的電磁波得到多個(gè)測(cè)量模式，不需要更換掩膜板，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作簡(jiǎn)便。附圖說明圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的單傳感器(像素)掃描成像原理示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)成像信號(hào)獲取和處理方式示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中的壓縮感知成像信號(hào)獲取和處理方式示意圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中的CS成像光學(xué)系統(tǒng)原理示意圖；圖5為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中的微波單像素成像前端器件的示意圖；圖6為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中的掩膜板的示意圖；圖7為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中的互補(bǔ)電感電容單元的示意圖；圖8為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中采用一種頻率電磁波源照射場(chǎng)景物體時(shí)掩膜板中相應(yīng)的互補(bǔ)電感電容單元的示意圖；圖9為本專利技術(shù)具體實(shí)施方式中采用一種頻率電磁波源照射場(chǎng)景物體后得到的掩膜樣式示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本專利技術(shù)的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。本具體實(shí)施方式公開了一種微波單像素成像前端器件，如圖5所示，包括成像衍射透鏡1、掩膜板2、衍射透鏡3、傳感器饋源喇叭4和電磁波照明喇叭5。其中，掩膜板2包括PCB板和制作在PCB板上的亞波長(zhǎng)金屬陣列，如圖6所示，亞波長(zhǎng)金屬陣列包括多個(gè)互補(bǔ)電感電容單元(ComplementaryElectricInductorCapacitorsElements)。互補(bǔ)電感電容單元對(duì)特定頻率的電磁波透過率最大，而對(duì)其他頻率的電磁波呈高阻特性，由于其諧振時(shí)高Q值的特點(diǎn)，非常適合實(shí)現(xiàn)不同單元對(duì)不同頻率電磁波的選擇性。因此，至少有一個(gè)互補(bǔ)電感電容單元的尺寸與其他互補(bǔ)電感電容單元的尺寸不同，導(dǎo)致至少有一個(gè)互補(bǔ)電感電容單元的諧振頻率與其他互補(bǔ)電感電容單元的諧振頻率不同。互補(bǔ)電感電容單元包括刻蝕了溝道的金屬層，如圖7所示，溝道包括矩形環(huán)狀溝道21，自矩形環(huán)狀溝道21的兩條平行邊分別延伸出第一T形溝道22和第二T形溝道23。下面介紹一下微波單像素成像前端器件的工作原理：首先以某頻率的電磁波源照射場(chǎng)景物體，場(chǎng)景物體反射的電磁波經(jīng)過成像衍射透鏡1成像在其焦平面處，焦平面處的掩膜板2的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種微波單像素成像前端器件，其特征在于：包括成像衍射透鏡(1)、掩膜板(2)、衍射透鏡(3)、傳感器饋源喇叭(4)和電磁波照明喇叭(5)，其中，掩膜板(2)包括PCB板和制作在PCB板上的亞波長(zhǎng)金屬陣列，亞波長(zhǎng)金屬陣列包括多個(gè)單元，至少有一個(gè)單元的諧振頻率與其他單元的諧振頻率不同。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種微波單像素成像前端器件，其特征在于：包括成像衍射透鏡(1)、掩膜板(2)、衍射透鏡(3)、傳感器饋源喇叭(4)和電磁波照明喇叭(5)，其中，掩膜板(2)包括PCB板和制作在PCB板上的亞波長(zhǎng)金屬陣列，亞波長(zhǎng)金屬陣列包括多個(gè)單元，至少有一個(gè)單元的諧振頻率與其他單元的諧振頻率不同。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波單像素成像前端器件，其特征在于：所述單元為...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：權(quán)計(jì)超，王伶，王宗新，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中電科技揚(yáng)州寶軍電子有限公司，東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32