太赫兹雷达散射成像的实验装置的制作方法

本申请涉及太赫兹雷达成像和通信领域，特别是涉及一种太赫兹雷达散射成像的实验装置。

背景技术

随着安检成像技术的发展，太赫兹雷达成像技术是最有前景的成像技术，太赫兹波相比于毫米波雷达，具有更高的分辨率，能够得到目标的更多细节，更利于目标的自动检测与识别，其中散射是雷达成像中电磁波与目标互相作用的基本过程，目标的散射信号为雷达成像中的原始回波数据，散射特性的研究对成像模拟、成像算法以及新的雷达体制设计有重要意义，对安检场景下目标散射信号的模拟，有助于自动目标检测与识别算法的开发。

然而，太赫兹波的产生和检测非常困难，稳定性低，它的散射特性研究少导致不清晰，缺乏可靠的数据。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种稳定性高的太赫兹波的太赫兹雷达散射成像的实验装置。

一种太赫兹雷达散射成像的装置，其特征在于，所述装置包括：

信号发生装置，所述信号发生装置包括矢量网络分析仪，用于提供发射信号；

信号发射装置，包括发射端扩展件和发射天线，所述发射端扩展件连接在所述信号发生装置和所述发射天线之间，所述发射端扩展件用于提升所述发射信号的频率，获得入射信号，所述发射天线用于发射所述入射信号；

信号传导装置，所述信号传导装置能够对所述入射信号进行聚焦，所述入射信号经所述信号传导装置后作用于待测目标；

移动平台，包括目标支架和滑台，所述滑台能够在第一方向上和第二方向上移动，所述目标支架设置在所述滑台上，用于放置所述待测目标；以及

信号接收装置，包括接收端扩展件和接收天线，所述接收端扩展件连接在所述信号发生装置与所述接收天线之间，所述接收天线能够接收所述待测目标反射后的回波信号，并将所述回波信号回传至所述接收端扩展件和所述信号发生装置。

在其中一个实施例中，所述信号传导装置包括：

弧形导轨，包括第一弧形导轨和第二弧形导轨，所述信号发射装置通过第一滑座设置在所述第一弧形导轨和第二弧形导轨上；所述信号接收装置通过第二滑座设置在所述第一弧形导轨和第二弧形导轨上；

透镜组，包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜设置在所述第一滑座上，所述第二透镜设置在所述第二滑座上，所述第一透镜和所述第二透镜能够拆卸。

在其中一个实施例中，所述信号传导装置还包括齿条，所述第一滑座连接所述齿条，所述第二滑座连接所述齿条；所述齿条能够带着所述第一滑座和第二滑座滑动从而带着所述信号发射装置和所述信号接收装置滑动，所述信号发射装置与所述待测目标的角度变化以及所述信号接收装置与所述待测目标的角度变化均为60度。

在其中一个实施例中，所述信号发射装置以及所述第一透镜通过滑轨设置在所述第一滑座上，所述信号发射装置以及所述第一透镜能够沿着滑轨的方向移动，所述第一透镜设置在所述信号发生装置与所述目标支架之间，所述第一透镜与所述发射天线之间的距离等于所述第一透镜的焦距；所述信号接收装置以及所述第二透镜通过滑轨设置在所述第二滑座上，述信号接收装置以及所述第二透镜能够沿着滑轨的方向移动，所述第二透镜设置在所述信号接收装置与所述目标支架之间，所述第二透镜与所述接收天线之间的距离等于所述第二透镜的焦距。

在其中一个实施例中，所述装置还包括控制装置；所述信号发生装置连接至所述控制装置，所述控制装置用于控制所述信号发生装置记录测量参数，所述控制装置根据所述测量参数呈现成像结果；所述信号传导装置连接至所述控制装置，所述控制装置用于控制所述信号传导装置的运动；所述移动平台连接至所述控制装置，所述控制装置用于控制所述移动平台带动所述目标支架在所述第一方向上和第二方向上移动。

在其中一个实施例中，所述控制装置包括控制终端和控制器；所述控制终端连接所述信号发生装置，所述控制终端用于控制所述信号发生装置记录测量参数，所述控制终端根据所述测量参数呈现成像结果；所述控制器连接所述控制终端，用于接收所述控制终端的控制信号来控制所述信号传导装置的运动，所述控制器连接所述移动平台，用于控制所述移动平台的运动来带动所述目标支架移动。

在其中一个实施例中，所述控制装置还包括与所述控制器连接的驱动部件；所述齿条连接所述驱动部件，用于带动所述信号发射装置和所述信号接收装置滑动。

在其中一个实施例中，所述驱动部件包括第一驱动部件和第二驱动部件，所述第一驱动部件连接所述齿条来带动所述第一滑座滑动，以调整所述信号发射装置与所述待测目标之间的角度；所述第二驱动部件连接所述齿条来带动所述第二滑座滑动，以调整所述信号接收装置与所述待测目标之间的角度。

在其中一个实施例中，所述发射天线设置在所述发射端扩展件上，所述接收天线设置在所述接收端扩展件上。

在其中一个实施例中，所述发射天线和所述接收天线均为窄波束天线。

上述太赫兹雷达散射成像的实验装置，使用矢量网络分析仪作为信号发生装置，能够产生幅度和相位稳定的发射信号，通过信号发射装置中的发射端扩展件将发射信号的频率提升到太赫兹频段形成入射信号，之后再经发射天线将产生的入射信号辐射到自由空间，使得太赫兹频段的入射信号经过信号传导装置的传导作用于目标支架上的待测目标进行反射，移动平台带动待测目标移动，进行不同位置的发射，信号接收装置中的接收天线接收反射后不同位置的回波信号，并将回波信号传到接收端扩展件和信号发生装置，从而可以根据入射信号及回波信号等实现太赫兹雷达散射成像。本申请的装置，通过使用矢量网络分析仪作为信号发生装置，并在信号发生装置的收发端设置发射端扩展件、发射天线、接收端扩展件和接收天线，能够产生稳定性高的太赫兹波，以及通过设置移动平台来放置目标支架，目标支架能够随移动平台移动，反射待测目标不同位置的回波信号，使得太赫兹雷达散射成像更加准确。

附图说明

图1为一个实施例中太赫兹雷达散射成像的实验装置结构立体示意图；

图2为一个实施例中太赫兹雷达散射成像的实验装置结构俯视图；

图3为一个实施例中提供的45°角下的宽频带散射系数图；

图4为一个实施例中提供的不同材料的散射系数角分布曲线图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

请一并参阅图1与图2，本申请一个实施例中提供的一种太赫兹雷达散射成像的实验装置，该装置可以包括信号发生装置100、信号发射装置200、信号传导装置300、移动平台400以及信号接收装置500，信号发生装置100与信号发射装置200及信号接收装置500通讯连接，移动平台400用于放置待测目标(图中未画出)，信号传导装置300用于信号的传导，使得信号能够作用于待测目标。信号接收装置500能够接收待测目标反射的信号，并将该待测目标反射的信号传送至信号发生装置100。

可选地，该装置还可以包括一个工作平台，上述的信号发生装置100、信号发射装置200、信号传导装置300以及信号接收装置500均设置在该工作平台上。在另一个实施例中，该装置也可以不包括上述工作平台，此时，信号发生装置100、信号发射装置200、信号传导装置300以及信号接收装置500等可以设置在桌面等任意平面上，此处不做具体限定。

具体地，信号发生装置100可以为矢量网络分析仪，本申请实施例中，通过将矢量网络分析仪作为发射源，能够产生幅度和相位稳定的发射信号，使得太赫兹雷达散射成像以及散射系数的测量更加准确。

信号发射装置200可以包括发射端扩展件以及发射天线。发射端扩展件连接在信号发生装置100与发射天线之间。具体地，发射端扩展件的一端连接信号发生装置100的发射端，发射端扩展件接收信号发生装置100产生的发射信号，发射端扩展件用于将接收到的发射信号的频率提升到太赫兹频段，形成入射信号，该入射信号的频率为太赫兹频率，入射信号的频率大于发射信号的频率。发射天线连接在发射端扩展件的另一端，用于接收发射端扩展件发出的太赫兹频段的入射信号，并将接收到的入射信号辐射出去，以实现发射入射信号。可选地，发射端扩展件的扩频范围为140—220ghz，220ghz—325ghz，325ghz—500ghz，实验时可以根据需要选择。由于矢量网络分析仪无法达到太赫兹频段，本申请实施例中通过使用发射端扩展件可以将发射信号的频率提升到太赫兹频段形成入射信号，从而实现太赫兹雷达散射成像。

信号传导装置300用于将发射天线发射出来的入射信号进行聚焦，聚焦后的入射信号能够作用于待测目标，入射信号经待测目标反射后，形成回波信号，该回波信号能够通过信号接收装置500回传至信号发生装置100。

移动平台400可以包括目标支架402和滑台，目标支架402用于放置待测目标。滑台能够带动目标支架402在第一方向上和第二方向上移动，滑台可以包括x轴滑台404和z轴滑台406，x轴滑台404可以带动目标支架402在x轴方向移动从带动待测目标移动，z轴滑台406可以带动目标支架402在z轴方向移动从带动待测目标移动，可以测得待测目标各个位置的成像。

可选地，目标支架400可以使用塑料等回波小的材料制作，通过使用回波小的材料，可以减少目标支架对回波信号的干扰，保证散射系数测量的准确性以及可靠性。可选地，该待测目标可以是金属、布料、砂纸和皮肤等，此处不做具体限定。

信号接收装置500包括接收端扩展件以及接收天线，接收端扩展件连接在信号发生装置100与接收天线之间。具体地，接收端扩展件的一端连接在信号发生装置100，另一端连接在接收天线。接收天线接收经信号传导装置300形成的回波信号，并将该回波信号发送给接收端扩展件，接收端扩展件接收到接收天线发送的回波信号，将回波信号降低频率，发送给信号发生装置100。可选地，接收端扩展件的降频范围为140—220ghz，220ghz—325ghz，325ghz—500ghz，实验时可以根据需要选择。

进一步地，该信号发生装置100还能够记录发射信号以及待测目标反射的回波信号等测量信息。这样，通过该发射信号以及回波信号等测量信息，可以完成太赫兹雷达散射成像，同时也可以对太赫兹雷达的散射系数进行测量。

上述太赫兹雷达散射成像的实验装置，使用矢量网络分析仪作为信号发生装置，能够产生幅度和相位稳定的发射信号，通过信号发射装置中的发射端扩展件将发射信号的频率提升到太赫兹频段形成入射信号，之后再经发射天线将产生的入射信号辐射到自由空间，使得太赫兹频段的入射信号经过信号传导装置的传导作用于移动平台上的待测目标进行反射，移动平台带动待测目标移动，在不同位置进行反射，信号接收装置中的接收天线接收反射后的回波信号，并将回波信号传到接收端扩展件和信号发生装置，从而可以根据入射信号及回波信号等完成太赫兹雷达散射成像的实验。本申请的装置，通过使用矢量网络分析仪作为信号发生装置，并在信号发生装置的收发端设置发射端扩展件、发射天线、接收端扩展件和接收天线，同时移动平台带动待测目标移动，在不同位置进行反射，能够产生稳定性高的太赫兹波，使得太赫兹雷达散射成像更加准确。

可选地，发射天线设置在发射端扩展件上，接收天线设置在接收端扩展件上。可选地，发射天线和接收天线均为窄波束天线，可以选用太赫兹天线。例如，如果中心频率为300ghz，可选用波束宽度角为8°的喇叭天线。

在其中一个实施例中，信号传导装置300可以包括弧形导轨以及透镜组，透镜组用于对入射信号及回波信号进行聚焦等处理，弧形导轨用于调整信号发射装置200以及信号接收装置500之间的角度。

具体地，导轨可以包括第一弧形导轨302和第二弧形导轨304，信号发射装置200通过第一滑座设置在第一弧形导轨302和第二弧形导轨304上；信号接收装置500通过第二滑座设置在第一弧形导轨302和第二弧形导轨304上。透镜组可以包括第一透镜306和第二透镜308，第一透镜306设置在第一滑座上，第二透镜308设置在第二滑座上。可选地，第一透镜306和第二透镜308可以根据需求进行拆卸。

进一步，使用透镜成像的方式包括：(1)通过第一透镜306和第二透镜308使太赫兹波束聚焦，形成小光斑，移动平台400带动待测目标在x轴和z轴方向移动进行逐点扫描成像。(2)将第一透镜306和第二透镜308拆卸，拉远信号发射装置200以及信号接收装置500与待测目标的距离，形成宽波束对整个待测目标进行照射，不断调整信号发射装置200以及信号接收装置500的角度，即可进行多角度合成孔径成像。

这样，信号发射装置200产生的入射信号能够经过第一透镜306的聚焦、调整光斑大小后作用于待测目标，该待测目标产生的回波信号可以经过第二透镜308的聚焦后传送至信号接收装置500，之后该回波信号能够传送至矢量网络分析仪。该矢量网络分析仪能够记录信号发射装置200和信号接收装置500之间的角度、入射信号的频率及回波信号的频率等测量信息，来进行太赫兹雷达散射成像，同时根据上述测量信息实现太赫兹雷达散射系数的测量。

可选地，所述信号传导装置300还包括齿条310。齿条310连接第一滑座，信号发射装置200通过第一滑座设置在第一弧形导轨302和第二弧形导轨304上，齿条310带动第一滑座滑动从而带动信号发射装置200在弧形导轨上滑动，进而调节信号发射装置200与待测目标之间的角度；齿条310连接第二滑座，信号接收装置500通过第二滑座设置在第一弧形导轨302和第二弧形导轨304上，齿条310带动第二滑座滑动从而带动信号接收装置500在弧形导轨上滑动，进而调节信号接收装置500与待测目标之间的角度。具体地，第一滑座带动信号发射装置200滑动，入射信号与待测目标能够形成的入射角度范围为20度到80度，第二滑座带动信号接收装置500滑动，回波信号与待测目标能够形成的反射角度范围为20度到80度。这样通过调整第一滑座以及调整第二滑座进而调整信号与待测目标的角度，能够实现不同角度的散射成像，同时测量不同角度的太赫兹雷达散射系数。

例如，信号发射装置200与信号接收装置500之间的角度为90度时，即入射信号与待测目标的入射角度为45度，回波信号与待测目标的反射角度为45度时，测得的太赫兹雷达散射系数如图3所示，图3为单次测量散射系数的测量结果。请参阅图3，以塑料板为待测目标，设入射信号的频率为285～315ghz，入射信号及回波信号均与目标成45°角，横轴为频率，纵轴为回波信号的功率，从而可以根据图3所示的测量信息测得其散射系数。

可选地，信号发射装置200与第一透镜306可以通过滑轨设置在第一滑座上，第一透镜306与发射天线之间的距离等于第一透镜306的焦距，用来获得平行光。信号接收装置500以及第二透镜308可以通过滑轨设置在第二滑座上，第二透镜308与接收天线之间的距离等于第二透镜308的焦距。其中，信号发射装置200与第一透镜306能够沿着滑轨方向移动，进而调节信号发射装置200与待测目标之间的距离，同时信号接受装置500与第二透镜308能够沿着滑轨方向移动，进而调整信号接收装置500与待测目标之间的距离，依据此结构来研究距离对散射系数的影响。可选地，该信号发射装置200与待测目标之间的距离可以等于该信号接收装置500与待测目标之间的距离，此时，信号发射装置200与第一透镜306在滑轨上的移动量可以等于信号接受装置500与第二透镜308在滑轨上的移动量。

进一步地，距离对散射系数的影响需视情况而定。如果入射信号经过透镜聚焦形成平行光，并且光斑大小固定，目标为单层目标不发生干涉，那么距离的影响可以忽略不计；如果发生干涉，则按干涉理论进行计算；如果入射信号以及回波信号不满足平行光条件，那么散射系数随距离增大而减小。

在其中一个实施例中，太赫兹雷达散射成像的实验装置还可以包括控制装置700。信号发生装置100连接至控制装置700，控制装置700用于控制信号发生装置100记录测量参数，控制装置700根据测量参数呈现成像结果并且能够计算太赫兹雷达散射系数。信号传导装置300连接至控制装置700，控制装置700还用于控制信号传导装置300的运动。移动平台400连接至控制装置700，控制装置700用于控制移动平台400带动目标支架402在第一方向上和第二方向上移动。

具体地，控制装置700连接信号发生装置100，用于记录测量参数，并且依据测量参数呈现成像结果并且计算出太赫兹雷达散射系数。可选地，该控制装置700还可以连接信号传导装置300，其能够控制信号传导装置300的不同运动状态。可选地，该控制装置700还可以连接移动平台400，控制移动平台400移动，进而带动目标支架402上的待测目标移动，获得不同位置的回波信号。

可选地，控制装置700包括控制终端704、驱动部件702以及控制器706，驱动部件702连接控制器706，控制器706连接控制终端704。其中，控制终端704连接信号发生装置100，信号发生装置100能够将入射信号的频率、回波信号的频率等测量信息传送给控制终端704，控制终端704同时还可以获得信号发射装置200和信号接收装置500的角度等测量信息，并且依据上述的测量信息计算出太赫兹雷达散射系数。可选地，控制终端704可以为电脑或手机等终端，控制器706可以为pc01控制器，此处不作具体限定。本申请实施例通过使用控制装置700进行控制，实验测量的结果更加准确，测量更加方便。

在其中一个实施例中，驱动部件702可以包括第一驱动部件7022和第二驱动部件7024(图1中未画出)，第一驱动部件7022连接齿条310，通过控制齿条310来控制第一滑座滑动，进而来调整信号发射装置200与待测目标之间的角度，第二驱动部件7024连接齿条310，通过控制齿条310来控制第二滑座滑动，进而来调整信号接收装置500与待测目标之间的角度。可选地，驱动部件702可以是电机，例如步进电机等，此处不做具体限定。

例如，该驱动部件702的输出轴可以连接至齿条310，控制器706可以控制驱动部件702的输出量，驱动部件702的输出轴依据输出量来控制齿条310的滑动量，进而可以带动第一滑座和第二滑座滑动，从而实现信号发射装置200和信号接收装置500之间的角度调整，进而实现了入射信号与待测目标的角度变化以及回波信号与待测目标的角度变化。进一步地，该驱动部件702可以是步进电机，步进电机每转动一步，该信号发射装置200和信号接收装置500之间的角度变化为预设角度。

下面结合附图说明本申请一个实施例中的太赫兹雷达散射成像的实验装置的工作原理：

矢量网络分析仪作为信号发生装置100，发射出幅度和相位稳定的发射信号，发射端扩展件接受发射信号，将发射信号的频率提升到太赫兹频率，形成入射信号，发送给发射天线，发射天线将接收到的入射信号发射出去，经过第一透镜306进行聚焦获得平行光形成入射信号，入射信号经第一透镜306作用照射在目标支架402上的待测目标，经待测目标进行反射，第二透镜308将回波信号进行调节聚焦发送给接收天线，接收天线将回波信号发送给接收端扩展件，经过接收端扩展件的降频发送回矢量网络分析仪，在信号传导过程中，控制终端704通过控制器706来控制驱动部件702的工作，进而控制第一滑座和第二滑座的滑动，控制终端704控制矢量网络分析仪保存测量参数，进而依据测量参数完成太赫兹雷达散射成像，同时计算太赫兹雷达散射系数。

请参阅图4，图4为同一频率下不同材料的散射系数角分布图。通过图可以知道，在300ghz频率下，金属、布料和皮肤表面均在镜面反射方向有较强回波，远离镜面角散射能量逐渐变弱。仅有砂纸回波在一个较宽范围内均比较大，体现出漫反射的特点。通过图3和图4的测试结果可以看出，本实验装置具有较高的测试精度，能够定量地反映出物质的散射特性。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。