一種毫米波高分辨率成像介質(zhì)透鏡天線設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于毫米波成像天線技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種用于毫米波成像系統(tǒng)的毫米 波高分辨率成像介質(zhì)透鏡天線的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 毫米波成像原理類似于光學(xué)成像原理,只是光學(xué)成像系統(tǒng)在透鏡焦平面上用的是 感光膠片或CCD,工作頻段是可見光或紅外光頻段,而毫米波成像系統(tǒng)用的是毫米波天線 陣,工作頻段是毫米波頻段。光學(xué)成像系統(tǒng)具有很高的分辨率,但是在雨霧、粉塵天氣很難 工作,也無法對泥土或者衣物等障礙物遮蔽下的物體成像。相對于可見光和紅外光,毫米波 具有較強(qiáng)的穿透能力,可以穿透衣物等不透明物體,毫米波成像技術(shù)憑借其特點(diǎn),在安檢和 反恐等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,使得到了大力發(fā)展,其價(jià)值日益突出。
[0003] 作為毫米波成像系統(tǒng)的接收天線,介質(zhì)透鏡天線具有設(shè)計(jì)靈活、易于加工、成本 低、波束均勻性高和無饋源遮擋等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)毫米波介質(zhì)透鏡天線多采用雙曲面透鏡或者 橢球面透鏡,但是這類天線偏焦特性差,而且因?yàn)橥哥R曲面形式固定,優(yōu)化透鏡曲面時(shí)缺少 靈活性。為得到比較高的分辨率,透鏡天線的電尺寸一般都很大,因此分析起來十分困難, 一般多采用幾何光學(xué)法或者與幾何光學(xué)法結(jié)合的其他方法。
[0004] 分辨率反映成像系統(tǒng)的分辨物體細(xì)節(jié)的能力,是一個(gè)很重要的指標(biāo)參數(shù)。因?yàn)楹?米波天線和感光膠片的工作原理有本質(zhì)不同,光學(xué)系統(tǒng)的分辨率定義無法應(yīng)用到毫米波成 像系統(tǒng),光學(xué)系統(tǒng)分辨率的定義對毫米波成像透鏡天線的設(shè)計(jì)沒有指導(dǎo)意義。美國和日本 等國家的研究人員都研究設(shè)計(jì)過毫米波透鏡天線,但他們都是以設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng)的原理 設(shè)計(jì)的,缺少毫米波天線理論的支持。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對毫米波成像系統(tǒng)分辨率的技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種毫米波高分辨率成像 介質(zhì)透鏡天線的設(shè)計(jì)方法,該方法根據(jù)毫米波天線原理定義了毫米波成像天線的分辨率, 并依照這一定義設(shè)計(jì)高分辨率透鏡天線。
[0006] 本發(fā)明定義毫米波成像透鏡天線分辨率為:單個(gè)饋源天線輻射的電磁波束經(jīng)過透 鏡聚焦在物平面上,在物平面上形成一個(gè)光斑,由光斑中心點(diǎn)往外場強(qiáng)下降3dB時(shí)的光斑 直徑為d,定義Ι/d為毫米波成像透鏡天線的分辨率,即透鏡天線系統(tǒng)最小能夠分辨物平面 上尺寸為d的物體或者間距為d的兩個(gè)物體。
[0007] 為了使毫米波成像系統(tǒng)能夠分辨盡可能小或間距盡可能小的物體,本發(fā)明根據(jù)新 定義的毫米波成像透鏡天線的分辨率,以饋源天線在物平面上形成的光斑尺寸為目標(biāo),應(yīng) 用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)毫米波透鏡天線,采用的具體技術(shù)方案為:
[0008] 步驟一,將點(diǎn)源放置于物平面上,將系統(tǒng)的波像差定為主優(yōu)化目標(biāo),將球差、RMS半 徑和垂軸像差定為次優(yōu)化目標(biāo),設(shè)置一組透鏡曲面參數(shù)的初始值進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,首先使系 統(tǒng)的波像差達(dá)到極小值;
[0009] 步驟二,將饋源天線設(shè)置在像方聚焦曲面上,計(jì)算饋源天線在物平面上形成的光 斑尺寸以及分辨率,優(yōu)化饋源天線排列方式,進(jìn)而使得系統(tǒng)的分辨率達(dá)到極大值;
[0010] 步驟三,改變透鏡曲面參數(shù)的初始值,重復(fù)步驟一和步驟二,使得系統(tǒng)的分辨率得 到最大值。
[0011] 本發(fā)明所述的毫米波成像透鏡天線設(shè)計(jì)方法結(jié)合了光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)技術(shù)和毫米波 天線理論,思路清晰,操作簡單易行。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明的運(yùn)用光學(xué)技術(shù)優(yōu)化介質(zhì)透鏡的示意圖。
[0013] 圖2是本發(fā)明的透鏡天線結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:設(shè)計(jì)一個(gè)毫米波成像介質(zhì)透 鏡天線,要求透鏡天線工作物距大于3m,能夠分辨出物平面上尺寸為d〈30mm的物體或者間 距為d〈30mm的兩個(gè)物體。根據(jù)這一指標(biāo)要求,以下給出一種毫米波高分辨率成像介質(zhì)透鏡 天線設(shè)計(jì)方法。
[0015] 設(shè)計(jì)透鏡天線的主要工作為透鏡曲面方程的選取和優(yōu)化,饋源天線陣的排列。透 鏡天線系統(tǒng)的物距為So,像距為Si,透鏡材料介電常數(shù)為ε,透鏡直徑為D。
[0016] 透鏡形式選取雙凸透鏡,兩邊曲面都為偶次非球面,曲面方程可以表示為
[0017]
[0018] 透鏡口徑面尺寸越大,透鏡天線的分辨率就越高,選取透鏡直徑D= 430mm。透鏡 天線工作物距定為So= 3. 5m。
[0019] 將點(diǎn)源放置于物平面上,如圖1所示。理想點(diǎn)源發(fā)射的是同心光束,同一點(diǎn)源發(fā)射 的不同入射高度h的光線經(jīng)過透鏡折射后,出射光不再是同心光束,在像平面上形成的不 是像點(diǎn)而是一個(gè)光斑。球差可以表示為
[0020] δ Lr =a^+arja4 (2)
[0021] 以透鏡的球差為目標(biāo),優(yōu)化透鏡,得到透鏡曲面方程的初始值。
[0022] 波像差是透鏡成像系統(tǒng)的高級像差,它可以表示為
[0023]
[0024] 式中η'為折射率,U為孔徑角。
[0025] 以系統(tǒng)的波像差為主要優(yōu)化目標(biāo),以球差、RMS半徑和垂軸像差定為次級優(yōu)化目 標(biāo),優(yōu)化透鏡曲面參數(shù),使系統(tǒng)的像差盡可能小。
[0026] 物平面上不同高度的點(diǎn)源經(jīng)透鏡成像,像點(diǎn)并不在同一像平面上,而是各像點(diǎn)分 布在一個(gè)曲面上,稱為場曲。場曲可以表示為
[0027]
[0028] S1=luni(i-i, )(ir -u)(iz/i)2 (5)
[0029] 將饋源天線設(shè)置在透鏡的像方聚焦曲面上,如圖2所示,饋源輻射的波束經(jīng)透鏡 聚焦在物平面上,計(jì)算物平面上的_3dB光斑大小。重復(fù)以上步驟,直到物平面上光斑尺寸 最小。物平面上_3dB光斑直徑就是透鏡天線能分辨的最小物體尺寸。
[0030] 透鏡天線系統(tǒng)最小能夠分辨物平面上尺寸為28mm的物體或者間距為28mm的兩個(gè) 物體。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種毫米波高分辨率成像介質(zhì)透鏡天線的設(shè)計(jì)方法,其特征在于包括如下步驟: (1) 將點(diǎn)源放置于物平面上,將系統(tǒng)的波像差定為主優(yōu)化目標(biāo),將球差、RMS半徑和垂 軸像差定為次優(yōu)化目標(biāo),設(shè)置一組透鏡曲面參數(shù)的初始值進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,首先使系統(tǒng)的波 像差達(dá)到極小值; (2) 將饋源天線設(shè)置在像方聚焦曲面上,計(jì)算饋源天線在物平面上形成的光斑尺寸以 及分辨率,優(yōu)化饋源天線排列方式,進(jìn)而使得系統(tǒng)的分辨率達(dá)到極大值; (3) 改變透鏡曲面參數(shù)的初始值,重復(fù)步驟(1)和步驟(2),使得系統(tǒng)的分辨率得到最 大值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波高分辨率成像介質(zhì)透鏡天線的設(shè)計(jì)方法,其特征在 于:單個(gè)饋源天線輻射的電磁波束經(jīng)過透鏡聚焦在物平面上,在物平面上形成一個(gè)光斑,由 光斑中心點(diǎn)往外場強(qiáng)下降3dB時(shí)的光斑直徑為d,定義Ι/d為透鏡天線的分辨率。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種毫米波高分辨率成像介質(zhì)透鏡天線的設(shè)計(jì)方法,該方法是光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)技術(shù)和毫米波天線設(shè)計(jì)理論相結(jié)合的一種設(shè)計(jì)方法,涉及毫米波天線技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明引用光學(xué)透鏡曲面,通過光學(xué)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化系統(tǒng)的波像差和幾何像差,使得饋源天線單元在物平面上的-3dB光斑直徑最小,各個(gè)饋源天線單元的增益差值小于1dB。本發(fā)明具有設(shè)計(jì)方法簡單易行的特點(diǎn),且對毫米波透鏡天線的分辨率提出了創(chuàng)新性定義。本發(fā)明可應(yīng)用于毫米波成像系統(tǒng)。
【IPC分類】H01Q19/06
【公開號】CN105281044
【申請?zhí)枴緾N201510580282
【發(fā)明人】陳其科, 周景石, 孫震, 朱貴德, 李道通, 張永鴻, 林先其, 樊勇
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年9月12日