技术领域
[0001] 本
发明涉及射频
相控阵或MIMO阵列应用，如射频成像技术，主要集中在毫米波反恐人体安检成像。雷达系统也可以看作是一种成像系统，故而本发明在雷达探测系统中也有应用的场合。其它的射频成像的应用，可以是任何需要阵列接收和发射的应用场合
机器人视觉成像系统，卫星
微波/毫米波遥感成像等。
[0002] 这里射频指的是包括超高频/微波/毫米波/太赫兹等无线电
频率。
背景技术
[0003] 完全的模拟射频相控阵只能形成单波束，故其接收机在搜索扫描上速度慢，
信噪比低，探测距离近。用模拟射频相控阵单波束技术做二维成像，有灵敏度低，成像时间长等缺点。
[0004] 数字多波束射频相控阵接收机，克服了模拟射频相控阵的局限，可以同时生成二维
信号，是一种理论上的理想相控阵接收系统。但是在实际情况下只能在窄带系统中实现，其原因为在宽带的情况下，需要满足那奎斯特取样定理的高速
模数转换器(ADC)，很难做到体积小功耗低，因此难以在狭小的空间内与射频相控阵接收机中的接收通道安装在一起。另外由于在ADC之前没有做空间滤波，为了不被
干扰信号影响，需要较大的动态范围和较多的量化电平数，故而大大提高了对ADC设计的要求。较大动态范围的ADC和较多的量化电平数，意味着功耗较大。大的功耗带来较大的
电流脉冲，造成干扰脉冲
电压较高，使得ADC的设计更加困难。
[0005] 数字多波束射频相控阵接收机的较大功耗造成
散热问题，而器件
过热时可能导致器件损坏。较大的动态范围和较多的量化电平数，同时要求较多的独立供
电网络，意味着更多的封装引脚，要求更大的芯片封装，也给系统的设计和集成造成巨大的挑战。
[0006] 数字多波束射频相控阵接收机最麻烦的问题是大量的数字传输的连线和由此产生的
电磁干扰问题。每个接收通道必须有两个ADC，一个M行N列的阵列需要2MN个ADC和高速
接口。当阵列的单元数很大，这些高速的信号线很难直接连到中心处理主机中去，尤其在毫米波或者是更高的频率。这是因为在相控阵的实现方法中，天线之间的距离是半个
波长，在此狭小的面积里要放置所有的元器件和高速数字连线，造成极大的挑战。由此而来的电磁干扰噪声，耦合到阵列的天线中去，将直接降低阵列的灵敏度。
[0007] 除此之外，另一个问题是大量的图像信息识别和处理问题。如在反恐人体安检射频成像系统中，人的衣物呈透明状，无法遮体，侵犯人的隐私，另外，大量的图像信息，造成人工监测视觉疲劳。
[0008] 现有的人体安检射频成像系统，一般是用线性调频来实现成像的，需要占用很大的射频带宽来检测目标到成像系统的距离，距离的检测
精度与射频带宽有直接关系，这在实际应用中很不现实。
发明内容
[0009] 本发明针对上述的技术问题，发明一种实时校准的射频成像系统，它包括至少一个MIMO射频成像收发阵列对；其中每个MIMO射频成像收发阵列对包括两个相对的MIMO射频收发阵列、并行二维
数字信号处理成像系统和数字
信号处理成像单元700；其中每个MIMO射频收发阵列中的接收阵列由另一个相对的收发阵列中的发射源提供基准参考信号，完成接收阵列单元之间的
相位校准；MIMO射频收发阵列还包括接收天线阵列和与之对应的接收通道阵列以及接收处理单元；接收通道阵列中的每个接收单元包括：射频低噪声
放大器、至少一个下
变频器、射频和基带
滤波器、模拟基带多波束形成
电路、本地接收时钟产生电路、接收波束
控制器和接收数据接口电路；收发阵列中的发射阵列包括多个频率
正交的发射单元，采用频分复用MIMO结构，构成相控阵列或虚拟阵列；并行二维数字信号处理成像系统包括如下电路单元：一维多列波束采集阵列ADC 401，二维
空域波束形成加权阵列402，二维时域FFT 403，幅度绝对值处理单元404，相位处理单元405，正交发射基带信号产生单元412，二维信号分解与图像生成单元406，二维高
分辨率图像恢复单元408，
深度图像生成单元407，控制单元450。
[0010] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，一个收发阵列中的发射机中正交发射基带信号产生单元412产生多个频率正交发射基带信号413，经FFT变换转换成幅度和相位的模式，其相位作为本地多个正交发射基带信号413的发射参考相位410；多个正交发射基带信号413在发射阵列中，调制分布式发射机，向阵列前方送出
射频信号，在碰到目标时反射回来，被接收阵列接收；接收阵列将接收到的该反射信号进行放大，下变频到基带信号，经射频和基带滤波器、模拟基带多波束形成电路后形成第一维度模拟基带多波束信号输出，经并行模数转换器转变为一维数字多列波束信号421，再经二维空域波束形成加权阵列402产生二维多列波束信号422，再经二维时域FFT单元403变换出频域信号；频域信号经绝对值单元404产生二维频域幅度信号424，再经二维信号分解与图像生成单元406产生二维并行图像427，再经二维高分辨率图像恢复单元408恢复成二维高分辨率图像429。接收波束控制器的实现可以是集中式的，也可以是分布式的。
[0011] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，产生的二维多列波束信号422，再经二维时域FFT单元403变换出频域信号423，频域信号经相位处理单元405产生二维频域相位信号425；深度图像生成单元407，根据多个不同频点的二维频域相位信号425和其频率不同导致的相位不同，在逐个频点上恢复出从发射源到被检测目标在返回到接收阵列的绝对相位，该绝对相位减掉发射参考相位410，除以4π，乘以波长，得到径向距离计算出被检测目标到接收阵列的径向距离，完成深度检测。
[0012] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，MIMO射频成像收发阵列对中的接收阵列的接收单元在无目标通过或遮挡时，直接接收到来自对面的基准参考信号发射源203发射出的校准信号；根据每个接收单元在阵列中的
位置和与基准参考信号发射源203的实际物理距离，实时校准的射频成像系统的控制单元450，对接收单元的接收相位和幅度的校准，以提高接收阵列的相干性和一致性。
[0013] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，在实时监测中，由基准参考信号发射源203发出的信号在接收阵列的接收单元在有目标遮挡时产生的单频点的二维频域幅度信号424较小，故不启动相位校准操作；在无目标遮挡时由基准参考信号发射源203发出的信号在二维频域幅度
输出信号在该频点的幅度信号424较大，系统利用该瞬间，由控制单元450协调，启动实时相位校准操作。
[0014] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，对所有接收单元做相位校准操作，消除接收单元之间的
相位差值。
[0015] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，二维频域幅度信号424，在各个频点的幅度值，经IFFT变换成与其相应的子图像信号。
[0016] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，二维频域幅度信号424，在多个频点的幅度值，经IFFT变换成与其相应的多个子图像信号；子图像再经过图像融合，产生大尺寸的主图像。
[0017] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，大尺寸的主图像经
图像处理后，恢复出高分辨率的大尺寸的主图像。
[0018] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，具有数字信号处理成像单元700，将二维高分辨率的大尺寸图像429和深度图像430进一步融合，得到3D数字图像。
[0019] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，具有
人工智能处理单元702，对3D数字图像做
图像识别，通过大量的
深度学习，检测出金属危险品和各种危险品的图形，并将该物品标识在恢复出高分辨率的大尺寸的主图像中。
[0020] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，具有人工智能处理单元702，直接对大尺寸的主图像做图像识别，通过大量的深度学习，检测出金属危险品和各种危险品的图形，并将该物品标识在恢复出高分辨率的大尺寸的主图像中。
[0021] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，具有人工智能处理单元702，直接对多个子图像信号做图像识别，通过大量的深度学习，检测出金属危险品和各种危险品的图形，并将该物品标识在恢复出高分辨率的大尺寸的主图像中。
[0022] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，利用有目标遮挡时和无目标遮挡时的二维频域幅度信号变化，来产生相位校准信号。实时校准的射频成像系统，其接收阵列的接收单元在有目标遮挡时二维频域幅度信号较小，不启动相位校准操作；在无目标遮挡时二维频域幅度信号较大，启动相位校准操作。为消除接收单元之间的相位差值，需要对所有接收单元都做相位校准操作。
[0023] 本发明所要解决的另一个技术问题是图像识别和目标检测问题，其特征在于，采用人工智能视觉神经网络对二维基带多波束图像进行图像识别和过滤，检测敏感物体的图形。如在反恐人体安检射频成像系统中，由于透视检测，侵犯人身的隐私，在应用上会受到限制。采用人工智能视觉神经网络，用
机器视觉来取代人眼视觉监测，不会侵犯个人隐私，检测速度会更快，更不会出现视觉疲劳。在卫星遥感成像系统中的海量图像信息，也可通过人工智能视觉神经网络对二维基带多波束图像进行图像识别和过滤，迅速发现目标，检测到感兴趣的敏感物体的图形。在飞行物的目标探测上的应用也是如此。
附图说明
图1实时校准的射频成像系统应用实例之一：人体安检仪
图2实时校准的射频成像系统的收发阵列(a)与(b)
图3接收阵列模
块和数字维波束形成
图4实时校准的射频成像系统图像生成和相位校准信号产生的处理方法
图5有、无目标遮挡时利用幅度信号的变化来产生相位校准信号的示意图
图6实时校准的射频成像系统接收机
框图图7数字信号处理二维成像单元框图
具体实施方式
[0024] 实时校准的射频成像系统应用实例之一人体安检仪的示意图见图1。四个收发阵列101、102、103、104如图所示两两相对排列，被检者在检测通道内依次通过。每个收发阵列101、102、103、104，都有自己的发射频率集合，如F1,F2,F3,F4，每个频率集合都包含了多个频率，或频点，而这些频率都不重复，以达到频分复用的目的。
[0025] 实时校准的射频成像系统中的每一个收发阵列，由接收阵列201、发射阵列202和基准参考信号发射源203组成，见图2(a)；一个收发阵列对具有两个相对的收发阵列，每个收发阵列中的接收阵列由另一个相对的收发阵列中的发射源提供基准参考信号完成阵列单元之间的相位校准，见图2(b)，基准参考信号发射源203的波前所造成的延迟在校准的过程中要考虑到。
[0026] 一个收发阵列101中的基准参考信号发射源203a，以f1的频率发射，与之相对的另一个收发阵列102接收101发射的信号f1做为校准信号；与此同时，另一个收发阵列102中的基准参考信号发射源203b，以f2频率发射，与之相对的收发阵列101接收102发射的信号f2做为校准信号；这里f1属于F1，f2属于F2。
[0027] 收发阵列103与104进行相同的发射与接收过程，并使用不同的频率。实时校准的射频成像系统的安装过程中，合理规划不同的频率集合，使得众多射频成像系统可以复用这些频率集合，又不会造成互相之间的干扰。在正常的工作模式下，收发阵列101发射通道用F1的频率集合做发射频率，使用频率正交的方法发射多个不同频率的信号，而收发阵列101的接收通道接收所有的频率。
[0028] 实时校准的射频成像系统包括接收通道阵列模块300、模拟数字转换阵列(ADC)305、数字维波束形成单元306三大部分组成，见图3。接收通道阵列具有NxM个接收单元，即在第一个维度的方向上有N组单元，在第二个维度的方向上有M组单元，这里的组可以是行或是列。换句话说，阵列可以
水平放置，也可垂直放置。实时校准的射频成像系统在第一个维度上将所有阵列中的接收单元进行模拟相干
叠加，在空间上做空域滤波，然后在第一个维度的方向上产生M组模拟的多波束信号。波束的数量设为K。
[0029] 实时校准的射频成像系统中的并行模数转换器阵列305用于将M组K波束的
模拟信号转变为M组K波束的数字多波束信号；并行数字维波束形成单元306用于将M组K波束的二维数字波束信号转变为二维的数字图像信号，并通过分时扫描达到扫描
覆盖，完成整幅图像的合成。
[0030] 实时校准的射频成像系统接收通道阵列从工程实现方面，还可分解成多个接收子阵列模块(301、302、303、304)，以利于降低研制和制造成本。可分解的多个接收子阵列还意味着模块化、结构化和积木化。接收波束控制器的实现可以是集中式的，也可以是分布式的。
[0031] 实时校准的射频成像系统接收通道阵列可分解成并行的一维模拟接收通道阵列。一维模拟接收通道阵列与接收单元可分解到物理可实现的射频集成电路芯片结构310。在一个射频芯片中，可以集成多个接收单元，每个接收单元包括：天线、天线输入电路、
低噪声放大器、
带通滤波器、一级或两级下变频器、多路复数加权因子单元、本地时钟产生器及相应的控制单元。在一级下变频器的射频接收通道结构中，下变频器是正交平衡下变频器，可以由有源或无源的
混频器来实现。在两级下变频器的射频接收通道结构中，第二个下变频器是正交平衡下变频器，同样可以由有源或无源的混频器来实现。
[0032] 多路复数加权因子单元由并行的复数加权因子单元实现，而每一个复数加权因子单元完成：Y(m,n,b)＝A(m,n,b)Xe-φ(m,n,b)
[0033] 其m,和n是接收单元在阵列里的位置坐标，b是第b个波束的下标。Y和X分别是单元的输出和输入，而φ(m,n,b)是该复数加权因子单元所要旋转的第k个波束的
角度。Δθb和分别是相邻两个接收单元在第一个维度和第二个维度上的相位差值。A(m,n,b)是加权因子，φ0(m,n)是为了补偿系统相位误差的固有的修正值。复数加权因子单元由模拟线性电路单元来实现，如宽带
运算放大器和矢量单元放大器等多种
变形结构。
[0034] 实时校准的射频成像系统图像生成和相位校准信号产生的处理方法如图4所示，包括如下部分：正交发射基带信号产生单元412，一维多列波束采集阵列ADC 401，二维空域波束形成加权阵列402，二维时域快速
傅立叶变换单元FFT 403，幅度绝对值处理单元404，相位处理单元405，二维信号分解与图像生成单元406，二维高分辨率图像恢复单元408，深度图像生成单元407，控制单元450。
[0035] 正交发射基带信号产生单元412，产生不同频率的基带信号413，经过调制后，送到发射阵列202，再经过发射天线
辐射出去。一个
快速傅立叶变换单元FFT 409对基带信号413进行快速傅立叶变换，并且转换到极坐标表达形式，即幅度和相位的格式，得到发射参考相位410。
[0036] 经过发射天线辐射出去的多个频率正交的射频信号，发射到前方的空域，并在被检测的目标上产生射频反射信号，该射频反射信号被接收阵列201的天线阵列所接收。接收阵列201中的MxN个接收通道将射频反射信号进行放大，下变频，并产生成M列的K个波束的模拟基带多波束信号输出420。模拟基带多波束信号输出420经过由2KM个ADC组成的一维多列波束采集阵列ADC 401，转换成M列的K个波束的数字基带多波束信号输出421。数字基带多波束信号输出421在经过二维空域波束形成加权阵列402，在第二个维度上做相位相关加权，产生二维分
时空域波束信号。注意，这里的二维分时空域波束信号是由于在第一个维度上的波束分时形成所致。通过在第一个维度上分时
采样处理，并将结果缓存起来，然后产生二维空域波束信号422。
[0037] 例如K为8，分时处理的次数Kn为32，在第一维度上最终会形成K·Kn＝256个波束。为了达到视频成像的效果，如在1/50秒内完成一幅图像的采集，分时处理的时间长度可为
1/32/50秒。
[0038] 二维空域波束信号422并行输出到二维时域快速傅立叶变换单元FFT 403，在时间轴上再做并行的快速傅立叶变换，然后通过幅度绝对值处理单元404和相位处理单元405，转换成极坐标的格式输出，即幅度输出信号424和相位输出信号425。
[0039] 幅度输出信号424是多幅频率上正交信号的组合，由于在频率上正交，经过二维信号分解与图像生成单元406，可以按照不同的频率分解出不同频点的信号，再经过反快速傅立叶变换IFFT，得到多个与特定频点相关的子图像。这些分辨率较低的子图像可以通过二维高分辨率图像恢复单元408和相应的图像处理
算法，产生出高分辨率的大尺寸图像429。
[0040] 相位输出信号425包含了多个不同频点上的相位信息，并被周期化取模，变成定义在2π的范围之内相对相位。对于探测距离不是很远的人体安检仪，可以通过相邻频点的相位差值，将定义在2π范围之内的相对相位恢复成定义在0到一个有限长度的绝对相位。这需要相邻频点足够小，即对于空间的一个反射点，满足在射频的两个相邻频点上的相位差要小于2π。利用恢复出绝对相位的方法，我们能够估算出目标和成像系统的用波长来度量的波程，即在目标和成像系统的距离里有多少个波长，然后估算出目标和成像系统的距离。这种方法相比较线性调频测距的方法，大大减低了使用带宽。
[0041] 在距离检测上，还可以采用其它的距离检测手段，如
超声波，红外线或者光学技术作为辅助方法，在深度图像生成单元407的
基础上，综合处理并恢复出更精准的距离信息。
[0042] 收发阵列中的发射阵列包括多个频率正交的发射单元，采用频分复用MIMO结构，可以构成相控阵列或虚拟阵列。
[0043] 实时校准的射频成像系统中，一个收发阵列发射机中的正交发射基带信号产生单元412，产生不同频率的正交发射基带信号413，经FFT变换转换成幅度和相位的模式，其相位作为本地多个正交发射基带信号412的参考相位；多个正交发射基带信号412，在发射阵列中调制分布式发射机，向阵列前方送出射频信号，在碰到目标时反射回来，被接收阵列接收；接收阵列将接收到的该反射信号进行放大，下变频到基带信号，经射频和基带滤波器、模拟基带多波束形成电路后形成第一维度模拟基带多波束信号输出，并经并行模数转换器转变为一维数字多列波束信号421，再经二维空域波束形成加权阵列402产生二维多列波束信号422，再经二维时域FFT单元403变换出频域信号；频域信号经绝对值单元404产生二维频域幅度信号424，再经二维信号分解与图像生成单元406产生二维并行图像427，再经二维高分辨率图像恢复单元408恢复成二维高分辨率图像429。
[0044] 图5为有、无目标遮挡时利用幅度信号的变化来产生相位校准信号的示意图。实时校准的射频成像系统，其接收阵列的接收单元在有目标遮挡时二维频域幅度信号424较小，不超过幅度
门限510，故不启动相位校准操作；在无目标遮挡时二维频域幅度信号424较大，超过了幅度门限510，则启动相位校准操作。为消除接收单元之间的相位差值，需要对所有接收单元逐个分时来做相位校准操作，即实时更新φ0(m,n)的值。
[0045] 图6所示为实时校准的射频成像系统接收机结构框图。在接收阵列201中的每个接收单元602的模拟基带多波束形成复数因子加权矩阵单元，根据基带
低通滤波器的输出，连接到一个并行多路复数加权因子单元的输入端。多路复数加权因子单元使多个特定入射角的信号在第一维度方向上按多个特定的复数加权因子矩阵加权，使多个来自不同入射角度的接收信号在第一维度的多个不同入射角度相应方向上达到信号
相位同步，在其输出接点上进行同相位叠加，形成并行的模拟基带多波束信号输出。控制器产生多个特定的复数加权
控制信号，以控制所需要的
相移角度，还兼有控制
亮度，视角宽度，发射照射源的功率强度，和系统运行时的各种参数的静态和动态的设置。
[0046] 下一步的处理有两种方法，第一种方法是将接收阵列中的第一维度并行的模拟基带多波束信号输出，经并行模数转换器阵列604转变为第一维度的并行数字基带多波束信号，然后再在第一维度并行数字基带多波束信号的输出上，形成第二维度二维数字波束信号。
[0047] 第二种方法是对第一维度并行的模拟基带多波束信号输出信号，先进行幅度检波或功率检测变成窄带的信号后，然后再由模数转换器阵列604转变为第一维度的并行数字基带多波束信号。在第一维度的窄带并行数字基带多波束信号输出上再做第二维度数字波束形成。第二种方法的好处是降低了对模数转换器阵列604的转换速率的要求，但成像的效果比起第一种直接模数转换要差一些，因为幅度检波或功率检测会破坏信号的相干度。
[0048] 实时校准的射频成像系统的特征还在于，在第二维度上，由
数字信号处理器或其它
硬件完成幅度检测和二维基带多波束图像信号形成。
[0049] 见图7，并行数字信号处理二维成像单元700包括：二维高分辨率图像429，深度图像430，数字图像融合701，人工智能视觉神经网络或图像识别与处理单元702，显示器接口的无线或有线传输接口703。
[0050] 实时校准的射频成像系统，采用人工智能视觉神经网络对二维基带多波束图像进行图像特征识别和过滤，检测敏感物体的图形。如在人体安全检测上很有意义，因为人的外衣在微波下呈现透明，人的身体轮廓暴露无遗。在这种应用场合下，被检测人无法接受。有了人工智能视觉神经网络，用机器视觉完成目标过滤，隐去敏感的人体部分，而只检测危险品和武器。当发现可疑目标和物品时，可以显示全景图像。全景图像包括了由光学摄像机产生的视频图像，和射频多波束智能成像系统产生的二维图像，及二者的叠加图像。同时，人工智能视觉神经网络提高了检测的速度。
[0051] 上述实时校准的射频成像系统，由于采用人工智能和深度学习，通过大量的样本分析，可以直接从多幅低分辨率的子图像中直接检测到危险品。虽然人眼无法从这些多幅低分辨率的子图像识别出危险品，但人工智能和深度学习可以做到直接识别。通过大量的深度学习，检测出金属危险品和各种危险品的图形，并将该物品标识在恢复出高分辨率的大尺寸主图像中。
[0052] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，可以利用数字信号处理成像单元700，将二维高分辨率的大尺寸图像429和深度图像430进一步融合，得到3D三维数字图像。在如图1所示的应用实例中，101，102，103，104阵列得到的图像可以进一步合成为3D数字图像，也可以构成4个独立检测的4个图像投射/反射面，如果其中之一检测出危险品，则立即报警。
[0053] 在如上所述的实时校准的射频成像系统中，被检测目标携带一个具有方向的反射物，如菜刀，可能在某个检测面上反射很小，但在其它面上将有较大的反射。人工智能处理单元702，可以直接对各种信息进行综合，在短时间内利用各种时间和空间的信息，判断出危险品的存在。
[0054] 如上所述的实时校准的射频成像系统，由于采用了多波束二维分时成像、实时校准以及MIMO技术，大大提高了检测速度和检测
质量。通过利用多频点相位检测方法，大大降低了系统的带宽，减小了对无线资源的需求。
[0055] 本发明中所建议的技术，可以应用到雷达检测，
机器人视觉，卫星遥测和遥感等场合。因为雷达技术和通信技术具有很多的共同点，该技术也可在通信领域找到应用场景。
