[发明专利]远距离毫米波表面成像雷达系统

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请是2010年8月12日提交的标题为“Mobile Millimeter Wave Imaging System(移动毫米波成像系统)”、序列号12/806,488的部份继续申请案，并要求2011年10月1日提交的系列号为No.61/626,660的临时专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及雷达系统，具体而言，涉及毫米波成像雷达系统。

背景技术

利用毫米波的成像

在毫米波长(1cm到1mm；30GHz to 300GHz)处操作的无源和有源成像系统是已知的。毫米波频率处的短波长度允许用相对小的天线创建窄波束，并产生高分辨率的无源和有源图像。由于窄波束的原因，可准确定位图像中的对象，当系统在雷达模式操作时，可实现对于所反射的信号的高灵敏度。毫米波系统的重要质量在于与可见光相比，它们相对而言几乎不被相当大距离的雾或烟雾所衰减。这些毫米波波长的辐射穿透相当大距离的雾和烟雾。毫米波辐射还穿透衣物和诸如干木材和墙板之类的其他材料的显著厚度。因此，已经为飞机建议毫米波成像系统，以改善在雾中的能见度，以及用于检测隐藏的武器的安全应用等等。

无源毫米波成像

在转让给申请人的雇主的美国专利No.5,121,124和5,365,237中描述了无源毫米波成像系统。在这些专利中所描述的系统使用这样的天线，其中收集到的毫米波辐射的方向因变于频率。这种类型的天线被称为“频率扫描”天线。在频谱分析仪中分析收集到的毫米波光以产生一维图像。在'124专利中所描述的系统中，使用天线信号来调制声光设备(布拉格单元)，该声光设备继而调制激光束以产生光谱图像。在'237专利中所描述的系统中，由天线信号来调制电光模块，且电光模块继而调制激光束以对激光束施加毫米波光谱信息，然后激光束被校准器分离成频谱分量，以产生图像。

美国专利No.4,654,666描述了一种成像系统，该成像系统包括频率扫描天线和频谱分析仪，频谱分析仪用于将由天线收集到的编码的辐射分布转换为时间编码的分布，以便可以再现一维场景。在美国专利号7,194,236和6,937,182中描述了其他频率扫描无源毫米波成像系统。以上标识的所有专利通过引用被结合至此。

雷达系统

在毫米频率处操作的雷达系统也是已知的。这些系统通常用两个或更多较低频率信号(叫做频移键控或FSK)或用线性地变化的(频率向上或向下斜变)的较低频率信号(叫做线性调频LFM)来调制毫米波信号。已经提出了FSK和LFM的组合。已经提出了用于自治机动车辆控制和机动车辆防撞的这些FSK和LFM系统。某些系统提供了用于对发射波束或接收波束或两者进行角扫描技术。

异物检测

机场跑道及其他表面上的异物碎片(常常被称为FOD)对于空中交通安全来说是极大的危险。从飞机、地面上的设备掉落的、或被地勤人员错置的物体要对商业航空公司、机场、和军事部门的较大的营业亏损负责，且在极端情况下，可导致人命损失。FOD每年会造成航空业$40亿的损失，且每年给飞机和部件造成显著损坏，并可能导致工作人员、飞行员和乘客的死亡和伤害。

在机场上引入雷达系统用于进行FOD检测的尝试也是已知的。这样的系统的高成本、操作的复杂性，基础结构复杂、以及试验性的本质限制了它们被航空运输业的接受度。由位于英国的公司QinetiQ设计和制造的以名称Tarsier销售的毫米波雷达系统是先进的毫米波FOD检测系统的示例。Tarsier系统目前在加拿大温哥华国际机场操作。Tarsier雷达被设计为静止的、远距离(最多2公里)、调频雷达，以沿着机场表面的整个长度检测FOD。在美国专利No.7,592,943中描述了此系统，该专利以引用的方式结合至此。系统使具有压控振荡器(VCO)频率扫描的改进的频率线性的调频连续波雷达。它使用鉴频器系统来校正VCO的非线性。然后，使用鉴频器信号来使用模拟-数字转换器来调整信号采样速率。Tarsier系统的的操作远距离要求高精度机械和电子组件以及高发射功率。这些要求导致系统的高成本。为了能够检测远距离处的FOD，雷达被设计成具有非常高的灵敏度，这会导致由于来自较短的范围处的信号混乱产生的大量的误报警。