一种毫米波高分辨率成像介质透镜天线设计方法

摘要

本发明公开了一种毫米波高分辨率成像介质透镜天线的设计方法，该方法是光学透镜设计技术和毫米波天线设计理论相结合的一种设计方法，涉及毫米波天线技术领域。本发明引用光学透镜曲面，通过光学设计方法优化系统的波像差和几何像差，使得馈源天线单元在物平面上的-3dB光斑直径最小，各个馈源天线单元的增益差值小于1dB。本发明具有设计方法简单易行的特点，且对毫米波透镜天线的分辨率提出了创新性定义。本发明可应用于毫米波成像系统。

说明书

技术领域

本发明属于毫米波成像天线技术领域，具体涉及一种用于毫米波成像系统的毫米波高分辨率成像介质透镜天线的设计方法。

背景技术

毫米波成像原理类似于光学成像原理，只是光学成像系统在透镜焦平面上用的是感光胶片或CCD，工作频段是可见光或红外光频段，而毫米波成像系统用的是毫米波天线阵，工作频段是毫米波频段。光学成像系统具有很高的分辨率，但是在雨雾、粉尘天气很难工作，也无法对泥土或者衣物等障碍物遮蔽下的物体成像。相对于可见光和红外光，毫米波具有较强的穿透能力，可以穿透衣物等不透明物体，毫米波成像技术凭借其特点，在安检和反恐等领域广泛应用，使得到了大力发展，其价值日益突出。

作为毫米波成像系统的接收天线，介质透镜天线具有设计灵活、易于加工、成本低、波束均匀性高和无馈源遮挡等优点。传统毫米波介质透镜天线多采用双曲面透镜或者椭球面透镜，但是这类天线偏焦特性差，而且因为透镜曲面形式固定，优化透镜曲面时缺少灵活性。为得到比较高的分辨率，透镜天线的电尺寸一般都很大，因此分析起来十分困难，一般多采用几何光学法或者与几何光学法结合的其他方法。

分辨率反映成像系统的分辨物体细节的能力，是一个很重要的指标参数。因为毫米波天线和感光胶片的工作原理有本质不同，光学系统的分辨率定义无法应用到毫米波成像系统，光学系统分辨率的定义对毫米波成像透镜天线的设计没有指导意义。美国和日本等国家的研究人员都研究设计过毫米波透镜天线，但他们都是以设计光学成像系统的原理设计的，缺少毫米波天线理论的支持。

发明内容

针对毫米波成像系统分辨率的技术问题，本发明提供了一种毫米波高分辨率成像介质透镜天线的设计方法，该方法根据毫米波天线原理定义了毫米波成像天线的分辨率，并依照这一定义设计高分辨率透镜天线。

本发明定义毫米波成像透镜天线分辨率为：单个馈源天线辐射的电磁波束经过透镜聚焦在物平面上，在物平面上形成一个光斑，由光斑中心点往外场强下降3dB时的光斑直径为d，定义1/d为毫米波成像透镜天线的分辨率，即透镜天线系统最小能够分辨物平面上尺寸为d的物体或者间距为d的两个物体。

为了使毫米波成像系统能够分辨尽可能小或间距尽可能小的物体，本发明根据新定义的毫米波成像透镜天线的分辨率，以馈源天线在物平面上形成的光斑尺寸为目标，应用光学系统设计方法设计毫米波透镜天线，采用的具体技术方案为：

步骤一，将点源放置于物平面上，将系统的波像差定为主优化目标，将球差、RMS半径和垂轴像差定为次优化目标，设置一组透镜曲面参数的初始值进行参数优化，首先使系统的波像差达到极小值；

步骤二，将馈源天线设置在像方聚焦曲面上，计算馈源天线在物平面上形成的光斑尺寸以及分辨率，优化馈源天线排列方式，进而使得系统的分辨率达到极大值；

步骤三，改变透镜曲面参数的初始值，重复步骤一和步骤二，使得系统的分辨率得到最大值。

本发明所述的毫米波成像透镜天线设计方法结合了光学透镜设计技术和毫米波天线理论，思路清晰，操作简单易行。

附图说明

图1是本发明的运用光学技术优化介质透镜的示意图。

图2是本发明的透镜天线结构及工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：设计一个毫米波成像介质透镜天线，要求透镜天线工作物距大于3m，能够分辨出物平面上尺寸为d<30mm的物体或者间距为d<30mm的两个物体。根据这一指标要求，以下给出一种毫米波高分辨率成像介质透镜天线设计方法。

设计透镜天线的主要工作为透镜曲面方程的选取和优化，馈源天线阵的排列。透镜天线系统的物距为So，像距为Si，透镜材料介电常数为ε，透镜直径为D。

透镜形式选取双凸透镜，两边曲面都为偶次非球面,曲面方程可以表示为

$z=\frac{c^{-1}{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^{-2}{r}^2}}+{\alpha }_1{r}^2+{\alpha }_2{r}^4+{\alpha }_3{r}^6+{\alpha }_4{r}^8+{\alpha }_5{r}^{10}---\left(1\right)$

透镜口径面尺寸越大，透镜天线的分辨率就越高，选取透镜直径D＝430mm。透镜天线工作物距定为So＝3.5m。

将点源放置于物平面上，如图1所示。理想点源发射的是同心光束，同一点源发射的不同入射高度h的光线经过透镜折射后，出射光不再是同心光束，在像平面上形成的不是像点而是一个光斑。球差可以表示为

δL′＝a₁h²+a₂h⁴(2)

以透镜的球差为目标，优化透镜，得到透镜曲面方程的初始值。

波像差是透镜成像系统的高级像差，它可以表示为

$W=\frac{n^{\prime }}{2}{\int }_0^U{\mathrm{\delta L}}^{\prime }{\mathrm{du}}^2---\left(3\right)$

式中n′为折射率，U为孔径角。

以系统的波像差为主要优化目标，以球差、RMS半径和垂轴像差定为次级优化目标，优化透镜曲面参数，使系统的像差尽可能小。

物平面上不同高度的点源经透镜成像，像点并不在同一像平面上，而是各像点分布在一个曲面上，称为场曲。场曲可以表示为

$x_t^{\prime }=-\frac{1}{2n_k^{\prime }{u}_k^{\prime 2}}\underset{1}{\overset{k}{\Sigma }}(3S_1+S_2)---\left(4\right)$

S₁＝luni(i-i′)(i′-u)(i_z/i)²(5)

将馈源天线设置在透镜的像方聚焦曲面上，如图2所示，馈源辐射的波束经透镜聚焦在物平面上，计算物平面上的-3dB光斑大小。重复以上步骤，直到物平面上光斑尺寸最小。物平面上-3dB光斑直径就是透镜天线能分辨的最小物体尺寸。

透镜天线系统最小能够分辨物平面上尺寸为28mm的物体或者间距为28mm的两个物体。