近場毫米波成像的制作方法
【專利摘要】提供了用于近場毫米波成像的系統(tǒng)和方法，具體而言，提供了通過使用子波長探針元件掃描物體并捕捉和測量反射能的相位和強(qiáng)度以產(chǎn)生圖像來實(shí)現(xiàn)子波長分辨率成像的近場毫米波成像系統(tǒng)和方法。
【專利說明】近場毫米波成像
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)主張2011年7月29日提交的編號(hào)為61/513，138的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)益，該申請(qǐng)的公開在此全部納入作為參考。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明一般地涉及提供了用于近場毫米波成像的系統(tǒng)和方法，具體而言，本發(fā)明涉及通過使用子波長探針元件掃描物體并捕捉和測量反射能的相位和強(qiáng)度以產(chǎn)生圖像來實(shí)現(xiàn)子波長分辨率成像的近場暈米波成像系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]一般而言，常規(guī)遠(yuǎn)場毫米波成像系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于各種應(yīng)用，例如安檢(例如，夾藏武器檢查)、避免碰撞雷達(dá)，并且用于低能見度條件下的安全著陸。這些常規(guī)系統(tǒng)通常非常昂貴、復(fù)雜并且體積龐大。例如，一個(gè)公知的常規(guī)成像系統(tǒng)基于具有1024個(gè)在89GHz上工作的接收器模塊的復(fù)雜被動(dòng)毫米波攝像機(jī)。在該系統(tǒng)中，18英寸直徑塑料透鏡用于收集和聚焦輻射，從而產(chǎn)生衍射限制的0.5°角分辨率。
[0005]盡管這些系統(tǒng)的圖像質(zhì)量令人印象深刻，但是由于這些遠(yuǎn)場成像器的復(fù)雜性及其成本，它們并未用于眾多大容量應(yīng)用，例如，醫(yī)療成像。除了高成本之外，這些成像器實(shí)現(xiàn)的分辨率并非高得足以用于其中需要Imm或更小分辨率的醫(yī)療應(yīng)用。這些系統(tǒng)執(zhí)行遠(yuǎn)場成像，其中可實(shí)現(xiàn)的最高圖像分辨率由衍射限制設(shè)定。例如，可購買到18英寸89GHz相機(jī)的角分辨率為0.5°，該分辨率等同于用于Im的天線物距的8.7_空間分辨率。這樣，當(dāng)前的遠(yuǎn)場成像器的兩個(gè)阻止其用于醫(yī)療應(yīng)用的主要缺陷是高成本以及由衍射限制設(shè)定的低分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一般而言，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括用于近場毫米波成像的系統(tǒng)和方法，具體而言，包括通過使用子波長探針元件掃描物體并捕捉和測量反射能的相位和強(qiáng)度以產(chǎn)生圖像來實(shí)現(xiàn)子波長分辨率成像的近場毫米波成像系統(tǒng)和方法。
[0007]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種近場成像系統(tǒng)包括掃描設(shè)備和成像器。所述掃描設(shè)備適合于通過在給定工作頻率上發(fā)射具有某一波長的電磁能，捕捉從所述目標(biāo)物體反射的電磁能，以及測量所述反射能的強(qiáng)度和相位來掃描目標(biāo)物體的表面。所述掃描設(shè)備包括具有子波長尺度(dimension)的探針，該探針用于發(fā)射所述電磁能以及捕捉所述反射能。所述成像器使用所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位呈現(xiàn)(render)所述目標(biāo)物體的圖像，其中所述圖像被呈現(xiàn)為具有子波長分辨率。
[0008]在另一不例性實(shí)施例中，一種用于近場成像的手持式掃描設(shè)備包括外殼、被置于所述外殼內(nèi)的探針設(shè)備，以及被置于所述外殼內(nèi)的第一半導(dǎo)體芯片。所述探針設(shè)備適合于通過在給定工作頻率上發(fā)射具有某一波長電磁能，以及捕捉從所述目標(biāo)物體反射的電磁能來掃描目標(biāo)物體的表面。所述探針設(shè)備包括至少一個(gè)探針元件。所述第一半導(dǎo)體芯片包括集成電路，用于產(chǎn)生由所述探針設(shè)備發(fā)射的所述電磁能以及測量所述探針設(shè)備捕捉的所述反射能的強(qiáng)度和相位。所述探針設(shè)備可以一體化的方式在所述第一半導(dǎo)體芯片或在與所述第一半導(dǎo)體芯片分離的第二半導(dǎo)體芯片上形成。所述探針元件可以包括探針元件的陣列，每個(gè)探針元件具有子波長尺度。
[0009]在本發(fā)明的又一示例性實(shí)施例中，提供一種近場成像方法。所述方法包括在給定工作頻率上使用具有某一波長的電磁能掃描目標(biāo)物體的表面；捕捉從所述目標(biāo)物體反射的電磁能；測量所述反射能的強(qiáng)度和相位；以及使用所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位呈現(xiàn)所述目標(biāo)物體的圖像，其中所述掃描和捕捉使用具有子波長尺度的探針執(zhí)行，并且其中所述圖像被呈現(xiàn)為具有子波長分辨率。
[0010]將描述本發(fā)明的上述及其它示例性實(shí)施例，或者當(dāng)結(jié)合附圖閱讀下面對(duì)示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的上述及其它示例性實(shí)施例變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1以圖形方式示出針對(duì)在IOOGHz的頻率上工作的遠(yuǎn)場成像系統(tǒng)的不同天線物距的天線大小與遠(yuǎn)場空間分辨率。
[0012]圖2以圖形方式示出(i) IOOGHz的頻率上的天線大小與近場空間分辨率，以及(?)針對(duì)在IOOGHz的頻率上工作的近場成像系統(tǒng)的最大允許天線距離與近場空間分辨率。
[0013]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于模擬用于掃描目標(biāo)物體的近場成像系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型。
[0014]圖4A和4B分別是基于圖3的計(jì)算機(jī)模型獲取的模擬S11振幅數(shù)據(jù)的三維(3D)和二維(2D)圖形,其中目標(biāo)物體的介電常數(shù)為ε =2.1。
[0015]圖5Α和5Β分別是基于圖3的計(jì)算機(jī)模型獲取的模擬S11振幅數(shù)據(jù)的3D和2D圖形，其中目標(biāo)物體的介電常數(shù)為E1=LO15
[0016]圖6Α和6Β分別是基于圖3的計(jì)算機(jī)模型獲取的模擬S11振幅數(shù)據(jù)的3D和2D圖形，其中目標(biāo)物體的介電常數(shù)為S1=I0.0。
[0017]圖7Α和7Β分別是基于圖3的計(jì)算機(jī)模型獲取的模擬S11相位數(shù)據(jù)的3D和2D圖形，其中目標(biāo)物體的介電常數(shù)為￡^2.1。
[0018]圖8Α和SB分別是基于圖3的計(jì)算機(jī)模型獲取的模擬S11相位數(shù)據(jù)的3D和2D圖形，其中目標(biāo)物體的介電常數(shù)為E1=LO15
[0019]圖9Α和9Β分別是基于圖3的計(jì)算機(jī)模型獲取的模擬S11相位數(shù)據(jù)的3D和2D圖形，其中目標(biāo)物體的介電常數(shù)為S1=I0.0。
[0020]圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的用于模擬`用于掃描目標(biāo)物體的近場成像系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型。
[0021]圖11示意性地示出使用根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的近場成像系統(tǒng)掃描的實(shí)驗(yàn)性特氟龍(Teflon)板，該特氟龍板被構(gòu)建為具有在其表面形成的不同大小和介電常數(shù)的各種特征。
[0022]圖12A和12B示出通過對(duì)圖11的實(shí)驗(yàn)性特氟龍板中形成的各種特征進(jìn)行成像獲取的原始S11振幅和相位數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)性測量值。
[0023]圖13A示出通過處理圖12A的原始S11振幅數(shù)據(jù)產(chǎn)生的圖像。
[0024]圖13B是圖13A的圖像的一部分的分解圖。
[0025]圖13C示出通過處理圖12B的原始S11相位數(shù)據(jù)產(chǎn)生的圖像。
[0026]圖14是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的近場毫米波成像系統(tǒng)的高級(jí)圖。
[0027]圖15是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于執(zhí)行近場毫米波成像的方法的流程圖。
[0028]圖16示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)組件/步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0029]現(xiàn)在進(jìn)一步詳細(xì)地介紹本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中涉及用于近場毫米波成像的系統(tǒng)和方法，具體而言，涉及通過使用子波長探針元件掃描物體并捕捉和測量反射能的相位和強(qiáng)度以產(chǎn)生圖像來實(shí)現(xiàn)子波長分辨率成像的近場毫米波成像系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，近場成像系統(tǒng)可在大約65GHz及更大(例如,大約IlOGHz或更大)的頻率范圍內(nèi)工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)比衍射限制高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的子波長分辨率。
[0030]遠(yuǎn)場與沂場
[0031]遠(yuǎn)場天線的分辨率可根據(jù)其方向性計(jì)算。天線的方向性Dtl被定義為從天線出發(fā)的給定方向的輻射強(qiáng)度與所有方向上平均輻射強(qiáng)度的比率。該數(shù)量可根據(jù)天線束寬表示，如下所示:
[0032]D0 ~4 Θ(I)
[0033]其中Θ是對(duì)于對(duì)稱圖案的以弧度表示的天線束寬。方向性還可根據(jù)天線孔徑大小和波長計(jì)算，如下所示:
[0034]D。~4 A λ(2)
[0035]其中A是有效天線孔徑大小，λ是波長。
[0036]根據(jù)方程式⑴和(2)，可計(jì)算天線束寬，如下所示:
[0037]Θ ~λ Ak1.5 (3)
[0038]并且，空間分辨率Rres可如下表示:
[0039]Rres=Z Θ ~ζ λ Ak1.5 (4)
[0040]其中ζ是離天線的距離。對(duì)于正方形孔徑，可計(jì)算Rms的更精確的表達(dá)式，如下所示:
【權(quán)利要求】
1.一種近場成像系統(tǒng)，包括:掃描設(shè)備，其適合于通過在給定工作頻率上發(fā)射具有某一波長的電磁能，捕捉從目標(biāo)物體反射的電磁能，以及測量所述反射能的強(qiáng)度和相位來掃描目標(biāo)物體的表面，其中所述掃描設(shè)備包括具有子波長尺度的探針，該探針用于發(fā)射所述電磁能以及捕捉所述反射能；成像器，其使用所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位來呈現(xiàn)所述目標(biāo)物體的圖像，其中所述圖像被呈現(xiàn)為具有子波長分辨率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的近場成像系統(tǒng)，其中所述探針包括在半導(dǎo)體芯片的表面上形成的探針元件陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的近場成像系統(tǒng)，其中所述探針元件為環(huán)形元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的近場成像系統(tǒng)，其中所述環(huán)形元件各具有大約2_或更小的直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的近場成像系統(tǒng)，其中所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位為S11參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的近場成像系統(tǒng)，其中所述掃描設(shè)備包括半導(dǎo)體芯片，該半導(dǎo)體芯片具有實(shí)現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析器功能以計(jì)算S11參數(shù)的集成電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的近場成像系統(tǒng)，其中所述成像器計(jì)算所述S11參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的 近場成像系統(tǒng)，其中所述成像器使用所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位估計(jì)所述掃描的目標(biāo)物體的組成元件的介電常數(shù)，并且基于所述掃描的物體的所述組成元件的介電常數(shù)的估計(jì)的差值呈現(xiàn)所述圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的近場成像系統(tǒng)，其中所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位為S11參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的近場成像系統(tǒng)，其中所述圖像的像素被計(jì)算為: famp (x0, y0) =var {amp (S11 (x, y)) | (dist (x, x0) <d) and (dist (y, y0) <d)}
fphase (xo，y0)=var {phase (S11 (x, y)) | (dist (x, x0) <d) and (dist (y, y0) <d)} 其中(x，y)表示圖像像素的坐標(biāo)，famp是從S11的振幅推導(dǎo)的函數(shù)，fphase是從S11的相位推導(dǎo)的函數(shù)，var表示在點(diǎn)(X，y)上取的變化函數(shù)，使得x與X0的距離小于d，并且y與y(l的距離小于d。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的近場成像系統(tǒng)，其中所述給定工作頻率約為IOOGHz或更大，其中所述波長約為3mm或更小，并且其中所述圖像的所述子波長分辨率約為0.5mm或更小。
12.—種成像方法，包括: 在給定工作頻率上通過用具有某一波長的電磁能掃描目標(biāo)物體的表面； 捕捉從所述目標(biāo)物體反射的電磁能； 測量所述反射能的強(qiáng)度和相位；以及 使用所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位呈現(xiàn)所述目標(biāo)物體的圖像， 其中所述掃描和捕捉使用具有子波長尺度的探針執(zhí)行，并且 其中所述圖像被呈現(xiàn)為具有子波長分辨率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述探針包括探針元件陣列。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述探針元件為環(huán)形元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述環(huán)形元件各具有大約2mm或更小的直徑。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中使用所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位呈現(xiàn)所述目標(biāo)物體的圖像包括估計(jì)所述掃描的目標(biāo)物體的組成元件的介電常數(shù)，以及基于所述掃描的物體的所述組成元件的介電常數(shù)的估計(jì)的差值呈現(xiàn)所述圖像。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位為S11參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中呈現(xiàn)所述圖像包括將所述圖像的像素值計(jì)算為:
famp (xo，y0)=var {amp (S11 (X，y)) | (dist (x, x0) <d) and (dist (y, y0) <d)}
fphase (xo，Y0)=var {phase (S11 (x, y)) | (dist (x, x0) <d) and (dist (y, y0) <d)} 其中(X，y)表示圖像像素的坐標(biāo)，famp是從S11的振幅推導(dǎo)的函數(shù)，fphase是從S11的相位推導(dǎo)的函數(shù)，var表示在點(diǎn)(X，y)上取的變化函數(shù)，使得x與X0的距離小于d，并且y與y(l的距離小于d。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述給定工作頻率約為IOOGHz或更大，其中所述波長約為3mm或更小，并且其中所述圖像的所述子波長分辨率約為0.5mm或更小。
20.一種包括計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)的制造品，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包括有形地位于上面的程序代碼，該程序代碼當(dāng)被計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行近場成像的方法步驟，所述方法步驟包括: 捕捉從所述目標(biāo)物體反射的電磁能； 測量所述反射能的強(qiáng)度和相位；以及 使用所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位呈現(xiàn)所述目標(biāo)物體的圖像，其中所述掃描和捕捉使用具有子波長尺度的探針執(zhí)行，并且其中所述圖像被呈現(xiàn)為具有子波長分辨率。
21.一種用于近場成像的裝置，包括: 存儲(chǔ)器；以及 處理器，其與所述存儲(chǔ)器相連并被配置為執(zhí)行存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中的代碼，以用于: 捕捉從所述目標(biāo)物體反射的電磁能； 測量所述反射能的強(qiáng)度和相位；以及 使用所述反射能的所述測量的強(qiáng)度和相位呈現(xiàn)所述目標(biāo)物體的圖像，其中所述掃描和捕捉使用具有子波長尺度的探針執(zhí)行，并且其中所述圖像被呈現(xiàn)為具有子波長分辨率。
22.一種用于近場成像的手持式掃描設(shè)備，所述掃描設(shè)備包括: 外殼; 被置于所述外殼內(nèi)的探針設(shè)備，所述探針設(shè)備適合于通過在給定工作頻率上發(fā)射具有某一波長電磁能，以及捕捉從所述目標(biāo)物體反射的電磁能來掃描目標(biāo)物體的表面，其中所述探針設(shè)備具有至少一個(gè)探針元件；以及 被置于所述外殼內(nèi)的第一半導(dǎo)體芯片，其中所述第一半導(dǎo)體芯片包括集成電路，用于產(chǎn)生由所述探針設(shè)備發(fā)射的所述電磁能以及測量所述探針設(shè)備捕捉的所述反射能的強(qiáng)度和相位。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的手持式掃描設(shè)備，其中所述探針設(shè)備以一體化的方式在所述第一半導(dǎo)體芯片上形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的手持式掃描設(shè)備，其中所述探針設(shè)備以一體化的方式在第二半導(dǎo)體芯片上形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的手持式掃描設(shè)備，其中所述至少一個(gè)探針元件包括探針元件陣列，每個(gè)探針元件具有子波長尺度。`
【文檔編號(hào)】H01Q3/00GK103718377SQ201280037941
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月29日
【發(fā)明者】A·巴巴卡尼, 劉兌現(xiàn), S·K·雷諾茲, M·A·桑度萊努 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司