CN101571592A

CN101571592A - 基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统

Info

Publication number: CN101571592A
Application number: CNA2009100850787A
Authority: CN
Inventors: 江月松; 张跃东; 何云涛; 黄永明; 王海洋
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: CN101571592B

Abstract

本发明公开了一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，属于被动毫米波探测和遥感领域。该成像系统由毫米波接收天线子系统、毫米波信号预处理子系统、电光调制子系统、光电探测子系统、控制子系统和数据采集处理与显示子系统组成。在本发明中，使用机械扫描装置控制天线的二维扫描，接收视场中的毫米波辐射；通过电光调制器把天线接收到的毫米波辐射加载到光载波的边带上，使用光电探测器探测滤波后的边带光信号，并结合锁相放大技术实现微弱毫米波信号的检测；对采集到的数据进行处理后得到场景的亮温图像。

Description

基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统

技术领域

本发明是一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，主要是使用光学上变频技术和光电探测技术，并且结合天线的机械扫描获取场景的图像，属于被动毫米波探测和遥感技术领域。可应用于遥感、军事侦察、安检等领域。

背景技术

被动毫米波成像探测通过接收地面或空中的物体及背景热辐射能量，形成相应的辐射特性图像来探测目标。当探测视场中目标与背景的亮度温度不同时，成像结果能反映出视场中各个物体的亮度温度差以及辐射能力差异。毫米波段位于红外与微波波段之间，除具有红外和微波共同特征外还有其特有的性能。与微波相比，毫米波的指向性好、抗干扰能力强、探测性能好、能很好地穿透等离子体；与红外相比，毫米波受天气影响较小，能很好地区别金属目标和周围环境。被动毫米波探测设备在恶劣天气或战场烟尘条件下比光电探测器更为有效，它具有全天候工作能力，在许多领域发挥着重要作用。

毫米波技术的历史最早可以追溯到19世纪90年代，之后这项技术得到持续不断的发展，到20世纪50年代末，英国研制了一个由16个35GHz的狄克开关辐射计组成的机载被动毫米波成像系统“Green Minnow”。近几十年来随着毫米波半导体固态器件的发展，被动毫米波成像系统的尺寸和体积大大缩小了，性能有了极大地提高，直到单片微波集成芯片(MMIC)的出现，被动毫米波成像技术发展到了一个崭新的阶段。迄今为止出现了以下几种被动毫米波成像体制：(1)单波束机械扫描式成像系统仅有一个接收机，通过机械运动使天线扫过视域以获得图像信息，该技术比较成熟，实现简单；(2)相控阵系统由于难以设计出有效的辐射单元，以及馈电系统损耗过大，所以目前在毫米波段应用不多；(3)干涉阵列系统过于复杂和昂贵，且干涉阵列所需的空间很大，因而主要应用于射电天文领域；(4)焦平面成像系统是将多个接收单元排列在聚焦天线的焦平面上，利用各馈源的偏焦不同，获得整个视域的图像，但多像素数、高灵敏度的毫米波焦平面阵列制作较困难。

传统的被动毫米波成像中毫米波信号探测采用直接探测或下变频探测。存在着一下不足：(1)直接探测中的毫米波信号传输、放大和处理较困难。(2)在传统的超外差毫米波接收机中，先把高频载波信号变换到一个中频信号，之后采用低噪声放大器将其放大。在直接探测和下变频探测中，信号传输选用的器件为波导或同轴电缆。其重量大、体积大、易受电磁干扰，且装配复杂。(3)另外，对于被动毫米波探测，带宽越大，获得的毫米波能量越多。在下变频探测中，毫米波信号转换为中频信号后，信号的带宽较小，限制了可利用的毫米波信号的带宽。

Cooper于1990年提出Radio Over Fiber(ROF)技术，利用光纤链路传输微波/毫米波信号。利用光纤传输毫米波信号具有带宽高、衰减小、重量轻、抗电磁干扰等优点。在通信中研究的毫米波信号为数字信号，而被动毫米波成像中研究的为携带毫米波能量信息的模拟信号。近几年，也有一些把光学上变频技术用于被动毫米波综合孔径成像的研究。但在被动毫米波综合孔径成像中需要同时保留信号的幅度和相位信息，需要进行实时相位校正，系统复杂、实现较困难。

发明内容

由于传统的毫米波成像系统存在着诸多缺点，本发明采用电光调制器将毫米波信号上变频至光载波频率，用光纤传输，并用光电探测器探测。结合毫米波天线的机械扫描装置，建立起了被动毫米波成像的有效方案。

本发明是传统毫米波成像的改进和提高，采用如下技术方案：

发明提出如图1所示的基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统：其基本思想是将基于光学上变频的毫米波信号探测和扫描成像技术结合形成一个被动毫米波扫描成像系统。该系统主要由毫米波接收天线子系统、毫米波信号预处理子系统、电光调制子系统、光电探测子系统、控制子系统、数据采集处理与显示子系统组成。首先毫米波接收天线子系统通过机械运动使天线扫描视域以获得目标的毫米波辐射和散射能量；毫米波信号预处理子系统把连续的毫米波信号转换为周期信号并对其放大；通过电光调制子系统把毫米波信号转换为与其功率成正比的光信号，然后使用光电探测子系统把光信号转化为电压信号；控制子系统控制天线扫描与数据采集的同步；数据采集处理与显示子系统采集天线在各个方位时锁相放大器输出的电压信号，经处理得到视域内的亮温图像并显示测得的图像。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

(1)毫米波接收天线子系统：毫米波接收天线子系统由毫米波天线和机械扫描装置组成。毫米波天线接收目标辐射和散射的毫米波能量，毫米波天线安装在机械扫描装置上。毫米波天线可以是卡塞格林天线、前馈抛物面天线、或喇叭天线。机械扫描装置控制毫米波天线的二维转动，对场景进行扫描。

(2)毫米波信号预处理子系统：由毫米波开关和低噪声放大器组成。毫米波开关控制传输的通断状态，把连续的毫米波信号转变为周期信号；低噪声放大器对毫米波信号功率进行放大。

(3)电光调制子系统：电光调制子系统由激光器、电光调制器、光学滤波器组成。激光器要输出中心波长稳定、线宽窄。电光调制器为电光相位调制器或电光强度调制器。光学滤波器为介质薄膜型滤波器、阵列波导光栅型滤波器或光纤光栅滤波器。电光调制器把毫米波能量加载到光载波的边带上。光学滤波器滤掉光载波保留±1级边带或其中的一个边带。

(4)光电探测子系统：由光电探测器，跨阻放大器，锁相放大器组成。光电探测器把接收到的光信号转换为与其功率成正比的电流，跨阻放大器把电流放大为电压。光电探测器为PIN光电二极管或雪崩光电二极管。锁相放大器的参考频率设置和毫米波开关频率一致，检测跨阻放大器输出的电压信号，滤除直流噪声。

(5)控制子系统：控制子系统主要控制毫米波天线扫描和数据采集的同步。

(6)数据采集处理与显示子系统：由数据采集部分、数据处理部分和显示器组成。数据采集部分用于采集锁相放大器输出的电压信号。数据处理部分对采集到的数据进行处理，得到目标的亮温图像。显示器用于显示所得图像。

本发明的主要特色：将光学上变频技术和被动毫米波辐射探测技术结合起来，并利用扫描成像技术实现被动毫米波扫描成像。

本发明的效益与应用前景：本发明通过对基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统的研究，为被动毫米波成像提供了一种新的有效方法，可应用于以下领域：(1)在交通方面，该发明可用于低能见度天气条件下显示机场跑道，引导飞机安全着陆，也可用于低能见度天气条件下汽车、轮船防撞；(2)该发明可应用于农业、林业、地质、海洋遥感；(3)利用毫米波对雨雾的穿透性，以及被动工作方式的隐蔽性，该发明可在军事侦察上发挥重要作用，也可在海岸缉私中用于搜索雨雾中的船只；(4)在机场、海关等安全检查方面，利用人体和武器的毫米波辐射特性的不同，该发明可以用以发现隐匿武器。

附图说明

图1为基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统图

具体实施方式

图1为基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统图。根据毫米波大气投射窗口和目前电光调制的技术水平，选择的毫米波天线1的工作中心频率为35GHz。毫米波天线1安装在一个二维机械转台13上，转台13可以进行水平和仰俯转动。天线接收的毫米波信号通过毫米波开关2变为周期信号。低噪声放大器3对毫米波信号进行放大后，传输到电光调制器5的射频输入端。电光调制器5采用40Gb/s的LiNbO₃电光调制器。激光器4选用中心波长在1550nm波段的窄线宽激光器，激光器4输出激光通过光纤输入到电光调制器5中。毫米波信号通过电光调制器5加载到激光的边带上，一级边带的功率I_FSB与输入毫米波功率I_m、输入激光功率I_o以及电光调制器的调制效率η的关系为：I_FSB＝I_m·I_o·η。滤波器6采用光纤Bragg光栅滤波器，对调制后的光信号进行滤波，滤掉载波光信号，保留其中的一个边带信号。滤波后的光信号传输给InGaAsPIN光电二极管7，光信号被转化为与其功率成正比的电流。跨阻放大器8把微弱的电流放大并转换为电压信号，然后传输到锁相放大器9。锁相放大器9的参考信号频率和毫米波开关2的工作频率相同，检测跨阻放大器8输出的电压信号，滤除电路中的噪声。控制器12控制天线扫描和数据采集的同步。高速数据采集和处理器10采集锁相放大器输出的信号，对采集的数据进行处理后得到场景的图像，然后由显示器11显示图像。

Claims

1.一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，其特征是：所述的基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统包括毫米波接收天线子系统、毫米波信号预处理子系统、电光调制子系统、光电探测子系统、控制子系统、数据采集处理与显示子系统；所述的毫米波接收天线子系统对视场进行二维扫描，接收视场中的毫米波辐射；所述的毫米波信号预处理子系统把接收到得毫米波信号转换为周期信号并对其进行放大；所述的电光调制子系统把毫米波信号转换成与其功率成正比的光信号；所述的光电探测子系统对光信号进行探测，把光信号转换为电压信号；所述的控制子系统控制天线扫描和数据采集的同步；所述的数据采集处理与显示子系统对所述的光电探测子系统输出的电压信号进行采集和处理后，得到视场的亮温图像，并显示图像。

2.按照权利要求1所述的一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，其特征在于所述的毫米波接收天线子系统包括毫米波天线和机械扫描装置；所述的毫米波天线在所述的机械扫描装置控制下对视场进行二维扫描，接收视场中的毫米波辐射；所述的毫米波天线是卡塞格林天线、前馈抛物面天线或喇叭天线。

3.按照权利要求1所述的一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，其特征在于所述的毫米波信号预处理子系统包括毫米波开关和低噪声放大器；所述的毫米波开关控制毫米波信号传输的通断状态，把连续的毫米波信号转变为周期信号；所述的低噪声放大器对毫米波信号功率进行放大。

4.按照权利要求1所述的一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，其特征在于所述的电光调制子系统包括激光器、电光调制器和光学滤波器；所述的电光调制器把毫米波信号调制到所述的激光器输出的激光的边带上；所述的滤波器滤掉载波，保留±1级边带或其中的一个边带；所述的光学滤波器为介质薄膜型滤波器、阵列波导光栅型滤波器或光纤光栅滤波器。

5.按照权利要求4所述的电光调制子系统，其特征在于所述的激光器输出激光为连续波激光，要求中心波长稳定、线宽窄。

6.按照权利要求1所述的一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，其特征在于所述的光电探测子系统包括光电探测器、跨阻放大器和锁相放大器；所述的光电探测器为PIN光电二极管或雪崩光电二极管；所述的光电探测器把光信号转换为电流；所述的跨阻放大器把所述的光电探测器输出的电流放大为电压；所述的锁相放大器检测跨阻放大器输出的电压信号，滤除直流噪声。

7.按照权利要求1所述的一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，其特征在于所述的数据采集处理与显示子系统包括数据采集部分、数据处理部分和显示器；所述的数据采集部分和数据处理部分对所述的锁相放大器输出的电压信号采集和处理后，得到目标的亮温图像，并用所述的显示器显示所得图像。