CN101866018B - 一种用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，包括毫米波压控振荡器、毫米波低噪声放大器和毫米波正交混频器，毫米波压控振荡器与毫米波正交混频器相连；毫米波低噪声放大器与毫米波正交混频器相连；毫米波压控振荡器用于产生向目标发射的毫米波射频信号和直接馈入毫米波正交混频器的本振信号；毫米波低噪声放大器用于将接收到的包含目标散射波幅度和相位信息的射频信号进行低噪声放大；毫米波正交混频器用于将毫米波压控振荡器直接馈入的毫米波本振信号和经毫米波低噪声放大器的射频信号进行正交混频。本发明的输出信号在进行必要的前置放大和数字采样处理后，通过毫米波全息算法运算，可恢复出目标的毫米波全息图像。

Description

一种用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端

技术领域

本发明涉及安检技术与毫米波全息成像技术领域，特别是涉及一种用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端。

背景技术

现在通行的毫米波全息成像安检系统，主要基于美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的David M.Sheen和Douglas L.McMakin等学者多年的毫米波全息成像技术研究基础，由美国L-3通信控股公司制造，现已在美国部分敏感机场投入部分使用。毫米波全息成像安检系统具有宽带、实时、三维全息的技术特征，在机场安检的应用中能够穿透人体衣物，对人体隐匿物品包括枪支、刀具、炸药等危险品进行检测与识别，发射的毫米波对人体无害，因而体现了安全、快速、检测率高的特点，成为现行金属安检门、X光安检仪等安检手段的良好补充。

毫米波全息成像算法，最早是基于微波/毫米波合成孔径雷达(SAR)技术原理，在较为成熟的光学全息和超声全息成像的算法基础上发展而来。毫米波全息成像系统，通过电子或机械扫描，或二者结合的方式，获得二维成像场景X-Y平面上目标散射信号的幅度和相位信息，从而恢复出图像。同时，成像系统收发前端通过天线，向检测目标发射的是宽带毫米波信号，在宽带频率范围内的不同频率点顺序地接收(测量)目标的散射信号，比一般二维成像方式多了一维多频率采样点上的目标散射信息，通过一定的毫米波全息成像算法，其所成毫米波图像，不仅体现成像X-Y平面的二维信息，而且多了一维成像平面的深度信息Z，因而称其为毫米波全息成像。

毫米波全息成像系统的成像前端一般采取自差或外差的形式进行混频，输出体现目标特征、包含散射信号幅度和相位信息的中频信号。为进行全息成像算法处理，中频信号必须分成相位差为90°的I和Q两路信号，以进行目标散射复数信号的恢复，信号处理单元采集前端输出的I和Q两路信号的关系如式(1)所示

I+jQ＝Ae^-j2kR    (1)

式中，A是目标反射信号的幅度信息，R是目标反射信号的距离信息，k为波数。

采集I和Q两路正交信号后进行一定的信号处理及三维的傅立叶逆变换可得式(2)

$f(x,y,z)={\mathrm{FT}}_{3D}^{-1}\left[{\mathrm{FT}}_{2D}\right\{s(x,y,\mathrm{\ω})\left\}{e}^{-j\sqrt{{\left(2k\right)}^2-k_x^2-k_y^2{Z}_1}}\right]---\left(2\right)$

根据式(2)可进行全息图像恢复。

现行美国部分机场使用的毫米波全息成像系统前端主要将毫米波信号通过下变频的方式，混频出含有目标信息的中频信号，再在中频进行90°(π/2)相移后，输出相位差为90°的I信号和Q信号，以供采样处理；其收发前端系统采用波导式结构，采取一维电子扫描和另一维机械扫描相结合的方式进行成像。该前端通过附加的压控振荡器和混频器，将射频信号下变频到中频频段后，在中频频段进行正交混频，输出I/Q信号，因而该前端所使用的压控振荡器和混频器不止一个，器件数量较多；同时系统基于波导结构，因而体积较大、重量较重，成本较高、产品一致性不够好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，连接天线(或天线阵列)单元和中频单元，通过机械扫描、或通过位置处于天线单元与该射频收发前端之间的开关单元切换进行电子扫描，为毫米波全息成像安检系统提供反映目标幅度和相位信息、可供全息成像算法处理的信号，并且具有体积小、重量轻、成本低、产品一致性好的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，包括毫米波压控振荡器、毫米波低噪声放大器和毫米波正交混频器，所述的毫米波压控振荡器与所述的毫米波正交混频器相连；所述的毫米波低噪声放大器与所述的毫米波正交混频器相连；所述的毫米波压控振荡器用于产生向目标发射的毫米波射频信号和直接馈入所述的毫米波正交混频器的毫米波本振信号；所述的毫米波低噪声放大器用于将接收到的包含目标散射波幅度和相位信息的毫米波射频信号进行低噪声放大；所述的毫米波正交混频器用于将所述的毫米波压控振荡器直接馈入的毫米波本振信号和经所述的毫米波低噪声放大器的毫米波射频信号进行正交混频。

所述的用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端的毫米波压控振荡器由微波/毫米波集成电路芯片构成，利用倍频和锁相技术产生宽带、高相位稳定度以及高线性度的毫米波射频信号。

所述的用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端的毫米波低噪声放大器由微波/毫米波集成电路芯片构成，并具有宽带、低噪声以及高增益的特点。

所述的用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端的毫米波正交混频器由微波/毫米波集成电路芯片构成，并具有宽带、高镜像抑制比的特点，其包括与所述的毫米波压控振荡器相连的同相功分器、平衡混频器和与所述的毫米波低噪声放大器相连的3dB正交耦合器；所述的同相功分器将送入的毫米波信号等分为两个同相的本振信号；所述的3dB正交耦合器将放大的射频信号分成两个等幅度相位差90°的信号；所述的平衡混频器将所述的两个同相的本振信号和经过所述的3dB正交耦合器的两个等幅度相位差90°的信号进行混频处理，输出两个等幅度相位差90°的中频I信号和Q信号。

所述的用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端与开关或开关树、天线或天线阵列进行单片集成。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在毫米波频率直接通过微波/毫米波集成电路芯片结构的I/Q混频器进行同相及正交混频，输出供给后端及图像处理的I/Q信号，不需要将毫米波频率的高频信号进行下变频成中频后，再在中频进行移相和混频，能够更为方便地得到可供全息成像算法处理的信号。本发明是基于现代微波/毫米波集成电路芯片技术的全系统单片集成，具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明中毫米波正交混频器的原理框图；

图3是本发明的输出I信号和Q信号的合成作用图；

图4是本发明与单个收发天线组合的框图；

图5是本发明与一维开关树、一维天线阵列的组合框图；

图6是本发明与二维开关树、二维天线阵列的组合框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，采取自差体制，利用毫米波压控振荡器(简称“毫米波VCO”)产生一个宽带、大功率、高相位稳定度、高线性度的毫米波信号源，通过发射天线向目标发射宽波束角度的毫米波辐射，接收天线接收包含有目标幅度和相位信息的散射波，该散射波进入宽带毫米波低噪声放大器(简称“毫米波LNA”)进行放大后，再进入宽带毫米波正交混频器(简称“毫米波I/Q混频器”)中，与毫米波VCO自差进入毫米波正交混频器的信号(即本振信号LO)进行混频，分别输出零中频的同相信号——I信号和正交信号——Q信号，输出的I信号和Q信号之间存在90°(π/2)的相移，此时的I信号和Q信号中包含着复杂的目标散射波的幅度和相位信息。通过信号采集及成像算法处理，便可恢复出目标的毫米波全息图像。

如图1所示，本发明包括毫米波VCO11、毫米波LNA12和毫米波I/Q混频器13，所述的毫米波VCO11与所述的毫米波I/Q混频器13相连；所述的毫米波LNA12与所述的毫米波I/Q混频器13相连。在使用时，只需在该射频收发前端配上开关和天线即可。所述的毫米波VCO11由微波/毫米波集成电路(简称“MMIC”)芯片构成，利用倍频和锁相技术产生宽带、高相位稳定度以及高线性度的毫米波信号。通过发射天线2向目标发射毫米波信号辐射，接收天线3接收包含有目标和相位信息的射频信号散射波。该射频信号散射波进入由MMIC芯片构成的宽带、低噪声以及高增益的毫米波LNA12，将接收到的包含目标散射波幅度和相位信息的射频信号进行低噪声放大。将经过毫米波LNA12放大的射频信号送入由MMIC芯片构成的具有宽带、高镜像抑制比的特点的毫米波I/Q混频器13中和毫米波VCO11直接馈入的毫米波本振信号进行正交混频，输出包含目标幅度及相位信息的零中频信号，该中频信号分成两部分，一部分为与输入信号同相输出的I信号14，另一部分为与输入信号正交输出的Q信号15。

图2所示的是毫米波I/Q混频器结构示意图，该毫米波I/Q混频器13包括与毫米波VCO11相连的同相功分器131、平衡混频器132和133和与所述的毫米波LNA12相连的3dB正交耦合器135。同相功分器131将送入的毫米波信号等分为两个同相的本振信号L₁和L₂；3dB正交耦合器135将经过毫米波LNA12放大的射频信号134分成两个等幅度相位差90°的信号R₁和R₂；平衡混频器132和133将两个同相的本振信号L₁和L₂与经过3dB正交耦合器135的两个等幅度相位差90°的信号R₁和R₂进行混频处理，输出两个等幅度相位差90°的零中频I信号和Q信号。

图3所示的前端输出I信号和Q信号的合成作用图，信号处理单元采集前端输出的I信号和Q信号，两路信号相位差为90°，分别代表复数信号的实部和虚部，其关系如式(1)所示：

I+jQ＝Ae^-j2kR    (1)

采集I和Q两路正交信号后进行一定的信号处理及三维的傅立叶逆变换可得式(2)

$f(x,y,z)={\mathrm{FT}}_{3D}^{-1}\left[{\mathrm{FT}}_{2D}\right\{s(x,y,\mathrm{\ω})\left\}{e}^{-j\sqrt{{\left(2k\right)}^2-k_x^2-k_y^2{Z}_1}}\right]---\left(2\right)$

根据式(2)可进行全息图像恢复。

此时，全息图像X-Y平面的分辨率为：

δ_X-Y＝λR/2D                  (3)

式中，λ为毫米波波长，R为成像距离，D为天线阵列宽度；

深度分辨率为：

δ_Z＝c/2B                      (4)

式中，c为光速(3×10⁸m/s)，B为系统带宽(单位：Hz)。

例如，对于中心频率35GHz的毫米波全息成像系统，系统带宽6GHz，成像距离0.5m，天线阵列宽度0.8m，其对应的X-Y平面分辨率为：

δ_X-Y＝λR/2D＝(0.086×0.5)/(2×0.8)≈0.0027m＝2.7mm；

深度分辨率为：

δ_Z＝c/2B＝3×10⁸/2×6×10⁹＝0.025m＝2.5cm。

本发明可以与开关或开关树、天线或天线阵列进行单片集成。也就是说，本发明可以配上单个收发天线，可以进行机械式的二维X-Y平面扫描，输出全息毫米波成像所需的信号；也可以配上一维开关树和一维阵列天线，通过一维开关树来切换前端与一维阵列天线的连接，进行该一维阵列天线上的电子扫描，全系统辅以另一维的机械扫描，实现二维X-Y平面扫描，输出全息毫米波成像所需的信号；还可以配上二维开关树和二维阵列天线，通过二维开关树来切换前端与二维阵列天线的连接，进行该二维阵列天线上的电子扫描，从而实现二维X-Y平面的电子扫描，输出全息毫米波成像所需的信号。

如图4所示，使用该射频收发前端1，配上单个接收天线2和发射天线3，可以进行机械式的二维X-Y平面扫描，在X-Y平面的每一个位置采样点、及频率采样点上，通过信号采集电路4采集输出的I/Q信号，进行全息毫米波成像算法处理。

如图5所示，在该射频收发前端1上配上高速率的多个单刀多掷开关组合的一维发射开关树5和一维接收开关树6，分别与一维发射天线阵列21和一维接收天线阵列31相连，通过一维发射开关树5和一维接收开关树6来切换前端1与一维发射天线阵列21和一维接收天线阵列31的连接，进行该一维阵列收发天线上的电子扫描，全系统辅以另一维的机械扫描，实现二维X-Y平面扫描，从而在X-Y平面的每一个位置采样点、及频率采样点上采集输出的I/Q信号，进行全息毫米波成像算法处理。

如图6所示，在该射频收发前端1上配上多个单刀多掷开关组合成的二维开关树7和二维天线阵列，二维天线阵列包括二维发射天线阵列22和二维接收天线阵列32，二维发射天线阵列22和二维接收天线阵列32之间交叉排列，系统通过二维开关树7来切换前端1与二维天线阵列的连接，进行该二维阵列天线上的电子扫描，从而在X-Y平面的每一个位置采样点、及频率采样点上采集输出的I/Q信号，进行全息毫米波成像算法处理。

Claims (5)

1.一种用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，包括毫米波压控振荡器(11)、毫米波低噪声放大器(12)和毫米波正交混频器(13)，其特征在于，所述的毫米波压控振荡器(11)与所述的毫米波正交混频器(13)相连；所述的毫米波低噪声放大器(12)与所述的毫米波正交混频器(13)相连；所述的毫米波压控振荡器(11)用于产生向目标发射的毫米波射频信号和直接馈入所述的毫米波正交混频器(13)的毫米波本振信号；所述的毫米波低噪声放大器(12)用于将接收到的包含目标散射波幅度和相位信息的毫米波射频信号进行低噪声放大；所述的毫米波正交混频器(13)用于将所述的毫米波压控振荡器(11)直接馈入的毫米波本振信号和经所述的毫米波低噪声放大器(12)放大的毫米波射频信号进行正交混频。

2.根据权利要求1所述的用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，其特征在于，所述的毫米波压控振荡器(11)由微波/毫米波集成电路芯片构成，利用倍频和锁相技术产生宽带、高相位稳定度以及高线性度的毫米波射频信号。

3.根据权利要求1所述的用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，其特征在于，所述的毫米波低噪声放大器(12)由微波/毫米波集成电路芯片构成，并具有宽带、低噪声以及高增益的特点。

4.根据权利要求1所述的用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，其特征在于，所述的毫米波正交混频器(13)由微波/毫米波集成电路芯片构成，并具有宽带、高镜像抑制比的特点，其包括与所述的毫米波压控振荡器(11)相连的同相功分器(131)、平衡混频器(132、133)和与所述的毫米波低噪声放大器(12)相连的3dB正交耦合器(135)；所述的同相功分器(131)将送入的毫米波本振信号等分为两个同相的本振信号；所述的3dB正交耦合器(135)将放大的射频信号分成两个等幅度相位差90°的信号；所述的平衡混频器(132、133)将所述的两个同相的本振信号和经过所述的3dB正交耦合器(135)的两个等幅度相位差90°的信号进行混频处理，输出两个等幅度相位差90°的中频I信号和Q信号。

5.根据权利要求1所述的用于毫米波全息成像安检系统的射频收发前端，其特征在于，所述的射频收发前端与开关或开关树、天线或天线阵列进行单片集成。

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