CN102003997B - 光学滤波的毫米波频率扫描成像仪 - Google Patents

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本发明提出了一种新型的基于光学滤波技术和频率扫描天线技术的毫米波成像仪，可应用于遥感、侦察、安检和危险品探测等领域。在本发明中，毫米波频率扫描天线接收来自被探测区域的毫米波辐射和散射信号，经低噪放大器后输出放大的毫米波信号通过电光调制器对来自连续波频率扫描的激光器输出的光信号进行调制；调制后的光信号通过光纤滤波器滤波后，利用光电探测器探测。通过激光器频率的步进和周期变化，光电探测器最终将频率扫描天线接收的来自不同方向不同频率的毫米波信号分别探测出来，并形成一维图像；二维图像可通过组成频率扫描天线阵列或在另一方向扫描获得。

Description

光学滤波的毫米波频率扫描成像仪
技术领域
本发明主要涉及基于光学滤波和毫米波频率扫描天线的成像技术，利用毫米波频率扫描天下接收目标辐射和散射的毫米波信号，通过激光频率连续调谐和光学滤波的方法来获取来自不同方向不同频率的毫米波信号，最终形成一维图像的一种毫米波成像仪。
背景技术
任何高于绝对零度的物体都会辐射各种波段的电磁波，被动成像探测是探测目标的电磁辐射和散射，并运用各种信号处理技术恢复出目标的温度分布图或散射特征图。被动毫米波成像系统广泛应用于射电天文学研究、遥感、军事侦察和民用安检等领域。
毫米波成像技术根据不用的应用需要，其系统结构差异很大。在遥感和军事侦察用途中，毫米波成像系统一般是在机载和星载平台上，成像的距离很远，为了识别目标，必须尽可能提高分辨率，一般广泛采用组成毫米波天线阵列，运用综合孔径成像技术，但系统结构非常复杂，成本非常高。而在安检，危险品探测和消防等领域，由于不符合远场成像条件，其探测距离非常近，受到成本制约，一般不采用综合孔径成像，而是采用单支路扫描成像技术。
单支路扫描成像技术存在结构简单，系统稳定性高，成本低等优点。传统的扫描成像技术都是通过机械转动扫描，但存在很多问题：机械转动导致扫描速度非常低，成像速度慢；而且机械转动存在精度不高、噪音大的问题；此外，在安检领域需要长时间工作，机械扫描会发热甚至导致故障，而其机械驱动需要的功率也非常大，使用成本很高。
毫米波频率扫描天线技术近年来由于其优异的性能越来越受到注意，由于其具有不用扫描而可同时获取整个一维视场目标的毫米波辐射和散射信号的特性，而不用再使用额外的机械扫描结构，直接对接收到的各个频率的毫米波进行探测就可获得视场的一维图像。但对于一个宽带的毫米波信号，要逐个提取各个频率的信号，需要设计非常复杂的毫米波滤波电路，导致效率低下，而且电路稳定性很差，且内容电磁干涉和串扰非常严重。而采用光学滤波的方法则可以很好的解决上述问题，而且系统结构简单，效率很高，可以实现高速一维成像。
发明内容
本发明主要涉及基于光学滤波和毫米波频率扫描天线的成像仪技术，利用毫米波频率扫描天下接收目标辐射和散射的毫米波信号，通过激光频率连续调谐和光学滤波的方法来获取来自不同方向不同频率的毫米波信号，最终形成一维图像的一种毫米波成像仪。
在本发明中，毫米波频率扫描天线接收来自被探测区域的毫米波辐射和散射信号后，经毫米波双向开关选择开关和隔离器后，利用低噪放大器对其进行放大；放大后的毫米波信号进入电光调制器，对来自连续波频率扫描的激光器输出的光信号进行调制；调制后的光信号通过光纤滤波器滤波后，利用光电探测器探测。本发明中，通过控制信号发生器产生锯齿波来驱动PZT调谐控制器，以实现连续波可调激光器输出的中心频率的步进和周期变化，因此光电探测器可将毫米波频率扫描天线接收的来自不同方向不同频率的毫米波信号分别探测出来并形成一维图像，二维图像可通过组成频率扫描天线阵列或在另一方向扫描获得。同时，本发明通过一个确定已知的热噪声源作为标准源对本发明提出的光学滤波的毫米波频率扫描成像仪进行校正。
本发明主要利用了光学滤波器技术和毫米波频率扫描天线技术来实现成像，采用如下技术方案：
(1)毫米波频率扫描天线接收来自某个接收方向范围内[θ1，θ2]的目标辐射和散射的一定频率范围内[f1，f2]的宽带毫米波信号，且毫米波频率扫描天线所接收的宽带毫米波信号频率f和接收方向角度θ具有一一对应的关系θ(f)。
(2)当计算机发出指令选择联通隔离器和毫米波频率扫描天线时，目标区域的宽带毫米波信号通过毫米波双向选择开关进入隔离器和低噪放大器。其中隔离器的作用是在保证宽带毫米波信号通过的同时，阻止低噪放大器反射的毫米波信号进入毫米波频率扫描天线和热噪声源。
(3)低噪放大器输出的放大的宽带毫米波信号(频率范围[f1，f2])进入电光调制器，对来自连续波可调激光器输出的光信号(中心频率为vi)进行调制，其输出的调制光信号的第一级边带频率范围为[vi-f1，vi-f2]。该调制光信号经光纤滤波器(通带中心频率vp)和光子探测器后，可得到含频率f的毫米波信号的强度信号，且f＝|vi-vp|。
(4)计算机发出指令选择联通隔离器和毫米波频率扫描天线的同时，也同步给信号发生器发出指令，开始产生周期T锯齿波电压，一方面被采集卡获取以保证采集卡对光子探测器的输出进行同步采集，另一方面控制PZT调谐控制器，使得连续波可调激光器输出的激光频率随着电压同步线性增加。锯齿波一个周期内，设定连续波可调激光器输出的光信号频率起始为vp+f1，终止为vp+f2。因此，光子探测器在一个周期T内的探测的毫米波信号的频率覆盖从f1到f2的全部范围，根据毫米波频率扫描天线性质，对应的接收方向范围内[θ1，θ2]，从而获得对应的一维图像，二维图像可通过组成毫米波频率扫描天线阵列或在另一方向扫描获得。
(5)当计算机发出指令选择联通隔离器和热噪声源时，光子探测器输出的强度信号为热噪声源的输出强度。热噪声源的作用是一个定标用的标准辐射源，由于热噪声源的参数为确定已知的，因此，利用探测结果可对本发明提出的光学滤波的毫米波频率扫描成像仪进行实时校正。
本发明的主要特色：主要采用了一种特殊的毫米波频率扫描天线技术和采用光学滤波方法来实现毫米波成像，同时采用热噪声源对其进行实时校正，可广泛应用于遥感、侦察、安检和危险品探测等领域
附图说明
图1为本发明光学滤波的毫米波频率扫描成像仪
图2为信号发生器波形与连续波可调激光器输出激光中心频率关系图
图3为信号发生器波形与光子探测器获取毫米波信号方向角的关系图
图4为电光调制器输入输出光信号光谱与输入毫米波信号频率关系图
图5为滤波器通带光谱图
图6光信号中心频率和光纤滤波器通带中心频率差与光子探测器探测的毫米波信号频率对应关系图
具体实施方式
根据本发明提出的光学滤波的毫米波频率扫描成像仪，在具体实施方式中，毫米波频率扫描天线1选择一款采用介质波导结构的微带天线阵列结构，其工作频率f扫描范围为34GHz～44GHz共10GHz的带宽，其对应的方向角为-20°～20°共40°的扫描范围，且其具有频率-方向角函数为线性的，即
θ(f)＝-20°+(f-34GHz)×40°÷10GHz
f1＝34GHz，f2＝44GHz；θ1＝-20°，θ2＝20°
上式中f的单位为GHz。
毫米波双向选择开关2则可选择WiseWave Technologiesd Inc.公司型号为CPD-39102020-XX毫米波双向选择开关，其工作中心频率为39GHz，带宽10GHz，插入损耗和隔离度分别达到1.0dB和20.0dB，完全满足本实施案例的要求。隔离器3同样选择该公司的产品，型号为FFF-22-01，低噪放大器4可选择Cernex公司的CBL34441845-01宽带低噪放大器，其工作频率为34GHz～44GHz，增益达到18dB。
低噪放大器输出的毫米波信号进入电光调制器11，电光调制器11选用COVEGA Corporation的Mach-40066-40-P-A-A电光相位调制器，其最大调制器达到45Gb/s，且其工作带宽达到20GHz。实施案例中的连续波可调激光器13则选用New-Focus公司产生的Velocity连续波可调激光器(Model：TLB-6328)，中心波长选择vi＝1536.610nm，线宽＜300kHz。同时，对TLB-6328配备PZT调谐控制器12，具有60GHz范围的连续波PZT快速可控调谐功能，这完全满足本发明提出的应用需求。
电光调制器11输出的调制后的光信号经过滤波器，经过光纤滤波器10，滤波，这里的光纤滤波器可以选择F-P光纤滤波器或FBG光纤滤波器，其通带中心频率比TLB-6328输出的激光频率低34GHz，即vp＝1536.885nm。光子探测器9选用Thorlabs公司的DET01CFC InGaAs PIN探测器，采集卡8则可以采用16位2通道的数字采集卡，采集速率达到100MHz。采集卡11输出的信号进入计算机6进行分析和处理，最终形成探测区域的一维图像。
具体工作过程描述如下：
计算机同时发出信号给毫米波双向选择开关2和信号发生器7：毫米波双向选择开关2联通毫米波频率扫描天线1和隔离器3；信号发生器7开始产生锯齿波，分别给采集卡8和PZT调谐控制器。信号发生器7的输出波形与连续波可调激光器输出激光中心频率关系如图2中所示，在一个锯齿波周期内，激光器的输出波长从1536.610nm逐渐减小到1536.531nm，频率vi增加了10GHz；信号发生器7的输出与光子探测器9和采集卡8获取的毫米波信号在毫米波频率扫描天线1接收方向角的关系如图3中所示，在本实施方案中，θ(f)表达式可知其关系为线性；电光调制器11的输入、输出光信号的光谱与输入的毫米波信号频率的关系如图4所示，从中间的图可以看出毫米波信号加载到光信号的第一级边带上；光纤滤波器10的通带光谱如图5；光信号中心频率和光纤滤波器通带中心频率差与光子探测器探测的毫米波信号频率对应关系如图6所示。
当系统工作一定时间后(具体时间与工作环境相关)，计算机发出信号给毫米波双向选择开关2使得毫米波频率扫描天线1和热噪声源5联通。此时，本发明成像仪通过确定已知的热噪声源5作为定标辐射源对成像仪进行系统的重新定标和校正。

Claims (4)

1.一种基于光学滤波的毫米波频率扫描成像仪，包括：
毫米波频率扫描天线(1)、毫米波双向选择开关(2)、隔离器(3)、低噪放大器(4)、热噪声源(5)、计算机(6)、信号发生器(7)、采集卡(8)、光子探测器(9)、光纤滤波器(10)、电光调制器(11)、PZT调谐控制器(12)、连续波可调激光器(13)，
所述的基于光学滤波的毫米波频率扫描成像仪，其特征是：
(a)所述毫米波频率扫描天线，接收来自目标区域辐射和散射的一定频率范围内的宽带毫米波信号，且毫米波频率扫描天线所接收的宽带毫米波信号频率和接收方向具有一一对应的关系；
(b)所述的毫米波双向选择开关，当计算机发出指令选择联通毫米波频率扫描天线时，目标区域的宽带毫米波信号通过毫米波双向选择开关进入隔离器和低噪放大器，低噪放大器输出的放大宽带毫米波信号经电光调制器，对来自连续波可调激光器输出的光信号进行调制；
(c)所述电光调制器，其输出的调制光信号经光纤滤波器和光子探测器后，可得到含特定频率毫米波信号的强度信号，所述特定频率与连续波可调激光器输出的激光频率具有确定的线性关系；
(d)所述信号发生器，当计算机发出指令选择联通隔离器和毫米波频率扫描天线的同时，也同步给信号发生器发出指令，开始产生周期锯齿波电压，一方面驱动采集卡开始以一定频率采集光子探测器输出的强度信号，另一方面控制PZT调谐控制器，使得连续波可调激光器输出的激光频率也同步线性增加，最终使得光子探测器可探测出不同频率的毫米波信号，也即探测出进入毫米波频率扫描天线中不同方位的毫米波信号，从而获得对应的一维图像，二维图像可通过组成毫米波频率扫描天线阵列或在另一方向扫描获得；
(e)所述热噪声源，当计算机发出指令给毫米波双向选择开关选择联通隔离器和热噪声源时，光子探测器输出的强度信号为噪声源，由于热噪声源为确定已知，因此对所述的光学滤波的毫米波频率扫描成像仪进行实时校正。
2.根据权利要求1所述的基于光学滤波的毫米波频率扫描成像仪，所述的隔离器为单向器件，在使得毫米波频率扫描天线接收的宽带毫米波信号通过的同时，阻止低噪放大器反射的毫米波信号进入毫米波频率扫描天线和热噪声源。
3.根据权利要求1所述的基于光学滤波的毫米波频率扫描成像仪，所述的热噪声源的输出为恒定的。    
4.根据权利要求1所述的基于光学滤波的毫米波频率扫描成像仪，所述的连续波可调激光器输出的激光中心范围和光纤滤波器的通带中心频率的差值范围为进入电光调制器的毫米波信号的频率范围。
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