CN102135629A - 一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块，包括毫米波射频收发前端1、毫米波收发开关树2以及毫米波收发天线阵列3。毫米波射频发射前端通过发射开关树的快速电子切换，经毫米波发射天线阵列，顺序向被检目标发射毫米波信号；目标反射的散射毫米波信号，经毫米波接收天线阵列接收后，通过接收开关树的电子切换，顺序进入毫米波射频接收前端。该模块的输出信号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以供安检应用。该模块全系统单片集成，性能稳定、一致性好，并具有低成本、易于大规模生产及小体积(轻载荷)的产品化优势。

Description

一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块

技术领域

本发明提供一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块，主要涉及安检技术领域，尤其涉及机场安检技术和全息成像技术领域。

背景技术

现有毫米波全息成像安检系统

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

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°的同相(I)和正交(Q)两路信号，以进行目标散射复数信号的恢复，如式(1)所示。信号处理单元采集前端输出的I和Q两路信号。

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/Q信号后进行一定的信号处理及三维的逆傅立叶变换：

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

进行全息图像恢复。

此时，全息图像X-Y平面的分辨率为：

δX-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。

现有毫米波全息成像系统的收发模块技术

现行美国部分机场使用的毫米波全息成像系统的收发模块，主要采用美国专利US005557283A(1996)和US007295146B2(2007)的技术，其特征是：

1、采用超外差体制，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后，，在中频进行90°(π/2)相移后，再进行外差混频输出相位差为90°的I和Q信号，以供采样处理；

2、其收发模块整体，即毫米波射频前端、毫米波开关与毫米波天线，均采用波导式结构；

3、其收发模块，采取一维天线阵列形式，因此，成像系统的扫描方式是，采取一维电子扫描(毫米波开关切换)和另一维机械扫描(平动或转动)相结合的方式成像。

该技术源于上世纪九十年代的毫米波波导技术，体积较大、重量较重，成本较高、产品一致性不够好。

本发明采用当今最新发展的毫米波/微波集成电路(MMIC)技术，基于MMIC芯片，将全毫米波收发模块，包括射频收发前端、收发开关树以及收发天线阵列全单片集成(而非波导结构)，因而体积较小、重量较轻、成本较低、产品一致性较好。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块，该模块基于现代MMIC技术进行全系统集成。该模块的功能是输出全息成像安检系统所必需的成像场景后向散射毫米波的幅度和相位信息。在该模块的后端配上信号采集和图像恢复模块，经全息成像算法处理，可获得成像场景的全息毫米波图像，在安检应用中，可用来进行人体隐匿违禁品的安全检测。

该模块至少包括：

1)工作于毫米波频段，具有较宽带宽、较高相位稳定度和较高频率稳定度的毫米波射频收发前端；

2)工作于毫米波频段、具有较宽带宽、快速响应时间的毫米波收发开关树。

3)工作于毫米波频段、具有较宽带宽、阵列排列的毫米波收发天线阵列。

其优选实例主要包括机场及各种重要场合的安全检查应用的毫米波全息成像安检系统所必需的核心器件，即毫米波收发模块。

本发明不同于美国专利US005557283A(1996)和US007295146B2(2007)的技术，

1)不是基于波导技术，而是基于现代MMIC技术的全系统单片集成；

2)不是将毫米波频率的高频信号进行混频成中频后，在中频进行移相和混频，及相关处理的技术，而是在毫米波频率直接通过MMIC结构的毫米波I/Q混频器进行同相及正交混频，输出供给后端信号及图像处理的I/Q信号。

本发明采用如下技术方案：

该毫米波收发模块通过毫米波射频收发前端1的毫米波VCO11产生宽带、高相位稳定度和高频率稳定度的毫米波信号，经毫米波发射开关树21的电子切换，进入毫米波发射天线阵列31，向观测目标顺序发射毫米波；毫米波接收天线阵列32经毫米波接收开关树22的电子切换后，顺序接收目标后向散射回来的毫米波，进入毫米波射频前端1；经毫米波LNA 12进行放大后，送入毫米波I/Q Mixer 13，该RF信号包含目标散射特征信息，与毫米波VCO11自差/外差进入毫米波I/Q Mixer 13的LO信号进行混频。自差即同一个毫米波源产生的毫米波信号既作为发射源信号，又作为接收支路的本振信号，外差则是不同的毫米波源产生的毫米波信号分别作为发射源信号和接收支路的本振信号。混频输出零中频的同相位信号I 14和正交信号Q 15，I信号14和Q信号15之间存在90°(π/2)相位差，其中包含着复杂的目标后向散射波的幅度和相位信息。在全息成像安检系统的应用中，在本发明的模块后端连接信号采集、处理及图像恢复模块，可进行人体隐匿品的毫米波全息成像安检。

在本发明中，装置各部分说明如下：

(1)设计了如图1所示，应用于全息成像安检系统的毫米波收发模块。该模块工作于毫米波波段，采用自差/外差体制，在毫米波频率直接进行I/Q混频，从而输出全息毫米波成像所必需的反映成像场景后向散射特性的幅度和相位信息；

(2)设计了如图2所示，毫米波收发模块的射频收发前端。该射频收发前端主要由宽带、高稳的毫米波MMIC VCO芯片、毫米波MMIC LNA芯片、毫米波MMIC I/Q Mixer芯片及辅助电路构成；在更高的毫米波频率(40GHz以上)，采用倍频和锁相的形式进行频率综合，以达到宽带和稳频、稳相的技术要求；整个射频收发前端由发射和接收2个支路集成；

(3)设计了如图3所示，所述的毫米波收发模块中的毫米波收发开关树，连接射频收发前端和毫米波收发天线阵列。该毫米波收发开关树采用毫米波MMIC开关芯片，制作成单刀多掷开关；单刀多掷开关可单独使用，与后端天线阵列连接(同轴连接)，也可与后端天线阵列微带连接，进行单片集成；整个开关树分成发射和接收2个支路，发射支路为发射开关树，接收支路为接收开关树；

(4)设计了如图4所示，毫米波收发模块中的毫米波收发天线阵列。该毫米波收发天线阵列采用微带天线技术制作；收发天线阵列分别与前一级的毫米波收发开关树连接(同轴连接)，也可分别与毫米波收发开关树进行微带连接，进行单片集成；全天线阵列分成发射和接收支路，均为多元天线阵列。

本发明的目的、特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块；

图2为本发明的一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块的射频前端；

图3为本发明的一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块的毫米波开关及毫米波开关树；

图4为本发明的一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块的毫米波天线阵列；

图5为本发明的毫米波开关树及天线阵列的电子切换时序图.

图6为本发明的模块输出I/Q信号，其中包含成像场景后向散射毫米波的辐射和相位信息的原理描述图。

图中，1为毫米波射频收发前端，2为毫米波收发开关树，3为毫米波收发天线阵列；11为毫米波VCO，12为毫米波LNA，13为毫米波I/Q Mixer，14为Q信号输出，15为I信号输出；21为毫米波收发开关树的发射开关树，211为第一级单刀多掷开关，212为第二级单刀多掷开关；22为毫米波收发开关树的接收开关树，221为第一级单刀多掷开关，212为第二级单刀多掷开关；31为发射天线阵列，32为接收天线阵列，311为发射天线阵中的一个单元。

具体实施方式

如图1所示，毫米波收发模块中的射频收发前端，产生宽带、稳频、稳相的毫米波，通过发射开关树，顺序导通发射天线阵列，向成像场景发射毫米波；接收开关树顺序导通接收天线阵列，接收成像场景后向散射的毫米波信号，进入射频前端的接收支路，输出包含有成像场景后向散射毫米波的幅度和相位信息的I/Q信号；

如图2所示，模块的射频收发前端，采用自差工作方式，即同一个毫米波源产生毫米波信号，功分后，一部分在发射支路中向外发射出去，一部分作为本振信号，进入接收支路，与混频器进行正交混频。

发射支路：将VCO振荡产生的毫米波通过发射开关树、发射天线阵列向成像场景发射；本实施例中，采用2.5～5GHz的VCO(型号：DCYS250500-5)经3次2倍频的方式，经锁相环电路，产生31～36GHz的高稳、宽带毫米波信号，

接收支路：工作于毫米波频率的低噪声放大器(LNA)(型号：L51)将接收到的成像场景的散射毫米波进行低噪声放大后，进入正交混频器(I/QMixer)(型号：HMC555)，与毫米波源自差进入I/Q Mixer的毫米波信号进行自差正交混频，输出含有成像场景幅度及相位信息的同相(I)信号和正交(Q)信号。

如图3所示，毫米波收发开关树分成发射开关树(21)和接收开关树(22)，每一支路均分为2级。发射开关树(21)由第1级的1个单刀八掷开关(SP8T)(211)与第二级的8个SP8T(212)组成；接收开关树(22)由第1级的1个SP8T(221)与第二级的8个SP8T(222)组成；开关由TTL电平驱动，切换速度在微秒量级，以达到电子扫描的速率和功能。

如图4所示，毫米波收发天线阵列分成发射天线阵列(31)和接收天线阵列(32)，在本实施例中，发射天线阵列(31)和接收天线阵列(32)均由64元直线渐变式缝隙微带天线(LTSA)组成，为电路集成考虑，将每8元LTSA在1块电路板上集成制作，作为1个天线子阵列(311)，这样，发射天线阵列(31)和接收天线阵列(32)各自由8个天线子阵列(311)组成。

如图5所示，毫米波收发开关树(2)与毫米波天线阵(3)数目相对应，其电子切换的逻辑关系是：通过TTL控制信号，控制毫米波开关树(2)导通毫米波天线阵(3)的发射天线阵列(31)中的第1个LTSA，向外发射毫米波，同时，TTL控制信号控制毫米波开关树(2)顺序导通毫米波天线阵(3)的接收天线阵列(32)的第1个和第2个LTSA，实现单天线发射，相邻双天线接收的功能；依次类推。

如图6所示的模块输出I和Q信号的合成作用图，当本发明的模块顺序输出包含成像场景后向散射毫米波信号的幅度和相位信息的I/Q信号后，信号处理单元采集模块输出的I和Q两路信号，两路信号相差90°，如下式所示。

同相I信号：

正交Q信号：

式中，A₀为幅度，为相位。I/Q信号分别代表复数信号的实部和虚部，如下式所示，

I+jQ＝A₀e^-j2kR           (3)

成像系统的信号采集模块采集本发明的毫米波收发模块输出的I/Q信号后，进行一定的信号处理及三维的逆傅立叶变换，如式(4)所示，

$f(x,y,z)={\mathrm{FT}}_{3D}^{-1}\left[{\mathrm{FT}}_{2D}\right\{s(x,y,\mathrm{\ω})\left\}{e}^{-j\sqrt{{\left(2k\right)}^2-k_x^2-k_y^2{Z}_1}}\right]---\left(4\right)$

进行全息图像恢复。

Claims (9)

1.一种用于全息成像安检系统的毫米波收发模块，其特征在于包括：

a)工作于毫米波频段毫米波射频收发前端(1)；b)工作于毫米波频段毫米波收发开关树阵列(2)；和c)工作于毫米波频段毫米波收发天线阵列(3)；所述的毫米波收发开关树阵列(2)前后分别连接毫米波射频收发前端(1)和毫米波收发天线阵列(3)。

2.按权利要求1所述的收发模块，其特征在于所述的毫米波收发模块通过毫米波射频收发前端(1)中的毫米波VCO(11)产生宽带、高相位稳定度和高频率稳定度的毫米波信号，经毫米波收发开关树阵列中的发射开关树(21)的电子切换，进入毫米波收发天线阵列中的发射天线阵列(31)，向观测目标顺序发射毫米波；毫米波收发天线阵列中的接收天线阵列(32)经毫米波收发天线阵列中的接收开关树(22)的电子切换后，毫米波射频收发前端接收目标后向散射回来的毫米波，进入毫米波射频前端(1)。

3.按权利要求1所述收发模块，其特征在于所述毫米波射频收发前端(1)

a)采用微波/毫米波集成电路技术，产生宽带、高相位稳定度、高线性度的毫米波信号；

b)采用倍频、锁相技术来实现毫米波压控振荡器VCO(11)的宽带、高相位稳定度、高线性度的要求；

c)采用自差或外差的方式，与接收到的射频信号在毫米波频段直接进行混频。

4.按权利要求1或3所述的收发模块，其特征在于所述的毫米波射频收发前端(1)使采用本振信号与接收到的RF信号在正交混频器(13)中进行正交混频，输出全息成像算法所需的，包含目标后向散射信号幅度及相位信息的同相位信号I(14)和正交信号Q(15)。

5.根据权利要求1所述的收发模块，其特征在于所述的毫米波收发开关树阵列(2)是采用MMIC技术制作，开关树所控制的通道数目与毫米波收发天线阵列(3)中的数目相对应；与射频收发前端(1)的连接为同轴连接或微带连接，与毫米波收发天线阵列(3)的连接为同轴连接或微带连接。

6.按权利要求5所述的收发模块，其特征在于同相位信号I和正交信号Q之间存在90°的相位差。

7.按权利要求1或3所述的收发模块，其特征在于射频收发前端是由发射和接收2个支路集成：

①发射支路：将VCO振荡产生的毫米波通过发射开关树、发射天线阵列向成像场景发射；采用2.5～5GHz的VCO，经3次2倍频的方式，经锁相环电路，产生31～36GHz的高稳、宽带毫米波信号；

②接收支路：工作于毫米波频率的低噪声放大器LNA将接收到的成像场景的散射毫米波进行低噪声放大后，进入正交混频器，与毫米波源自差进入正交混频器的毫米波信号进行自差正交混频，输出含有成像场景幅度和相位信息的同相位信号I和正交信号Q。

8.按权利要求1所述的收发模块，其特征在于：

a)所述的毫米波收发开关树分成发射开关树(21)和接收开关树(22)，每一支路均分为2级，发射开关树(21)由第1级的1个单刀八掷开关SP8T(211)与第二级的8个SP8T(212)组成；接收开关树(22)由第1级的1个SP8T(221)与第二级的8个SP8T(222)组成；开关由TTL电平驱动，切换速度在微秒量级，以达到电子扫描的速率和功能；

b)所述的毫米波收发天线阵列分成发射天线阵列(31)和接收天线阵列(32)，发射天线阵列(31)和接收天线阵列(32)均由64元直线渐变式缝隙微带天线LTSA组成，为电路集成，将每8元LTSA在1块电路板上集成制作，作为1个天线子阵列(311)，使发射天线阵列(31)和接收天线阵列(32)各自由8个天线子阵列(311)组成；

c)所述的毫米波收发开关树(2)与毫米波天线阵(3)电子切换的逻辑关系是：通过TTL控制信号，控制毫米波开关树(2)导通毫米波天线阵(3)的发射天线阵列(31)中的第1个LTSA，向外发射毫米波，同时，TTL控制信号控制毫米波开关树(2)顺序导通毫米波天线阵(3)的接收天线阵列(32)的第1个和第2个LTSA，实现单天线发射，相邻双天线接收的功能；依次类推。

9.按权利要求1、4或7所述的收发模块的应用，其特征在于当模块顺序输出包含成像场景后向散射毫米波信号的幅度和相位信息的I/Q信号后，信号处理单元采集模块输出的I和Q两路信号，两路信号相差90°，

同相位信号I：

正交信号Q：

式中，A₀为幅度，

为相位，I/Q信号分别代表复数信号的实部和虚部，如(3)式所示，

I+jQ＝A₀e^-j2kR(3)

成像系统的信号采集模块采集本发明的毫米波收发模块输出的I/Q信号后，进行式(4)所示的信号处理及三维的逆傅立叶变换，

$f(x,y,z)={\mathrm{FT}}_{3D}^{-1}\left[{\mathrm{FT}}_{2D}\right\{s(x,y,\mathrm{\ω})\left\}{e}^{-j\sqrt{{\left(2k\right)}^2-k_x^2-k_y^2{Z}_1}}\right]---\left(4\right)$

进行全息图像恢复以供安检用。

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