CN106019276A - 一种毫米波成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于毫米波成像领域，提供了一种毫米波成像装置。本发明通过采用包括晶振、功分器、毫米波收发单元、本振信号处理单元、第二混频器及图像处理模块的毫米波成像装置，由功分器对晶振产生的振荡信号进行功率分配并输出时钟触发信号和本振信号，由本振信号处理单元对本振信号进行处理并输出第二本振信号，由毫米波收发单元对待测物体反射的回波信号进行处理并输出第一中频信号，由第二混频器将第二本振信号与第一中频信号进行混频并输出第二中频信号，由图像处理模块对第二中频信号进行处理并对待测物体成像，由于晶振同时作为毫米波收发单元的时钟触发源和第二混频器的本振信号源，因此，该装置不需额外增加本振信号源，简化了电路结构，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于毫米波成像技术领域，尤其涉及一种毫米波成像装置。
背景技术
毫米波是一种波长为1～10毫米的电磁波，其具有较好的穿透性、反射性及较高的空间分辨率。毫米波能轻易地穿透织物、非金属纸盒、各类箱包等，对由铁、钢、铝合金等金属材料制成的刀具、匕首、铁棍、雨伞杆等具有较强的反射性，且很容易被液体吸收。因此，毫米波成像技术被广泛应用于人员安检、飞机着陆导航等领域。
现有的毫米波成像装置包括毫米波收发模块和图像处理模块，其中，毫米波收发模块包括晶振、毫米波收发单元、本振信号源及混频器，如图1所示，其中，晶振为毫米波收发单元中的信号源提供时钟触发信号，本振信号源为混频器提供本振信号，毫米波收发单元向待测物体发射毫米波信号并接收待测物体反射的回波信号，且对回波信号进行处理并为混频器提供射频信号，混频器将本振信号与射频信号进行混频并输出中频信号，图像处理模块根据中频信号形成与待测物体相对应的图像。
然而，现有的毫米波成像装置是采用晶振和额外的本振信号源来分别提供时钟触发信号和本振信号，而晶振本可以作为振荡信号源提供振荡信号，但却并没有被充分的利用，从而导致整个系统变得复杂冗余，且成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种毫米波成像装置，旨在解决现有的毫米波成像装置是采用晶振和额外的本振信号源来分别提供时钟触发信号和本振信号，晶振作为振荡信号源并没有被充分的利用，导致整个系统变得复杂冗余，且成本较高的问题。
本发明是这样实现的，一种毫米波成像装置，包括毫米波收发模块和图像处理模块，所毫米波收发模块包括晶振、毫米波收发单元及第二混频器，所述晶振产生振荡信号，所述第二混频器的射频输入端和中频输出端分别与所述毫米波收发单元的输出端和所述图像处理模块的输入端连接，所述毫米波收发模块还包括功分器和本振信号处理单元；
所述功分器的信号输入端与所述晶振的输出端连接，所述功分器的第一信号输出端和第二信号输出端分别与所述毫米波收发单元的时钟端和所述本振信号处理单元的输入端连接，所述本振信号处理单元的输出端与所述第二混频器的本振输入端连接；
所述功分器对所述振荡信号进行功率分配并输出时钟触发信号和本振信号；所述本振信号处理单元对所述本振信号进行处理并输出第二本振信号；所述毫米波收发单元在所述时钟触发信号的触发下，向待测物体发射毫米波信号并接收所述待测物体反射的回波信号，且将所述回波信号与第一本振信号进行混频以输出第一中频信号；所述第二混频器将所述第二本振信号与所述第一中频信号进行混频并输出第二中频信号；所述图像处理模块对所述第二中频信号进行处理并形成所述待测物体相对应的图像。
本发明通过采用包括晶振、功分器、毫米波收发单元、本振信号处理单元、第二混频器及图像处理模块的毫米波成像装置，由功分器对晶振产生的振荡信号进行功率分配并输出时钟触发信号和本振信号，由本振信号处理单元对本振信号进行处理并输出第二本振信号，由毫米波收发单元对待测物体反射的回波信号进行处理并输出第一中频信号，由第二混频器将第二本振信号与第一中频信号进行混频并输出第二中频信号，由图像处理模块对第二中频信号进行处理并形成与待测物体相对应的图像，由于晶振同时作为毫米波收发单元的时钟触发源和第二混频器的本振信号源，因此，该装置不需额外增加本振信号源，简化了电路结构，降低了成本。
附图说明
图1是现有技术提供的毫米波成像装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的毫米波成像装置的模块结构示意图；
图3是本发明实施例提供的毫米波成像装置的电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例通过采用包括晶振、功分器、毫米波收发单元、本振信号处理单元、第二混频器及图像处理模块的毫米波成像装置，由功分器对晶振产生的振荡信号进行功率分配并输出时钟触发信号和本振信号，由本振信号处理单元对本振信号进行处理并输出第二本振信号，由毫米波收发单元对待测物体反射的回波信号进行处理并输出第一中频信号，由第二混频器将第二本振信号与第一中频信号进行混频并输出第二中频信号，由图像处理模块对第二中频信号进行处理并形成与待测物体相对应的图像，由于晶振同时作为毫米波收发单元的时钟触发源和第二混频器的本振信号源，因此，该装置不需额外增加本振信号源，简化了电路结构，降低了成本。
图2示出了本发明实施例提供的毫米波成像装置的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
一种毫米波成像装置，包括毫米波收发模块10和图像处理模块6，毫米波收发模块10包括晶振1、毫米波收发单元3及第二混频器5，第二混频器5的射频输入端和中频输出端分别与毫米波收发单元3的输出端和图像处理模块6的输入端连接，毫米波收发模块10还包括功分器2和本振信号处理单元4。
功分器2的信号输入端与晶振1的输出端连接，功分器2的第一信号输出端和第二信号输出端分别与毫米波收发单元3的时钟端和本振信号处理单元4的输入端连接，本振信号处理单元4的输出端与第二混频器5的本振输入端连接。
功分器2对所述振荡信号进行功率分配并输出时钟触发信号和本振信号；本振信号处理单元4对所述本振信号进行处理并输出第二本振信号；毫米波收发单元3在所述时钟触发信号的触发下，向待测物体发射毫米波信号并接收待测物体反射的回波信号，且将回波信号与第一本振信号进行混频以输出第一中频信号；第二混频器5将所述第二本振信号与所述第一中频信号进行混频并输出第二中频信号；图像处理模6块根据对第二中频信号进行处理并形成与待测物体相对应的图像。
在本发明实施例中，晶振1的振荡频率为固定频率且与第一中频信号的频率相等，例如晶振1的振荡频率与第一中频信号的频率均为200MHz。
在本发明实施例中，功分器2为一分多路功分器。在实际应用中，功分器2可以是无源多路功分器和多路耦合器等，也可以是有源多路功分器、多路耦合器及多路开关等。
在本发明实施例中，晶振1同时作为毫米波收发单元3的时钟触发源和第二混频器5的本振信号源，晶振1的利用率较高，可节省额外的本振信号源，简化电路布线，使得毫米波成像装置更易于集成化和小型化，同时降低了成本。
图3示出了本发明实施例提供的毫米波成像装置的电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
作为本发明一实施例，毫米波收发单元3包括第一信号源30、第二信号源31、第一信号处理单元32、第二信号处理单元33、发射天线36、接收天线37、回波信号处理单元34及第一混频器35。
其中，第一信号源30的时钟端和第二信号源31的时钟端共接作为毫米波收发单元3的时钟端，第一信号源30的输出端和第二信号源31的输出端分别与第一信号处理单元32的输入端和第二信号处理单元33的输入端连接，第一信号处理单元32的输出端与发射天线36连接，回波信号处理单元34的输入端与接收天线37连接，第一混频器35的本振信号输入端和射频信号输入端分别与第二信号处理单元33的输出端和回波信号处理单元334的输出端连接，第一混频器35的中频输出端为毫米波收发单元3的输出端。
第一信号源30和第二信号源31在所述时钟触发信号的触发下同时且分别输出第一信号和第二信号；第一信号处理单元32对所述第一信号进行倍频处理并输出毫米波信号，发射天线36将毫米波信号发射至待测物体；第二信号处理单元33对第二信号进行倍频处理并输出第一本振信号；接收天线37接收待测物体反射的回波信号；回波信号处理单元34对回波信号进行滤波和放大处理并输出第一回波信号；第一混频器35将第一本振信号与第一回波信号进行混频处理并输出第一中频信号。
在本发明实施例中，第一本振信号的相位与第一回波信号的相位相同。
在本发明实施例中，第一信号源30和第二信号源31均为扫频信号源，即第一信号源30和第二信号源31输出的正弦波信号的频率随时间在一定范围内反复扫描，扫频信号源由可输入外部参考信号的锁相环构成。第一信号源30和第二信号源31的扫频频率范围和扫频带宽可根据实际需求进行设置。
在本发明实施例中，发射天线36发送的毫米波信号为具有一定带宽的扫频信号，且接收天线37接收到的回波信号的频率范围与发射天线发射的毫米波信号的频率范围相同。
在本发明实施例中，第一混频器35为差频混频器。
作为本发明一实施例，第一信号处理单元32包括依次相连的第一带通滤波器321、第一放大器322、第一倍频器323、第二放大器324、第二带通滤波器325、衰减器326及环形器327。其中，第一带通滤波器321的输入端和环形器327的输出端分别为第一信号处理单元32的输入端和输出端。
作为本发明一实施例，第二信号处理单元33包括依次相连的第三带通滤波器331、第三放大器332、第二倍频器333、第四放大器334及第四带通滤波器335。其中，第三带通滤波器331的输入端和第四带通滤波器335的输出端分别为第二信号处理单元33的输入端和输出端。
在本发明实施例中，第一倍频器323和第二倍频器333均为二倍频器。
作为本发明一实施例，回波信号处理单元34包括依次相连的第五放大器342和第五带通滤波器341。其中，第五放大器342的输入端和第五带通滤波器341的输出端分别为回波信号处理单元34的输入端和输出端。
作为本发明一实施例，本振信号处理单元4包括依次相连的第六带通滤波器40和第六放大器41。其中，第六带通滤波器40的输入端和第六放大器41的输出端分别为本振信号处理单元4的输入端和输出端。
作为本发明一实施例，第二混频器5为同相/正交混频器(I/Q混频器)。同相/正交混频器由两个混频器、一个90度电桥和一个同相功分器构成。
在实际应用中，第一信号源30输出的第一信号的频率范围为16.1GHz～20.1GHz，第一信号依次经过第一带通滤波器321、第一放大器322及第一倍频器323分别进行杂波滤除、放大及二倍频处理后产生频率范围为32.2GHz～40.2GHz的毫米波信号，由于第一倍频器323的衰减较大，因此，第一倍频器323输出的毫米波信号需要依次经过第二放大器324、第二带通滤波器325及衰减器326分别进行放大、基波和三次谐波滤除、功率调整处理后，才通过发射天线36进行发射，而环形器327的作用是防止发射天线36接收到的杂波信号对前端各个器件的影响；第二信号源31输出的第二信号的频率范围为16GHz～20GHz，第二信号源依次经过第三带通滤波器331、第三放大器332及第二倍频器333分别进行杂波滤除、放大及二倍频处理后产生频率范围为32GHz～40GHz的第一本振信号，第一本振信号依次经过第四放大器334和第四带通滤波器335分别进行放大、基波和三次谐波滤除后，输出至第一混频器35的本振信号输入端。第一信号源30的起始扫频频率不是固定的16.1GHz，扫频带宽不是固定的4GHz，第二信号源31的起始扫频频率不是固定的16GHz，扫频带宽不是固定的4GHz，只需保证第一信号源30的起始扫频频率与第二信号源31的起始扫频频率之间存在一个固定的频率差，该频率差与第一中频信号的频率相等。接收天线37接收到的回波信号的频率范围为32.2GHz～40.2GHz，回波信号处理单元34将所述回波信号依次经过第五放大器342和第五带通滤波器341分别进行放大、杂波滤除处理生成第一回波信号，并将第一回波信号输出至第一混频器35的射频信号输入端。
在实际应用中，第一信号源30和第二信号源31同时分别输出第一信号和第二信号，即第一带通滤波器30和第二带通滤波器31同时分别接收第一信号和第二信号，通过对第一信号和第二信号的传输路径(传输线的长度)进行相应设置，使得输入至第一混频器35的第一本振信号和第一回波信号的相位始终保持绝对相等，这样，第一混频器35输出的第一中频信号的频率始终为固定值(如200MHz)。由于晶振1的振荡频率与第一中频信号的频率相等，因此，本振信号的频率为200MHz，本振信号经过第六带通滤波器40的滤波和第六放大器41的放大后形成第二本振信号(频率为200MHz)，第二混频器5将第二本振信号与第一中频信号进行解调后输出同相信号和正交信号两路直流信号，图像处理模块6对同相信号和正交信号进行采集并处理，并根据处理结果对待测物体进行成像。在实际应用中，毫米波成像装置还包括显示模块8，显示模块8的输入端与图像处理模块6的第一输出端连接，显示模块8用于对与待测物体相对应的图像进行显示。
作为本发明一实施例，毫米波成像装置还包括反馈模块7，反馈模块7的第一输入端、第二输入端及反馈输出端分别与图像处理模块6的第二输出端、功分器的第三输出端及功分器的反馈输入端连接，同时，功分器2的反馈输出端与晶振1的反馈输入端连接，反馈模块7用于根据图像处理模块6的成像对晶振1的振荡频率进行调节。在实际应用中，反馈模块7具体为FPGA(Field-Programmable Gate Array，可编程门阵列)可编程控制板。
作为本发明一实施例，毫米波成像装置还包括电源模块，电源模块为整个装置进行供电。
本发明实施例通过采用包括晶振、功分器、毫米波收发单元、本振信号处理单元、第二混频器及图像处理模块的毫米波成像装置，由功分器对晶振产生的振荡信号进行功率分配并输出时钟触发信号和本振信号，由本振信号处理单元对本振信号进行处理并输出第二本振信号，由毫米波收发单元对待测物体反射的回波信号进行处理并输出第一中频信号，由第二混频器将第二本振信号与第一中频信号进行混频并输出第二中频信号，由图像处理模块对第二中频信号进行处理并形成与待测物体相对应的图像，由于晶振同时作为毫米波收发单元的时钟触发源和第二混频器的本振信号源，因此，该装置不需额外增加本振信号源，简化了电路结构，降低了成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种毫米波成像装置，包括毫米波收发模块和图像处理模块，所述毫米波收发模块包括晶振、毫米波收发单元及第二混频器，所述晶振产生振荡信号，所述第二混频器的射频输入端和中频输出端分别与所述毫米波收发单元的输出端和所述图像处理模块的输入端连接，其特征在于，所述毫米波收发模块还包括功分器和本振信号处理单元；
所述功分器的信号输入端与所述晶振的输出端连接，所述功分器的第一信号输出端和第二信号输出端分别与所述毫米波收发单元的时钟端和所述本振信号处理单元的输入端连接，所述本振信号处理单元的输出端与所述第二混频器的本振输入端连接；
所述功分器对所述振荡信号进行功率分配并输出时钟触发信号和本振信号；所述本振信号处理单元对所述本振信号进行处理并输出第二本振信号；所述毫米波收发单元在所述时钟触发信号的触发下，向待测物体发射毫米波信号并接收所述待测物体反射的回波信号，且将所述回波信号与第一本振信号进行混频以输出第一中频信号；所述第二混频器将所述第二本振信号与所述第一中频信号进行混频并输出第二中频信号；所述图像处理模块对所述第二中频信号进行处理并形成与所述待测物体相对应的图像。
2.如权利要求1所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述毫米波收发单元包括第一信号源、第二信号源、第一信号处理单元、第二信号处理单元、发射天线、接收天线、回波信号处理单元及第一混频器；
所述第一信号源的时钟端和所述第二信号源的时钟端共接作为所述毫米波收发单元的时钟端，所述第一信号源的输出端和所述第二信号源的输出端分别与所述第一信号处理单元的输入端和所述第二信号处理单元的输入端连接，所述第一信号处理单元的输出端与所述发射天线连接，所述回波信号处理单元的输入端与所述接收天线连接，所述第一混频器的本振信号输入端和射频信号输入端分别与所述第二信号处理单元的输出端和所述回波信号处理单元的输出端连接，所述第一混频器的中频输出端为所述毫米波收发单元的输出端；
所述第一信号源和所述第二信号源在所述时钟触发信号的触发下同时且分别输出第一信号和第二信号；所述第一信号处理单元对所述第一信号进行倍频处理并输出毫米波信号，所述发射天线将所述毫米波信号发射至所述待测物体；所述第二信号处理单元对所述第二信号进行倍频处理并输出第一本振信号；所述接收天线接收所述待测物体反射的回波信号；所述回波信号处理单元对所述回波信号进行滤波和放大处理并输出第一回波信号；所述第一混频器将所述第一本振信号与所述第一回波信号进行混频处理并输出第一中频信号。
3.如权利要求2所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述第一信号处理单元包括依次相连的第一带通滤波器、第一放大器、第一倍频器、第二放大器、第二带通滤波器、衰减器及环形器；
所述第一带通滤波器的输入端和所述环形器的输出端分别为所述第一信号处理单元的输入端和输出端。
4.如权利要求2所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述第二信号处理单元包括依次相连的第三带通滤波器、第三放大器、第二倍频器、第四放大器及第四带通滤波器；
所述第三带通滤波器的输入端和所述第四带通滤波器的输出端分别为所述第二信号处理单元的输入端和输出端。
5.如权利要求2所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述回波信号处理单元包括依次相连的第五放大器和第五带通滤波器；
所述第五放大器的输入端和所述第五带通滤波器的输出端分别为所述回波信号处理单元的输入端和输出端。
6.如权利要求2所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述第一本振信号的相位与所述第一回波信号的相位相同。
7.如权利要求2所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述晶振的振荡频率与所述第一中频信号的频率相等。
8.如权利要求2所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述第一信号源和所述第二信号源均为扫频信号源。
9.如权利要求1所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述本振信号处理单元包括依次相连的第六带通滤波器和第六放大器；
所述第六带通滤波器的输入端和所述第六放大器的输出端分别为所述本振信号处理单元的输入端和输出端。
10.如权利要求1所述的毫米波成像装置，其特征在于，所述第二混频器为同相/正交混频器。
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