CN208224481U - 一种毫米波信号收发一体机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种毫米波信号收发一体机，该收发一体机包括依次连接的收发天线模块、毫米波收发模块、信号处理模块和通信模块。该毫米波信号收发一体机采用主动毫米波成像技术，频率分辨率高、调频速度快、相位噪声低、电路简单、体积小，成本低、便携性强，提高了成像速度及成像分辨率，降低了误报率。

Description

一种毫米波信号收发一体机

技术领域

本实用新型涉及安检系统领域，尤其涉及一种毫米波信号收发一体机。

背景技术

“毫米波”是指波长从10mm到1mm，对应频率为30GHz到300GHz的毫米波。本实用新型主要研究的毫米波波段是指位于大气传播窗口的27GHz到34GHz毫米波，中心频率对应波长为10mm。

毫米波具有以下突出的优点：1毫米波与微波相比，频率高波长短，所以成像精度高，且具有毫米波电路有电路体积小的优势；2毫米波与红外相比具有全天候工作的能力尤其在雨雾等恶劣自然条件下；3毫米波对烟雾，衣物等具有一定的穿透能力，这对于在恶劣环境下探测隐匿目标十分有利；4不同物理属性的物体对毫米波的敏感程度区别很大，即毫米波辐射或者散射特性区别很大，例如对金属而言，金属的毫米波辐射率接近为零，在成像场景中，金属几乎为“冷”目标。

综合以上特点，使得毫米波成像具有很高的研究价值和应用前景。例如在机场，车站安检系统中可以利用毫米波成像系统探测隐藏于衣物里的枪支刀具等危险目标，在军事上可用毫米波雷达在沙尘烟雾等恶劣天气下，探测装甲车或坦克等金属目标。

传统的金属探测器只能对近距离小范围目标进行检测，效率低，已远远不能满足安检的需求。尽管X光等各种射线具有很强的穿透力，但会对被测人体造成辐射伤害，即使当前存在低辐射剂量的X光机，但其依然不容易被公众接受。红外线是靠物体表面温度成像，在有织物遮挡的情况下无法清晰成像。而毫米波成像系统不仅可以检测出隐藏在织物下的金属物体，还可以检测出塑料手枪，炸药等危险品，获得的信息更加详尽、准确，可以大大地降低误警率。

从成像机制上分，毫米波成像有毫米波主动成像和毫米波被动成像两大类。区分的根本依据是在成像系统中是否需要毫米波发射机去照射扫描成像目标。毫米波主动成像系统中是需要主动照射目标的毫米波发射源；毫米波被动成像则利用高灵敏度的接收机接受目标自身辐射的毫米波来完成成像。

受早期毫米波器件水平发展比较低的影响，那时的毫米波成像系统大都设计成被动成像。被动毫米波成像系统主要是配合机械扫描来完成对整个场景的探测，以牺牲成像时间来获得更大的场景视野，即为单波束的机械扫描方式。这种系统的优点为结构比较简单，实现成本也较低，缺点就是成像时间太长，较差的成像分辨率。成像时间和分辨率差也制约了此类成像系统的适用性。

现阶段在毫米波成像领域，毫米波成像研究成果主要集中在西北太平洋实验室(Pacific Northwest National Laboratory)。此实验室中的McMakin等人，开发了一套三维全息成像扫描系统，此套成像系统的扫描机制是基于圆柱扫描，并且这套系统已经实现了毫米波成像系统的商业化。该成像系统采用的是主动成像机制，通过全息算法反演得到目标的三维毫米波图像。此项技术已经授权L-3Communications和Save View有限公司，他们生产出的产品分别用于车站码头等场所的安检系统中和试选服装之中。但是由于这种系统采用了384个收发单元，因而成本较高。

国内毫米波成像，受早期毫米波器件水平发展比较低的影响，体制大都采用被动体制，样机体积庞大、成本高、成像分辨率低，扫描时间长。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种毫米波信号收发一体机，该收发一体机成本低、便携性强，提高了成像速度及成像分辨率。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种毫米波信号收发一体机，包括：

收发天线模块，用于发射毫米波信号及接收回波信号；

毫米波收发模块，与所述收发天线模块相连，包括发射链路和接收链路；

所述发射链路包括：

同步晶振，用于实现内参考时钟和外参考时钟的同步；

3.2GHz低相噪源，与所述同步晶振连接，用于产生3.2GHz低噪信号；

DDS模块，与所述3.2GHz低相噪源连接，用于对3.2GHz低噪信号进行频率合成，产生线性调频信号；

放大滤波模块，与所述3.2GHz低相噪源连接，用于对3.2GHz低噪信号放大以及滤除干扰信号；

混频器，与所述DDS模块、放大滤波模块连接，实现信号混频输出；

8倍频模块，与所述混频器连接，实现信号8倍频输出；

2倍频模块，与所述8倍频模块连接，实现信号2倍频输出，输出信号频段为27GHz～34GHz，调频带宽为7G；

耦合器，与2倍频模块连接，实现发射毫米波信号，同时耦合一小部分输出给接收链路；

所述接收链路包括：

低噪放，用于对接收天线接收的回波信号进行低噪声放大；

延时器，用于对所述8倍频模块输出信号进行频谱搬移；

谐波混频器1，与所述耦合器、延时器连接，用于对耦合的发射毫米波信号与8倍频模块延时后信号的二次谐波进行正交混频输出；

谐波混频器2，与所述低噪放、延时器连接，用于对低噪放后的回波信号与8倍频模块延时后信号的二次谐波进行正交混频输出；

信号处理模块，与所述毫米波收发模块相连，用于对所述模拟中频信号进行处理，得到数字中频信号；

通信模块，与所述信号处理模块连接，用于发送所述数字中频信号给上位机及接收上位机的控制指令。

本实用新型的有益效果是：该毫米波信号收发一体机采用主动毫米波成像技术，频率分辨率高、调频速度快、相位噪声低、电路简单、体积小，成本低、便携性强，提高了成像速度及成像分辨率，降低了误报率。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述收发天线模块包括：

阵列天线，包括沿X轴方向排列的发射阵列天线和接收阵列天线，所述发射阵列天线包括多个发射天线，所述接收阵列天线包括多个接收天线；

阵列开关，包括和所述发射阵列天线连接的发射阵列开关以及和所述接收阵列天线连接的接收阵列开关，所述发射阵列开关包括多个发射开关，所述接收阵列开关包括多个接收开关；

开关控制单元，包括发射开关控制单元和接收开关控制单元，所述发射开关控制单元与所述发射阵列开关连接，所述接收开关控制单元与所述接收阵列开关连接，以根据预设的时序控制各所述发射开关和各所述接收开关的通断。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用阵列开关控制毫米波收发天线的工作顺序，并且采用调频信号源及毫米波器件进行系统的搭建，大大降低了系统的复杂度，同时也提高了系统的集成度，模块化设计、幅相一致性好、体积小、重量轻、成本低。

进一步，所述发射阵列天线包括80个喇叭发射天线，所述接收阵列天线包括80个喇叭接收天线；

所述发射阵列开关和接收阵列开关均由1个5路功分器和5个单刀16掷开关构成。

进一步，所述通信模块包括有线通信模块和/或无线通信模块。

附图说明

图1为本实用新型毫米波信号收发一体机原理图；

图2为本实用新型毫米波收发模块原理图；

图3为本实用新型收发天线模块原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1、图2所示，一种毫米波信号收发一体机，包括收发天线模块，用于发射毫米波信号及接收回波信号；

毫米波收发模块，与所述收发天线模块相连，包括用于生成并发送被检对象所需要的毫米波信号的发射链路，以及用于接收被检对象返回的回波信号，并将所述回波信号和发射信号进行混频，得到模拟中频信号的接收链路；

所述发射链路包括：

同步晶振，用于实现内参考时钟和外参考时钟的同步；

3.2GHz低相噪源，与所述同步晶振连接，用于产生3.2GHz低噪信号；

DDS模块，与所述3.2GHz低相噪源连接，用于对3.2GHz低噪信号进行频率合成，产生线性调频信号；

放大滤波模块，与所述3.2GHz低相噪源连接，用于对3.2GHz低噪信号放大以及滤除干扰信号；

混频器，与所述DDS模块、放大滤波模块连接，实现信号混频输出；

8倍频模块，与所述混频器连接，实现信号8倍频输出；

2倍频模块，与所述8倍频模块连接，实现信号2倍频输出，输出信号频段为27GHz～34GHz，调频带宽为7G；

耦合器，与2倍频模块连接，实现发射毫米波信号，同时耦合一小部分输出给接收链路；

所述接收链路包括：

低噪放，用于对接收天线接收的回波信号进行低噪声放大；

延时器，用于对所述8倍频模块输出信号进行频谱搬移；

谐波混频器1，与所述耦合器、延时器连接，用于对耦合的发射毫米波信号与8倍频模块延时后信号的二次谐波进行正交混频输出；

谐波混频器2，与所述低噪放、延时器连接，用于对低噪放后的回波信号与8倍频模块延时后信号的二次谐波进行正交混频输出；

信号处理模块，与所述毫米波收发模块相连，用于对所述模拟中频信号进行处理，得到数字中频信号；

通信模块，与所述信号处理模块连接，用于发送所述数字中频信号给上位机及接收上位机的控制指令。所述通信模块包括有线通信模块和/或无线通信模块。

如图3所示，所述收发天线模块包括：

沿X轴方向排列的发射阵列天线和接收阵列天线，所述发射阵列天线包括多个发射天线，所述接收阵列天线包括多个接收天线；本实用新型中，发射阵列天线包括80个喇叭发射天线，所述接收阵列天线包括80个喇叭接收天线；本实用新型采用的是一发两收的多基地布局。具体来说有160个天线单元，其中上排有80个发射天线以及下排有80个接收天线。发射和接收天线工作逻辑是当一个天线发射时，两个相邻的天线接收。这样采样点相位等效在每对发射和接收天线连线的中间。同时发射天线阵和接收天线之间有半天线间距的偏移，所以有效采样点间隔是单排天线间距的二分之一。由于发射阵列天线的第一个天线单元无法做到两个相邻的天线接收，因此，实际采样点的有效数量是159。发射天线的单元间隔为10毫米，接收天线的单元间隔为10毫米，有效采样点的间距为5毫米。天线为圆锥喇叭天线，工作频段为27GHz～34GHz，波束宽度65°。

阵列开关，包括发射阵列开关和接收阵列开关，所述发射阵列开关包括多个发射开关，所述接收阵列开关包括多个接收开关；发射阵列开关工作原理为：发射信道将信号送入发射阵列开关的输入端后，信号通过一个单刀多置阵列开关将信号切换到80路中的一路，并输出给稀疏阵列天线中的某个天线。发射阵列开关由1个5路功分器和5个单刀16掷开关构成。

接收阵列开关工作原理为：天线将信号送入接收阵列开关的输入端后，信号通过一个单刀多置阵列开关将信号从80路的任意一路切换到一路，并输出给接收变频信道。接收阵列开关由1个5路功分器和5个单刀16掷开关构成。

开关控制单元，包括发射开关控制单元和接收开关控制单元，所述发射开关控制单元与所述发射阵列开关电连接，所述接收开关控制单元与所述接收阵列开关电连接，以根据预设的时序控制各所述发射开关和各所述接收开关的通断。开关控制方式灵活简便、切换速度快(≤100ns)可靠性强。

本实用新型通过采用上述毫米波信号收发一体机，与现有的毫米波成像仪器相比，具有以下突出的优点：

(1)价格低廉、成像时间快：本实用新型的X轴方向排列的阵列天线大大提高了扫描速度，同时保证阵列开关的高切换速度及伺服电机的高运动速度，更大地节约了用户时间，提高检测通过率。

(2)结构简单、易集成：本实用新型采用阵列开关控制毫米波收发天线的工作顺序，并且采用调频信号源及毫米波器件进行系统的搭建，大大降低了系统的复杂度，同时也提高了系统的集成度。

(3)分辨率高：本实用新型采用合成孔径技术，提高了分辨率，可达5mm；并采用宽带调频连续波技术，调频带宽至7G,提高了距离维分辨率，不超过30mm。

(4)信噪比高：系统采用主动式毫米波成像，通过控制各个毫米波器件的输出功率范围来提高天线的发射功率，当然，发射功率在安全辐射范围之内，使得回波信号信噪比远远高于被动式毫米波成像系统接收信号的信噪比，进而获得更高的成像质量。

(5)检测效率高：扫描时间不超过2秒，成像时间不超过3秒，检测率可达500人/小时。

毫米波信号收发一体机具有以上优点，因此，该项目的机遇和前景也是巨大的，可广泛应用于机场、车站、边检站、政府大楼、大使馆、军事基地、保密会议、制造、零售和仓储设施以及其它设施的安检站，对受检人员藏匿的由金属和非金属材料制作物品进行快速检查。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种毫米波信号收发一体机，其特征在于，包括：

收发天线模块，用于发射毫米波信号及接收回波信号；

毫米波收发模块，与所述收发天线模块相连，包括发射链路和接收链路；

所述发射链路包括：

同步晶振，用于实现内参考时钟和外参考时钟的同步；

3.2GHz低相噪源，与所述同步晶振连接，用于产生3.2GHz低噪信号；

DDS模块，与所述3.2GHz低相噪源连接，用于对3.2GHz低噪信号进行频率合成，产生线性调频信号；

放大滤波模块，与所述3.2GHz低相噪源连接，用于对3.2GHz低噪信号放大以及滤除干扰信号；

混频器，与所述DDS模块、放大滤波模块连接，实现信号混频输出；

8倍频模块，与所述混频器连接，实现信号8倍频输出；

2倍频模块，与所述8倍频模块连接，实现信号2倍频输出，输出信号频段为27GHz～34GHz，调频带宽为7G；

耦合器，与2倍频模块连接，实现发射毫米波信号，同时耦合一小部分输出给接收链路；

所述接收链路包括：

低噪放，用于对接收天线接收的回波信号进行低噪声放大；

延时器，用于对所述8倍频模块输出信号进行频谱搬移；

谐波混频器1，与所述耦合器、延时器连接，用于对耦合的发射毫米波信号与8倍频模块延时后信号的二次谐波进行正交混频输出；

谐波混频器2，与所述低噪放、延时器连接，用于对低噪放后的回波信号与8倍频模块延时后信号的二次谐波进行正交混频输出；

信号处理模块，与所述毫米波收发模块相连，用于对模拟中频信号进行处理，得到数字中频信号；

通信模块，与所述信号处理模块连接，用于发送所述数字中频信号给上位机及接收上位机的控制指令。

2.根据权利要求1所述的毫米波信号收发一体机，其特征在于，所述收发天线模块包括：

阵列天线，包括沿X轴方向排列的发射阵列天线和接收阵列天线，所述发射阵列天线包括多个发射天线，所述接收阵列天线包括多个接收天线；

阵列开关，包括和所述发射阵列天线连接的发射阵列开关以及和所述接收阵列天线连接的接收阵列开关，所述发射阵列开关包括多个发射开关，所述接收阵列开关包括多个接收开关；

开关控制单元，包括发射开关控制单元和接收开关控制单元，所述发射开关控制单元与所述发射阵列开关连接，所述接收开关控制单元与所述接收阵列开关连接。

3.根据权利要求2所述的毫米波信号收发一体机，其特征在于，所述发射阵列天线包括80个喇叭发射天线，所述接收阵列天线包括80个喇叭接收天线；

所述发射阵列开关和接收阵列开关均由1个5路功分器和5个单刀16掷开关构成。

4.根据权利要求1所述的毫米波信号收发一体机，其特征在于，所述通信模块包括有线通信模块和/或无线通信模块。