被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1、被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)徐晨,楊永杰,包志華(南通大學(xué)電子信息學(xué)院,江蘇南通226007摘要:毫米波對(duì)大氣具有良好的穿透性并能提供較好的角分辨率,毫米波成像技術(shù)越來越受到人們的重視。文章在敘述被動(dòng)毫米波成像原理及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了被動(dòng)毫米波成像的關(guān)鍵技術(shù),分析了毫米波接收器的主要技術(shù)參數(shù),指出了應(yīng)用M MIC (毫米波單片集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫米波接收器的重要性。關(guān)鍵詞:毫米波成像系統(tǒng);毫米波接收器;LNA ;M MIC 中圖分類號(hào):T N298文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A作者簡介:徐晨(1960-,男,江蘇南通人,南通大學(xué)電子信息學(xué)院副教授,主要從事電子信息系統(tǒng)及專用集成電路設(shè)計(jì)的研究。The K

2、 e y Techni q ue of P assive Millimeter Wave Ima g e S y stemXU Chen ,Y ANG Y on g -j ie ,BAO Zhi -hua(S chool of E lectronic and Inform ation ,Nanton g Universit y ,Nanton g 226007,China Abstract :M illim eter w aves can p ierce throu g h the atm os p here and offer m oderate horn resolution ratio

3、,so the im a g e techni q ue of m illim eter w aves has been reco g nized m ore and m ore.On the basis of narratin g the p rinci p le and s y stem atic structure of p as 2sive m illim eter w ave im a g in g ,the ke y techni q ue used in p assive m illim eter w ave im a g in g is p ro p osed ,the m a

4、in techni q ue p aram e 2ters of m illim eter w ave receiver are anal y zed ,and the im p ortance of im p lem entin g m illim eter w ave receiver b y a pp l y in g M MIC is p ointed out.K e y w ords :m illim eter im a g in g s y stem;m illim eter receiver ;LNA ;M MIC0引言毫米波段位于紅外與微波之間,除具有紅外和微波的共同特征外還有

5、其特有的性能。與微波相比,毫米波的指向性好、抗干擾能力強(qiáng)、探測性能好、能穿透等離子體;與紅外相比,毫米波受氣象影響小,區(qū)別金屬目標(biāo)和周圍環(huán)境的能力強(qiáng)。因此,毫米波輻射探測設(shè)備在惡劣天氣或戰(zhàn)場煙塵條件下比光電探測器更為有效,它具有全天候工作能力,毫米波輻射探測技術(shù)在許多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用1。被動(dòng)式毫米波成像系統(tǒng)通過一個(gè)天線陣列接收物體輻射的毫米波,經(jīng)放大、檢波和信號(hào)處理等可得到目標(biāo)的二維圖像。被動(dòng)式毫米波成像以被動(dòng)的工作方式探測目標(biāo),不發(fā)射電磁波,具有很高的隱蔽性和很好的抗干擾性能。毫米波成像系統(tǒng)由于其固有的特點(diǎn),在許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。在交通方面,毫米波成像系統(tǒng)可用于低能見度天氣條件下顯示

6、機(jī)場跑道,引導(dǎo)飛機(jī)安全著陸,也可用于低能見度天氣條件下汽車、輪船防撞;利用毫米波對(duì)雨霧的穿透性以及被動(dòng)工作方式的隱蔽性,可在軍事偵察上發(fā)揮重要作用,也可在海岸緝私中用于搜索雨霧中的船只,或在機(jī)場、海關(guān)等處需要檢測可能隱藏在衣物下的小型武器;在醫(yī)療檢查、環(huán)境監(jiān)測、等離子體研究及射電天文觀測等方面被動(dòng)毫米波成像技術(shù)也得到廣泛地應(yīng)用;在安全檢查方面,利用人體和武器毫米波輻射特性的不同,可以發(fā)現(xiàn)隱匿武器,且由于不發(fā)射電磁波,不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害。1被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)毫米波成像系統(tǒng)可以分成兩類:主動(dòng)成像系統(tǒng)和被動(dòng)成像系統(tǒng)。被動(dòng)成像系統(tǒng)由于以下原因得以發(fā)展:(1被動(dòng)式圖像是通過檢測物體輻射的能量得V o

7、l.4N o.1M ar.2005南通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of Nanton g Universit y (Natural S cience 第4卷第1期2005年3月文章編號(hào):1671-5314(200501南通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版到的,在該波段與可見光的原理相似,獲得的圖像與可見光圖像很相近,有利于物體辨認(rèn)。而主動(dòng)成像系統(tǒng),其成像受閃爍效應(yīng)等影響較難直接顯現(xiàn)物體的自然形狀。(2被動(dòng)式成像系統(tǒng)不發(fā)射電磁波,各種涂層隱身材料對(duì)雷達(dá)的隱身性越好,就越容易被被動(dòng)探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。(3金屬目標(biāo)的發(fā)射率很低,僅反射天空輻射,而天空溫度在一定時(shí)空范圍內(nèi)基本不變,

8、因而金屬目標(biāo)的毫米波特征很穩(wěn)定。故被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)對(duì)于探測金屬目標(biāo)更有優(yōu)勢(shì)。一個(gè)N×M焦平面陣列(MFPA的被動(dòng)式毫米波成像系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由N×M路信號(hào)通道和若干A/D變換器以及信號(hào)處理和顯示裝置等組成,每個(gè)信號(hào)通道包括天線和毫米波接收器。毫米波接收器有超外差和直接檢波兩種結(jié)構(gòu)形式。直接檢波式毫米波接收器由LNA(低噪聲放大器和檢波器構(gòu)成。與超外差式相比,直接檢波式接收機(jī)不需要本振,功耗小、噪聲溫度低,且結(jié)構(gòu)簡單,已成為毫米波接收器的發(fā)展方向。毫米波焦平面陣列成像系統(tǒng)具有不需要機(jī)械掃描即可得到高分辨率圖象、積分時(shí)間不受天線掃描速度限制、可實(shí)時(shí)成像等優(yōu)點(diǎn),但由于信號(hào)通

9、道多,導(dǎo)致系統(tǒng)的體積大、成本高。以32×32點(diǎn)陣的成像系統(tǒng)為例,若采用平面陣列(MFPA,需1024路信號(hào)通道。為了降低成本,可采用一維陣列作機(jī)械掃描,使信號(hào)通道的數(shù)量減少到32路,但這將會(huì)增加實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)性的困難。2被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括饋源天線技術(shù)、毫米波電路集成技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等三個(gè)方面。2.1饋源天線技術(shù)饋源天線一直是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。除了喇叭天線是一種傳統(tǒng)的饋源外,近年來漸變縫隙天線(T SA也逐步走向成熟。通過在介質(zhì)層的接地板上蝕刻出漸變縫隙形成的漸變縫隙天線,具有與行波天線相似的性能。漸變縫隙天線有三種:V ival

10、di、LT SA(線性縫隙天線及CWSA(等寬縫隙天線。其中V ivaldi的縫隙是以指數(shù)形式逐漸張開的,LT SA的縫隙是以直線形式逐漸張開的,而CWSA的縫隙張至一定程度后就不再變化,LT SA最為常用。用漸變縫隙天線構(gòu)成陣列時(shí),其陣元間距小于傳統(tǒng)的喇叭天線。雖然T SA是平面結(jié)構(gòu),但在E面和H面上都能形成對(duì)稱的波束。T SA具有適中的增益,在很寬的頻帶內(nèi)輸入阻抗基本保持不變,適合作寬頻帶天線2-3。2.2毫米波電路集成技術(shù)被動(dòng)式毫米波成像系統(tǒng)需要大量的毫米波接收器,必須降低其價(jià)格并使其小型化。研制被動(dòng)毫米波成像專用集成電路毫米波接收器,實(shí)現(xiàn)毫米波接收器的集成化成為毫米波成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

11、之一。2.2.1主要技術(shù)參數(shù)(1噪聲系數(shù)F r n直接檢波式毫米波接收器包括LNA和檢波器。由式(1可得接收器噪聲系數(shù)F r n。若系統(tǒng)工作頻率為35G H z,帶寬B=2G H z,環(huán)境溫度T=290K,系統(tǒng)積分時(shí)間=2ms,檢測靈敏度T min=0.5K,則接收器噪聲系數(shù)F r n應(yīng)優(yōu)于5.38dB。F r n=T m in BT(1(2LNA增益接收機(jī)前端的增益設(shè)計(jì)對(duì)獲得最佳系統(tǒng)特性具有至關(guān)重要的作用。為了使接收器的輸出電壓精確地反映場景溫度分布,首先要求LNA具有良好的噪聲系數(shù),其次,檢波器必須工作于平方律范圍,即要求LNA將接收的信號(hào)放大達(dá)到檢波器輸入信號(hào)的要求4。LNA增益可由式(

12、2確定:G HF=P jk T s y s B F r n(2式中,Pj為加至檢波管上的功率;B為系統(tǒng)帶寬;F r n 檢波前系統(tǒng)噪聲系數(shù)F n=F REC;T sy s為系統(tǒng)噪聲溫度;k為波爾茲 曼常數(shù)。若要求Pj =-20dBm,圖1毫米波成像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)51T s y s=1500K,B=2G H z,F r n=5.38dB,則LNA增益G HF=48.5dB。(3視頻放大器帶寬及增益在毫米波接收機(jī)中,由于接收機(jī)積分時(shí)間=1 2B n ,可得到視頻放大器帶寬為B n=12;而視頻放大器的增益為G v=要求的輸出功率輸入功率。2.2.2毫米波成像系統(tǒng)的集成化、小型化自1980年由T ho

13、mson-CSF和Fu j itsu研制出高電子遷移率晶體管(HEMT以來,HEMT一直受到人們的關(guān)注。1985年M aselink用性能更好的InG aAs溝道制成的贗配HEMT(p HEMT,使HEMT工作頻率更高、噪聲更低。隨著M MIC(微波單片集成電路的迅速發(fā)展,特別是應(yīng)用HEMT技術(shù)設(shè)計(jì)M MIC的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)毫米波接收器集成化已成為可能。若將多路毫米波接收器封裝在一起,可進(jìn)一步縮小體積。國外已研制出被動(dòng)毫米波成像專用毫米波接收器,如T RW公司、M illivision公司和Lockheed M artin公司的產(chǎn)品。國內(nèi)許多單位也開展了毫米波段M MIC的研究,但由于工藝線等原因

14、的限制進(jìn)展比較緩慢,毫米波段M MIC尚處于研究和設(shè)計(jì)階段,毫米波成像專用集成電路未見文獻(xiàn)報(bào)道。毫米波成像專用集成電路成為國內(nèi)發(fā)展毫米波成像系統(tǒng)的主要瓶頸。目前,由東南大學(xué)射頻與光電子研究所組織,向國內(nèi)開放的法國OM MIC公司0.2m PHEMT工藝多目標(biāo)晶圓計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)毫米波接收器集成化的一個(gè)途徑。該工藝的f t=55G H z,主要用于M MIC、光通信IC 及RFIC等領(lǐng)域。OM MIC公司提供了以下器件模型:nE/DFET大小信號(hào)模型,肖特基勢(shì)壘二級(jí)管(BE Diode用于變?nèi)?、G M Diode用于混頻器、overla p2 Diode用于電壓移位,電阻有CaAshe和N iCr電阻

15、,MIM電容有2種,以及螺旋電感、空氣橋、過孔、焊接和各種連線、微帶器件等5。0.1m PHEMT工藝多目標(biāo)晶圓計(jì)劃也即將開放。2.3信號(hào)處理技術(shù)毫米波波長比紅外線長,繞射現(xiàn)象嚴(yán)重。除了增大天線口徑可以提高分辨率外,還可以應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù),使用超分辨率算法實(shí)現(xiàn)提高分辨率的目的。由于超分辨率算法較為復(fù)雜,運(yùn)算量大,一般采用高性能DSP實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)也是被動(dòng)式毫米波成像系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。3結(jié)束語被動(dòng)式毫米波成像系統(tǒng)的基本理論已趨于成熟。隨著PHEMT工藝的M MIC的發(fā)展,毫米波成像系統(tǒng)的集成化、小型化將能得到很好的解決,美、俄等國家已實(shí)現(xiàn)基于M MIC的被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)。由于被動(dòng)成像系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,國內(nèi)發(fā)展被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)同樣十分必要,由東南大學(xué)射頻與光電子研究所組織開放的法國OM MIC公司PHEMT工藝多目標(biāo)晶圓計(jì)劃,為發(fā)展被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)開辟了新的途徑。參考文獻(xiàn):1李興國.毫米波近感技術(shù)及應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社,1991.2Phili p M.A aaar g e-a p erture p assive m illim eter w avep ushbroom