基于直接數(shù)字頻率合成器的新型微波成像系統(tǒng)

張 慧 洪 偉 陳 鵬 陳繼新 湯紅軍

（東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210096）

引 言

被動(dòng)微波與毫米波成像技術(shù)在機(jī)場(chǎng)安檢、軍事偵察、遙感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)，各種體制的被動(dòng)毫米波成像技術(shù)發(fā)展十分迅速［1－5］.

目前對(duì)被動(dòng)微波毫米波成像技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)主要集中在基于機(jī)械掃描的輻射計(jì)系統(tǒng)、焦平面成像系統(tǒng)和基于干涉方式的成像系統(tǒng).機(jī)械掃描體制成像系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其成本較低，成像質(zhì)量與分辨率主要取決于天線口徑與掃描間隔，機(jī)械掃描體制的主要問(wèn)題在于成像時(shí)間太長(zhǎng).焦平面成像系統(tǒng)結(jié)合了陣列與反射面或透鏡的優(yōu)勢(shì)，有效改善了成像時(shí)間與成像質(zhì)量，但由于焦平面陣列需要額外的高增益反射面天線或透鏡來(lái)改善增益，增加了額外的設(shè)計(jì)難度與系統(tǒng)空間布置要求以及體積，另外焦平面陣列每一個(gè)通道的接收機(jī)都是一個(gè)完整的接收機(jī)，隨著陣列規(guī)模的增加，成本較高.基于干涉方式的成像系統(tǒng)通常使用不同基線長(zhǎng)度和方向的干涉儀形成稀疏陣列進(jìn)行空間頻率域的采樣，然后再經(jīng)過(guò)傅里葉變換獲得空間圖像［6－7］.干涉方式成像系統(tǒng)主要用于遙感領(lǐng)域，用在近距離成像時(shí)往往由于被測(cè)目標(biāo)對(duì)于天線陣面屬于近場(chǎng)區(qū)，相干測(cè)量得到的可視度函數(shù)與目標(biāo)的亮溫分布不再滿足傅里葉變換關(guān)系，需要復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)測(cè)量進(jìn)行校正［8］.

采用相控陣體制的微波毫米波成像方案，由于采用電控掃描代替機(jī)械掃描，可以獲得很高的掃描速度，同時(shí)也不需要機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)、反射面天線或透鏡，因此近年來(lái)也迅速發(fā)展［9］.但傳統(tǒng)相控陣成像系統(tǒng)的一個(gè)重要問(wèn)題在于移相器的使用.相控陣系統(tǒng)中，移相器是核心的模塊之一，而模擬移相器和數(shù)字移相器分別在移相精度和位數(shù)上都存在相應(yīng)的局限，且在微波與毫米波頻段，移相器的成本隨頻率的增加也急劇升高.對(duì)于微波毫米波成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于移相器的移相位數(shù)的限制，掃描波束間隔受到很大限制，直接影響了成像質(zhì)量與分辨率.

本文提出了一種基于直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）等效移相的Ku頻段被動(dòng)微波成像方案，該方案使用DDS替代微波移相器為相控陣提供移相控制.理論和實(shí)驗(yàn)表明，使用該方案在大幅度降低成本的同時(shí)，可以有效提高圖像質(zhì)量和成像速度.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1給出了一種基于DDS作為移相單元的Ku頻段的相控陣被動(dòng)微波成像系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu).該系統(tǒng)使用了16×16即256個(gè)天線單元以及射頻通道，在信號(hào)變到中頻后，將256路信號(hào)功率合成后進(jìn)行檢波積分獲得掃描點(diǎn)的輻射能量信號(hào)，將該信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)后送入數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行成像處理.

圖1 Ku頻段相控陣被動(dòng)微波成像系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)不使用移相器作為移相單元，而是使用DDS輸出一個(gè)單音正弦信號(hào)與一個(gè)固定頻率的本振信號(hào)進(jìn)行上變頻，使用上變頻后的信號(hào)作為射頻接收通道的本振信號(hào)，通過(guò)配置各DDS的相位控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)通道相位的直接控制與調(diào)整.由于DDS的高相位分辨率，系統(tǒng)形成的波束可以以極低的步進(jìn)掃描.該系統(tǒng)中采用了Analog Devices公司的DDS芯片AD9959，其相位分辨率為14bit即0.022°［10］，作為對(duì)照，采用6bit的數(shù)字移相器的相位分辨率為5.625°.

圖2是成像系統(tǒng)中使用DDS作為等效移相單元的原理框圖.DDS芯片AD9959的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Digital－to－Analog Converter，DAC）工作頻率為500MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，輸出的模擬正弦信號(hào)頻率一般在200MHz或更低，如果直接使用該信號(hào)作為上變頻器的輸入信號(hào)，將會(huì)導(dǎo)致上變頻的結(jié)果中有本振及鏡頻信號(hào)且相距要輸出的本振信號(hào)只有200MHz，要濾除該信號(hào)，必須使用距中心頻率200MHz要有至少60dB以上衰減能力的高Q值帶通濾波器，而在Ku頻段上設(shè)計(jì)該濾波器將十分困難.因此不能直接使用DDS的輸出基波作為第一級(jí)上變頻器的輸入信號(hào).由于DDS的DAC輸出是一個(gè)個(gè)臺(tái)階電平，故輸出的頻譜上有多根譜線且成sinc（x）包絡(luò)分布［11］，如圖3所示.如果利用第二或第三奈奎斯特頻率范圍內(nèi)的DDS輸出信號(hào)，輸出頻率可以更高而且信號(hào)的衰減也在可接受范圍內(nèi)，只需要在后面跟隨一個(gè)帶通濾波器和增益放大器即可作為相應(yīng)的本振信號(hào)，且在后續(xù)的混頻與濾波中也可以將產(chǎn)生的本振與諧波有效地濾除.本系統(tǒng)中使用第三奈奎斯特鏡像頻率，即800MHz的DDS輸出信號(hào)，經(jīng)濾波放大后作為可移相本振，同9.95 GHz的固定本振進(jìn)行上變頻，變頻后的10.75GHz信號(hào)經(jīng)濾波后作為射頻通道的本振.該設(shè)計(jì)方案中使用了上變頻器將相位可調(diào)的DDS信號(hào)進(jìn)行上變頻作為射頻的本振信號(hào)，因此取代了射頻頻段的高精度移相器的使用.雖然每個(gè)射頻通道增加了一個(gè)上變頻器，但由于上變頻器的設(shè)計(jì)可以使用低噪聲混頻管設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，成本仍遠(yuǎn)低于射頻高精度移相器.特別的，當(dāng)頻率進(jìn)一步提高至毫米波頻段，可以使用較低頻段的上變頻器跟隨一個(gè)毫米波倍頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻段的本振提供.

圖2 DDS作為移相單元的原理框圖

圖4是分別使用移相器和DDS方案對(duì)60°成像視場(chǎng)的波束掃描示意圖.可以看出，使用DDS進(jìn)行等效移相控制，合成波束可以在視場(chǎng)內(nèi)對(duì)景物進(jìn)行近乎連續(xù)的掃描，而且掃描間隔可以根據(jù)需要調(diào)整.而使用移相器進(jìn)行移相控制，由于數(shù)字移相器的位數(shù)一般遠(yuǎn)小于DDS的相位分辨率（AD9959為14位），其掃描間隔相比較DDS方式大大稀疏.

圖3 DDS輸出頻譜示意圖

圖4 使用移相器（左）和DDS（右）的波束掃描示意圖

微波毫米波成像的一個(gè)重要指標(biāo)空間分辨率受瑞利準(zhǔn)則（Rayleigh Criterion）約束，即如果兩個(gè)相同點(diǎn)源的夾角大于天線的半功率波束寬度，這兩個(gè)點(diǎn)源就能夠區(qū)分出來(lái).根據(jù)瑞利判據(jù)，當(dāng)天線口徑增加，天線掃描波束變窄時(shí)，就需要更多的掃描波束來(lái)對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行掃描，防止對(duì)景物的遺漏，幾乎可以連續(xù)掃描的DDS方案可以滿足要求，而如果使用移相器，則需要更換更高位數(shù)的移相器來(lái)改善性能.另一方面，當(dāng)波束掃描間隔剛好滿足瑞利準(zhǔn)則要求的半功率波束寬度時(shí)，所成圖像像素很低，需要進(jìn)行大量的數(shù)字圖像處理來(lái)改善圖像質(zhì)量.當(dāng)波束掃描密度進(jìn)一步增加，所成圖像像素較高，可以成出人眼視覺(jué)效果更好的圖像，而且考慮到空間噪聲與接收機(jī)噪聲的影響，實(shí)際所需的掃描波束密度應(yīng)該高于瑞利準(zhǔn)則指出的臨界值.并且，通過(guò)增加掃描波束大大降低了后端的數(shù)字圖像處理的復(fù)雜度，進(jìn)一步提高了成像速度.

2 成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 成像系統(tǒng)平臺(tái)與系統(tǒng)指標(biāo)

圖5是實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的Ku頻段的相控陣被動(dòng)微波成像系統(tǒng)照片，系統(tǒng)采用16×16的螺旋天線陣列，使用DDS芯片AD9959陣列為各通道提供本振信號(hào).表1中列出了成像系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)與參數(shù).

圖5 Ku頻段的相控陣被動(dòng)微波成像系統(tǒng)照片

表1 成像系統(tǒng)指標(biāo)與參數(shù)

2.2 相控陣天線陣列測(cè)試結(jié)果

在Ku頻段的被動(dòng)微波成像系統(tǒng)中，成像的本振是相控陣的每一個(gè)掃描波束接收到背景物體輻射的能量，然后將所有的掃描波束接收到的信號(hào)強(qiáng)度積分后獲得圖像.因此，天線陣掃描波束的波束寬度是決定成像分辨率與能力的重要指標(biāo).圖6給出了正負(fù)30°范圍內(nèi)的波束掃描測(cè)量結(jié)果.測(cè)量結(jié)果表明在較寬的掃描角度內(nèi)，掃描波束保持較窄的波束寬度（3.8°）與較好的平坦度（＜3dB）.

圖6 相控陣天線的波束掃描方向圖測(cè)試結(jié)果

2.3 成像結(jié)果

圖7給出了一組在波束掃描密度的不同配置情況下，該系統(tǒng)對(duì)視場(chǎng)景物進(jìn)行被動(dòng)成像的結(jié)果.

圖7 不同波束掃描密度配置下的成像效果

圖7的光學(xué)圖像中，居中的窗戶處于小幅推開(kāi)狀態(tài)，推開(kāi)距離中心窗框?yàn)?0cm.成像在距離窗戶2.5m遠(yuǎn)，該距離上系統(tǒng)的空間分辨率約為16cm.在微波成像結(jié)果中，因?yàn)榇巴馐峭饨绲奶炜?，具有較低的噪聲溫度，在圖像中呈現(xiàn)淺色，而鋁合金窗框則反射了室內(nèi)的較高噪聲溫度，在圖像中呈現(xiàn)深色.在掃描像素為70×70的模式中，成像結(jié)果較好地體現(xiàn)了窗戶的各個(gè)框架.但由于空間分辨率不足，將靠近的兩個(gè)窗框判定為一個(gè)窗框，所以中間的窗框在成像結(jié)果中顯示效果更黑更寬.在掃描像素為30×30的模式中，除了整體效果和中間的窗框較為明確外，在沒(méi)有光學(xué)圖像作為對(duì)比的情況下，幾乎無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)別窗框的位置和形狀.而在掃描像素為15×15的模式中，則幾乎完全無(wú)法判斷窗框有無(wú)，成像質(zhì)量幾乎無(wú)從談起.而根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，60°視場(chǎng)范圍內(nèi)臨界所需的掃描波束數(shù)量約為17×17.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)增加掃描像素，雖然并沒(méi)有突破瑞利準(zhǔn)則的空間分辨率的判據(jù)，但是卻明顯改善了成像質(zhì)量，且大大降低了后端圖像處理的難度與復(fù)雜度.因此也表明通過(guò)DDS方式來(lái)進(jìn)行高密度快速掃描對(duì)微波毫米波成像有著明確的優(yōu)勢(shì).

圖8是成像系統(tǒng)對(duì)人體衣物內(nèi)隱匿物體成像效果，實(shí)驗(yàn)中，在測(cè)試者毛衣中放入20cm×30cm的金屬板，系統(tǒng)在距離測(cè)試者2m遠(yuǎn)的距離成像，成像結(jié)果清楚地展示出測(cè)試者的外形輪廓，由于金屬板反射的天空噪聲溫度較低，故呈現(xiàn)出不同于人體的輪廓特征.該成像采用100×100的波束掃描像素，成像平滑，過(guò)渡自然，表明通過(guò)提高掃描像素可以在一定程度上改善圖像質(zhì)量與視覺(jué)效果.

圖8 成像系統(tǒng)對(duì)人體衣物內(nèi)隱匿物體成像效果

3 結(jié) 論

針對(duì)微波毫米波成像應(yīng)用，文章提出一種可改善成像質(zhì)量的被動(dòng)相控陣微波毫米波成像方案.基于DDS作為移相單元對(duì)相控陣波束進(jìn)行控制掃描，通過(guò)適當(dāng)縮小掃描波束的間隔來(lái)提高掃描像素?cái)?shù)，從而有效改善成像質(zhì)量.分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案使用DDS替代移相器作為移相單元，顯著提高了相位分辨率，提高了成像像素，有效改善了成像質(zhì)量，并且隨著成像系統(tǒng)天線口徑的增加，掃描波束寬度變窄的情況下，使用DDS等效移相的方案也可以保證極高相位分辨率.另外，當(dāng)頻率升至毫米波頻段，使用現(xiàn)有的DDS方案而無(wú)需使用昂貴的毫米波移相器，從而更加體現(xiàn)出其低成本、高精度的優(yōu)勢(shì).

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