專利名稱：光學濾波的毫米波頻率掃描成像儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及基于光學濾波和毫米波頻率掃描天線的成像技術，利用毫米波頻 率掃描天下接收目標輻射和散射的毫米波信號，通過激光頻率連續(xù)調諧和光學濾波的方法 來獲取來自不同方向不同頻率的毫米波信號，最終形成一維圖像的一種毫米波成像儀。
背景技術：
任何高于絕對零度的物體都會輻射各種波段的電磁波，被動成像探測是探測目標 的電磁輻射和散射，并運用各種信號處理技術恢復出目標的溫度分布圖或散射特征圖。被 動毫米波成像系統(tǒng)廣泛應用于射電天文學研究、遙感、軍事偵察和民用安檢等領域。毫米波成像技術根據(jù)不用的應用需要，其系統(tǒng)結構差異很大。在遙感和軍事偵察 用途中，毫米波成像系統(tǒng)一般是在機載和星載平臺上，成像的距離很遠，為了識別目標，必 須盡可能提高分辨率，一般廣泛采用組成毫米波天線陣列，運用綜合孔徑成像技術，但系統(tǒng) 結構非常復雜，成本非常高。而在安檢，危險品探測和消防等領域，由于不符合遠場成像條 件，其探測距離非常近，受到成本制約，一般不采用綜合孔徑成像，而是采用單支路掃描成 像技術。單支路掃描成像技術存在結構簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，成本低等優(yōu)點。傳統(tǒng)的掃描成 像技術都是通過機械轉動掃描，但存在很多問題機械轉動導致掃描速度非常低，成像速度 慢；而且機械轉動存在精度不高、噪音大的問題；此外，在安檢領域需要長時間工作，機械 掃描會發(fā)熱甚至導致故障，而其機械驅動需要的功率也非常大，使用成本很高。毫米波頻率掃描天線技術近年來由于其優(yōu)異的性能越來越受到注意，由于其具有 不用掃描而可同時獲取整個一維視場目標的毫米波輻射和散射信號的特性，而不用再使用 額外的機械掃描結構，直接對接收到的各個頻率的毫米波進行探測就可獲得視場的一維圖 像。但對于一個寬帶的毫米波信號，要逐個提取各個頻率的信號，需要設計非常復雜的毫米 波濾波電路，導致效率低下，而且電路穩(wěn)定性很差，且內容電磁干涉和串擾非常嚴重。而采 用光學濾波的方法則可以很好的解決上述問題，而且系統(tǒng)結構簡單，效率很高，可以實現(xiàn)高 速一維成像。

發(fā)明內容
本發(fā)明主要涉及基于光學濾波和毫米波頻率掃描天線的成像儀技術，利用毫米波 頻率掃描天下接收目標輻射和散射的毫米波信號，通過激光頻率連續(xù)調諧和光學濾波的方 法來獲取來自不同方向不同頻率的毫米波信號，最終形成一維圖像的一種毫米波成像儀。在本發(fā)明中，毫米波頻率掃描天線接收來自被探測區(qū)域的毫米波輻射和散射信號 后，經(jīng)毫米波雙向開關選擇開關和隔離器后，利用低噪放大器對其進行放大；放大后的毫米 波信號進入電光調制器，對來自連續(xù)波頻率掃描的激光器輸出的光信號進行調制；調制后 的光信號通過光纖濾波器濾波后，利用光電探測器探測。本發(fā)明中，通過控制信號發(fā)生器產(chǎn) 生鋸齒波來驅動PZT調諧控制器，以實現(xiàn)連續(xù)波可調激光器輸出的中心頻率的步進和周期變化，因此光電探測器可將毫米波頻率掃描天線接收的來自不同方向不同頻率的毫米波信 號分別探測出來并形成一維圖像，二維圖像可通過組成頻率掃描天線陣列或在另一方向掃 描獲得。同時，本發(fā)明通過一個確定已知的熱噪聲源作為標準源對本發(fā)明提出的光學濾波 的毫米波頻率掃描成像儀進行校正。本發(fā)明主要利用了光學濾波器技術和毫米波頻率掃描天線技術來實現(xiàn)成像，采用 如下技術方案(1)毫米波頻率掃描天線接收來自某個接收方向范圍內
的目標輻射和 散射的一定頻率范圍內[f” f2]的寬帶毫米波信號，且毫米波頻率掃描天線所接收的寬帶 毫米波信號頻率f 和接收方向角度e具有一一對應的關系e (f)。(2)當計算機發(fā)出指令選擇聯(lián)通隔離器和毫米波頻率掃描天線時，目標區(qū)域的寬 帶毫米波信號通過毫米波雙向選擇開關進入隔離器和低噪放大器。其中隔離器的作用是在 保證寬帶毫米波信號通過的同時，阻止低噪放大器反射的毫米波信號進入毫米波頻率掃描 天線和熱噪聲源。(3)低噪放大器輸出的放大的寬帶毫米波信號(頻率范圍[f”f2])進入電光調制 器，對來自連續(xù)波可調激光器輸出的光信號(中心頻率為Vi)進行調制，其輸出的調制光信 號的第一級邊帶頻率范圍為[Vi-f” Vi_f2]。該調制光信號經(jīng)光纖濾波器(通帶中心頻率 vp)和光子探測器后，可得到含頻率f的毫米波信號的強度信號，且f = | Vi_Vp|。(4)計算機發(fā)出指令選擇聯(lián)通隔離器和毫米波頻率掃描天線的同時，也同步給信 號發(fā)生器發(fā)出指令，開始產(chǎn)生周期T鋸齒波電壓，一方面被采集卡獲取以保證采集卡對光 子探測器的輸出進行同步采集，另一方面控制PZT調諧控制器，使得連續(xù)波可調激光器輸 出的激光頻率隨著電壓同步線性增加。鋸齒波一個周期內，設定連續(xù)波可調激光器輸出的 光信號頻率起始為 +1，終止為vp+f2。因此，光子探測器在一個周期T內的探測的毫米波 信號的頻率覆蓋從到f2的全部范圍，根據(jù)毫米波頻率掃描天線性質，對應的接收方向范 圍內[、，e2]，從而獲得對應的一維圖像，二維圖像可通過組成毫米波頻率掃描天線陣列 或在另一方向掃描獲得。(5)當計算機發(fā)出指令選擇聯(lián)通隔離器和熱噪聲源時，光子探測器輸出的強度信 號為熱噪聲源的輸出強度。熱噪聲源的作用是一個定標用的標準輻射源，由于熱噪聲源的 參數(shù)為確定已知的，因此，利用探測結果可對本發(fā)明提出的光學濾波的毫米波頻率掃描成 像儀進行實時校正。本發(fā)明的主要特色主要采用了一種特殊的毫米波頻率掃描天線技術和采用光學 濾波方法來實現(xiàn)毫米波成像，同時采用熱噪聲源對其進行實時校正，可廣泛應用于遙感、偵 察、安檢和危險品探測等領域


圖1為本發(fā)明光學濾波的毫米波頻率掃描成像儀圖2為信號發(fā)生器波形與連續(xù)波可調激光器輸出激光中心頻率關系3為信號發(fā)生器波形與光子探測器獲取毫米波信號方向角的關系4為電光調制器輸入輸出光信號光譜與輸入毫米波信號頻率關系5為濾波器通帶光譜圖
圖6光信號中心頻率和光纖濾波器通帶中心頻率差與光子探測器探測的毫米波 信號頻率對應關系圖
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明提出的光學濾波的毫米波頻率掃描成像儀，在具體實施方式
中，毫米 波頻率掃描天線1選擇一款采用介質波導結構的微帶天線陣列結構，其工作頻率f掃描范 圍為34GHz 44GHz共10GHz的帶寬，其對應的方向角為-20° 20°共40°的掃描范圍， 且其具有頻率-方向角函數(shù)為線性的，即e (f) =-20° +(f-34GHz) X40° +10GHz= 34GHz, f2 = 44GHz ； 0 : = -20°，0 2 = 20°上式中f的單位為GHz。毫米波雙向選擇開關2則可選擇WiseWave Technologiesd Inc.公司型號為 CPD-39102020-XX毫米波雙向選擇開關，其工作中心頻率為39GHz，帶寬10GHz，插入損耗和 隔離度分別達到1. OdB和20. OdB，完全滿足本實施案例的要求。隔離器3同樣選擇該公司 的產(chǎn)品，型號為FFF-22-01，低噪放大器4可選擇Cernex公司的CBL34441845-01寬帶低噪 放大器，其工作頻率為34GHz 44GHz，增益達到18dB。低噪放大器輸出的毫米波信號進入電光調制器11，電光調制器11選用C0VEGA Corporation的Mach-40066_40-P-A-A電光相位調制器，其最大調制器達到45Gb/s，且其 工作帶寬達到20GHz。實施案例中的連續(xù)波可調激光器13則選用New-Focus公司產(chǎn)生 的Velocity連續(xù)波可調激光器(Model :TLB_6328)，中心波長選擇Vi = 1536. 610nm，線寬 < 300kHz。同時，對TLB-6328配備PZT調諧控制器12，具有60GHz范圍的連續(xù)波PZT快速 可控調諧功能，這完全滿足本發(fā)明提出的應用需求。電光調制器11輸出的調制后的光信號經(jīng)過濾波器，經(jīng)過光纖濾波器10，濾波，這 里的光纖濾波器可以選擇F-P光纖濾波器或FBG光纖濾波器，其通帶中心頻率比TLB-6328 輸出的激光頻率低34GHz，即vp = 1536.885nm。光子探測器9選用Thorlabs公司的 DET01CFC InGaAs PIN探測器，采集卡8則可以采用16位2通道的數(shù)字采集卡，采集速率達 到100MHz。采集卡11輸出的信號進入計算機6進行分析和處理，最終形成探測區(qū)域的一維 圖像。具體工作過程描述如下計算機同時發(fā)出信號給毫米波雙向選擇開關2和信號發(fā)生器7 毫米波雙向選擇 開關2聯(lián)通毫米波頻率掃描天線1和隔離器3 ；信號發(fā)生器7開始產(chǎn)生鋸齒波，分別給采集 卡8和PZT調諧控制器。信號發(fā)生器7的輸出波形與連續(xù)波可調激光器輸出激光中心頻 率關系如圖2中所示，在一個鋸齒波周期內，激光器的輸出波長從1536.610nm逐漸減小到 1536. 531nm,頻率Vi增加了 10GHz ；信號發(fā)生器7的輸出與光子探測器9和采集卡8獲取 的毫米波信號在毫米波頻率掃描天線1接收方向角的關系如圖3中所示，在本實施方案中， e (f)表達式可知其關系為線性；電光調制器11的輸入、輸出光信號的光譜與輸入的毫米 波信號頻率的關系如圖4所示，從中間的圖可以看出毫米波信號加載到光信號的第一級邊 帶上；光纖濾波器10的通帶光譜如圖5 ；光信號中心頻率和光纖濾波器通帶中心頻率差與 光子探測器探測的毫米波信號頻率對應關系如圖6所示。
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當系統(tǒng)工作一定時間后(具體時間與工作環(huán)境相關)，計算機發(fā)出信號給毫米波 雙向選擇開關2使得毫米波頻率掃描天線1和熱噪聲源5聯(lián)通。此時，本發(fā)明成像儀通過 確定已知的熱噪聲源5作為定標輻射源對成像儀進行系統(tǒng)的重新定標和校正。
權利要求
1.一種基于光學濾波的毫米波頻率掃描成像儀，其特征是，包括毫米波頻率掃描天線(1)、毫米波雙向選擇開關(2)、隔離器(3)、低噪放大器(4)、熱噪 聲源(5)、計算機(6)、信號發(fā)生器(7)、采集卡(8)、光子探測器(9)、光纖濾波器(10)、電光 調制器(11)、PZT調諧控制器(12)、連續(xù)波可調激光器(13)。所述的光學濾波的毫米波頻率掃描成像儀，其特征是(a)所述毫米波頻率掃描天線，接收來自目標區(qū)域輻射和散射的一定頻率范圍內的寬 帶毫米波信號，且毫米波頻率掃描天線所接收的寬帶毫米波信號頻率和接收方向具有一一 對應的關系；(b)所述的毫米波雙向選擇開關，當計算機發(fā)出指令選擇聯(lián)通毫米波頻率掃描天線時， 目標區(qū)域的寬帶毫米波信號通過毫米波雙向選擇開關進入隔離器和低噪放大器，低噪放大 器輸出的放大寬帶毫米波信號經(jīng)電光調制器，對來自連續(xù)波可調激光器輸出的光信號進行 調制；(c)所述電光調制器，其輸出的調制光信號經(jīng)光纖濾波器和光子探測器后，可得到含特 定頻率毫米波信號的強度信號，所述特定頻率與連續(xù)波可調激光器輸出的激光頻率具有確 定的線性關系；(d)所述信號發(fā)生器，當計算機發(fā)出指令選擇聯(lián)通隔離器和毫米波頻率掃描天線的同 時，也同步給信號發(fā)生器發(fā)出指令，開始產(chǎn)生周期鋸齒波電壓，一方面驅動采集卡開始以一 定頻率采集光子探測器輸出的強度信號，另一方面控制PZT調諧控制器，使得連續(xù)波可調 激光器輸出的激光頻率也同步線性增加，最終使得光子探測器可探測出不同頻率的毫米波 信號，也即探測出進入毫米波頻率掃描天線中不同方位的毫米波信號，從而獲得對應的一 維圖像，二維圖像可通過組成毫米波頻率掃描天線陣列或在另一方向掃描獲得；(e)所述熱噪聲源，當計算機發(fā)出指令給毫米波雙向選擇開關選擇聯(lián)通隔離器和熱噪 聲源時，光子探測器輸出的強度信號為噪聲源，由于熱噪聲源為確定已知，因此對所述的光 學濾波的毫米波頻率掃描成像儀進行實時校正。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學濾波的毫米波頻率掃描成像儀，所述的隔離器為單向器 件，在使得毫米波頻率掃描天線接收的寬帶毫米波信號通過的同時，阻止低噪放大器反射 的毫米波信號進入毫米波頻率掃描天線和熱噪聲源。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學濾波的毫米波頻率掃描成像儀，所述的熱噪聲源的輸出 為恒定的。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學濾波的毫米波頻率掃描成像儀，所述的連續(xù)波可調激光 器輸出的激光中心范圍和光纖濾波器的通帶中心頻率的差值范圍為進入電光調制器的毫 米波信號的頻率范圍。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新型的基于光學濾波技術和頻率掃描天線技術的毫米波成像儀，可應用于遙感、偵察、安檢和危險品探測等領域。在本發(fā)明中，毫米波頻率掃描天線接收來自被探測區(qū)域的毫米波輻射和散射信號，經(jīng)低噪放大器后輸出放大的毫米波信號通過電光調制器對來自連續(xù)波頻率掃描的激光器輸出的光信號進行調制；調制后的光信號通過光纖濾波器濾波后，利用光電探測器探測。通過激光器頻率的步進和周期變化，光電探測器最終將頻率掃描天線接收的來自不同方向不同頻率的毫米波信號分別探測出來，并形成一維圖像；二維圖像可通過組成頻率掃描天線陣列或在另一方向掃描獲得。
文檔編號G01J5/00GK102003997SQ20101027859
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月9日 優(yōu)先權日2010年9月9日
發(fā)明者何云濤, 張躍東, 歐軍, 江月松 申請人:北京航空航天大學