基于直接数字频率合成器的新型微波成像系统

张 慧 洪 伟 陈 鹏 陈继新 汤红军

（东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室，江苏 南京210096）

引 言

被动微波与毫米波成像技术在机场安检、军事侦察、遥感等领域具有广阔的应用前景，近年来，各种体制的被动毫米波成像技术发展十分迅速［1－5］.

目前对被动微波毫米波成像技术的研究与实现主要集中在基于机械扫描的辐射计系统、焦平面成像系统和基于干涉方式的成像系统.机械扫描体制成像系统的主要优点在于其成本较低，成像质量与分辨率主要取决于天线口径与扫描间隔，机械扫描体制的主要问题在于成像时间太长.焦平面成像系统结合了阵列与反射面或透镜的优势，有效改善了成像时间与成像质量，但由于焦平面阵列需要额外的高增益反射面天线或透镜来改善增益，增加了额外的设计难度与系统空间布置要求以及体积，另外焦平面阵列每一个通道的接收机都是一个完整的接收机，随着阵列规模的增加，成本较高.基于干涉方式的成像系统通常使用不同基线长度和方向的干涉仪形成稀疏阵列进行空间频率域的采样，然后再经过傅里叶变换获得空间图像［6－7］.干涉方式成像系统主要用于遥感领域，用在近距离成像时往往由于被测目标对于天线阵面属于近场区，相干测量得到的可视度函数与目标的亮温分布不再满足傅里叶变换关系，需要复杂的数值计算方法对测量进行校正［8］.

采用相控阵体制的微波毫米波成像方案，由于采用电控扫描代替机械扫描，可以获得很高的扫描速度，同时也不需要机械扫描机构、反射面天线或透镜，因此近年来也迅速发展［9］.但传统相控阵成像系统的一个重要问题在于移相器的使用.相控阵系统中，移相器是核心的模块之一，而模拟移相器和数字移相器分别在移相精度和位数上都存在相应的局限，且在微波与毫米波频段，移相器的成本随频率的增加也急剧升高.对于微波毫米波成像系统来说，由于移相器的移相位数的限制，扫描波束间隔受到很大限制，直接影响了成像质量与分辨率.

本文提出了一种基于直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）等效移相的Ku频段被动微波成像方案，该方案使用DDS替代微波移相器为相控阵提供移相控制.理论和实验表明，使用该方案在大幅度降低成本的同时，可以有效提高图像质量和成像速度.

1 系统结构

图1给出了一种基于DDS作为移相单元的Ku频段的相控阵被动微波成像系统的总体结构.该系统使用了16×16即256个天线单元以及射频通道，在信号变到中频后，将256路信号功率合成后进行检波积分获得扫描点的辐射能量信号，将该信号送入模数转换器转为数字信号后送入数字信号处理器进行成像处理.

图1 Ku频段相控阵被动微波成像系统总体结构

该系统不使用移相器作为移相单元，而是使用DDS输出一个单音正弦信号与一个固定频率的本振信号进行上变频，使用上变频后的信号作为射频接收通道的本振信号，通过配置各DDS的相位控制字来实现对每一个通道相位的直接控制与调整.由于DDS的高相位分辨率，系统形成的波束可以以极低的步进扫描.该系统中采用了Analog Devices公司的DDS芯片AD9959，其相位分辨率为14bit即0.022°［10］，作为对照，采用6bit的数字移相器的相位分辨率为5.625°.

图2是成像系统中使用DDS作为等效移相单元的原理框图.DDS芯片AD9959的数模转换器（Digital－to－Analog Converter，DAC）工作频率为500MHz，根据奈奎斯特采样定律，输出的模拟正弦信号频率一般在200MHz或更低，如果直接使用该信号作为上变频器的输入信号，将会导致上变频的结果中有本振及镜频信号且相距要输出的本振信号只有200MHz，要滤除该信号，必须使用距中心频率200MHz要有至少60dB以上衰减能力的高Q值带通滤波器，而在Ku频段上设计该滤波器将十分困难.因此不能直接使用DDS的输出基波作为第一级上变频器的输入信号.由于DDS的DAC输出是一个个台阶电平，故输出的频谱上有多根谱线且成sinc（x）包络分布［11］，如图3所示.如果利用第二或第三奈奎斯特频率范围内的DDS输出信号，输出频率可以更高而且信号的衰减也在可接受范围内，只需要在后面跟随一个带通滤波器和增益放大器即可作为相应的本振信号，且在后续的混频与滤波中也可以将产生的本振与谐波有效地滤除.本系统中使用第三奈奎斯特镜像频率，即800MHz的DDS输出信号，经滤波放大后作为可移相本振，同9.95 GHz的固定本振进行上变频，变频后的10.75GHz信号经滤波后作为射频通道的本振.该设计方案中使用了上变频器将相位可调的DDS信号进行上变频作为射频的本振信号，因此取代了射频频段的高精度移相器的使用.虽然每个射频通道增加了一个上变频器，但由于上变频器的设计可以使用低噪声混频管设计实现，成本仍远低于射频高精度移相器.特别的，当频率进一步提高至毫米波频段，可以使用较低频段的上变频器跟随一个毫米波倍频器来实现高频段的本振提供.

图2 DDS作为移相单元的原理框图

图4是分别使用移相器和DDS方案对60°成像视场的波束扫描示意图.可以看出，使用DDS进行等效移相控制，合成波束可以在视场内对景物进行近乎连续的扫描，而且扫描间隔可以根据需要调整.而使用移相器进行移相控制，由于数字移相器的位数一般远小于DDS的相位分辨率（AD9959为14位），其扫描间隔相比较DDS方式大大稀疏.

图3 DDS输出频谱示意图

图4 使用移相器（左）和DDS（右）的波束扫描示意图

微波毫米波成像的一个重要指标空间分辨率受瑞利准则（Rayleigh Criterion）约束，即如果两个相同点源的夹角大于天线的半功率波束宽度，这两个点源就能够区分出来.根据瑞利判据，当天线口径增加，天线扫描波束变窄时，就需要更多的扫描波束来对视场进行扫描，防止对景物的遗漏，几乎可以连续扫描的DDS方案可以满足要求，而如果使用移相器，则需要更换更高位数的移相器来改善性能.另一方面，当波束扫描间隔刚好满足瑞利准则要求的半功率波束宽度时，所成图像像素很低，需要进行大量的数字图像处理来改善图像质量.当波束扫描密度进一步增加，所成图像像素较高，可以成出人眼视觉效果更好的图像，而且考虑到空间噪声与接收机噪声的影响，实际所需的扫描波束密度应该高于瑞利准则指出的临界值.并且，通过增加扫描波束大大降低了后端的数字图像处理的复杂度，进一步提高了成像速度.

2 成像实验结果

2.1 成像系统平台与系统指标

图5是实验实现的Ku频段的相控阵被动微波成像系统照片，系统采用16×16的螺旋天线阵列，使用DDS芯片AD9959阵列为各通道提供本振信号.表1中列出了成像系统的相关指标与参数.

图5 Ku频段的相控阵被动微波成像系统照片

表1 成像系统指标与参数

2.2 相控阵天线阵列测试结果

在Ku频段的被动微波成像系统中，成像的本振是相控阵的每一个扫描波束接收到背景物体辐射的能量，然后将所有的扫描波束接收到的信号强度积分后获得图像.因此，天线阵扫描波束的波束宽度是决定成像分辨率与能力的重要指标.图6给出了正负30°范围内的波束扫描测量结果.测量结果表明在较宽的扫描角度内，扫描波束保持较窄的波束宽度（3.8°）与较好的平坦度（＜3dB）.

图6 相控阵天线的波束扫描方向图测试结果

2.3 成像结果

图7给出了一组在波束扫描密度的不同配置情况下，该系统对视场景物进行被动成像的结果.

图7 不同波束扫描密度配置下的成像效果

图7的光学图像中，居中的窗户处于小幅推开状态，推开距离中心窗框为10cm.成像在距离窗户2.5m远，该距离上系统的空间分辨率约为16cm.在微波成像结果中，因为窗外是外界的天空，具有较低的噪声温度，在图像中呈现浅色，而铝合金窗框则反射了室内的较高噪声温度，在图像中呈现深色.在扫描像素为70×70的模式中，成像结果较好地体现了窗户的各个框架.但由于空间分辨率不足，将靠近的两个窗框判定为一个窗框，所以中间的窗框在成像结果中显示效果更黑更宽.在扫描像素为30×30的模式中，除了整体效果和中间的窗框较为明确外，在没有光学图像作为对比的情况下，几乎无法准确地识别窗框的位置和形状.而在扫描像素为15×15的模式中，则几乎完全无法判断窗框有无，成像质量几乎无从谈起.而根据瑞利准则，60°视场范围内临界所需的扫描波束数量约为17×17.实验结果表明，通过增加扫描像素，虽然并没有突破瑞利准则的空间分辨率的判据，但是却明显改善了成像质量，且大大降低了后端图像处理的难度与复杂度.因此也表明通过DDS方式来进行高密度快速扫描对微波毫米波成像有着明确的优势.

图8是成像系统对人体衣物内隐匿物体成像效果，实验中，在测试者毛衣中放入20cm×30cm的金属板，系统在距离测试者2m远的距离成像，成像结果清楚地展示出测试者的外形轮廓，由于金属板反射的天空噪声温度较低，故呈现出不同于人体的轮廓特征.该成像采用100×100的波束扫描像素，成像平滑，过渡自然，表明通过提高扫描像素可以在一定程度上改善图像质量与视觉效果.

图8 成像系统对人体衣物内隐匿物体成像效果

3 结 论

针对微波毫米波成像应用，文章提出一种可改善成像质量的被动相控阵微波毫米波成像方案.基于DDS作为移相单元对相控阵波束进行控制扫描，通过适当缩小扫描波束的间隔来提高扫描像素数，从而有效改善成像质量.分析与实验结果表明，该方案使用DDS替代移相器作为移相单元，显著提高了相位分辨率，提高了成像像素，有效改善了成像质量，并且随着成像系统天线口径的增加，扫描波束宽度变窄的情况下，使用DDS等效移相的方案也可以保证极高相位分辨率.另外，当频率升至毫米波频段，使用现有的DDS方案而无需使用昂贵的毫米波移相器，从而更加体现出其低成本、高精度的优势.

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