基于直接數字頻率合成器的新型微波成像系統

張 慧 洪 偉 陳 鵬 陳繼新 湯紅軍

（東南大學信息科學與工程學院毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京210096）

引 言

被動微波與毫米波成像技術在機場安檢、軍事偵察、遙感等領域具有廣闊的應用前景，近年來，各種體制的被動毫米波成像技術發展十分迅速［1－5］.

目前對被動微波毫米波成像技術的研究與實現主要集中在基于機械掃描的輻射計系統、焦平面成像系統和基于干涉方式的成像系統.機械掃描體制成像系統的主要優點在于其成本較低，成像質量與分辨率主要取決于天線口徑與掃描間隔，機械掃描體制的主要問題在于成像時間太長.焦平面成像系統結合了陣列與反射面或透鏡的優勢，有效改善了成像時間與成像質量，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改善增益，增加了額外的設計難度與系統空間布置要求以及體積，另外焦平面陣列每一個通道的接收機都是一個完整的接收機，隨著陣列規模的增加，成本較高.基于干涉方式的成像系統通常使用不同基線長度和方向的干涉儀形成稀疏陣列進行空間頻率域的采樣，然后再經過傅里葉變換獲得空間圖像［6－7］.干涉方式成像系統主要用于遙感領域，用在近距離成像時往往由于被測目標對于天線陣面屬于近場區，相干測量得到的可視度函數與目標的亮溫分布不再滿足傅里葉變換關系，需要復雜的數值計算方法對測量進行校正［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械掃描，可以獲得很高的掃描速度，同時也不需要機械掃描機構、反射面天線或透鏡，因此近年來也迅速發展［9］.但傳統相控陣成像系統的一個重要問題在于移相器的使用.相控陣系統中，移相器是核心的模塊之一，而模擬移相器和數字移相器分別在移相精度和位數上都存在相應的局限，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.對于微波毫米波成像系統來說，由于移相器的移相位數的限制，掃描波束間隔受到很大限制，直接影響了成像質量與分辨率.

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

1 系統結構

圖1給出了一種基于DDS作為移相單元的Ku頻段的相控陣被動微波成像系統的總體結構.該系統使用了16×16即256個天線單元以及射頻通道，在信號變到中頻后，將256路信號功率合成后進行檢波積分獲得掃描點的輻射能量信號，將該信號送入模數轉換器轉為數字信號后送入數字信號處理器進行成像處理.

圖1 Ku頻段相控陣被動微波成像系統總體結構

該系統不使用移相器作為移相單元，而是使用DDS輸出一個單音正弦信號與一個固定頻率的本振信號進行上變頻，使用上變頻后的信號作為射頻接收通道的本振信號，通過配置各DDS的相位控制字來實現對每一個通道相位的直接控制與調整.由于DDS的高相位分辨率，系統形成的波束可以以極低的步進掃描.該系統中采用了Analog Devices公司的DDS芯片AD9959，其相位分辨率為14bit即0.022°［10］，作為對照，采用6bit的數字移相器的相位分辨率為5.625°.

圖2是成像系統中使用DDS作為等效移相單元的原理框圖.DDS芯片AD9959的數模轉換器（Digital－to－Analog Converter，DAC）工作頻率為500MHz，根據奈奎斯特采樣定律，輸出的模擬正弦信號頻率一般在200MHz或更低，如果直接使用該信號作為上變頻器的輸入信號，將會導致上變頻的結果中有本振及鏡頻信號且相距要輸出的本振信號只有200MHz，要濾除該信號，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頻段上設計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上變頻器的輸入信號.由于DDS的DAC輸出是一個個臺階電平，故輸出的頻譜上有多根譜線且成sinc（x）包絡分布［11］，如圖3所示.如果利用第二或第三奈奎斯特頻率范圍內的DDS輸出信號，輸出頻率可以更高而且信號的衰減也在可接受范圍內，只需要在后面跟隨一個帶通濾波器和增益放大器即可作為相應的本振信號，且在后續的混頻與濾波中也可以將產生的本振與諧波有效地濾除.本系統中使用第三奈奎斯特鏡像頻率，即800MHz的DDS輸出信號，經濾波放大后作為可移相本振，同9.95 GHz的固定本振進行上變頻，變頻后的10.75GHz信號經濾波后作為射頻通道的本振.該設計方案中使用了上變頻器將相位可調的DDS信號進行上變頻作為射頻的本振信號，因此取代了射頻頻段的高精度移相器的使用.雖然每個射頻通道增加了一個上變頻器，但由于上變頻器的設計可以使用低噪聲混頻管設計實現，成本仍遠低于射頻高精度移相器.特別的，當頻率進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毫米波倍頻器來實現高頻段的本振提供.

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60°成像視場的波束掃描示意圖.可以看出，使用DDS進行等效移相控制，合成波束可以在視場內對景物進行近乎連續的掃描，而且掃描間隔可以根據需要調整.而使用移相器進行移相控制，由于數字移相器的位數一般遠小于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重要指標空間分辨率受瑞利準則（Rayleigh Criterion）約束，即如果兩個相同點源的夾角大于天線的半功率波束寬度，這兩個點源就能夠區分出來.根據瑞利判據，當天線口徑增加，天線掃描波束變窄時，就需要更多的掃描波束來對視場進行掃描，防止對景物的遺漏，幾乎可以連續掃描的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的移相器來改善性能.另一方面，當波束掃描間隔剛好滿足瑞利準則要求的半功率波束寬度時，所成圖像像素很低，需要進行大量的數字圖像處理來改善圖像質量.當波束掃描密度進一步增加，所成圖像像素較高，可以成出人眼視覺效果更好的圖像，而且考慮到空間噪聲與接收機噪聲的影響，實際所需的掃描波束密度應該高于瑞利準則指出的臨界值.并且，通過增加掃描波束大大降低了后端的數字圖像處理的復雜度，進一步提高了成像速度.

2 成像實驗結果

2.1 成像系統平臺與系統指標

圖5是實驗實現的Ku頻段的相控陣被動微波成像系統照片，系統采用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.表1中列出了成像系統的相關指標與參數.

圖5 Ku頻段的相控陣被動微波成像系統照片

表1 成像系統指標與參數

2.2 相控陣天線陣列測試結果

在Ku頻段的被動微波成像系統中，成像的本振是相控陣的每一個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強度積分后獲得圖像.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.圖6給出了正負30°范圍內的波束掃描測量結果.測量結果表明在較寬的掃描角度內，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試結果

2.3 成像結果

圖7給出了一組在波束掃描密度的不同配置情況下，該系統對視場景物進行被動成像的結果.

圖7 不同波束掃描密度配置下的成像效果

圖7的光學圖像中，居中的窗戶處于小幅推開狀態，推開距離中心窗框為10cm.成像在距離窗戶2.5m遠，該距離上系統的空間分辨率約為16cm.在微波成像結果中，因為窗外是外界的天空，具有較低的噪聲溫度，在圖像中呈現淺色，而鋁合金窗框則反射了室內的較高噪聲溫度，在圖像中呈現深色.在掃描像素為70×70的模式中，成像結果較好地體現了窗戶的各個框架.但由于空間分辨率不足，將靠近的兩個窗框判定為一個窗框，所以中間的窗框在成像結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，在沒有光學圖像作為對比的情況下，幾乎無法準確地識別窗框的位置和形狀.而在掃描像素為15×15的模式中，則幾乎完全無法判斷窗框有無，成像質量幾乎無從談起.而根據瑞利準則，60°視場范圍內臨界所需的掃描波束數量約為17×17.實驗結果表明，通過增加掃描像素，雖然并沒有突破瑞利準則的空間分辨率的判據，但是卻明顯改善了成像質量，且大大降低了后端圖像處理的難度與復雜度.因此也表明通過DDS方式來進行高密度快速掃描對微波毫米波成像有著明確的優勢.

圖8是成像系統對人體衣物內隱匿物體成像效果，實驗中，在測試者毛衣中放入20cm×30cm的金屬板，系統在距離測試者2m遠的距離成像，成像結果清楚地展示出測試者的外形輪廓，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，過渡自然，表明通過提高掃描像素可以在一定程度上改善圖像質量與視覺效果.

圖8 成像系統對人體衣物內隱匿物體成像效果

3 結 論

針對微波毫米波成像應用，文章提出一種可改善成像質量的被動相控陣微波毫米波成像方案.基于DDS作為移相單元對相控陣波束進行控制掃描，通過適當縮小掃描波束的間隔來提高掃描像素數，從而有效改善成像質量.分析與實驗結果表明，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，有效改善了成像質量，并且隨著成像系統天線口徑的增加，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，當頻率升至毫米波頻段，使用現有的DDS方案而無需使用昂貴的毫米波移相器，從而更加體現出其低成本、高精度的優勢.

［1］成 萍，趙家群，劉魯濤，等.基于特征增強的被動毫米波成像方法［J］.電波科學學報，2010，25（5）：984－989.CHENG Ping，ZHAO Jiaqun，LIU Lutao，et al.Passive millimeter wave imaging method base on feature enhancement［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（5）：984－989.（in Chinese）

［2］APPLEBY R，ANDERTON R.Millimeter－wave and submillimeter－wave imaging for security and surveillance［C］／／Proceedings of the IEEE，2007，95（8）：1683－1690.

［3］王華力，李興國，彭樹生，等.被動毫米波成像技術［J］.紅外與毫米波學報，1997，16（4）：297－302.WANG Huali，LI Xingguo，PENG Shusheng，et al.Passive millimeter－wave imaging techniques［J］.Journal of Infrared and Millimeter Waves，1997，16（4）：297－302.（in Chinese）

［4］鄭 鑫，楊建宇，李良超，等.無源毫米波成像圖像空間重構超分辨率算法［J］.電波科學學報，2008，23（5）：899－904.ZHENG Xin，YANG Jianyu，LI Liangchao，et al.Image space reconstruction super－resolution algorithm for passive millimeter wave imaging［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（5）：899－904.（in Chinese）

［5］劉 波，李道京，李烈辰.基于壓縮感知的干涉逆合成孔徑雷達成像研究［J］.電波科學學報，2014，29（1）：20－25.LIU Bo，LI Daojing，LI Liechen.Moving target InISAR imaging and location based on compressed sensing［J］.Chinese Journal of Radio Science，2014，29（1）：20－25.（in Chinese）

［6］吳 季，劉 浩，閻敬業，等.干涉式被動微波成像技術［J］.遙感技術與應用，2009，24（1）：1－12.WU Ji，LIU Hao，YAN Jingye，et al.Interferometric imaging technology for passive microwave radiometry［J］.Remote Sensing Technology and Application，2009，24（1）：1－12.（in Chinese）

［7］HYUK P，JUNHO C，VLADIMIR K，et al.Interferometric microwave radiometers for high－resolution imaging of the atmosphere brightness temperature based on the adaptive capon signal processing algorithm［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2004，92：59－72.

［8］晁 坤，陳后財，趙振維，等.綜合孔徑輻射反演成像算法研究［J］.電波科學學報，2011，26（5）：881－887.CHAO Kun，CHEN Houcai，ZHAO Zhenwei，et al.Imaging reconstruction and inversion algorithm of synthetic aperture radiometer［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（5）：881－887.（in Chinese）

［9］LOVBERG J A，MARTIN C，KOLINKO V.Videorate passive millimeter－wave imaging using phased arrays［C］／／IEEE／MTT－S International Microwave Symposium.Honolulu，June 3－8，2007：1689－1692.

［10］Analog Devices.4－Channels，500MSPS DDS with 10－Bit DACs［M／oL］.2008［2014－08－26］.http：／／www.analog.com／media／en／technical－documentation／datasheets／AD9959.pdf.

［11］GENTILE K. Super－Nyquist Operation of the AD9912Yields a High RF output Signal［EB／oL］.2007［2014－08－26］http／／www.analog.com.