被動毫米波成像系統(tǒng)研究

施婷　司全龍

摘 要 毫米波的穿透性比較好，同時可以將較好的角分辨率提供給大氣，所以人們越來越關(guān)注毫米波成像技術(shù)。另外在毫米波接收器中毫米波單片集成電路的作用是非常重要的。因此本文主要是對被動毫米波成像系統(tǒng)的主要技術(shù)進(jìn)行了具體的研究。

關(guān)鍵詞 被動毫米波成像系統(tǒng)；主要技術(shù)；毫米波接收器

中圖分類號 TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0210-01

紅外與微波之間是毫米波段主要處于的位置。相對于微波來說，毫米波具有更好的指向性、更強的抗干擾能力以及較好的探測性能等；相對于紅外相比，氣象對其具有很小的影響，同時其在金屬目標(biāo)和周圍環(huán)境能力區(qū)分方面具有更加明顯的優(yōu)勢。另外，毫米波輻射探測設(shè)備的有效性可以充分的體現(xiàn)在惡劣的天氣狀況下，而且在許多領(lǐng)域可以充分展現(xiàn)出毫米波輻射探測技術(shù)作用的重要性。所以具體研究被動毫米波成像系統(tǒng)的現(xiàn)實意義是非常重要的。

1 被動毫米波成像系統(tǒng)的特點

毫米波成像系統(tǒng)主要是由兩部分組成的，這兩部分分別是主動成像系統(tǒng)和被動成像系統(tǒng)，以下幾個方面是被動成像系統(tǒng)的主要特點。

1）被動成像系統(tǒng)獲取被動式圖像的方法主要是，對物體輻射的能量進(jìn)行檢測，而且其獲得的圖像幾乎相同于可見光的圖像，造成這種現(xiàn)象的主要原因是被檢測的波段與可見光具有相同的原理，從而更加容易的辨認(rèn)物體。但是閃爍等效應(yīng)會影響主動成像系統(tǒng)的成像，所以其對于物體的自然形狀難以直接形成。

2）被動式成像利用自然熱輻射直接探測目標(biāo)，其不會對電磁波進(jìn)行發(fā)射，而且要想更容易發(fā)現(xiàn)被動探測系統(tǒng)，則需要將各種涂層材料對雷達(dá)的隱身性不斷加強。

3）金屬目標(biāo)的毫米波非常的穩(wěn)定，其主要是因為金屬目標(biāo)具有很低的發(fā)射率，而且天空輻射是其主要反射的內(nèi)容，這導(dǎo)致在一定時空范圍內(nèi)無法改變天空的基本穩(wěn)溫度，因此在金屬探測過程中將毫米波成像系統(tǒng)優(yōu)勢充分的體現(xiàn)出來。

2 被動毫米波成像系統(tǒng)的主要技術(shù)

處理信號的技術(shù)、饋源天線技術(shù)、毫米波電路集成技術(shù)是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面來說的被動毫米波成像系統(tǒng)的主要技術(shù)。

2.1 饋源天線技術(shù)

相關(guān)研究領(lǐng)域一直關(guān)注的重點就是饋源天線。當(dāng)前喇叭天線和漸變縫隙是主要的兩種饋源天線，漸變縫隙天線（TSA）是通過將漸變縫隙刻畫在介質(zhì)層的接地板上逐漸形成的，其與行波天線的性能具有相似

性[1]。其中Vivaldi、LISA和CWSA是主要的3種漸變縫隙。Vivaldi縫隙和LISA縫隙逐漸張開的形式是不同的，其分別是以指數(shù)形式和以直線形式為主，而CWSA縫隙張開的一定程度以后不會再發(fā)生變化，其中最常用的主要是LISA。多個漸變縫隙天線組成了陣列，與傳統(tǒng)的喇叭天線相比較，陣元之間的距離較小。雖然TSA主要以平面結(jié)構(gòu)形式存在，但是在E面和H面上均可形成對稱的波束[2]。TSA自身具備著程度適中的增益，當(dāng)人們將阻抗在距離相對較寬的頻帶里面，TSA也能夠穩(wěn)定不變，因此，其可作為寬頻帶天線使用。

2.2 毫米波電路集成技術(shù)

2.2.1 主要技術(shù)的相關(guān)參數(shù)

1）噪聲系數(shù)，LNA和檢波器是直接檢波式毫米波接收器主要包括的內(nèi)容，根據(jù)公式可知，是接收器噪聲系數(shù)。如果35GHz是系統(tǒng)的工作頻率，B=2GHz是寬帶數(shù)，T=290K是環(huán)境溫度，則=2ms是系統(tǒng)的積分時間，=0.5K是檢測靈敏度的指標(biāo)，從而得出的結(jié)論是接收噪聲系數(shù)要比5.38dB好，其計算公式如下：

2）LNA增益，對最佳系統(tǒng)特性造成重要影響的主要是接收機前端的增益設(shè)計[3]。為了能夠?qū)鼍皽囟鹊姆植祭媒邮掌鞯妮敵鲭妷簻?zhǔn)確的反映出來，首先對LNA的噪聲系數(shù)具有嚴(yán)格的要求，同時檢波器要在平方律的范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的工作，其主要是不斷放大LNA接收的信號，使其與檢波器輸入信號的要求相一致，可以通過下列的公式確定LNA增益：

其中檢波管上的功率、系統(tǒng)寬帶、檢波前系統(tǒng)噪聲系數(shù)、系統(tǒng)噪聲溫度和波爾茲曼常數(shù)分別是、B、、和。如果-20dBm是，1500k是，2GHz是B，5.38dB是，則48.5dB則是LNA的增益。

3）視頻放大器寬帶和收益，在毫米波接收機中，如果為接收機的積分時間，則為視頻放大器的寬帶，而。

2.2.2 集成化和小型化的毫米波成像系統(tǒng)

電子遷移率晶體管（HEMT）是由Thomson-CSF和Fujitsu在1980年研制出來的，而且人們一直十分重視HEMT。在1985年，相關(guān)學(xué)者通過對具有更好性能InGaAs溝道的研究，從而將贗配HEMT研制出來，與HEMT相比，這種贗配HEMT在工作頻率方面具有更大的優(yōu)勢。隨著微波單片集成電路的不斷發(fā)展，使集成化毫米波接收器的目標(biāo)逐漸實現(xiàn)。

如果在一起封裝多路毫米波接收器，可以使其體積進(jìn)一步縮小。國外的TRW公司和Millivision公司已經(jīng)將被動毫米波成像專用的毫米波接收器研制出來。

當(dāng)前國內(nèi)許多單位對毫米波段的MMIC的相關(guān)研究也開始重視起來，但是也只處于設(shè)計時期，造成這種現(xiàn)象的主要原因是工藝線等發(fā)展速度比較緩慢，對其具有一定的阻礙作用，所以當(dāng)前國內(nèi)研究毫米波成像系統(tǒng)主要課題就是毫米波成像專用集成電路。

目前，使集成化毫米波接收器得以實現(xiàn)的主要措施是由東南大學(xué)和光電子研究所向國內(nèi)開放的法國OMMIC公司學(xué)習(xí)0.2PHEMT工藝，而且在MMIC、光通信IC和RFIC等多個領(lǐng)域使用該工藝中的技術(shù)[4]。另外大小信號模型的nE/DFET，肖特基勢壘二極管、CaAshe和NiCr電阻、兩種MIM電容以及微帶器件和螺旋電感等都是由OMMIC公司提供的相關(guān)器件模型，同時也即將開放0.1PHEMT工藝多目標(biāo)的晶圓計劃。

2.3 處理信號的技術(shù)

與紅外線長相比，毫米波具有更長的波長以及更加嚴(yán)重的繞射現(xiàn)象，其不但可以將線口徑大大增加，同時可以使分辨率提高的目標(biāo)可以利用超分辨率的算法來實現(xiàn)。但是由于超分辨率具有非常復(fù)雜的計算過程和大量的運算量，所以其在使用的過程中一般利用具有較高性能的DSP來完成，而且被動式毫米波成像系統(tǒng)的主要研究課題之一就是這項相關(guān)的技術(shù)。

3 結(jié)論

由此可見，隨著PHEMT工藝中MMIC的水平不斷提高，使集成化和小型化的毫米波成像系統(tǒng)的目標(biāo)逐漸得以實現(xiàn)，而且基于MMIC的被動毫米波成像系統(tǒng)美國和俄國等多個國家已經(jīng)逐漸研究成功。由于廣泛的應(yīng)用被動成像系統(tǒng)，所以國內(nèi)當(dāng)前主要的任務(wù)是將被動成像系統(tǒng)的研究力度不斷加大，隨著多目標(biāo)晶圓計劃的開展為毫米波成像系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有利的保障，從而大大加快了我國毫米波成像系統(tǒng)集成化和小型化的發(fā)展速度。

參考文獻(xiàn)

[1]宋崧，王學(xué)田，鄧甲昊.被動毫米波成像系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及其關(guān)鍵技術(shù)[J].科技導(dǎo)報，2011，19（1）：74-79.

[2]尚曉舟，孫鵬，胡岸勇，等.協(xié)同體制被動毫米波成像系統(tǒng)天線陣布局優(yōu)化[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2015，10（3）：1842-1847.

[3]楊永杰，徐晨，包志華.被動毫米波成像系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2005，9（7）：82-84.

[4]徐晨，楊永杰，包志華.被動毫米波成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].南通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，1（10）：

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