被动毫米波成像系统研究

施婷　司全龙

摘 要 毫米波的穿透性比较好，同时可以将较好的角分辨率提供给大气，所以人们越来越关注毫米波成像技术。另外在毫米波接收器中毫米波单片集成电路的作用是非常重要的。因此本文主要是对被动毫米波成像系统的主要技术进行了具体的研究。

关键词 被动毫米波成像系统；主要技术；毫米波接收器

中图分类号 TN2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0210-01

红外与微波之间是毫米波段主要处于的位置。相对于微波来说，毫米波具有更好的指向性、更强的抗干扰能力以及较好的探测性能等；相对于红外相比，气象对其具有很小的影响，同时其在金属目标和周围环境能力区分方面具有更加明显的优势。另外，毫米波辐射探测设备的有效性可以充分的体现在恶劣的天气状况下，而且在许多领域可以充分展现出毫米波辐射探测技术作用的重要性。所以具体研究被动毫米波成像系统的现实意义是非常重要的。

1 被动毫米波成像系统的特点

毫米波成像系统主要是由两部分组成的，这两部分分别是主动成像系统和被动成像系统，以下几个方面是被动成像系统的主要特点。

1）被动成像系统获取被动式图像的方法主要是，对物体辐射的能量进行检测，而且其获得的图像几乎相同于可见光的图像，造成这种现象的主要原因是被检测的波段与可见光具有相同的原理，从而更加容易的辨认物体。但是闪烁等效应会影响主动成像系统的成像，所以其对于物体的自然形状难以直接形成。

2）被动式成像利用自然热辐射直接探测目标，其不会对电磁波进行发射，而且要想更容易发现被动探测系统，则需要将各种涂层材料对雷达的隐身性不断加强。

3）金属目标的毫米波非常的稳定，其主要是因为金属目标具有很低的发射率，而且天空辐射是其主要反射的内容，这导致在一定时空范围内无法改变天空的基本稳温度，因此在金属探测过程中将毫米波成像系统优势充分的体现出来。

2 被动毫米波成像系统的主要技术

处理信号的技术、馈源天线技术、毫米波电路集成技术是从系统结构方面来说的被动毫米波成像系统的主要技术。

2.1 馈源天线技术

相关研究领域一直关注的重点就是馈源天线。当前喇叭天线和渐变缝隙是主要的两种馈源天线，渐变缝隙天线（TSA）是通过将渐变缝隙刻画在介质层的接地板上逐渐形成的，其与行波天线的性能具有相似

性[1]。其中Vivaldi、LISA和CWSA是主要的3种渐变缝隙。Vivaldi缝隙和LISA缝隙逐渐张开的形式是不同的，其分别是以指数形式和以直线形式为主，而CWSA缝隙张开的一定程度以后不会再发生变化，其中最常用的主要是LISA。多个渐变缝隙天线组成了阵列，与传统的喇叭天线相比较，阵元之间的距离较小。虽然TSA主要以平面结构形式存在，但是在E面和H面上均可形成对称的波束[2]。TSA自身具备着程度适中的增益，当人们将阻抗在距离相对较宽的频带里面，TSA也能够稳定不变，因此，其可作为宽频带天线使用。

2.2 毫米波电路集成技术

2.2.1 主要技术的相关参数

1）噪声系数，LNA和检波器是直接檢波式毫米波接收器主要包括的内容，根据公式可知，是接收器噪声系数。如果35GHz是系统的工作频率，B=2GHz是宽带数，T=290K是环境温度，则=2ms是系统的积分时间，=0.5K是检测灵敏度的指标，从而得出的结论是接收噪声系数要比5.38dB好，其计算公式如下：

2）LNA增益，对最佳系统特性造成重要影响的主要是接收机前端的增益设计[3]。为了能够将场景温度的分布利用接收器的输出电压准确的反映出来，首先对LNA的噪声系数具有严格的要求，同时检波器要在平方律的范围内进行相应的工作，其主要是不断放大LNA接收的信号，使其与检波器输入信号的要求相一致，可以通过下列的公式确定LNA增益：

其中检波管上的功率、系统宽带、检波前系统噪声系数、系统噪声温度和波尔兹曼常数分别是、B、、和。如果-20dBm是，1500k是，2GHz是B，5.38dB是，则48.5dB则是LNA的增益。

3）视频放大器宽带和收益，在毫米波接收机中，如果为接收机的积分时间，则为视频放大器的宽带，而。

2.2.2 集成化和小型化的毫米波成像系统

电子迁移率晶体管（HEMT）是由Thomson-CSF和Fujitsu在1980年研制出来的，而且人们一直十分重视HEMT。在1985年，相关学者通过对具有更好性能InGaAs沟道的研究，从而将赝配HEMT研制出来，与HEMT相比，这种赝配HEMT在工作频率方面具有更大的优势。随着微波单片集成电路的不断发展，使集成化毫米波接收器的目标逐渐实现。

如果在一起封装多路毫米波接收器，可以使其体积进一步缩小。国外的TRW公司和Millivision公司已经将被动毫米波成像专用的毫米波接收器研制出来。

当前国内许多单位对毫米波段的MMIC的相关研究也开始重视起来，但是也只处于设计时期，造成这种现象的主要原因是工艺线等发展速度比较缓慢，对其具有一定的阻碍作用，所以当前国内研究毫米波成像系统主要课题就是毫米波成像专用集成电路。

目前，使集成化毫米波接收器得以实现的主要措施是由东南大学和光电子研究所向国内开放的法国OMMIC公司学习0.2PHEMT工艺，而且在MMIC、光通信IC和RFIC等多个领域使用该工艺中的技术[4]。另外大小信号模型的nE/DFET，肖特基势垒二极管、CaAshe和NiCr电阻、两种MIM电容以及微带器件和螺旋电感等都是由OMMIC公司提供的相关器件模型，同时也即将开放0.1PHEMT工艺多目标的晶圆计划。

2.3 处理信号的技术

与红外线长相比，毫米波具有更长的波长以及更加严重的绕射现象，其不但可以将线口径大大增加，同时可以使分辨率提高的目标可以利用超分辨率的算法来实现。但是由于超分辨率具有非常复杂的计算过程和大量的运算量，所以其在使用的过程中一般利用具有较高性能的DSP来完成，而且被动式毫米波成像系统的主要研究课题之一就是这项相关的技术。

3 结论

由此可见，随着PHEMT工艺中MMIC的水平不断提高，使集成化和小型化的毫米波成像系统的目标逐渐得以实现，而且基于MMIC的被动毫米波成像系统美国和俄国等多个国家已经逐渐研究成功。由于广泛的应用被动成像系统，所以国内当前主要的任务是将被动成像系统的研究力度不断加大，随着多目标晶圆计划的开展为毫米波成像系统的进一步发展提供了有利的保障，从而大大加快了我国毫米波成像系统集成化和小型化的发展速度。

参考文献

[1]宋崧，王学田，邓甲昊.被动毫米波成像系统的发展状况及其关键技术[J].科技导报，2011，19（1）：74-79.

[2]尚晓舟，孙鹏，胡岸勇，等.协同体制被动毫米波成像系统天线阵布局优化[J].北京航空航天大学学报，2015，10（3）：1842-1847.

[3]杨永杰，徐晨，包志华.被动毫米波成像系统[J].电视技术，2005，9（7）：82-84.

[4]徐晨，杨永杰，包志华.被动毫米波成像系统的关键技术[J].南通大学学报（自然科学版），2005，1（10）：

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