[发明专利]基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统

说明书

技术领域

本发明是一种基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统，主要是使用光 学上变频技术和光电探测技术，并且结合天线的机械扫描获取场景的图像，属 于被动毫米波探测和遥感技术领域。可应用于遥感、军事侦察、安检等领域。

背景技术

被动毫米波成像探测通过接收地面或空中的物体及背景热辐射能量，形成 相应的辐射特性图像来探测目标。当探测视场中目标与背景的亮度温度不同时， 成像结果能反映出视场中各个物体的亮度温度差以及辐射能力差异。毫米波段 位于红外与微波波段之间，除具有红外和微波共同特征外还有其特有的性能。 与微波相比，毫米波的指向性好、抗干扰能力强、探测性能好、能很好地穿透 等离子体；与红外相比，毫米波受天气影响较小，能很好地区别金属目标和周 围环境。被动毫米波探测设备在恶劣天气或战场烟尘条件下比光电探测器更为 有效，它具有全天候工作能力，在许多领域发挥着重要作用。

毫米波技术的历史最早可以追溯到19世纪90年代，之后这项技术得到持 续不断的发展，到20世纪50年代末，英国研制了一个由16个35GHz的狄克开 关辐射计组成的机载被动毫米波成像系统“Green Minnow”。近几十年来随着毫 米波半导体固态器件的发展，被动毫米波成像系统的尺寸和体积大大缩小了， 性能有了极大地提高，直到单片微波集成芯片(MMIC)的出现，被动毫米波成 像技术发展到了一个崭新的阶段。迄今为止出现了以下几种被动毫米波成像体 制：(1)单波束机械扫描式成像系统仅有一个接收机，通过机械运动使天线扫过 视域以获得图像信息，该技术比较成熟，实现简单；(2)相控阵系统由于难以设 计出有效的辐射单元，以及馈电系统损耗过大，所以目前在毫米波段应用不多； (3)干涉阵列系统过于复杂和昂贵，且干涉阵列所需的空间很大，因而主要应用 于射电天文领域；(4)焦平面成像系统是将多个接收单元排列在聚焦天线的焦平 面上，利用各馈源的偏焦不同，获得整个视域的图像，但多像素数、高灵敏度 的毫米波焦平面阵列制作较困难。

传统的被动毫米波成像中毫米波信号探测采用直接探测或下变频探测。存 在着一下不足：(1)直接探测中的毫米波信号传输、放大和处理较困难。(2) 在传统的超外差毫米波接收机中，先把高频载波信号变换到一个中频信号，之 后采用低噪声放大器将其放大。在直接探测和下变频探测中，信号传输选用的 器件为波导或同轴电缆。其重量大、体积大、易受电磁干扰，且装配复杂。(3) 另外，对于被动毫米波探测，带宽越大，获得的毫米波能量越多。在下变频探 测中，毫米波信号转换为中频信号后，信号的带宽较小，限制了可利用的毫米 波信号的带宽。

Cooper于1990年提出Radio Over Fiber(ROF)技术，利用光纤链路传输 微波/毫米波信号。利用光纤传输毫米波信号具有带宽高、衰减小、重量轻、抗 电磁干扰等优点。在通信中研究的毫米波信号为数字信号，而被动毫米波成像 中研究的为携带毫米波能量信息的模拟信号。近几年，也有一些把光学上变频 技术用于被动毫米波综合孔径成像的研究。但在被动毫米波综合孔径成像中需 要同时保留信号的幅度和相位信息，需要进行实时相位校正，系统复杂、实现 较困难。

发明内容

由于传统的毫米波成像系统存在着诸多缺点，本发明采用电光调制器将毫 米波信号上变频至光载波频率，用光纤传输，并用光电探测器探测。结合毫米 波天线的机械扫描装置，建立起了被动毫米波成像的有效方案。

本发明是传统毫米波成像的改进和提高，采用如下技术方案：

发明提出如图1所示的基于光学上变频的被动毫米波扫描成像系统：其基 本思想是将基于光学上变频的毫米波信号探测和扫描成像技术结合形成一个被 动毫米波扫描成像系统。该系统主要由毫米波接收天线子系统、毫米波信号预 处理子系统、电光调制子系统、光电探测子系统、控制子系统、数据采集处理 与显示子系统组成。首先毫米波接收天线子系统通过机械运动使天线扫描视域 以获得目标的毫米波辐射和散射能量；毫米波信号预处理子系统把连续的毫米 波信号转换为周期信号并对其放大；通过电光调制子系统把毫米波信号转换为 与其功率成正比的光信号，然后使用光电探测子系统把光信号转化为电压信号； 控制子系统控制天线扫描与数据采集的同步；数据采集处理与显示子系统采集 天线在各个方位时锁相放大器输出的电压信号，经处理得到视域内的亮温图像 并显示测得的图像。

在本发明中，系统各个部分说明如下：