一种基于稀疏阵和模块复用的毫米波收发系统的制作方法

本实用新型涉及物体检测技术领域，具体涉及一种基于稀疏阵和模块复用的毫米波收发系统。

背景技术：

近些年来，毫米波近场成像系统已经得到了广泛的应用，其中主要应用领域为人体安检和物体检测，现阶段常用的技术体制主要分为两种：“二维稀疏阵列”和“一维线性阵列+一维机械扫描”，“二维稀疏阵列”技术体制以罗德施瓦茨公司为代表，使用“一维线性阵列+一维机械扫描”技术体制的公司主要包括美国l3公司、国内博微太赫兹、同方威视以及华讯方舟。

太赫兹毫米波主动式成像系统由于具有成像分辨率高、可以三维成像，不易受到环境干扰等多种优势，近年来受到了安检安防领域的广泛关注。传统的x光机安检系统，其工作机理是利用x光的电离辐射对物体进行成像，而这种电离辐射对人体是有累积损伤的，因而在半自动化产线、安检等应用场景中，市场对于辐射功率小，对人体无伤害的太赫兹毫米波主动式成像系统的呼声日益提高。

毫米波收发系统是主动式成像系统的前端，其主要功能是产生并发射电磁波信号，与此同时将接收到的回波信号放大并下变频至中频或零频供信号处理板卡采集和处理。目前市场上太赫兹毫米波主动式成像系统所使用的“一维线性阵列+一维机械扫描”技术体制中，仍采用满阵的形式。

模块复用是降低硬件成本的另一种常见的方法，但引入模块复用方法的同时可能会一定程度地恶化系统性能，因而在射频收发系统设计过程中，如何恰当地使用模块复用的方法降低硬件成本也是工程师们需要考虑的问题之一。

为了在使用模块复用的基础上，更大程度上降低毫米波收发系统的硬件成本，同时保证系统能够达到检测识别性能指标，提出一种基于稀疏阵和模块复用的毫米波收发系统。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于：在使用模块复用的基础上，如何现有毫米波收发系统存在的难以更大程度上降低毫米波收发系统硬件成本的问题，提供了一种基于稀疏阵和模块复用的毫米波收发系统。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本实用新型包括一个捷变频源、一个收发通道以及两个天馈组件，所述收发通道包括一个变频组件、一个发射单刀8掷开关模块以及一个接收单刀4掷开关模块，所述天馈组件包括发射通道与接收通道，其中，发射通道包括4个发射喇叭天线；接收通道包括2个集成了接收喇叭天线的单刀16掷开关模块；两个所述天馈组件的发射通道通过所述发射单刀8掷开关模块与所述变频组件连接，两个所述天馈组件的接收通道通过所述接收单刀4掷开关模块与所述变频组件连接，所述变频组件与所述捷变频源连接，所述发射通道的发射天线阵与所述接收通道的接收天线阵均采用稀疏布阵形式。

优选的，所述发射天线为发射喇叭天线，所述接收天线为接收喇叭天线。

优选的，单个所述天馈组件中所述发射通道的所述发射喇叭天线的数量为4个，单个所述天馈组件中所述接收通道的所述接收喇叭天线的数量为32个。

优选的，两个所述天馈组件中所述发射通道的发射喇叭天线分别与所述发射单刀8掷开关模块连接。

优选的，两个所述天馈组件中所述接收通道的集成了接收喇叭天线的单刀16掷开关模块分别与所述接收单刀4掷开关模块连接。

优选的，所述发射喇叭天线阵为一维稀疏线阵。

优选的，所述集成了接收喇叭天线的单刀16掷开关模块采用稀疏的方式布阵。

优选的，所述捷变频源包括电源控制模块、dds模块、倍频模块、中频解调模块、锁相模块、时钟模块，所述时钟模块分别与所述锁相模块、所述dds模块连接，所述dds模块与所述倍频模块连接，所述锁相模块与所述中频解调模块连接，所述电源控制模块分别与所述时钟模块、所述dds模块、所述倍频模块、所述锁相模块、所述中频解调模块连接。

优选的，所述捷变频源与外部的上位机及信号处理板卡分别连接。

优选的，所述变频组件包括8倍频器、单边带上变频器、镜像抑制混频器；所述捷变频源产生的txa-dds/txb-dds信号经8倍频器倍频后，送至单边带上变频器产生txa-rf/txb-rf信号。回波信号rxa-rf/rxb-rf信号经镜像抑制混频器产生rxa-if/rxb-if信号送至所述捷变频源产生i/q信号供信号处理板卡采集。

优选的，所述接收单刀4掷开关模块根据所述捷变频源产生的控制时序选通指定通道，将所述天馈组件接收到的回波信号送至所述变频组件进行下变频。

优选的，所述发射单刀8掷开关模块根据所述捷变频源产生的控制时序选通指定通道，将所述变频组件产生的信号送至所述天馈组件，由所述发射喇叭天线辐射至自由空间。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：相比于现有的满阵收发系统，采用稀疏阵结合模块复用体制，使收发系统的硬件成本大大降低；并且具有方案简单和低功耗的优点，值得被推广使用。

附图说明

图1是本实用新型毫米波收发系统的安装示意图；

图2是本实用新型毫米波收发系统的系统框图；

图3是本实用新型中捷变频源的结构示意图；

图4是本实用新型中变频组件的结构示意图；

图5是本实用新型中发射单刀8掷开关模块的结构示意图；

图6是本实用新型中接收单刀4掷开关模块的结构示意图；

图7是实施例中的两种天馈组件的结构示意图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为基于稀疏阵和模块复用的毫米波收发系统的安装示意图。本实用新型所述基于稀疏阵和模块复用的新型超低成本毫米波收发系统包括一个捷变频源11、一个收发通道、两个天馈组件15(a/b面)以及若干线缆，所述收发通道包括一个变频组件12、一个发射单刀8掷开关模块13以及一个接收单刀4掷开关模块14。两个所述天馈组件15对称安装在门形框架上，便于对物体或人进行检测。

如图2a所示，为所述基于稀疏阵和模块复用的毫米波收发系统的系统框图,所述捷变频源产生并发送tx-if、tx-dds、+6.5v信号至所述变频组件。所述变频组件通过倍频、放大以及变频等方式产生tx-rf信号送至所述发射单刀8掷开关模块。所述发射单刀8掷开关模块根据捷变频源产生的控制时序选通指定的通道，将tx-rf信号送至天馈组件(天馈组件a、b)。所述天馈组件将tx-rf信号通过发射喇叭天线向自由空间辐射，并根据捷变频源产生的控制时序选通所述集成了接收喇叭天线的单刀16掷接收开关模块(sp16t)的指定通道，将rx-rf信号送至接收单刀4掷开关模块。同时，接收所述单刀4掷开关模块根据捷变频源产生的控制时序选通指定通道将rx-rf信号送至所述变频组件。所述变频组件通过放大以及下变频等方式产生rx-if信号，并送至捷变频源下变频至零频供信号处理板卡采集以及生成图像。

如图2b所示，为满阵技术体制的毫米波收发系统的系统框图，所述捷变频源产生并发送txa-if、txa-dds、+6.5v-a信号至所述变频组件a，产生并发送txb-if、txb-dds、+6.5v-b信号至所述变频组件b。所述变频组件a通过倍频、放大以及变频等方式产生txa-rf信号送至所述天馈组件a，所述变频组件b通过倍频、放大以及变频等方式产生txb-rf信号送至所述天馈组件b。所述天馈组件(天馈组件a、b)根据所述捷变频源产生的控制时序选通所述发射单刀4掷开关模块以及发射单刀16开关模块的指定通道，将tx-rf(txa-rf、txb-rf)信号发射至自由空间。同时，所述天馈组件(天馈组件a、b)根据所述捷变频源产生的控制时序选通所述接收单刀4掷开关模块以及接收单刀16开关模块的指定通道，将回波信号rx-rf(rxa-rf、rxb-rf)送至所述变频组件(变频组件a、变频组件b)。所述变频组件(变频组件a、变频组件b)通过放大以及下变频等方式产生rx-if信号(rxa-if、rxb-if)，并送至捷变频源下变频至零频供信号处理板卡采集以及生成图像。

如图3所示，所述捷变频源整体结构是一个标准2u机箱，机箱内部共包含六个部件，即电源控制模块1、dds模块2、倍频模块3、中频解调模块4、锁相模块5、时钟模块6。所述时钟模块6分别与所述锁相模块5、所述dds模块2连接，所述dds模块2与所述倍频模块3连接，所述锁相模块5与所述中频解调模块4连接，所述电源控制模块1分别与所述时钟模块6、所述dds模块2、所述倍频模块3、所述锁相模块5、所述中频解调模块4连接。主要完成以下功能：一、通过dds模块2、倍频模块3产生s波段sfcw扫频信号；二、将接收的回波信号通过变频处理至零频信号送至信号处理板卡处理；3.本收发分系统具有bit自检功能，在系统上电后对系统进行自检，并且通过串口通信将自检状态信息上传给上位机。

如图4所示，所述变频组件包括8倍频器、单边带上变频器以及镜像抑制混频器。所述捷变频源产生的txa-dds/txb-dds信号经8倍频器倍频后，送至单边带上变频器产生txa-rf/txb-rf信号。回波信号rxa-rf/rxb-rf信号经镜像抑制混频器产生rxa-if/rxb-if信号送至所述捷变频源产生i/q信号供信号处理板卡采集。主要完成以下功能：一、通过倍频、变频将s波段sfcw扫频信号上变至k波段；二、将接收的回波信号通过变频处理至中频，并送捷变频源处理。所述变频组件对外的射频信号接头、电源接头以及bite检测信号的接头均为ssma-jw3506g。

如图5所示，所述发射单刀8掷开关模块输入输出接头均为2.92mm-k接头。根据所述捷变频源产生的控制时序选通指定通道，将所述变频组件产生的tx-rf信号送至所述天馈组件，由所述发射喇叭天线辐射至自由空间。

如图6所示，所述接收单刀4掷开关模块输入输出接头均为2.92mm-k接头。根据所述捷变频源产生的控制时序选通指定通道，将所述天馈组件接收到的回波信号送至所述变频组件进行下变频。

如图7a所示，每个所述天馈组件包括4个发射喇叭天线21、2个集成了接收喇叭天线的单刀16掷接收开关模块22。上电后，根据所述捷变频源的控制时序选通所述发射单刀8掷开关模块的指定通道，将所述变频组件产生的k波段sfcw信号经所述发射单刀8掷开关模块发送至所述发射喇叭天线。同时，根据所述捷变频源的控制时序选通集成了接收喇叭天线的单刀16掷接收开关模块22和所述接收单刀4掷开关模块的指定通道，将回波信号送至变频组件进行下变频。所述天馈组件的发射天线阵为一维稀疏线阵；接收天线阵由2个集成了接收喇叭天线的单刀16掷接收开关模块22组成，且两个单刀16掷开关模块同样采用稀疏的方式布阵。

图7b所示为满阵技术体制的结构示意图，每个所述满阵体制的天馈组件由3个发射单刀16掷开关模块23、3个接收单刀16掷开关模块24以及1个发射单刀4掷开关模块25以及1个接收单刀4掷开关模块26组成。所述发射单刀16掷开关模块23分别与所述发射单刀4掷开关模块25连接；所述接收单刀16掷开关模块24分别与所述接收单刀4掷开关模块26连接。

对比所述超低成本稀疏阵+模块复用体制收发系统和所述满阵收发系统的物料清单，可以发现所述稀疏阵+模块复用体制收发系统使用8个喇叭天线和4个所述集成了接收喇叭天线的单刀16掷接收开关模块替代了所述满阵收发系统中的6个发射单刀16掷开关模块和6个接收单刀16掷开关模块；使用1个发射单刀8掷开关模块和1个接收单刀4掷开关模块替代了所述满阵收发系统天馈组件中的2个发射单刀4掷开关模块和2个接收单刀4掷开关模块；此外，相比于所述满阵收发系统，所述稀疏阵+模块复用体制收发系统仅使用了一个变频组件。

所述线缆主要包括：一、dds模块的参数配置线缆为usb-rs422线缆；二、下发天馈组件控制时序的线缆为db15线缆；三、捷变频源至变频组件射频信号、电源以及bite信号线缆均为sma-ssma线缆；四、变频组件至单刀8掷开关模块、变频组件至单刀4掷开关模块、单刀8掷开关模块至天馈组件、天馈组件至单刀4掷开关模块以及天馈组件内部线缆均为2.92mm线缆。

本发明所述基于稀疏阵和模块复用的新型超低成本毫米波收发系统能够有效地降低太赫兹毫米波收发系统的成本。此外，所述基于稀疏阵和模块复用的新型超低成本毫米波收发系统还具有方案简单和低功耗的优点。

综上所述，该基于稀疏阵和模块复用的毫米波收发系统，相比于所述满阵收发系统，采用稀疏阵结合模块复用体制，使收发系统的硬件成本大大降低，降幅约为35.7％；并且具有方案简单和低功耗的优点，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。