人体安检成像，70~80GHz步进频连续波 留言

QPASS(Quick Personnel Safe Screening system)系统是一套用于在机场或者关键设施的人体近距离安检系统，其采用的技术路线是多站式数字波束合成技术。系统的工作频段为70到80 GHz，采用了步进频连续波技术。

其阵面结构设计如图，但采用了多个模块以覆盖区域。两个矩形孔径沿着垂直方向堆叠，每一个孔径有1536个发射通道和1536个接收通道，共有6144个射频通道，这使得人体可以充分地被微波照射。虽然该设计针对的是人体安检需求，但它具有模块化特性，可以很容易地修改并应用到其他需求中去。

一个基本的天线集群，共有96个发射通道和96个接收通道，可以很容易地被用于搭建不同几何尺寸的成像阵列。其后端配有专用的数字处理系统，包括并行模数转换与图像重建核心。

4个这样的单元被集成到一个PCB上，该PCB被称为“中频板”(IF-board)，可以同时支持4个天线集群。4个天线集群，一块IF-board，一块信号分发板，电源，固定结构以及冷却系统共同构成了一个基本单元。

4个基本单元连接到一块中央处理板上即可构成一个完整的阵列。两个阵列通过快速PCI Express总线接口连接到工业计算机上即可构成一个完整的成像系统。

待检物品被成像系统的各个发射单元依次照射，反射的复信号同时被各个接收单元相干接收。采集到的信号随后被处理校正并获得生成图像。单个阵列的系统框图如图所示。

数字波束合成依赖于对每个发射接收通道组合的准确相位测量，希望采用外差式的接收方式。因此，需要产生相干的射频信号与本振信号。QPASS系统应用了一套专用的信号合成模块，可以产生20 GHz左右的射频与本振信号，这些信号可以很容易地分发到射频前端去。

直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer, DDS)被用于产生信号，其信号源为一个具有高稳定性的温控晶振。使用DDS的原因是它的频率可以快速地切换。DDS可以产生确定相位的信号，这对成像系统非常有利。在DDS产生信号后，其频率被倍频256倍，然后分发到天线集群上。在每个芯片上，射频和本振信号被放大然后倍频4倍，再分发到4个通道上。

每个天线集群有96个发射通道和96个接收通道，其中4个作为内部的参考通道。模拟前端由定制的4通道收发芯片构成，与由贴片激发的喇叭天线相连接。这些元件都嵌入在射频多层PCB上。

芯片安装于多层腔体中，由于天线的微分馈入线位于PCB内部的层，出于对射频性能的考虑，没有使用通孔或过长的键合线（如图所示）。天线的喇叭口被集成到阵列壳体中，壳体内还有两个射频和两个本振信号的馈入口。

该系统应用了一个定制的芯片组。发送与接收MMICs包括4个E波段通道和一个射频或本振分发电路（可对信号进行4倍频）。系统的中心工作频率为75 GHz，带宽约10 GHz。

测试得到的接收通道转化增益为23 dB，其在70到82 GHz频带内的单边带噪声系数(SSB NF)低于10 dB。发射芯片具有4个输出通道，其输出功率在70到86 GHz内高于0 dBm。每个芯片单独用3.3 V供电，单个发射通道的功耗为145 mW，单个接收通道的功耗为180 mW。

该芯片组的工艺采用极具性价比的SiGe:Cbipolar技术，该技术基于双层多晶硅自对准晶体管理念并配合深浅沟道隔离。该技术可以提供不同的npn型晶体管（截止频率从52 GHz到超过200 GHz，集电极-发射极反向击穿电压从5 V到1.8 V）。

应用在汽车雷达中检验过的bipolar工艺的好处是可以复用市场上广泛使用的77 GHz汽车雷达设计，仅仅通过两轮设计迭代就达成了QPASS系统的设计目标。

为了满足成像应用需求，并可以与MMIC前端相集成，系统所使用的平板天线进行了专门的优化设计。为了使天线占用面积小且具有大带宽，设计中采用了微分二极馈入、共振孔槽以及贴片元件。

天线的极化特性被故意旋转了，这样在竖直方向和水平方向上就可以共用同一套设计，而且可以保持共极化工作。下图出了天线在75 GHz时的模拟结果，左图为共极化部分，右图为正交极化的部分。该天线的波束很宽，增益为8 dB，并且具有很好的极化纯度。天线的峰值辐射功率为约1 mW，相比手机等通讯设备而言非常低。

数字后端的主要功能有测量信号获取、系统控制与监测、中频信号数字化、系统误差校正以及图像重建。中频信号先被放大，然后通过一个8通道的AD芯片被数字化（速率为50 MSa/s），如图所示。

信号后续将被下变频到零中频，随后被滤波。转化与数字信号处理并行执行，系统实现了路相干数字接收通道，因此其测量时间很短。对于每一次测量，通道和过滤器的设置时间约为12个样本时间。

数字后端提供了快速PCI Express接口连接到工业计算机，可以将重建得到的三维图像的幅度及相位信息快速地上传。图像可以直接进行显示或者再进行后续处理。

数字后端采用了最前沿的设计，系统的数据率可以达到1.15 Tb/s。负责重建图像的硬件需要进行每秒10.6万亿次操作以在约两秒内完成整幅图像的重建。数字后端的信号流示意图展示了整个数字后端处理的内在复杂性。

QPASS系统可以产生具有30 dB动态范围以及2 mm横向分辨率的三维图像。上图展示了一幅藏有两件介质物品的人体成像结果，验证了系统可以满足人体安检需求。下图用颜色标出了图像的三维信息。颜色标记了每个像素点的距离信息，其中红色代表距离阵面较近，蓝色代表距离阵面较远。

手枪的细节放大图可以清晰地看出手枪的细致结构，这验证了系统具有毫米级的分辨率。在人体安检中，个人隐私保护是非常重要的问题。因此，三维图像将通过细致的检测算法来自动和匿名地发现隐藏的潜在危险品，比如武器或炸药。

由于系统的相位稳定性很好，它可以检测最低的深度变化。这相当于重建图像的相位精度达到了。该特性对许多希望获得精确三维表面模型的应用非常有益，因此该系统是光学扫描设备的竞争方案。

由于灵活和模块化的设计，系统可以很容易地修改以满足不同的成像模式以及不同的成像孔径。图像的动态范围高达30 dB，因此可以使用很多图像处理技术，比如应用超分辨算法来提高图像质量以满足特定的应用。许多物品检测和分类算法可以被用来处理系统所提供的具有丰富信息的三维图像。

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）