0 引言

    采用被动毫米波成像技术的设备具有全天候、全天时工作的优势。毫米波能穿透衣物，在安防领域，通过毫米波被动成像技术，可以实现对隐匿武器的检测^[1-4]。复相关器是毫米波被动成像系统^[5-6]的核心器件之一，复相关器的恰当设计是系统实现良好性能的重要保障，其实现方法分为模拟相关和数字相关两种。采用数字相关器可以达到高频谱分辨率，还可以方便地得到大范围的时延，适合工作于通道数量多的系统。但是数字相关器在将模拟信号进行量化时具有量化误差，因此，其灵敏度低于模拟复相关器。模拟复相关器灵敏度高，具有更宽的工作带宽^[7-10]。本文介绍一种模拟复相关器，该复相关器可测量两路信号的相关值，采用数字控制调节信号的增益与偏置，具有更强的灵活性和更好的一致性。

1 加法型模拟复相关器的设计方案

    本复相关器设计指标：工作频率1.5 GHz～2.5 GHz，在1 GHz带宽内输出幅度变化不超过1.5 dB，相位反演误差不超过5°。复相关器的结构如图1所示。

    该复相关器采用一种加法型复相关器结构^[11-12]。复相关电路由功分器与90°混合耦合器组成的射频移相网络、检波二极管、低通滤波器以及差分放大器组成。射频移相网络由3个90°混合耦合器、1个功分器组成。信号经过射频移相网络，分别得到含有实部相关信息和虚部相关信息的信号。检波二极管对每一路射频信号进行平方律检波。低通滤波器滤除信号检波后无用的高频成分，只保留直流成分。最后，对直流信号进行放大，并对输出信号进行AD采样，采样后将包含实部信息的两路信号作差，包含虚部信息的两路信号作差，得到实部与虚部的相关值。

    图1中的两路输入信号的电压可以表示为：

其中，G是放大器的增益，K是二极管检波灵敏度。因为V_real是实相关结果，V_imag与实相关结果正交^[13]。因此该方案可以实现计算两路信号复相关值的功能。

2 数字控制复相关器的增益与偏置方案设计

    在系统应用过程中，采取数字控制方案调整复相关器实部与虚部输出信号的增益与偏置，该方案结构设计如图2所示。

    放大器的增益与偏置分别由与其连接的数控电位器(digital potentiometer，digipot)的电阻值决定。选用的digipot芯片可以通过SPI通信协议接收MCU发送来的指令，从而改变接入电路的电阻值，也就改变了放大器的增益与偏置。硬件控制部分以MCU为核心， MCU将上位机发送来的指令进行处理，并发送给与指令地址对应的digipot芯片。

    数字控制方案软件设计包括用户界面主程序、MCU控制程序、串口通信程序、自动调节增益与偏置程序、手动调节增益与偏置程序、AD采集程序与数据存储程序等。其整体程序流程如图3所示。

3 数字控制复相关器的增益与偏置方案设计

3.1 复相关器的硬件实现

    考虑到系统集成，该模拟复相关器分为复相关模块与数字控制模块。复相关模块包括射频移相网络、检波电路与放大电路，数字控制模块包括MCU及其外围电路、串口通信电路与将输出的单端信号转换为差分信号的电路。

    该复相关器工作带宽为1.5 GHz～2.5 GHz，应用于被动毫米波成像系统，设计时需要尽可能使体积减小，成本降低，同时满足其在1 GHz带宽内输出幅度变化不超过1.5 dB，相位反演误差不超过5°的设计要求。射频移相网络通过分立表贴器件实现，以减小电路板尺寸。电路板顶层与底层都放置器件，以最大限度地利用空间。

    检波二极管芯片选用AVAGO的HSMS-285x系列，该芯片具有一致性较好的2个通道，且无偏置，检波灵敏度高，因此是较理想的选择。低通滤波器采用RC低通滤波器，截止频率为1 MHz。为保证增益与偏置电压调节精度，数控电位器选用Analog Devices的AD526x系列，该系列支持SPI、I²C通信该系列芯片将总阻值分为256个可调节档位，最大容差为8%，保证了所需调节精度。最终实现的调节精度为：第一级放大器偏置步进量0.2 V，第二级放大器偏置步进量10 mV。

    系统应用中， 8个通道集成在一起，其增益与偏置由1个数控模块进行控制，结构图如图4所示。

3.2 点频测试

    为验证复相关器的功能，并测试其在工作带宽内的幅度变化与其等效相关带宽，需要对其进行点频测试，系统框图如图5所示。测试中，通过改变移相器的移相值，在IF端口得到两路相位差在0°～360°变化的信号。

    在中心频率2 GHz下模拟复相关器的输出如图6所示。在0°～360°内，实部输出电压值V_real、虚部输出电压值V_imag曲线符合余弦正弦函数规律，实部输出信号与虚部输出信号正交，实现了两路信号的互相关运算功能。以(V_real，V_imag)为坐标，画出测试数据所对应的点，这些点组合成一个复相关圆，测试点与复相关圆的拟合程度越高，复相关器的工作性能越接近于理想状态。输入功率为-16 dBm时复相关圆如图7所示。图中的点为实测数据，图中的圆为各实测数据点通过最小二乘法得到的拟合圆^[14]。根据非线性回归方程拟合优度计算公式^[15]计算出实测数据与复相关圆的拟合优度。拟合圆的圆心偏置及拟合度见表1。复相关器在1.5 GHz～2.5 GHz范围内的输出幅度变化如图8所示。

    由图表易得，输出信号与相关圆的拟合度均在0.96以上，拟合度较好。图7中不同频率下的复相关圆的圆心有偏移，这是由射频移相网络与检波二极管在不同频率下的特性差异造成的。复相关器在2 GHz下相位反演误差为1.615 9°。在1.5 GHz～2.5 GHz的工作带宽内，复相关器的输出幅度变化不超过1.5 dB，等效相关带宽为0.905 4 GHz，满足设计指标的要求。

3.3 宽带测试

    为评估模拟复相关器在实际系统应用中的工作性能，对模拟复相关器进行宽带噪声信号测试。测试系统结构如图9所示。改变可变衰减器的衰减值，输入到复相关器的信号功率也随之改变。本实验在不同输入功率下测试复相关器的工作性能。

    得到的相关圆测试结果如图10所示。相关圆的圆心偏置与拟合度见表2。反演相位的均方根误差如图11所示。由图表易得，复相关圆的圆心偏置均在0.1以下，拟合度均在0.96左右，拟合程度较好。反演相位的均方根误差均在2.5°以内，符合系统5°以内的指标要求。

3.4 信噪比测试

    该复相关器应用于被动毫米波成像系统中，为探究不同输入功率对复相关器输出信号的信噪比影响，搭建系统进行实验。测试系统框图如图12所示。

    由于系统成像应用情景下信号相关性很小，因此在测试过程中将噪声源断电，来满足弱相关性的条件。矢量调制器控制两路本振信号的相位差在0°～360°等步进变化，从而使中频信号IF1与IF2的相位差在0°～360°改变。通过调整功率补偿模块的衰减值，改变输入到复相关器的信号功率，以对比相关器在不同输入功率下的信噪比。实验测试了-13 dBm、-16 dBm、-19 dBm输入功率下复相关器的信噪比。

    设第k个相位点处第i个数据为r_i，i=1，2，3，……，1 280；k=1，2，3，…，8，则可以计算该相位点所有数据的标准差：

    容易得出，比值结果R_k反映了噪信比大小，其值越小越好。为了更直接地显示各功率下信噪比，将R_k转换成信噪比，数据见表3。C1～C3是数控可调复相关器的编号。从表3易得出结论，同一种复相关器在功率较大时，信噪比也较高。

4 结论

    该加法型模拟复相关器通过1.5 GHz～2.5 GHz射频移相网络实现实部、虚部相关值的测量。数控增益与偏置方案的设计，使对输出信号增益与偏置的控制便利且精确，增益步进量30 mV，第一级放大器偏置步进量0.2 V，第二级放大器偏置步进量10 mV。宽带测试下相位反演精度在2.5°以内，在1 GHz工作带宽内幅度变化不超过1.5 dB，等效相关噪声带宽达到0.905 GHz。且信噪比在检波二极管工作范围内，随着输入功率增大而增大。

    通过进一步优化射频移相网络的传输线，可以得到更精确的相位反演精度。为得到更高信噪比，在检波二极管的工作范围内，应尽可能提高输入功率。

参考文献

[1] YUJIRI L，SHOUCRI M，MOFFA P.Passive millimeter wave imaging[J].IEEE Microw Mag.IEEE Microwave Magazine，2003，4(3)：39-50.

[2] KOLINKO V G，LIN S H，SHEK A，et al.A passive millimeter-wave imaging system for concealed weapons and explosives detection[C].Optics and Photonics in Global Homeland Security.San Diego:Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2005，5781：85-92.

[3] NANZER J.Microwave and millimeter-wave remote sensing for security applications[M].Norwood：Artech House，2012：1-10.

[4] KIM W G，MOON N W，CHANG Y S，et al.System design of focal plane array based Millimeter-wave Imaging radiometer for concealed weapon detection[C].Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).Korea：2011 IEEE International，2011，58(11)：2258-2261.

[5] ZHENG C，Yao X，HU A，et al.A passive millimeter-wave imager used for concealed weapon detection[J].Progress in Electromagnetics Research B，2013，46(46)：379-397.

[6] HU A，MIAO J.Prototype development of AN 8 mm-band two dimensional interferometric synthetic aperture radiometer[C].Mechanic Automation and Control Engineering(MACE).Beijing:Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering，2011：1487-1490.  

[7] HARRIS A I，ZMUIDZINAS J.A wideband lag correlator for heterodyne spectroscopy of broad astronomical and atmospheric spectral lines[J].Review of Scientific Instruments，2001，72(2)：1531-1538.

[8] HOLLER C M，KANEKO T，JONES M E，et al.A 6-12 GHz analogue lag-correlator for radio interferometry[J].Astronomy & Astrophysics，2007，464(2)：795-806.

[9] LI C T，KUBO D Y，WILSON W，et al.AMiBA wideband analog correlator[J].Astrophysical Journal，2010，716(1)：746-757.

[10] TOONEN R C，HASELBY C C，BLICK R H.An ultrawideband cross-correlation radiometer for mesoscopic experiments[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement，2008，57(12)：2874-2879.

[11] 王新彪，李靖，姜景山.全极化微波辐射计加法型模拟复相关器研究[J].宇航学报，2011，32(8)：1840-1847.

[12] 王新彪.Ka波段模拟型全极化微波辐射计研究[D].北京：中国科学院空间研究所，2011：14-17.

[13] KOISTINEN O，LAHTINEN J，HALLIKAINEN M T.Comparison of analog continuum correlators for remote sensing and radio astronomy[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement，2002，51(2)：227-234.

[14] AHN S J，RAUH W，WARNECKE H J.Least-squares orthogonal distances fitting of circle，sphere，ellipse，hyperbola，and parabola[J].Pattern Recognition，2001，34(12)：2283-2303.

[15] HAESSEL W.Measuring goodness of fit in linear and nonlinear models[J].Southern Economic Journal，1978，44(3)：648.

作者信息：

辛  心，王  超，胡岸勇，苗俊刚

（北京航空航天大学 微波感知与安防应用北京市重点实验室，北京100191）