基于多頻帶選擇的毫米波成像設備并聯型多級濾波器的設計

(公安部第一研究所，北京 100048)

針對近年國際上出現的新型人體炸彈威脅事件及由此產生的緊張航空安全形式，毫米波成像設備越來越受到機場和旅客的關注，多家安檢研究機構和設備制造商都在開發基于毫米波成像技術的人體安全檢查系統[1，2]。毫米波人體成像設備是指通過測量人體與物體，利用其在時域、頻域、空域、極化域和功率域物體的散射信息差異，檢測隱匿在人體衣物下的各種危險物品。數字信號采集與處理技術是毫米波成像設備關鍵技術之一，設備采集到的信號經過AD9643后將模擬信號轉變成FS高頻數字信號，數字采集系統再將采集的回波數據通過網線上傳給上位機進行信號處理。直接使用高采樣率數字信號造成采集的數據量大，以太網傳輸帶寬不夠，導致數據傳輸不暢，需要通過抽取的方式，降低采樣數據量，且降頻抽取后的采樣頻率滿足奈奎斯特采樣定理，完整地保留中頻回波信號中的信息。濾除帶外系統噪聲信號，避免對目標物形成干擾，因此需要對AD轉換后的數字信號在抽樣前進行數字濾波操作。

對于常規采樣數據的大倍數抽取多采用逐級濾波逐級抽取的級聯形式[3，4]，最常見是使用多個FIR濾波器[5-7]串聯級聯的方式，但是這種方式只能滿足采集系統采集固定中頻信息，一旦輸出頻帶范圍改變，就必須重新設計濾波器參數。實際經過多代射頻收發機設計，收發機最終輸出中頻信號頻帶范圍一直在隨著設計不同有所變化，為了滿足數字采集與處理系統能夠采集到不同頻段回波信息，將濾波器設計為并聯型多級級聯結構，根據回波信號的頻帶選擇降頻抽取倍數，避免反復修改濾波器參數。并聯結構的每一個分支滿足采集不同中頻信息，每一個分支且都采用了多級濾波抽取的串聯級聯結構。相比傳統的濾波器設計，并聯型多級濾波器體現出對多頻段采樣的靈活性和便利性。在本領域研究中，目前還沒有對多頻段采樣的濾波器設計的相關報道，設計基于產品的實際應用，提出了并聯型多級濾波器的新設計方法。

1 基于MATLAB并聯型多級濾波器設計

高頻FS=250MHz的AD直接采集回波數字信息的數據量大，不滿足以太網傳輸要求，需要通過抽取的方式，降低采樣數據量。同時經過多代優化設計的射頻收發機輸出中頻信號頻帶會隨著設計不同有所變化，為了滿足數字采集與處理系統能夠采集到不同頻段回波信息，低通濾波器設計為并聯型多級結構見圖1，將AD采樣率FS經低通濾波抽取后選擇性設計輸出FS/4、FS/8、FS/16，濾波器可實現4/8/16倍降頻濾波，從而通過降低采集的數據量達到減緩中頻數據傳輸速率的目的，且避免反復修改濾波器參數濾除無用高頻信號，得到特定頻率的有用信號。

1.1 并聯型多級濾波器設計

本研究設計的并聯型多級濾波器，基于最大化降低濾波器設計與計算復雜度，利用半帶濾波器的優越性，將前級采用了FIR半帶濾波器[8]，最后一級采用一般FIR濾波器。如果最后一級也采用FIR半帶濾波器，濾波器系統的濾波效果不能滿足要求，濾波功能不能實現，并且出現噪聲信號。并聯型多級低通濾波器框架如圖1。

圖1 并聯型多級濾波器結構

1.2 基于MATLAB濾波器仿真設計

使用MATLAB設計時[9-11]，AD采樣頻率為FS=250MHz，要分別實現3種抽取頻率，分別為FS/4、FS/8、FS/16，這里選取并聯型多級濾波器中抽樣頻率是FS/8即8抽取做為示例，既抽樣后的采樣頻率為31.25MHZ，這次射頻收發機輸出的中頻回波信號為6MHz左右的帶寬信號，濾波器帶寬為6MHz，帶寬為6 MHz，帶外頻率信號都會被濾除。MATLAB頻率設計時，先設定采樣頻率、有用信號頻率信號，再濾除噪聲頻率，能夠實現8抽取且濾除噪聲的功能,前兩級FIR半帶濾波器只需要考慮通帶截止頻率即FBC2，最后一級FIR低通濾波器見圖2。

使用設計的多級抽取濾波器處理毫米波攜帶目標物信息并夾雜系統噪聲的時域回波信號見圖3，A圖為抽取濾波前采集的回波信號，B為抽取濾波后回波信號，可看出初始信號經過8倍抽取的濾波器后，采樣點由4096減少到4096/8=512，剛好滿足8抽取的結果，并且有效濾除帶外噪聲。

圖2 設計的低通濾波器

圖3 抽取濾波前后時域信號比較A .抽取濾波前時域信號 ；B .抽取濾波后時域信號

圖3的頻域信號如圖4所示，A代表濾波前頻域信號，B代表濾波后頻域信號，此時橫軸代表信號頻率。濾波器的通帶范圍為3MHz到9MHz，圖4有4個頻率點分別為6MHz、12MHz、20MHz和50MHz，其中6MHz是回波信號頻率，經過濾波器后，將12MHz、20MHz和50MHz 3個頻率濾除。濾波前有多個信號頻率，包括有用信號6MHz與其他信號的噪聲頻率，經過濾波器后，此時只有1個波峰，即有用的信號頻率，即6MHz，與理論推導結果一致，其余信號都被濾除，滿足設計要求。

圖4 抽取濾波前后頻域信號比較A.抽取濾波前頻域信號；B.抽取濾波后頻域信號

3 并聯型多級濾波器在毫米波成像系統中實現

3.1并聯型多級濾波器在數字處理系統中實現

數字采集及處理系統是毫米波成像系統的重要部分，作用為采集射頻接收機輸出的中頻回波信號，信號經AD轉化后分兩路進入FPGA，等待下一步的信號處理。下一步信號處理主要是針對中頻信號的正交混頻、抽取和濾波，并聯型多級濾波器就是其中的抽取和濾波，它的目標是根據需要選定相應的抽取倍數和相對應的濾波器，這種并聯型多級濾波器滿足多種收發機輸出不同頻段回波信息的信號處理要求，增加了信號處理的多樣性和靈活性。

正交混頻[12]是將攜帶目標物信息的中頻信號變換為基帶信號，便于后面三維毫米波全息成像算法的計算，圖5中濾波器就是本研究設計的并聯型多級濾波器，可以通過降頻選擇的方式選擇抽取倍數。系統FPGA硬件處理系統框架為實現中頻信號的下變頻濾波處理。

圖5 FPGA下變頻濾波預處理系統框架

正交混頻如下：

Iout=Iin×cos(wt)+Qin×sin(wt)，

(1)

Qout=Iin×sin(wt)+Qin×cos(wt)，

(2)

其中w是通過UDP報文給出的中頻頻率。采樣間隔設置為固定采樣率FS；中頻頻率w在設計中要求按相參的FS采樣頻率折算。其中正弦函數按查表獲取，數據表精度為16位整型。輸出為17位精度，進入濾波器處理.

FPGA設計遵循MATLAB設計思路，經過兩級半帶濾波器實現降采樣，通過FIR濾波器實現最終濾波功能。FPGA芯片采用Xilinx廠家的XC7K325T，芯片資源較多，首先是板卡芯片的全局時鐘管理以及復位管理，然后為AD芯片使用FPGA模擬SPI協議實現AD芯片的寄存器配置。濾波器輸入以及三級濾波輸出信號如圖6方框所示，可看到經過濾波器后的信號保留了輸入信號中的低頻信息，因此證明濾波器架構無誤，完美濾除頻帶外高頻信息，保留低頻信息。

圖6 FPGA 測試抽取濾波前后時域信號

3.2 并聯型多級濾波器對毫米波全息圖像的影響

近程毫米波三維全息成像原理是射頻收發機通過天線陣列向目標物發射具有一定帶寬的毫米波信號，經反射后信號與本振信號進行相干處理，后經一系列近似處理及相位補償，最后反演出清晰的三維全息像[1，2]。本研究設計的并聯型多級濾波器主要應用于毫米波三維探測系統中的數字采集與處理系統。當攜帶目標物信息的中頻信號進入數字采集與處理系統后，經過正交混頻的、抽取、濾波處理后將數據信息上傳給上位機，通過三維全息成像算法運算，最后反演出探測物全息像。

毫米波圖像的噪聲來源于系統噪聲，所以有效的濾除這些干擾因素，濾波器起到至關重要的作用。圖7展示了距離向信息使用并聯型多級濾波器的去噪過程，A圖是濾波前距離向信息，B圖是濾波后距離向信息，可以從B中看到多級濾波器有效濾除了帶外噪聲。圖8是三維全息像在距離方向最大投影后的二維像，可以清晰地看到圖像中測試平臺上放置的刀具、剪刀和鉗子。A圖是沒有經過并聯型多級濾波器處理的圖像，背景噪聲明顯，B圖是經過并聯型多級濾波器處理的圖像。

為更清晰比對濾波前后對毫米波圖像的影響，計算了濾波器前后圖像的信噪比SNR(SIGNAL-NOISE RATIO)，SNR是衡量圖像性能一項重要指標，是系統中信號與噪聲的比例，信噪比越大，基底噪聲越小。首先選取圖8中A、B兩圖同一目標物區域面積，計算該區域內像元均值，然后選中圖8中A、B兩圖同一位置均勻背景區域，計算區域內標準差，圖像信噪比SNR為均值和標準差的比值[13]。經計算可知，濾波前(圖8A)SNR為4.7204，濾波后(圖8B)SNR為12.6933(見表1)，濾波后信噪比提高3倍左右，基底噪聲變小，圖像背景更加干凈透亮，從而進一步證明了并聯型多級濾波器設計的合理性，驗證了其結構的正確性。

圖7 濾波前后距離向信息比較 A.濾波前距離向信息；B.濾波后距離向信息

圖8 濾波前后毫米波圖像比較A.濾波前毫米波圖像；B.濾波后毫米波圖像

表1 濾波前后毫米波圖像信噪比比較

4 結論

針對毫米波成像設備數字采集與處理系統，研究提出一種基于多頻帶選擇的并聯型多級濾波器，該濾波器前兩級采用了FIR半帶濾波器，最后一級采用一般FIR濾波器，這種設計結構最大化降低計算復雜度，有效消除帶外噪聲。通過分析具體頻帶信號實際特性，使用MATLAB設計確定濾波器參數，并將其加載在FPGA。通過測試驗證，該濾波器可針對回波信息頻段特性進行選頻采集，靈活便捷、高效實用；可對帶有雜波信息的回波信號進行抽取濾波，回波數據的數據量呈倍數減少，降低數據速率，滿足以太網傳輸帶寬傳輸速率的要求，實現回波數據實時傳輸；可有效去除毫米波圖像背景噪聲，顯著提升毫米波圖像質量。