(公安部第一研究所，北京 100048)

針對近年國際上出現(xiàn)的新型人體炸彈威脅事件及由此產(chǎn)生的緊張航空安全形式，毫米波成像設(shè)備越來越受到機場和旅客的關(guān)注，多家安檢研究機構(gòu)和設(shè)備制造商都在開發(fā)基于毫米波成像技術(shù)的人體安全檢查系統(tǒng)[1，2]。毫米波人體成像設(shè)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(shù)字信號采集與處理技術(shù)是毫米波成像設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)之一，設(shè)備采集到的信號經(jīng)過AD9643后將模擬信號轉(zhuǎn)變成FS高頻數(shù)字信號，數(shù)字采集系統(tǒng)再將采集的回波數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線上傳給上位機進行信號處理。直接使用高采樣率數(shù)字信號造成采集的數(shù)據(jù)量大，以太網(wǎng)傳輸帶寬不夠，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不暢，需要通過抽取的方式，降低采樣數(shù)據(jù)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(tǒng)噪聲信號，避免對目標物形成干擾，因此需要對AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號在抽樣前進行數(shù)字濾波操作。

對于常規(guī)采樣數(shù)據(jù)的大倍數(shù)抽取多采用逐級濾波逐級抽取的級聯(lián)形式[3，4]，最常見是使用多個FIR濾波器[5-7]串聯(lián)級聯(lián)的方式，但是這種方式只能滿足采集系統(tǒng)采集固定中頻信息，一旦輸出頻帶范圍改變，就必須重新設(shè)計濾波器參數(shù)。實際經(jīng)過多代射頻收發(fā)機設(shè)計，收發(fā)機最終輸出中頻信號頻帶范圍一直在隨著設(shè)計不同有所變化，為了滿足數(shù)字采集與處理系統(tǒng)能夠采集到不同頻段回波信息，將濾波器設(shè)計為并聯(lián)型多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，根據(jù)回波信號的頻帶選擇降頻抽取倍數(shù)，避免反復(fù)修改濾波器參數(shù)。并聯(lián)結(jié)構(gòu)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(lián)級聯(lián)結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計，并聯(lián)型多級濾波器體現(xiàn)出對多頻段采樣的靈活性和便利性。在本領(lǐng)域研究中，目前還沒有對多頻段采樣的濾波器設(shè)計的相關(guān)報道，設(shè)計基于產(chǎn)品的實際應(yīng)用，提出了并聯(lián)型多級濾波器的新設(shè)計方法。

1 基于MATLAB并聯(lián)型多級濾波器設(shè)計

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

1.1 并聯(lián)型多級濾波器設(shè)計

本研究設(shè)計的并聯(lián)型多級濾波器，基于最大化降低濾波器設(shè)計與計算復(fù)雜度，利用半帶濾波器的優(yōu)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(tǒng)的濾波效果不能滿足要求，濾波功能不能實現(xiàn)，并且出現(xiàn)噪聲信號。并聯(lián)型多級低通濾波器框架如圖1。

圖1 并聯(lián)型多級濾波器結(jié)構(gòu)

1.2 基于MATLAB濾波器仿真設(shè)計

使用MATLAB設(shè)計時[9-11]，AD采樣頻率為FS=250MHz，要分別實現(xiàn)3種抽取頻率，分別為FS/4、FS/8、FS/16，這里選取并聯(lián)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(fā)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(shè)計時，先設(shè)定采樣頻率、有用信號頻率信號，再濾除噪聲頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)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(tǒng)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(jīng)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(jié)果，并且有效濾除帶外噪聲。

圖2 設(shè)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(jīng)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(jīng)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(dǎo)結(jié)果一致，其余信號都被濾除，滿足設(shè)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(lián)型多級濾波器在毫米波成像系統(tǒng)中實現(xiàn)

3.1并聯(lián)型多級濾波器在數(shù)字處理系統(tǒng)中實現(xiàn)

數(shù)字采集及處理系統(tǒng)是毫米波成像系統(tǒng)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(jīng)AD轉(zhuǎn)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(lián)型多級濾波器就是其中的抽取和濾波，它的目標是根據(jù)需要選定相應(yīng)的抽取倍數(shù)和相對應(yīng)的濾波器，這種并聯(lián)型多級濾波器滿足多種收發(fā)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(shè)計的并聯(lián)型多級濾波器，可以通過降頻選擇的方式選擇抽取倍數(shù)。系統(tǒng)FPGA硬件處理系統(tǒng)框架為實現(xiàn)中頻信號的下變頻濾波處理。

圖5 FPGA下變頻濾波預(yù)處理系統(tǒng)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(shè)置為固定采樣率FS；中頻頻率w在設(shè)計中要求按相參的FS采樣頻率折算。其中正弦函數(shù)按查表獲取，數(shù)據(jù)表精度為16位整型。輸出為17位精度，進入濾波器處理.

FPGA設(shè)計遵循MATLAB設(shè)計思路，經(jīng)過兩級半帶濾波器實現(xiàn)降采樣，通過FIR濾波器實現(xiàn)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(fù)位管理，然后為AD芯片使用FPGA模擬SPI協(xié)議實現(xiàn)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(jīng)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(gòu)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(lián)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(fā)機通過天線陣列向目標物發(fā)射具有一定帶寬的毫米波信號，經(jīng)反射后信號與本振信號進行相干處理，后經(jīng)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(shè)計的并聯(lián)型多級濾波器主要應(yīng)用于毫米波三維探測系統(tǒng)中的數(shù)字采集與處理系統(tǒng)。當攜帶目標物信息的中頻信號進入數(shù)字采集與處理系統(tǒng)后，經(jīng)過正交混頻的、抽取、濾波處理后將數(shù)據(jù)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(tǒng)噪聲，所以有效的濾除這些干擾因素，濾波器起到至關(guān)重要的作用。圖7展示了距離向信息使用并聯(lián)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(jīng)過并聯(lián)型多級濾波器處理的圖像，背景噪聲明顯，B圖是經(jīng)過并聯(lián)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(tǒng)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(qū)域面積，計算該區(qū)域內(nèi)像元均值，然后選中圖8中A、B兩圖同一位置均勻背景區(qū)域，計算區(qū)域內(nèi)標準差，圖像信噪比SNR為均值和標準差的比值[13]。經(jīng)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(lián)型多級濾波器設(shè)計的合理性，驗證了其結(jié)構(gòu)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(jié)論

針對毫米波成像設(shè)備數(shù)字采集與處理系統(tǒng)，研究提出一種基于多頻帶選擇的并聯(lián)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(shè)計結(jié)構(gòu)最大化降低計算復(fù)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(shè)計確定濾波器參數(shù)，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(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量呈倍數(shù)減少，降低數(shù)據(jù)速率，滿足以太網(wǎng)傳輸帶寬傳輸速率的要求，實現(xiàn)回波數(shù)據(jù)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(zhì)量。