毫米波测量仪器的设计：追求灵敏度、低成本和便携性

编辑|晓池扶玥

前言

研发一款小型、手持式、便携、低成本的毫米波（mmW）仪表，用于检测和显示用于在数百个机场进行违禁品和武器检测的L3ProVision安全扫描仪所发出的辐射水平。该仪表旨在测量来自特定扫描仪的辐射发射，并使用户能够进行定期的质量保证测量，并观察是否出现不希望的高水平。

这个仪表可以在定期质量保证检查期间评估人体暴露水平，即在被扫描的区域，以及演示不会对佩戴在身上的医疗设备产生干扰。它具有接收、信号处理、输出显示和用户控制子系统，并显示图形和数字信息。该仪表能够检测低水平的毫米波电磁辐射脉冲（频率在20至30GHz之间，电场强度在0.02V/m至0.15V/m之间）。

毫米波（mmW）测量仪

研发一款低成本、便携式、手持式的毫米波（mmW）测量仪，用于检测L3通信公司的毫米波人体扫描仪所产生的微弱瞬态辐射。这些安全系统在20-30GHz的频段发射毫米波电磁辐射，广泛用于机场对旅客进行违禁品扫描。公众对这些扫描仪所产生的毫米波辐射暴露以及对佩戴和植入式医疗设备的潜在电磁干扰表达了一定的担忧。

交通安全管理局希望解决航空旅客和在扫描仪的安装、测试和使用过程中可能受到反复或长时间辐射暴露的员工所面临的这些问题。交通安全管理局与美国食品药品监督管理局（FDA）设备与放射卫生中心（CDRH）达成了一项跨部门协议，以评估AIT系统的安全性。

在2011-2012年期间，FDA对第一代高级成像技术系统（AIT-1）进行了详细研究，包括对实际AIT系统的辐射测量和多种不同植入或佩戴在身上的医疗设备进行测试。2015年和2016年，FDA进行了第二代扫描仪（AIT-2）的研究。

经过测试的医疗设备在接受AIT-1扫描系统辐射暴露时没有出现故障或其他影响。报告还分析了人体暴露情况，并得出结论称，目前在美国部署的毫米波扫描仪使乘客和操作人员接受的辐射水平远低于适用的安全标准的1000倍以上。仍有一些人对毫米波扫描仪的安全性提出质疑。

目标是开发一种便携、独立、低成本的测量仪器，能够检测L3毫米波人体扫描仪所产生的微弱、瞬态辐射。开发了一套质量保证测量系统，用于评估定期质量保证检查期间人体的辐射暴露水平，并检测是否对佩戴的医疗设备产生干扰。交通安全管理局的非工程人员可以使用这个仪器向乘客演示扫描仪的安全性，而无需进行复杂的培训。

低成本的便携式仪器

这个仪器是一个简单的手持仪器，其标准由美国食品药品监督管理局认证。工作填补了现有自包含、便携式测量设备在探测非常低幅度短脉冲毫米波场方面的空白。工作与现有相关设备的主要区别如下：虽然有很多自包含、低成本的便携式仪器用于测量较低的射频和微波频段的电磁场，但这些设备无法覆盖感兴趣的频率范围。

商用可用的带有毫米波探测能力的便携式辐射测量仪非常昂贵，并且没有检测10微秒单脉冲的毫米波人体扫描仪的敏感性或响应时间。工作在仪器和测量方面具有独特的创新和进步。

这项挑战包括在低成本、自包含和便携式设备中测量并显示毫米波机场人体扫描仪所发射的瞬时峰值场强，并不是一项简单的任务，需要将低频仪器的长响应时间转换为对毫米波进行快速检测，而且要用到比以往任何设备都要低成本的组件。该仪器不使用任何新技术，而是以比以前任何设备都要低成本的方式实现了现有技术。

本文的目的是描述成功开发的低成本、便携式、手持式毫米波（mmW）测量仪。该仪器可以测量L3AIT安全扫描仪内部、入口或出口处以及周围的毫米波辐射水平，并指示辐射是否超过预期的正常操作水平（场强大于0.15V/m）。设备不需要大量昂贵的电子仪器。使用该仪器不需要专业知识来解释暴露水平。

AIT安全系统的辐射天线会围绕被扫描的人员旋转，使其在约1.6秒的时间内接受到许多非常低水平的毫米波能量脉冲。该仪器可用于检测AIT-1和AIT-2安全扫描仪产生的微弱毫米波辐射，无论是在内部、入口还是出口处。它可以指示辐射是否处于预期的正常水平（比现行电磁辐射安全标准的最大允许水平高出1000倍以上）。

单个毫米波爆发的图形绘图

该仪器显示AIT安全系统中单个毫米波爆发的图形绘图，并采样并保存场强的最大值。显示基于FDA精确实验室标准的毫米波场强校准。该仪器的预期用途是在每个使用扫描仪进行定期质量保证测试的机场提供一台或多台仪器，并在需要时向乘客演示安全性。

整体仪器由如图1所示的子系统组成，下面对其进行描述。对该仪器的整体目标是打造一个非常低成本的系统，这要求采取创新的方法开发低成本的组件和信号处理技术。值得注意的是，由于L3安全扫描系统的安全性需要防止那些试图绕过其功能的人获取某些信息和数据，因此对AIT和数据的某些信息进行了概括描述。

毫米波仪接收子系统―如图2所示的毫米波仪接收子系统的设计是为了捕获在约1.6秒内从AIT辐射元件在天线臂中围绕正在被扫描的人产生的场强。AIT辐射产生的毫米波脉冲爆发由该子系统的调查仪天线部分接收。该子系统通过一个增益为20dB的3D打印金属接收波导喇叭天线捕获微弱的毫米波信号。

该天线是在FDA的医疗产品增材制造（AMMP）实验室设计的，并由,IL60,044生产。它的成本远低于商用的喇叭天线，当批量采购10个以上时。该天线设计用于频率范围约为20-30GHz。该天线根据标准增益喇叭天线规格设计，其性能与我们之前对L3AIT-1的研究中使用的商用毫米波喇叭天线非常相似。

该天线通过波导到同轴转换器连接到毫米波二极管检波器（请参见表1中的组件规格）。该二极管检波器将来自天线的微弱毫米波功率脉冲转换为低频电压脉冲。毫米波接收子系统的输出作为低频模拟电子信号处理子系统的输入。AIT辐射经振幅调制，其复杂脉冲波形中包含许多短脉冲，这些脉冲包含在较大的脉冲爆发中。

电子信号处理子系统

电子信号处理子系统―信号处理子系统包括模拟子系统和数字子系统。模拟电子信号处理子系统接收与毫米波仪天线所见的瞬时峰值脉冲电场强度成比例的微弱电压。模拟子系统由一个电路组成，负责对来自二极管检波器的脉冲电压进行放大、滤波和包络检测。

模拟电子信号处理子系统（如图3所示）的配置有一个输入级（前置放大器），由两个运算放大器（AD827，AnalogDevicesInc.）组成，用于在几百kHz的低通频带内放大弱输入信号。这一级随后是一个由两个AD827运算放大器组成的主动模拟滤波电路，其带通频带为以感兴趣的频率为中心的20kHz。该滤波器显著减少了接收信号中的噪音。

滤波器的输出接着是一个真实均方根芯片（AD636JD，AnalogDevicesInc.），其作为包络检测器和低通滤波器。它从AIT扫描仪的整体脉冲发射爆发中的许多短脉冲中产生平滑的单极包络。该输出信号的频率范围远远低于随后的数字处理电路的最大采样率。这一输出信号经由一个低频后检测放大器进行低增益放大。

它使用运算放大器（AD827）将处理后的信号提升到随后的数字处理子系统的模数转换器的输入幅度范围。模拟输入电路设计在一个四层印刷电路板上实现，带有实心铜接地层，以实现低噪声性能。在仪器初始开发过程中，对电路信号的噪声和振荡问题进行了解决，这些问题可以追溯到接地导线和较长导线的布局问题。

数字信号处理子系统接收模拟系统的输出信号。它由一个低成本的微控制器开发板模型（）组成，配备一个32位ARMCortex-M4微处理器和180MHz的时钟频率。该控制器采用C计算机语言进行编程。微处理器的操作包括模拟数据采集和数字化、滤波、峰值检测、数据记录和数据存储，以及输出到图形显示。

输出显示和用户控制子系统

该阶段由一个3.5英寸的彩色液晶显示屏（LCD）组成，具有触摸交互功能。它从数字信号处理子系统接收数字输入数据，并在存储示波器类型显示器上显示接收到的信号的图形波形。还显示了文本数据，包括峰值检测电压的数值（图5）。额外的显示模式可以显示实际的每米伏特值。

该系统完全便携和自包含，可以携带到需要评估的扫描仪位置。系统放置在一个尺寸为15×10×5厘米的铝合金箱中，mmW喇叭天线安装在箱子的外部。mmW二极管检波器和印刷电路板与电池一起安装在箱内。箱子内安装了两个可充电的9伏特镍氢电池和一个3.7伏特锂聚合物电池。

该调查仪通过FDA开发的一种新型AIT模拟系统进行了设计、校准和测试，该模拟系统产生与实际AIT扫描仪非常相似的辐射。之所以使用模拟系统是因为对AIT系统的访问非常有限，使用AIT辐射开发和完善调查仪花费了很多时间。对实际AIT系统进行了几次测试和测量，以验证其在实际应用中的性能。

AIT模拟器系统可以产生模拟实际毫米波AIT扫描仪的强度和脉冲特性的曝光场。该模拟器系统由图7和表2中所示的组件组成。模拟器系统使用一个电压控制的毫米波振荡器（从约20-30GHz扫描）和任意波形发生器产生大约100kHz的方波调制的毫米波载波信号。毫米波信号被馈送到一个发射喇叭天线，以复制L3安全系统天线的辐射。

在评估过程中，mmW仪器的喇叭天线面距离AIT模拟器的辐射天线70厘米，位于模拟器天线的轴向线上。模拟器的曝光水平设置为仪器接收天线处的0.02V/m，并由模拟器产生了五个10微秒脉冲的爆发。仪器将爆发瞬间显示在图形显示器上，并显示数字值。这个测试用于校准仪器。在使用过程中，仪器的峰值电场强度以每米伏特的数字值显示在调查仪的液晶显示屏上。

结论

设计了一种新型、紧凑、便携、低成本的毫米波调查仪，能够检测L3AIT扫描系统发射的低强度脉冲场。该仪器的测量数据旨在确定AIT辐射是否在一定的毫米波频率范围内超过设定的阈值。它可以实时检测和图形显示0.02V/m到0.15V/m之间的信号，脉冲调制频率约为100kHz，持续时间为10微秒或更长。

该仪器提供了一种低成本、便携、紧凑、手持式的手段，用于检测和表征在毫米波AIT安全扫描仪附近的弱短脉冲毫米波场，用于定期质量保证检查。该仪器还可以向质疑扫描仪安全性的乘客证明，根据FDA认证的仪器测量，极低的辐射水平是存在的。由于这种设备的低成本，使得在许多机场部署非工程人员（TSA）使用的可能性成为现实，而且他们只需进行最少的培训。

参考文献

很赞哦!（3）