CN105932427B - 一种毫米波成像雷达一维阵列天线及时序控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种毫米波一维阵列天线及时序控制方法，该天线应用于毫米波安检成像雷达，实现多通道雷达信号的发射与接收。该发明设计了一种紧凑型一维阵列天线，在电子开关控制下，发射天线和接收天线的组合成不同的等距离排列的收发天线组合，其线性分布的“相位中心”获得的数据经过信号处理和校正，等效于由大量的实际收发阵列天线组合收发单元获得的数据。使用本发明法可以节约一维电扫描成像所需要的大量发射与接收信号通路和天线，避免了雷达前端复杂的结构设计，减少了雷达前端校正的难度，节约了雷达制造成本，实现了探测的需要。本发明不仅可以用于毫米波安检成像雷达，也可以用去其它波段雷达的阵列天线。

Description

一种毫米波成像雷达一维阵列天线及时序控制方法

技术领域

本发明应用于毫米波安检成像雷达技术领域，是一种多发多收线性阵列天线，雷达通过天线扫描等处理对隐匿物品探测成像。

背景技术

近年来国内外恐怖主义活动猖獗，恐怖分子采用各种隐蔽手段携带危险物品进入国家要害部门进行恐怖活动。在机场、车站、政府机构等部门进行安全检测是保障人民群众安全的必要手段。

传统安全检测系统(金属探测器和X光扫描机)在人体安全和透视成像等方面存在一定的局限性。现已应用于实际安检的技术主要有：X射线、红外线、太赫兹、超宽带、声波和毫米波等技术，这些技术具有各自的技术特点，已应用于各种场所的物体检测，但对检测隐匿违禁物品的人都有一定的缺陷。毫米波探测技术结合了微波和红外的优点，在安全辐射功率标准下不影响人体健康，可以穿透衣服、包裹等介质检测隐藏身上的违禁物品，是传统安检设备的必要补充和替代技术手段。

国内外一些研究机构开展了相关的毫米波安检成像雷达技术的研究。美国西北太平洋实验室开发一套三维全息成像扫描系统，该系统采用主动成像体制，其扫描机制是基于圆柱扫描。美国Trex公司还研制了一套PMC-2成像系统，此系统中的天线单元采用了3mm相控阵天线的技术。美国Millivision公司开发了手持式被动毫米波探测器。此外，美国Brijot公司BIS-WDS系统和L-3公司Provision100系统均已应用于机场安检。国内南京理工大学采用焦平面成像体制；北京航空航天大学采用被动成像方法，收发天线单元“Y”形平面分布；中科院微系统所采用全息成像的方法。本发明在成像体制和雷达天线均不同于以上介绍的毫米波安检成像系统。

雷达通过天线发射和接收电磁波探测隐匿目标。而天线通过二维扫描以获取较大视场的目标特性，这是雷达成像的前提。通常天线的扫描方式有二维机械扫描，或二维电扫描。二维机械扫描消耗时间长，二维机械扫描成本很高。根据使用环境、成本和系统可实现性，可采用折中方法，即，采用垂直方向的机械扫描和水平方向的电扫描方式实现二维扫描。在垂直方向上伺服电机系统控制阵列天线的移动照射不同的探测区域，同时，水平方向上不同天线单元依次照射探测区域，进行实时二维成像。

毫米波成像雷达天线采用收发分置方式，即，发射阵列天线和接收阵列天线上下两排分置，平行水平放置，电子开关控制每相邻的一对接收和发射天线组合成收发天线组合。天线收发组合越多成像分辨率越高，成像雷达识别隐匿物品通常需要几十或上百路数据才能获得较高的分辨率。例如，要产生L组数据进行成像，采用传统方法需要的天线和通路为2L个，即，发射通路和接收通路各为L个。相对于常规雷达系统成本和工艺，毫米波天线单元和信号通道的成本很高，工艺较复杂。本发明设计了一种线性阵列天线，采用分时切换的工作方式，只需要M+N(其中，M×N＝L)个天线单元和通路，能够大大节省信号通路和天线，减少系统的复杂性和成本。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的雷达前端复杂的结构设计，本发明提出一种毫米波成像雷达一维阵列天线及时序控制方法。

技术方案

本发明设计了一种毫米波成像雷达一维阵列天线，已用于毫米波成像雷达。阵列天线合理的分配发射与接收天线单元的分布位置，控制不同的发射和接收天线单元的工作时序，组合成不同中心位置的收发天线组合，使收发天线组合的“相位中心”等距离的分布在线性阵列天线上。雷达工作时，阵列天线在垂直方向上进行机械扫描，同时，水平方向的收发天线组合依次照射雷达视场内的目标，即，形成水平向电扫描，从而完成探测目标的二维扫描。该方法利用电子控制天线速度快的优点，在垂直方向上扫描一个距离分辨率单元时，雷达遍历了水平方向上的所有收发天线单元切换与照射，完成了目标的二维扫描，保证了图像质量。

一种毫米波成像雷达一维阵列天线，其特征在于包括N个发射天线、M个接收天线和M/N+1个电子开关，其中N、M为偶数，M为N的偶数倍；N个发射天线和M个接收天线水平排列成一维线性阵列天线，排列次序为T₁、T₂……T_N/2、R₁、R₂、R₃、……，R_M-2、R_M-1、R_M、T_N/2+1、……、T_N-1、T_N，其间距分别为4D、2D、8D、8D、……、8D、8D、2D、4D，其中D为设定的距离；M/N+1个电子开关与收发天线连接对其进行时序控制，其中N个发射天线T₁、T₂、……、和T_N共用一个电子开关，N个接收天线共用一个电子开关；在电子开关的时序控制下，N个发射天线和M个接收天线组合成M×N组收发天线。

设定的距离D的大小受限于在满足隔离度要求时各个天线单元的物理孔径和最小间距。

发射天线和接收天线均采用矩形喇叭结构。

一种对毫米波成像雷达一维阵列天线进行时序控制的方法，步骤如下：

步骤1：在雷达系统开始探测时，电子开关控制发射天线T₁工作，其余发射天线关闭，每个发射天线工作期间，接收端的电子开关依次控制每个接收天线处于接通状态，每个接收天线的接通时间相等，遍历M个接收天线，完成M组回波信号的接收和存储；

步骤2：依次遍历N个发射天线和M个接收天线的工作状态，可获得N×M组雷达回波数据，每个发射天线的工作时间相等；

步骤3：记录所有收发天线组合工作时获得的数据，并标示每组数据次序tmTn/Rm，将这些标示数据传给数据处理单元进行校正处理。

本发明的特点为：

(1)阵列天线中发射天线与接收天线的位置分布方式。每个发射天线与每个接收天线组成的收发天线组合，使每对收发天线组合的“相位中心”均匀地分布线性阵列上。

(2)收发天线单元工作时序的控制。控制天线的工作时序，使每对收发天线组合依次照射雷达视场中的目标区域，形成水平方向的电扫描。

(3)控制二维扫描时间，保证雷达数据质量。在垂直方向上机械扫描一个距离单元之内，完成水平方向所有收发天线组合的电扫描。即，在完成目标的二维扫描时，确保雷达数据的质量。

(4)标示和记录收发天线单元工作次序和时刻，在数据校准阶段对各组数据进行补相，不引起二维图像的畸变。

有益效果

本发明提出的一种毫米波成像雷达一维阵列天线及时序控制方法，实现多通道雷达信号的发射与接收。在电子开关控制下，发射天线和接收天线的组合成不同的等距离排列的收发天线组合。该方法在探测性能上等效于常规的发射天线与接收天线组合所需的大量信号通道与天线。成像雷达探测时，线性阵列天线在垂直方向机械扫描，电子开关控制水平方向分布的阵列天线组合分时探测。同时控制垂直方向机械扫描时间，在垂直一个距离分辨单元内，完成水平方向所有天线组合的“电扫描”，以确保雷达数据质量。获得的数据被传送到在雷达后端，各组数据进行处理、校准和成像。仿真结果验证了本方法设计的一维阵列天线的有效性。

毫米波天线和信号通道的成本很高，本发明方法中使用少量的阵列天线和信号通道(N+M个)，就可实现常规方法一维电扫描成像所需要的大量发射与接收信号通路和天线(N×M个)，避免了雷达前端复杂的结构设计，减少了雷达前端校正的难度，同时大量节约制造成本和工艺的复杂度。本发明不仅可以用于毫米波安检成像雷达，也可以用去其它波段雷达的阵列天线。

附图说明

图1阵列天线单元的分布图

图2天线单元结构

图3天线单元驻波

图4阵列天线波导连接图

图5阵列天线单元组合前视图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的目的是为了实现毫米波雷达成像检测而设计了一种低成本的多收多发的阵列天线。使用该设计方法，可以大量减少天线单元和信号通道的数量，同时不降低雷达成像的质量。阵列天线水平方向排列，通过开关阵列控制各个天线单元辐射电磁波和接收目标回波。同时，伺服系统控制阵列天线在垂直方向进行扫描。雷达回波经过天线、信号通道、ADC等，被处理成包含目标信息的二维图像。

本发明的具体方法为：为了实现隐匿物品成像检测，雷达系统需要将不同波束方向的回波数据进行相关处理。数据量越多雷达图像的分辨率越高，但考虑雷达安检效率和系统复杂程度，本系统采用M路数据进行成像处理。由于调频连续波雷达体制和隔离度的要求，系统采用收发天线分置的方式，收发天线均采用矩形喇叭天线形式，每个喇叭天线作为阵列天线的单元。

系统选用共用信号通道和开关阵列切换的设计，通过开关阵列切换阵列天线的工作状态。发射前端由N个发射天线和一个一分四开关组成。接收前端由M个接收天线、N个一分四的开关和N个独立接收通道构成。每N个接收天线构成一组与一个一分四的开关相连，并共用一个接收通道。这样，L个一分四的开关控制N个发射天线和M个接收天线按一定时序发射和接收信号，形成N×M路不同收发天线位置的回波信号。成像处理时需要对不同接收数据进行相位校正。开关阵列通过RS422通信接口与时钟控制电路相连。

由于每个发射天线与M个接收天线组成M组收发单元，认为每组收发单元的“等效相位中心”处于其中心位置。N个发射天线分别与M个接收天线共组成N×M组收发单元。为了在数据处理中便于计算，等效相位中心设计为等距离分布。阵列天线设计如下：N+M个天线排列次序为T₁、T₂、R₁、R₂、R₃、……，R_M-2、R_M-1、R_M、T_N-1、T_N，其间距分别为4D、2D、8D、8D、……、8D、8D、2D、4D，其中D为设定的距离，经计算N×M个收发天线单元的等效中心均匀分布在天线线阵上，其相邻间距为2D。

以4个发射天线和16个接收天线为例，发射天线、接收天线和相应的等效收发天线中心排列方式如图1所示。图中Tn/Rm表示某时刻第n个发射天线与第m个接收天线组成的收发天线单元。按收发组件等效中心位置次序如下：T₁/R₁、T₂/R₁、T₁/R₂、T₂/R₂、T₁/R₃、T₂/R₃、……、T₁/R_M、T₂/R_M、T₃/R₁、T_N/R₁、T_N-1/R₂、T_N/R₂、……、T_N-1/R_M-1、T_N/R_M-1、T_N/R_M、T_N/R_M。在数据处理阶段，需将按时序存储的数据按等效中心位置进行重新排序。

选取间隔D的大小，需要估算在满足隔离度要求时各个天线单元的物理孔径和最小间距。以波束宽度为45°×45°矩形喇叭为例，经仿真计算，其物理尺寸：标准波导口为3.0988×1.5494mm，喇叭口径为5.78×4.49mm，波导口与喇叭口的距离为6mm。由于天线单元之间距离难以进一步缩小，在波束合成处理中会出现栅瓣现象。在阵列天线的设计中，需在阵列天线相应的位置放置吸波材料或者遮挡材料以减少或避免栅瓣的影响。

开关阵列通过波导与天线单元相连，并控制各个收发天线的工作状态。(N+M)/4组一分四开关构成阵列天线，其中开关D₀控制N个发射天线T₁、T₂、……、和T_N；开关D₁控制接收天线R₁、R₂、……、和R_N，依此次序，开关D₂、……、和D_N控制其余的接收天线。

工作时序

在雷达系统开始探测时，由发射前端的一分四开关控制第一个发射天线工作，其余三个发射天线关闭。每个发射天线工作期间，由接收端的一分四开关控制每组第一个接收天线处于接通状态，其余三个接收天线处于切断状态。回波信号通过接收通道，按顺序被存储在信号处理分系统的存储介质中，供以后的数据处理使用。依次遍历M个接收天线，完成M组回波信号的接收和存储。然后打开第二个天线，关闭其余三个发射天线，按上述过程进行工作。这样，依次遍历N个发射天线和M个接收天线的工作状态，可获得N×M组雷达回波数据。以4个发射天线和16个接收天线为例，其工作次序如表1所示。在垂直方向上机械扫描一个距离单元之内，完成水平方向所有收发天线组合的电扫描。

表1雷达接收数据时序排列

阵列天线结构设计

毫米波安检成像雷达工作频率为75.6GHz-81.6GHz，天线单元采用矩形喇叭结构。在雷达工作频段内，天线驻波小于1.15dB，中心频率的驻波约为1.04dB，喇叭天线辐射效率高，如图2所示。喇叭天线通过转接波导与接收或发射通道等模块连接。M+N个喇叭天线单元排成线性阵列天线，阵列天线结构与雷达前端连接方式如图3所示。阵列天线两端为发射天线单元，其它为接收天线单元。组合转接波导结构较为复杂，由天线口组合法兰、发射口组合法兰、接收口组合法兰和若干标准波导组成。为方便与雷达接收机和发射机对接，天线口组合法兰与其它法兰安装面垂直。波导与法兰直接采用焊接或粘接方式进行连接，加工时需对工艺严格要求，以降低信号衰减。

阵列天线仿真结果

采用Ansoft公司的HFSS软件对阵列天线进行仿真计算。成像雷达工作频段为W波段，带宽为6GHz。分别选取75.6GHz、78.6GHz和81.6GHz为工作频点，对单个天线单元进行建模仿真。天线单元各频点的驻波如图3所示，方向图的增益超过25dB。在各个频点，波束宽度如表2所示。波束宽度满足设计要求。

表2各频点波束宽度

雷达采用调频连续波体制，收发天线单元相距较近，天线的极化度和天线间的隔离度需要满足一定要求。阵中间距最小的两个收发单元，其隔离度低于-38dB。天线在各频率点工作时，阵列天线中间隔最小的收发单元隔离度均满足指标要求，所设计的天线单元交叉极化在波束宽度范围内满足指标要求。

阵列天线有N+M个天线单元组成，电子开关控制发射和接收天线，可获得N×M组不同发射与接收天线组合的数据。经信号通道、A/D、数字采样等处理，在数字域处理可形成N×M组数据进行成像。选取75.6GHz、78.6GHz和81.6GHz为工作频点，在N×M个“等效相位中心”位置排列的天线单元。

Claims (4)

1.一种毫米波成像雷达一维阵列天线，其特征在于包括N个发射天线、M个接收天线和M/N+1个电子开关，其中N、M为偶数，M为N的偶数倍；N个发射天线和M个接收天线水平排列成一维线性阵列天线，排列次序为T₁、T₂……T_N/2、R₁、R₂、R₃、……，R_M-2、R_M-1、R_M、T_N/2+1、……、T_N-1、T_N，其间距分别为4D、2D、8D、8D、……、8D、8D、2D、4D，其中D为设定的距离；M/N+1个电子开关与收发天线连接对其进行时序控制，其中N个发射天线T₁、T₂、……、和T_N共用一个电子开关，N个接收天线共用一个电子开关；在电子开关的时序控制下，N个发射天线和M个接收天线组合成M×N组收发天线。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波成像雷达一维阵列天线，其特征在于设定的距离D的大小受限于在满足隔离度要求时各个天线单元的物理孔径和最小间距。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波成像雷达一维阵列天线，其特征在于发射天线和接收天线均采用矩形喇叭结构。

4.一种对权利要求1所述的毫米波成像雷达一维阵列天线进行时序控制的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在雷达系统开始探测时，电子开关控制发射天线T₁工作，其余发射天线关闭，每个发射天线工作期间，接收端的电子开关依次控制每个接收天线处于接通状态，每个接收天线的接通时间相等，遍历M个接收天线，完成M组回波信号的接收和存储；

步骤2：依次遍历N个发射天线和M个接收天线的工作状态，可获得N×M组雷达回波数据，每个发射天线的工作时间相等；

步骤3：记录所有收发天线组合工作时获得的数据，并标示每组数据次序tmTn/Rm，将这些标示数据传给数据处理单元进行校正处理。