CN106054181B - 一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法，阵列通过单站等效与微动控制后，阵列最终形成等效单元间距最大为工作频率对应波长的一半，所述等效单元为等效相位中心。本发明在数据采集速度和节省硬件资源成本等方面有较大优势，采用本发明设计的天线阵列可以有效的对目标进行太赫兹成像测试。

Description

一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法
技术领域
本发明涉及成像技术领域，特别涉及一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法。
背景技术
由雷达理论可知，无论是微波、毫米波，还是太赫兹成像，都是通过工作带宽获取距离向分辨率，通过合成孔径、实孔径，或逆合成孔径，结合信号处理技术获取方位向分辨率。
在安检、异物检测、复合材料检测等太赫兹成像应用领域，目前一般采用如图1所示的合成孔径成像原理，收发天线沿某一方向以一定间隔做“一步一停”运动，步进间隔需满足空间采样定律要求，一般选取工作中心频率对应波长的一半，测试设备在每一步进位置点采集数据，最后利用数据处理技术对所有位置点数据综合处理，获取方位向分辨率。该成像技术需要在每一等效单元点完成一次信号收发与数据采集，假设一次数据采集时间为t1，一个步进间隔运动时间为T，完成N个等效单元数据采集所需时间为(N-1)t1+NT，一次成像测试所需时间较长，不适用于实时性要求高的场合。
为提高成像速度，在微波领域出现了利用快速开关切换的天线阵列技术，按照收发天线是否一体可分为图2、图3所示两种形式，其基本原理相同，在成像需要孔径长度上按照半波长间距原则，等间隔布置实际的收发天线单元，收发天线后端通过高速开关与收发设备相连，第一组收发天线通过开关与收发设备组合完成一次数据采集，开关切换，控制第二组收发天线通过开关与收发设备组合，再完成一次数据采集，依次控制开关从通道1切换到通道N，可以完成N组数据采集，获取成像所需N个等效单元的数据信息，假设开关通道间切换时间表示为t2，则完成N个等效单元数据采集所需时间为(N-1)t2+NT，由于t2远远小于t1，因此该阵列成像技术可以大大缩短数据采集时间，提高成像速度。
“一步一停”成像方式的主要缺点是成像速度慢、效率低，无法满足实时成像场合的需要，收发一体(收发分置)天线一维阵列成像方式虽然可以大幅提高成像速度，但缺点是需要数量庞大的天线资源，为了实现N个等效单元的采样，收发一体天线阵列需要N个天线单元，收发分置天线阵列需要2N个天线单元，收发天线利用率很低；另外，由于天线阵列实现需要天线单元数较多，且天线单元间距需要满足半波长间距要求，当工作频率较低时，物理实现难度不大，但随着工作频率的提高，实现难度将逐步增加，以工作频率100GHz为例，对应波长为3mm，要实现图2、图3所示一维阵列，则要求收发天线间距为1.5mm，无论是天线单元设计，还是阵列布局设计，都存在极大的难度，同时还会限制收发天线性能。因此，图2、图3所示一维阵列在太赫兹成像方面应用实现的可行性不高，不具备工程实现价值。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提出一种一维稀疏阵列布置方法，通过天线阵列稀疏化设计与控制技术，可大幅提高数据采集速度与天线单元利用率，进而显著提高成像速度，同时降低硬件复杂度，提高工程可实现性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法，阵列通过单站等效与微动控制后，阵列最终形成等效单元间距最大为工作频率对应波长的一半，所述等效单元为等效相位中心。
可选地，上述用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法，包括以下步骤：
首先，根据成像指标参数要求，确定所需的等效单元数目及间隔；
然后，按照收发分置方式布置实际天线单元，发射天线/接收天线分别按照相互平行的两条直线分布；
接着，设计发射天线单元的布置，发射天线总数为任意耦数，每两个发射天线组成一对发射天线组合，每个组合内两发射天线间距为4λ，每两个发射天线组合间距为4λ；
接下来，设计接收天线单元的布置，接收天线总数为任意耦数，每两个接收天线组成一对接收天线组合，每个组合内两接收天线间距为2λ，每两个接收天线组合间距为6λ；发射天线阵列与接收天线阵列进行错位设计，发射天线阵列左首第一个天线与接收天线阵列左首第一个天线间距为0.5λ；
分别在原位状态与移位状态下完成一组数据采集，将两组数据进行组合内插处理后，得到等间隔0.5λ的等效单元分布，最终得到满足奈奎斯特采样定律要求的等效单元分布；
最后，结合数据处理算法，完成成像测试。
可选地，阵列在原位状态下产生的等效单元分布，各等效单元以间距λ等分布。
可选地，阵列在移位状态下产生的等效单元分布，各等效单元以间距λ等分布。
本发明的有益效果是：
(1)利用等效相位中心原理设计了一种一维稀疏阵列，有效提高了数据采集速度，降低了阵列硬件复杂度与实现成本；
(2)利用发射阵列的单次机械微动实现了等效单元的成倍增加，使最终形成的等效单元间距满足太赫兹级别成像所需的采样要求，在一定收发天线单元数量限制下，实现了太赫兹级别的成像；
(3)在数据采集速度和节省硬件资源成本等方面有较大优势，可以有效的对目标进行太赫兹成像测试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的“一步一停”成像原理示意图；
图2为现有的收发一体天线一维阵列原理示意图；
图3为现有的收发分置天线一维阵列原理示意图；
图4为本发明的一维稀疏天线阵列布局与原位状态下等效单元分布示意图；
图5为本发明的一维稀疏天线阵列布局与移位状态下等效单元分布示意图；
图6为本发明的一维稀疏天线阵列等效单元分布示意图；
图7为理想散射点的等效相位中心误差示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
太赫兹成像技术具有分辨率高、对人体无损伤、私密性好、穿透性强等突出优点，因此太赫兹成像技术在机场安检、反恐检查、异物检测、复合材料检测等领域具有广阔的应用前景。目前太赫兹成像，特别是主动式成像中，绝大多数采用合成孔径(SAR)原理，即成像系统收发天线采用“一步一停”的工作方式，利用收发天线运动形成的合成孔径获取高的方位向成像分辨率，采用该方法需要耗费大量时间用于数据采集，成像速度较慢，这也成为限制太赫兹成像技术应用的主要因素之一。
本发明的目的在于提出一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法，通过天线阵列稀疏化设计与控制技术，实现数据采集的高效率，进而显著提高成像速度。
针对“一步一停”成像方式速度慢、效率低，收发一体(收发分置)天线一维阵列成像方式占用资源多，天线利用率很低，工程实现价值不高等问题，本发明提出一种一维稀疏阵列布置方法，通过天线阵列稀疏化设计与控制技术，可大幅提高数据采集速度与天线单元利用率，进而显著提高成像速度，同时降低硬件复杂度，提高工程可实现性。
本发明提出的稀疏阵列布置方法基于单站等效原理，即设计阵列通过单站等效与微动控制后，最终形成的等效相位中心(本发明中统称等效单元)满足奈奎斯特采样定律，即阵列最终形成等效单元间距最大为工作频率对应波长的一半。本发明依据上述原则，考虑到太赫兹频段波长较短，为兼顾工程可实现性，同时采用阵列稀疏化设计与阵列微动控制技术，最终实现半波长间距等效单元分布要求。
下面以8个发射天线与8个接收天线组成阵列的设计过程为例，介绍本发明一维稀疏阵列布置方法，本领域技术人员可以根据本发明的教导进行一维稀疏阵列的布置。
首先，根据成像指标参数要求，如成像分辨率、旁瓣电平等参数确定所需的等效单元数目及间隔，也就是确定等效虚拟阵列的分布。
然后，按照收发分置方式布置实际天线单元，发射天线/接收天线分别按照相互平行的两条直线分布，直线间距没有严格要求，以实际设计天线单元尺寸与阵列尺寸设计要求合理选择，本发明按照12λ(λ为波长)设计。
接着，如图4所示，设计发射天线单元的布置，发射天线总数为8(可扩展为其他任意耦数，具体数目由成像分辨率、成像范围等因素决定)，每两个发射天线组成一对发射天线组合，每个组合内两发射天线间距为4λ，每两个发射天线组合间距为4λ。
接下来，设计接收天线单元的布置，接收天线总数为8(可扩展为其他任意耦数，具体数目由成像分辨率、成像范围等因素决定)，每两个接收天线组成一对接收天线组合，每个组合内两接收天线间距为2λ，每两个接收天线组合间距为6λ。发射天线阵列与接收天线阵列需要进行错位设计，图4中发射天线阵列左首第一个天线11与接收天线阵列左首第一个天线21间距为0.5λ。数据采集时，在高速开关控制下，发射/接收天线单元通过一定的组合关系工作，图4所示发射天线组合1中发射天线11发射时，接收天线组合2中接收天线21接收时形成等效单元31，接收天线22接收时形成等效单元32，发射天线12与接收天线21的收发组合形成等效单元33，发射天线12与接收天线22的收发组合形成等效单元34，按此原则，一次控制循环后可形成图4中的等效单元分布3，其中各单元按间距λ等分布。等效单元间距为λ，不能满足奈奎斯特采样定律要求，为此还需进行发射天线阵列的微动控制设计，一维稀疏阵列在如图4所示原始状态下完成一组数据采集后，保持接收阵列静止，发射阵列沿平行方向整体右移距离λ，一维稀疏天线阵列变换为图5所示的移位状态下，由于发射天线阵列与接收天线阵列布局没有发生改变，按照图4的数据采集控制完成一组数据采集后，可形成图5中的等效单元分布4，其中各单元按间距λ等分布。
本发明设计的一维稀疏天线阵列在原位状态下产生的等效单元分布如图6中a所示，各等效单元以间距λ等分布，在移位状态下产生的等效单元分布如图6中b所示，各等效单元以间距λ等分布，图6中a与图6中b所示等效单元分布间距刚好为0.5λ。因此，本发明设计的一维稀疏天线阵列分别在原位状态与移位状态下完成一组数据采集，将两组数据进行组合内插处理后，可以得到等间隔0.5λ的等效单元分布，如图6中c所示，最终可以得到满足奈奎斯特采样定律要求的等效单元分布。结合数据处理算法，可以完成成像测试。
为验证本发明所设计一维稀疏阵列的等效单元相位误差，计算距离一维阵列中心前0.5m的理想散射点对应的等效相位中心误差，如图7所示，可见理想散射点最大的等效相位中心误差不足2mm，与目标到阵列的距离0.5m相比，几乎是可以忽略不计的，可以满足成像测试要求。
本发明的一维稀疏阵列布置方法，利用等效相位中心原理设计了一种一维稀疏阵列，有效提高了数据采集速度，降低了阵列硬件复杂度与实现成本；利用发射阵列的单次机械微动实现了等效单元的成倍增加，使最终形成的等效单元间距满足太赫兹级别成像所需的采样要求，在一定收发天线单元数量限制下，实现了太赫兹级别的成像。
本发明在数据采集速度和节省硬件资源成本等方面有较大优势，采用本发明设计的天线阵列可以有效的对目标进行太赫兹成像测试。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法，其特征在于，阵列通过单站等效与微动控制后，阵列最终形成等效单元间距最大为工作频率对应波长的一半，所述等效单元为等效相位中心，包括以下步骤：
首先，根据成像指标参数要求，确定所需的等效单元数目及间隔；
然后，按照收发分置方式布置实际天线单元，发射天线/接收天线分别按照相互平行的两条直线分布；
接着，设计发射天线单元的布置，发射天线总数为任意偶数，每两个发射天线组成一对发射天线组合，每个组合内两发射天线间距为4λ，每两个发射天线组合间距为4λ；
接下来，设计接收天线单元的布置，接收天线总数为任意偶数，每两个接收天线组成一对接收天线组合，每个组合内两接收天线间距为2λ，每两个接收天线组合间距为6λ；发射天线阵列与接收天线阵列进行错位设计，发射天线阵列左首第一个天线与接收天线阵列左首第一个天线间距为0.5λ；
分别在原位状态与移位状态下完成一组数据采集，将两组数据进行组合内插处理后，得到等间隔0.5λ的等效单元分布，最终得到满足奈奎斯特采样定律要求的等效单元分布；
最后，结合数据处理算法，完成成像测试。
2.如权利要求1所述的一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法，其特征在于，阵列在原位状态下产生的等效单元分布，各等效单元以间距λ等分布。
3.如权利要求1所述的一种用于太赫兹实时成像的一维稀疏阵列布置方法，其特征在于，阵列在移位状态下产生的等效单元分布，各等效单元以间距λ等分布。
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