CN109407091A - 双圆弧形mimo天线阵列及安检成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双圆弧形MIMO天线阵列，包括：发射天线，在以目标物为圆心的第一圆弧上；接收天线，在以目标物为圆心的第二圆弧上，所述第一圆弧的第一半径与第二圆弧的第二半径不相等。现有技术的MIMO天线阵列一般存在近似误差，而在近场中的误差尤其大，使得MIMO阵列偏离设计指标，存在严重的旁栅伪影，影响成像质量。本发明通过将发射天线和接收天线设置在以目标物为圆心的两个圆弧上，消除了上述近似误差，保证了成像质量。此外，本发明还提供了一种安检成像装置，包括上述双圆弧形MIMO天线阵列，提高了安检效率，降低了成本。

Description

双圆弧形MIMO天线阵列及安检成像装置

技术领域

本发明涉及电磁波成像领域，尤其涉及一种双圆弧形MIMO天线阵列 及安检成像装置。

背景技术

在反恐形势日益严峻的今天，公共安全问题得到了政府及民众的重视， 安检系统已广泛应用于机场、火车站、体育馆、博物馆等公共场所，因此， 人们对安检系统的安检效率、成本及复杂程度提出了更高的要求。

多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)成像雷达是 一种利用收发天线单元的多重组合来实现以较少的天线数目生成图像的 雷达，具备数据获取速率快、成本及系统复杂程度低等特点，在人体安检 等领域具有显著优势。

主动式毫米波安检成像技术的原理是成像设备先向目标发射毫米波， 接着探测器接收目标反射的毫米波，最后利用获得的电磁波数据进行图像 重建。现有的主动式毫米波安检成像系统中，多采用单收单发天线或直线 形MIMO天线。由于需要满足奈奎斯特采样定律，成像系统的采样间隔一 般小于λ/2，随着采样频率的提高，单收单发模式需要大量的收发天线， 不仅提高了系统的成本和复杂度，而且过多的天线使得数据的采样时间增 长，不利于安检效率的提高。直线形MIMO天线阵列的设计是基于等效相 位中心原理，而在近场应用中该原理将会产生无法忽略的近似误差，导致 MIMO天线阵列重建的图像质量差，存在严重的旁栅伪影。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种双圆弧形MIMO天线阵列及安检成像装 置，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明的一方面，提供了一种双圆弧形MIMO天线阵列，包括：

发射天线，在以目标物为圆心的第一圆弧上；

接收天线，在以目标物为圆心的第二圆弧上，所述第一圆弧的第一半 径与第二圆弧的第二半径不相等。

在本发明的一些实施例中，所述双圆弧形MIMO天线阵列的等效天线 阵列包括多个天线单元，邻近的天线单元的间隔相等。

在本发明的一些实施例中，所述等效天线阵列的长度 L≥2Dtan[arcsin(λ/4δ)]，邻近的天线单元的间隔d＝λ/2，等效天线阵列 的圆弧半径天线单元数目N_E＝L/d，其中，λ为工作波长，δ为成 像的方位向分辨率，D为成像距离。

在本发明的一些实施例中，N_E、N_T和N_R还满足N_E＝N_TN_R，发射天 线的数目N_T＝N_{sub T}n_T，N_R＝N_{sub R}n_R，N_T为发射天线的数目，N_R为接收天 线的数目，N_{sub T}为发射天线子阵数目，N_{sub R}为接收天线子阵数目， n_T为子阵内发射天线数目，n_R为子阵内接收天线数目。

在本发明的一些实施例中，所述第一半径r_T与第二半径r_R满足 r_T+r_R＝2r0，|r_T-r_R|＝dr，dr≤2·r0。

在本发明的一些实施例中，所述dr为a·λ，λ为工作波长，a为正整数。

在本发明的一些实施例中，邻近的天线单元之间的间隔圆心角为

在本发明的一些实施例中，所述发射天线与接收天线中的一个作为稀 疏阵列，另一个作为稠密阵列，稠密阵列的子阵的天线间隔圆心角为稀疏阵列子阵天线间隔圆心角为n代表稠密阵列的子阵的天线数目。

在本发明的一些实施例中，所述稠密天线存在至少两个子阵列，稠密 天线的子阵列之间的间隔圆心角为B代表稀疏阵列的总天线数目。

本发明实施例的第二方面，还提供了一种安检成像装置，包括以上任 一所述的双圆弧形MIMO天线阵列。

(三)有益效果

本发明实施例的双圆弧形MIMO天线阵列及安检成像装置，相较于现 有技术，至少具有以下优点：

1、通过将发射天线和接收天线设置在以目标物为圆心的两个圆弧上， 消除了现有技术的MIMO天线阵列中的近似误差，保证了成像质量。

2、由于难以直接确定发射天线和接收天线的排列关系，引入该双圆 弧形MIMO天线阵列的等效天线阵列，能够快速准确地确定发射天线和接 收天线的排列关系。

3、由于双圆弧形MIMO天线阵列中满足N_E＝N_TN_R，N_T＝N_{sub T}n_T， N_R＝N_{sub R}n_R这三个公式的的N_T、N_R、N_{sub T}、N_{sub R}、n_T、n_R可能不止一 种，需根据实际成像系统的需求确定最优组合，因此，本发明的双圆弧形 MIMO天线阵列的发射天线和接收天线的具体实施方式众多，可供用户进 行选择。

4、将本发明的双圆弧形MIMO天线阵列应用于安检成像装置，保证 了成像质量，提高了安检效率，降低了成本。

5、通过将发射天线和接收天线分别放置在以目标物为圆心的两个半 径不同的圆弧上，使得天线有更大的安装空间，降低了系统的装配难度。

附图说明

图1为现有技术的MIMO天线阵列的收、发天线组合形成等效天线的 原理示意图。

图2为本发明实施例的双圆弧形MIMO天线阵列的收、发天线组合形 成等效天线的原理示意图。

图3为本发明实施例的双圆弧形MIMO天线阵列的结构示意图。

图4为本发明一具体实施例的等效天线阵列的结构示意图。

图5为本发明第一实施例的双圆弧形MIMO天线阵列的结构示意图。

图6为本发明第二实施例的双圆弧形MIMO天线阵列的结构示意图。

图7为本发明第三实施例的双圆弧形MIMO天线阵列的结构示意图。

图8为本发明第四实施例的双圆弧形MIMO天线阵列的结构示意图。

图9A为本发明第五实施例的双圆弧形MIMO天线阵列的具体示意图。

图9B为图9A的等效天线阵列的具体示意图。

图10A为直线形MIMO天线阵列的具体示意图。

图10B为图10A的等效天线阵列的具体示意图。

图11为本发明实施例的双圆弧形MIMO天线阵列与等效天线阵列的 仿真结果显示。

图12为本发明实施例的双圆弧形MIMO天线阵列与直线形MIMO阵 列的仿真结果显示。

图13为本发明实施例的安检成像装置的结构示意图。

具体实施方式

目前，对于包含M个发射天线和N个接收天线的MIMO天线阵列而 言，通过接收天线和发射天线的组合，其可实现的采样数等同于拥有M×N 个收发同置天线单元的阵列。因此采用MIMO天线阵列将极大的降低安检 系统成本及复杂度。此外，受制于奈奎斯特采样定理，高频波段下单收单 发天线间隔极小，对天线加工工艺要求较高，而MIMO阵列中天线可以将 稀疏布置，天线工艺加工难度要小于单收单发阵列。

基于等效相位中心原理的MIMO天线设计方法是目前主流的MIMO 天线设计方法，任意一对发射天线和接收天线的组合可以用位于其中心的 等效收发同置天线代替。故可以通过设计满足成像要求的等效阵列，继而 分解以得到相应的MIMO阵列。但这一过程并不是完全等效，存在一定的 近似误差。

为便于解释等效相位中心原理，引入如图1所示的现有技术的收、发 天线组合形成等效天线的原理图。发射天线位于(x_T，y_T)，接收天线位 于(x_R，y_R)，点目标位于(x_i，y_i)，则成像距离为：

接收到的回波数据可写为：

其中f_w为电磁波频率。

因此(3)可进一步写为：

故位于一对收发天线获得的回波数据近似等于位于其中心的等效收 发同置天线获得的回波数据。

但这种近似只在远场条件下才能很好的成立，在近场中，由这种近似 所造成的误差将使得设计出的MIMO阵列偏离设计指标，存在严重的旁栅 伪影，影响成像质量。

本发明提出的双圆弧形MIMO天线阵列基于修正的等效相位中心原 理，不存在这种近似误差，因此在近场成像中优于直线形MIMO，可以达 到较低的旁栅水平。对其原理阐述如下。发射天线、接收天线、收、发天 线组合形成的等效天线位置如图2所示，则式(4)变为

因此，E_scatt(f_w，x_T，y_T；x_R，y_R)＝E_scatt(f_w，x_E，y_E)恒成立，由此，本 发明能够消除近似误差。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的第一方面提供了一种双圆弧形MIMO天线阵列，如图3所 示，该双圆弧形MIMO天线阵列包括：

发射天线，在以目标物为圆心的第一圆弧上；

接收天线，在以目标物为圆心的第二圆弧上，所述第一圆弧的第一半 径与第二圆弧的第二半径不相等。

由于难以根据双圆弧形MIMO天线阵列本身确定其中发射天线和接 收天线的排列关系，由此本发明引入该双圆弧形MIMO天线阵列的等效天 线阵列，从而确定发射天线和接收天线的排列关系。

首先，根据成像的方位向分辨率δ、工作波长λ及成像距离D(成像 点目标与等效阵列的垂直距离)确定等效天线阵列的长度L、邻近的天线 单元的间隔d、等效天线阵列的圆弧半径r0的取值范围、以及天线单元数 目N_E。

更具体地，L≥2Dtan[arcsin(λ/4δ)]，d＝λ/2，且一般情 况下取r0的值接近于成像距离D，N_E＝L/d，当单频成像时，λ为成像频 率对应的工作波长，当宽带成像时，λ为中心频率对应的工作波长。

然后，可以根据等效天线单元数目N_E来确定MIMO天线阵列中发射 天线的数目N_T及接收天线的数目N_R，以及相应的天线子阵数目及子阵内 天线数目N_{sub T}、N_{sub R}、n_T、n_R；发射天线的数目N_T及接收天线的数目N_R， 以及相应的天线子阵数目及子阵内天线数目满足：

N_E＝N_TN_R，N_T＝N_{sub T}n_T，N_R＝N_{sub R}n_R，

N_T为发射天线的数目，N_R为接收天线的数目，N_{sub T}为发射天线子阵 数目，N_{sub R}为接收天线子阵数目，n_T为子阵内发射天线数目，n_R为子阵 内接收天线数目。

需要说明的是，满足以上三个等式的N_T、N_R、N_{sub T}、N_{sub R}、n_T、n_R可能 不止一种，需根据实际成像系统的需求确定最优组合。

接着，将所述发射天线与接收天线中的一个作为稀疏阵列，另一个作 为稠密阵列，稠密阵列的子阵的天线间隔圆心角为稀疏阵列子阵天线 间隔圆心角为n代表稠密阵列的子阵的天线数目。

最后按照收发天线分置布置MIMO阵列，发射天线和接收天线分别 位于两条共圆心的第一圆弧和第二圆弧上，第一半径和第二半径分别取r_T、 r_R，二者满足r_T+r_R＝2r0，|r_T-r_R|＝dr，其中dr可为小于2·r0的任意值。一 般在满足要求的情况下dr尽量取小值，可取波长λ整数倍。也就是说， dr＝a·λ，λ为工作波长，a为正整数。

图4为本发明实施例的等效天线阵列示意图，其中虚线框代表的局部 放大图。在本发明实施例中，等效天线阵列的天线单元分别沿圆弧对称分 布，且等效天线阵列中，天线单元呈均匀分布，两天线单元之间的间隔圆 心角为

根据图4的等效天线阵列，可以得到如图5-图8所示的第一实施例、 第二实施例、第三实施例和第四实施例的双圆弧MIMO阵列，以下将进行 详细描述。

如图5所示的第一实施例的双圆弧MIMO阵列，其中，发射天线阵 列为稀疏阵列，接收天线阵列为稠密阵列，两种天线阵列均为单子阵阵列 (N_{sub T}＝1，N_{sub R}＝1)。接收天线的间隔圆心角为发射天线的间隔圆 心角为

如图6所示的第二实施例的双圆弧MIMO阵列，其中，接收天线和 发射天线阵列均为单子阵阵列(N_{sub T}＝1，N_{sub R}＝1)，接收天线阵列为稀 疏阵列，发射天线阵列为稠密阵列，且发射天线的间隔圆心角为接收 天线的间隔圆心角为

如图7所示的第三实施例的双圆弧MIMO阵列，其中，发射天线阵 列为稀疏阵列，接收天线阵列为稠密阵列。发射天线沿圆弧均匀分布，相 邻天线单元的间隔圆心角为接收天线阵包含两个子阵列，子阵列内 天线单元沿圆弧均匀分布，相邻两天线单元的间隔圆心角为两个子阵 列之间的间隔圆心角为

在如图8所示的第四实施例的双圆弧MIMO阵列，发射天线阵列为 稠密阵列，接收天线阵列为稀疏阵列。接收天线沿圆弧均匀分布，相邻天 线单元的间隔圆心角为发射天线阵包含两个子阵列，接收天线阵列 为单子阵阵列，子阵列内天线单元沿圆弧均匀分布，相邻两天线单元的间 隔圆心角为两个子阵列之间的间隔圆心角为

在一些其他实施例中，稠密天线也可能存在多于两个的子阵列，稠密 天线的子阵列之间的间隔圆心角为B代表稀疏阵列的总天线数目。

在确定双圆弧MIMO阵列，以下将对其进行检测和实验验证，从而 确定其性能。

本发明辐射源选择在毫米波波段。首先选择成像频率为140-160GHz， r0＝0.1m，dr＝5λ_c＝0.01m。对本发明提出的MIMO阵列及其等效阵列进行 了仿真测试，接着对本发明提出的双圆弧形MIMO阵列和传统的直线形 MIMO阵列进行了对比仿真测试。采用10个发射天线20接收天线MIMO 阵列配置，双圆弧形MIMO及其等效阵列如图9所示，直线形MIMO阵 列及其等效阵列如图10所示，表1和表2是相应的仿真参数，其中，表1 中的N/A意指Notapplicable，即不适用。图11所示的仿真结果显示，在 成像距离为0.1m的近场成像中，在140GHz～160GHz时的频率范围内， 双圆弧形MIMO与其等效阵列的点扩散函数几乎重合，验证了本发明所设 计的双圆弧状MIMO阵列与其等效阵列成像性能的一致性。同时，图12 显示在近场条件下，本发明提出的双圆弧形MIMO阵列的旁栅水平明显低 于基于等效相位原理设计的直线形MIMO阵列，表明其具备低旁栅伪影的 优势，由此仿真实验验证了本发明的有效性。

表1天线阵列参数

表2毫米波波段仿真参数

参数	数值
		中心频率	150GHz
带宽	20GHz
		中心频率λ<sub>c</sub>	0.002m
频率采样间隔	0.01GHz
		空间采样点数	201
方位向采样范围	(-8λ<sub>c</sub>，8λ<sub>c</sub>)
		成像距离/r0	0.1m

本发明实施例的另一方面，还提供了一种安检成像装置，包括以上所 述的双圆弧形MIMO天线阵列(位于所述安检模块10中)。如图13所示， 安检成像装置包括了安检模块10；处理模块20用于对待测物体30进行安 检，待检物体30位于中心区，安检模块10可以为一个或者多个，在本实 施例中是两个，两个安检模块相对设置，用于在不同方位对待检测体进行 检测。安检模块10主要包含了收发组件11，由收发器与双圆弧形MIMO 天线阵列组成。双圆弧形MIMO天线阵列包含发射天线和接收天线。安检 模块10与处理模块20电连接。

收发器，用于实现电磁波信号和电信号的相互转换，该收发器根据发 射信号的频率例如可以为毫米波收发器或太赫兹收发器等。

双圆弧形MIMO天线阵列用于将收发器发射的电磁波信号进行传播， 以传播至待检测体实现对待检测体的检测扫描。该双圆弧形MIMO天线阵 列例如可以采用线阵阵列或面阵阵列。

处理模块20可以是各种具有处理计算功能的终端设备，例如服务器、 平板个人计算机(PC)、台式PC、膝上型PC、上网本计算机或者智能手机 等。

发射天线发射的电磁波经由待检测体30反射得到反射信号，该反射 信号由收发组件11接收后转换为电信号，收发信号经混频及解调后传给 处理模块20，则该处理模块20基于解调后的数据即可处理得到待检测体 的扫描图，从而实现对待检测体的检测。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是 近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所 有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应 理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含 义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％ 的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件 之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的 用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不 代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使 用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出 清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双圆弧形MIMO天线阵列，包括：

发射天线，在以目标物为圆心的第一圆弧上；

接收天线，在以目标物为圆心的第二圆弧上，所述第一圆弧的第一半径与第二圆弧的第二半径不相等。

2.根据权利要求1所述的双圆弧形MIMO天线阵列，其中，所述双圆弧形MIMO天线阵列的等效天线阵列包括多个天线单元，邻近的天线单元的间隔相等。

3.根据权利要求2所述的双圆弧形MIMO天线阵列，其中，所述等效天线阵列的长度L≥2Dtan[arcsin(λ/4δ)]，邻近的天线单元的间隔d＝λ/2，等效天线阵列的圆弧半径天线单元数目N_E＝L/d，其中，当单频成像时，λ为成像频率对应的工作波长，当宽带成像时，λ为中心频率对应的工作波长，δ为成像的方位向分辨率，D为成像距离。

4.根据权利要求3所述的双圆弧形MIMO天线阵列，其中，N_E、N_T和N_R还满足N_E＝N_TN_R，N_T＝N_{sub T}n_T，N_R＝N_{sub R}n_R，N_T为发射天线的数目，N_R为接收天线的数目，N_{sub T}为发射天线子阵数目，N_{sub R}为接收天线子阵数目，n_T为子阵内发射天线数目，n_R为子阵内接收天线数目。

5.根据权利要求3所述的双圆弧形MIMO天线阵列，其中，所述第一半径r_T与第二半径r_R满足r_T+r_R＝2r0，|r_T-r_R|＝dr，dr≤2·r0。

6.根据权利要求5所述的双圆弧形MIMO天线阵列，其中，所述dr＝a·λ，λ为工作波长，a为正整数。

7.根据权利要求2所述的双圆弧形MIMO天线阵列，其中，邻近的天线单元之间的间隔圆心角为

8.根据权利要求3所述的双圆弧形MIMO天线阵列，其中，所述发射天线与接收天线中的一个作为稀疏阵列，另一个作为稠密阵列，稠密阵列的子阵的天线间隔圆心角为稀疏阵列子阵天线间隔圆心角为n代表稠密阵列的子阵的天线数目。

9.根据权利要求8所述的双圆弧形MIMO天线阵列，其中，所述稠密天线存在至少两个子阵列，稠密天线的子阵列之间的间隔圆心角为B代表稀疏阵列的总天线数目。

10.一种安检成像装置，包括如权利要求1至9中任一所述的双圆弧形MIMO天线阵列。