CN109696709A - 用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构及其设计方法，通过该设计方法设计得到的稀疏阵列按照指定逻辑进行工作切换，在空间内可以等效为由单个发射阵元和若干个均匀分布的接收阵元组成的线性密集阵列。本发明可以有效减少发射天线与接收天线的数量，提升人体安检成像系统的数据采集效率，且操作简单、便于扩展，为高效、实时人体安检成像设备提供了条件。

Description

用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构及其设计方法
技术领域
本发明涉及安检技术领域，具体涉及一种用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构及其设计方法。
背景技术
毫米波及太赫兹波具有良好的穿透性，它们能以很小的衰减穿透布料、泡沫、纸板等物质，能够有效实现对隐匿物体的高分辨率成像；另外，毫米波及太赫兹波不会引起有害的电离反应，故在人体安检领域的有着广泛的应用。
在近场安检成像技术中，通常采用合成孔径与信号处理结合的方式获得目标的三维高分辨率重构图像，其中，合成孔径技术要求收发天线按照空间采样定律在指定位置完成信号收发与数据采集工作。传统的雷达成像主要利用载体的运动改变天线的位置，即利用机械扫描的方式实现孔径合成。然而，毫米波与太赫兹波波长较短，空间采样点数量巨大，机械扫描用时较长，难以满足近场安检成像系统的高实时性要求。因此，目前国内外的近场安检系统多采用一维电动扫描与一维机械扫描相结合的方式。
一维电动扫描是指在高度维或方向维等间隔布置收发天线形成天线阵列，并利用开关切换实现阵列在该维度的孔径合成。由于开关切换时间远小于载体的运动时间，故电动扫描可以有效降低系统的扫描时间。但是，电动扫描需要耗费大量的天线资源，且随着系统工作频率升高，按照空间采样定理的要求，天线之间的间距应随之减小，工程实现难度大幅增加。
发明内容
本发明旨在提供了用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构及其设计方法，该方法通过对一维线性阵列的稀疏化设计，有效提升了现有安检系统的扫描速度，并降低了系统的硬件复杂度。
本发明的技术方案如下：
用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构，其特征在于：所述稀疏阵列等效为由单个发射阵元和若干个均匀分布的接收阵元组成的密集线性阵列。
进一步地，所述稀疏阵列的等效接收阵元等间距分布，且所述等效接收阵元为等效相位中心。
针对上述用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构的设计方法，包括以下设计步骤：
首先，根据人体安检成像系统的工作场景及参数，确定等效阵元的尺寸，并根据空间采样定理确定等效阵元的间距，记为d；
然后，根据人体安检成像系统的信号采集与处理模块的限制以及收发信道的数量，确定稀疏阵列的稀疏度，记为S；
接着，根据等效阵元的尺寸与间距d，计算得到等效阵元的数目，记为N；进一步地，根据等效阵元的数目N与稀疏阵列的稀疏度S，确定发射天线的数目为同时，接收天线的数目为N/2；
最后，按照收发分置的方式排布天线单元，其中，发射天线单元以S˙d为间距按直线排列，接收天线单元以2d为间距按直线排列，且直线排列的发射天线与直线排列的接收天线平行。
进一步地，所述稀疏阵列可以根据收发信道数量、天线波束宽度等系统实际硬件条件，任意选择稀疏度，稀疏度S的取值为2到N之间的任意偶数。
进一步地，所述发射天线与接收天线应错位排布，即以发射天线所在直线为横轴时，第一个发射天线单元与第一个接收天线单元在横轴投影点的距离为(S-1)˙d。
进一步地，所述稀疏阵列在工作过程中需要通过指定工作逻辑对天线单元的工作状态(包括选通与未选通两种状态)进行切换，其中，指定工作逻辑具体表示为：当发射天线单元选通并发射信号时，接收天线单元Rxj至Rxj'选通并进行接收，其中，而其余所有天线单元均处于未选通状态；所述稀疏阵列的一次完整的数据采集需要发射天线单元从Tx1到TxN/S-1遍历选通。
进一步地，当发射天线发射信号时，根据收发信道数量、天线开关结构等系统实际硬件条件，接收天线Rxj至Rxj'可以选择依次接收、同时接收等多种工作模式。
本发明的有益效果如下：
1.基于等效孔径原则，本发明提出了用于人体安检成像的一维稀疏阵列设计方法，可以有效提高天线的利用率，有效简化相应的硬件复杂度并提升扫描速度；
2.本发明的设计方法可以根据收发信道数量、天线波束宽度等系统实际硬件条件任意选取稀疏度，具备实际操作性。
附图说明
图1为本发明实施例中关于传统收发天线阵列的示意图。
图2为本发明实施例的稀疏天线阵列的示意图。
图3为本发明实施例的稀疏天线阵列的等效阵元示意图。
图4为本发明实施例的稀疏天线阵列的点目标仿真场景示意图。
图5为本发明实施例的稀疏天线阵列的点目标仿真场景结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的内容做进一步的说明。
以载频35GHz、带宽5GHz的人体安检成像系统为例，当扫描区域为2m×0.8m(高度维×方位维)且方位维为电动扫描时，根据空间采样定理，设计200个发射天线与200个接收天线以间距d(d＝λ2＝4mm)均匀分布，如图1所示。
相比于在方位维与高度维同时使用机械扫描的安检成像系统而言，图1所示的密集天线阵列将大幅提高系统的扫描时间。然而，所述密集天线阵列的缺点在于：200个发射天线与200个接收天线占用了大量硬件资源，天线的加工成本高且有效利用率低；另一方面，天线以4mm为间距均匀分布，工程实现难度较大，尤其是随着系统工作频率的增大，间距将相应减小，这将为天线设计与阵列布局带来极大的难度。因此，基于等效孔径原则的一维稀疏阵列设计是安检成像应用中的一种有效方法。
同样以上述人体安检成像系统、扫描区域为基本条件，按照本发明设计方法具体设计步骤为：
首先，根据人体安检成像系统的工作场景及参数，确定等效阵元的尺寸，并根据空间采样定理确定等效阵元的间距d＝4mm；
然后，根据人体安检成像系统的信号采集与处理模块的限制以及收发信道的数量，确定阵列的稀疏度S，本实施例按照S＝4进行设计；
接着，根据等效阵元的尺寸与间距，计算得到等效阵元的数目N＝200；进一步地，根据等效阵元的数目N与稀疏阵列的稀疏度S，可以确定实际阵列中发射天线单元的数目同时，接收天线单元的数目NRx＝N/2＝100；
最后，按照收发分置的方式排布实际天线单元。发射天线以dTx为间距按直线排列，接收天线以dRx为间距按直线排列，且发射天线所在直线与接收天线所在直线相互平行，如图2所示。其中，dTx＝S·d＝16mm，dRx＝2d＝8mm。
另外，为了使发射天线与接收天线错位排布，发射天线Tx1与接收天线Rx1在横轴投影点的距离Δd＝(S-1)·d＝12mm。
根据上述设计方法设计的一维稀疏阵列在数据采集过程中需要通过指定逻辑对工作模式进行切换，当发射天线Txi(i＝1,2,L,49)发射信号时，接收天线Rxj至Rxj'进行接收，其中，特别地，根据收发信道数量、天线开关结构等系统实际硬件条件，接收天线Rxj至Rxj'可以选择依次接收、同时接收等多种工作模式。当发射天线完成从Tx1到Tx49的遍历后，所述稀疏阵列的等效阵元以d为间距均匀分布，如图3所示。
本实施例中一维稀疏阵列的成像能力由点目标仿真进行验证。发射天线与接收天线按照图2所示的位置关系进行排列，点目标坐标分别为P1(0,1)、P2(0.1,1.2)、P3(-0.2,1.5)、P4(0.3,1.5)，所得到的仿真场景如图4所示，仿真结果如图5所示。

Claims (9)

1.用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构，其特征在于：所述稀疏阵列等效为由单个发射阵元和若干个均匀分布的接收阵元组成的密集线性阵列。
2.根据权利要求1所述的用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构，其特征在于：所述稀疏阵列的等效接收阵元等间距分布，且所述等效接收阵元为等效相位中心。
3.对于权利要求1或2所述的用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构的设计方法，其特征在于包括以下设计步骤：
首先，根据人体安检成像系统的工作场景及参数，确定等效阵元的尺寸，并根据空间采样定理确定等效阵元的间距，记为d；
然后，根据人体安检成像系统的信号采集与处理模块的限制以及收发信道的数量，确定稀疏阵列的稀疏度，记为S；
接着，根据等效阵元的尺寸与间距d，计算得到等效阵元的数目，记为N；进一步地，根据等效阵元的数目N与稀疏阵列的稀疏度S，确定发射天线的数目为同时，接收天线的数目为N/2；
最后，按照收发分置的方式排布天线单元，其中，发射天线单元以S˙d为间距按直线排列，接收天线单元以2d为间距按直线排列，且直线排列的发射天线与直线排列的接收天线平行。
4.根据权利要求3所述的用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构的设计方法，其特征在于：所述稀疏阵列根据人体安检成像系统的硬件条件选择稀疏度，稀疏度S的取值为2到N之间的任意偶数。
5.根据权利要求4所述的用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构的设计方法，其特征在于：所述人体安检成像系统的硬件条件包括收发信道数量、天线波束宽度。
6.根据权利要求3所述的用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构的设计方法，其特征在于：所述发射天线与接收天线错位排布，即以发射天线所在直线为横轴时，第一个发射天线单元与第一个接收天线单元在横轴投影点的距离为(S-1)·d。
7.根据权利要求3所述的用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构的设计方法，其特征在于：所述稀疏阵列在工作过程中需要通过指定工作逻辑对天线单元的工作状态进行切换，工作状态包括选通与未选通两种状态；其中，指定工作逻辑具体表示为：当发射天线单元选通并发射信号时，接收天线单元Rxj至Rxj'选通并进行接收，其中，而其余所有天线单元均处于未选通状态；所述稀疏阵列的一次完整的数据采集需要发射天线单元从Tx1到TxN/S-1遍历选通。
8.根据权利要求7所述的用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构的设计方法，其特征在于：当发射天线发射信号时，根据人体安检成像系统的硬件条件，接收天线Rxj至Rxj'选择依次接收或者同时接收的工作模式。
9.根据权利要求8所述的用于人体安检成像的一维稀疏阵列结构的设计方法，其特征在于：所述人体安检成像系统的硬件条件包括收发信道数量、天线开关结构。
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