CN109856632A - 一种主动毫米波成像雷达的数据采集系统及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，包括：数据采集模块，包含P个相同的基本构型；基本构型包含两个不同的基础单元和两个相同的M发N收通用前端；基础单元与通用前端一一对应，所述基础单元包含M个相同的发射天线，N个相同的接收天线构成的收发天线阵；收发控制模块，连接所述前端，对前端发出工作指令，并处理前端采集的信号；数据传输模块，连接设置在前端和收发控制模块之间，进行数据双向传输。本发明还包含一种主动毫米波成像雷达快速数据采集方法。本发明通过天线阵的排布方式，采用FMCW体制和MIMO体制实现了方位向目标数据的快速采集，降低了数据采集时间，并保证成像结果的高清晰度，具有很好的应有价值。

Description

一种主动毫米波成像雷达的数据采集系统及其采集方法

技术领域

本发明属于雷达系统领域，具体涉及一种主动毫米波成像雷达的数据采集系统。

背景技术

随着检测技术的提高，各国政府对公共场所人体携带违禁物品的安全检 测提出了更高的要求。传统的安检手段中，金属安检门能够检测隐匿的金属 目标，而不适用于诸如炸药、汽油、陶瓷等非金属违禁物品，且无法提供视 觉图像作为判定依据；X射线成像仪能够穿透衣物探测各种隐匿违禁物品， 但其不可避免的健康及隐私问题限制了其广泛应用。毫米波成像系统是一类 利用毫米波穿透能力来实现隐藏物体检测的系统。它不仅具备区分金属、非 金属的能力，且对人体安全，是探测人体携带的隐藏物体的最理想手段。现有的毫米波成像安检系统主要分为主动毫米波成像系统和被动毫米波成像安 检系统。相对被动体制而言，主动毫米波成像安检系统能够有效的实现3D 成像，能够获得更优的成像质量，具备更快的成像速度。这使得它具有更大 的应用潜力。相比于传统的安检方式，主动毫米波成像安检雷达是一种利用 被测物体散射回波，实现高分辨率透视成像，并利用毫米波图像检测和识别 隐藏携带危险品的新型安检设备。主动毫米波人体安检系统作为一种新兴的 安检手段，被广泛应用在机场、车站等人员密集的公共场所，对人体携带的 隐匿违禁物品进行快速、非接触式检测。

主动毫米波成像安检雷达属于近程成像雷达，其系统具有一些独特的特点。一方面，安检雷达需要实现高的分辨率，要求阵列天线阵面具有较大的成像孔径；另一方面，安检雷达需要实现多角度的均匀成像，要求阵列天线中的发射阵元在阵面均匀分布，以实现目标多角度均匀照射。这两方面的特点决定了毫米波成像安检雷达需要海量的发射接收通道，使得主动毫米波成像安检系统中系统复杂度和数据采集速度成为矛盾。因此，在主动毫米波成像安检雷达系统的设计中，降低系统复杂度的同时提高数据采集速度是主动毫米波成像安检雷达的主要难点。

现有开关阵列方案虽然能够降低实际中使用的收发通道数量，然而庞大的开关阵列使得系统变得复杂不利于集成，难于降低成本，最主要的是该方法增加了系统数据采集的时间；现有的大型MIMO阵列方案能够极大的提高数据采集速度，但是该方案本阵网络复杂，同样难于集成，系统复杂度高，而且成本高昂。

在名称为“一种面式毫米波扫描的三维全息成像系统”申请号为 201510409580.4的发明中，主要针对单次扫描时间长，容易造成设备磨损的问题，构建了一种面式毫米波扫描的三维全息成像安检系统，该系统方案类似于大型MIMO阵列方案，所需通道多，难于集成，很难减低成本。

在名称为“一种毫米波成像装置”申请号201420659685.6的发明中，主要针对毫米波成像实时性不高，成像速度慢的技术问题，构建了一种毫米波成像装置，该系统方案类似于开关阵列方案，需要通过开关分时控制各个通道发射接收信号，系统数据采集时间长，开关阵列的存在使得系统难于集成。

发明内容

本发明提供了一种主动毫米波成像雷达的数据采集系统，用于雷达的方位向数据采集，从而在高人流量高密度人群中实现快速可靠的成像。

为了达到上述目的，本发明提供了一种主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，用于方位向目标数据采集，包括：

数据采集模块，包含P个相同的基本构型；所述基本构型包含两个不同的基础单元和两个相同的M发N收通用前端；基础单元与通用前端一一对应，所述基础单元包含M个相同的发射天线，N个相同的接收天线构成的收发天线阵；所述前端产生发射信号，并通过对应基础单元发射天线向空间辐射；接收天线同时接收数据采集模块任一发射天线发射信号对应的回波；前端采集所有回波，并对回波进行混频、滤波和放大；数据采集模块通过发射天线与接收天线的特定排布方式，实现目标的均匀照射，获得优质的成像效果；

收发控制模块，连接所述前端，控制前端按时序切换生成频分复用 FMCW发射信号，并对前端采集的信号进行通道校正、残余相位补偿和距离向处理，同时根据时序切换顺序，实现回波信号的排序；

数据传输模块，连接设置在前端和收发控制模块之间，将前端中转换为数字信号的回波差频信号传输给收发控制模块，并将收发控制模块的控制指令传输给前端。

所述发射天线与接收天线的特定排布方式为：基础单元内的M个发射天线和N个接收天线组成的天线阵满足MIMO构型，能够等效为一个沿方位向M*N个阵元的自发自收均匀线阵；基础单元之间能够通过拼接完成自发自收均匀线阵的扩展，通过2P个基础单元的拼接能够获得一个沿方位向 2P*M*N个阵元的自发自收均匀线阵。

所述发射天线与接收天线的特定排布方式为：基本单元内部的收发阵元存在垂直方向上的错位、相邻基础单元之间的收发天线阵元同样存在垂直方向上的错位，满足布阵空间尺寸要求的同时，保证等效相位中心位于沿方位向的同一条直线上。

一种主动毫米波成像雷达快速数据采集方法，采用如权利要求所述的数据采集系统实现的，包含步骤：

S1、收发控制模块向前端发送控制指令，2p个前端依序驱动对应基础单元的第i个发射天线工作；相邻两个前端时延ΔT，一个前端每次只驱动对应基础单元内的一个发射天线，当第i个发射天线工作时，同基础单元的其他发射天线不工作；

S2、每个基础单元第i个发射天线工作，工作时长均为T_sweep；

S4、每个基础单元的所有接收天线与所属基础单元的发射天线同时工作，同时接收工作时刻所有基础单元发射天线对应的回波信号，回波信号经对应前端混频器自混频后转化为回波差频信号，通过滤波器滤波去除其它基础单元对应的回波差频信号，得到所属发射天线对应的回波差频信号，经放大后，转化为数字信号；

S5、数据传输模块将前端中转换为数字信号的回波差频信号，传输给收发控制模块；

S6、收发控制模块对前端采集到的数字回波进行通道校正、残余相位补偿和距离向处理，同时根据时序切换顺序，实现回波信号的排序，并进行下一级的传输；

S7、当第2p个基础单元的第i个发射天线工作完毕，2p个前端依序驱动所属基础单元第i+1个发射天线工作，进入S1；当第2p个基础单元的第 M个发射天线工作完毕时，每个前端驱动所属基础单元的第1个发射天线工作，进入S1。

步骤S1中所述的每个基础单元的每个发射天线发射的信号波形均相同。

步骤S4中，第j个基础单元的发射天线，以γ为调频率，相对于第i个基础单元的接收天线，输出的FMCW差频信号频率为γ((j-i)ΔT+τ_j)，其中τ_j为相应发射天线、接收天线和目标之间组成的回波路径对应的回波延时。

步骤S4中所有通用前端均使用相同的带通滤波器，下限截止频率为f_L、上限截止频率为f_H，限制f_L＜γτ＜f_H＜γΔT，τ为回波延时，以保证接收所属基础单元对应的回波的同时，滤除其它基础单元对应的回波。

所述收发控制模块采用FPGA的硬件平台。

所述数据传输模块为通用的FMC接口，采用MIPI协议与收发控制模块数据传输。

与现有技术相比，本发明综合考虑了系统成本和系统性能，实现了主动毫米波成像雷达方位向数据的快速接收，能够有效解决数据采集系统复杂度和数据采集速度的矛盾，保证了低复杂度下数据的快速采集，并保证了成像结果高清晰度高质量，具有很好的实际应有价值，能获得较好的市场经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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是本发明的主动毫米波成像雷达的数据采集系统的系统结构图；

图2是本发明应用实施例中基础单元天线阵等效的自发自收均匀线阵示意图；

图3是本发明应用实施例的一个基本构型的天线排布示意图；

图4是本发明的数据采集模块发射天线按时序工作示意图；

图5是本发明的前端生成回波差频示意图。

图中：1、数据采集模块；2、数据传输模块；3、收发控制模块；4、基本构型；5、发射天线；6、接收天线；7、基础单元；8、前端。

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。

本发明提供一种主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，用于方位向目标数据采集，如图1所示，包括：

本发明提供了一种主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，用于方位向目标数据采集，包括：

数据采集模块，包含P个相同的基本构型；所述基本构型包含两个不同的基础单元和两个相同的M发N收通用前端8；基础单元与通用前端8一一对应，所述基础单元包含M个相同的发射天线，N个相同的接收天线构成的收发天线阵；所述前端8产生发射信号，并通过对应基础单元发射天线向空间辐射；接收天线同时接收数据采集模块任一发射天线发射信号对应的回波；前端8采集所有回波，并对回波进行混频、滤波和放大；数据采集模块通过发射天线与接收天线的特定排布方式，实现目标的均匀照射，获得优质的成像效果；如图1所示，在本应用实施例中，所述数据采集模块由48个基本构型组成。整个数据采集模块包括96个通用前端8，192个发射天线，384个接收天线，组成了48个基本构型，单个基本构型能够实现16个通道的数据采集，因此整个数据采集模块能够共同完成768个通道的数据采集。这些通道数据能够保证方位向目标的均匀照射，从而减少成像结果的阴影，同时提供合适的孔径，实现目标的高分辨率成像。

收发控制模块，连接所述前端8，控制前端8按时序切换生成频分复用 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave调频连续波)发射信号，并对前端8采集的信号进行通道校正、残余相位补偿和距离向处理，同时根据时序切换顺序，实现回波信号的排序；所述收发控制模块采用FPGA的硬件平台；

数据传输模块，连接设置在前端8和收发控制模块之间，将前端8中转换为数字信号的回波差频信号传输给收发控制模块，并将收发控制模块的控制指令传输给前端8；所述数据传输模块为通用的FMC(FPGA Mezzanine Card FPGA中间层板卡)接口，采用MIPI(Mobile Industry Processor Interface 移动行业处理器接口)协议与收发控制模块数据传输。

所述发射天线与接收天线的特定排布方式为：基础单元内的M个发射天线和N个接收天线组成的天线阵满足MIMO(Multiple-Input Multiple-Output 多进多出)构型，能够等效为一个沿方位向M*N个阵元的自发自收均匀线阵；基础单元之间能够通过拼接完成自发自收均匀线阵的扩展，通过2P个基础单元的拼接能够获得一个沿方位向2P*M*N个阵元的自发自收均匀线阵。如图1、图3所示，所述MIMO构阵是指，基础单元内部发射天线阵(Tx₁、Tx₂或Tx₃、Tx₄)和接收天线阵(Rx₁、Rx₂、Rx₃、Rx₄或Rx₅、Rx₆、Rx₇、Rx₈)呈梯形布阵，接收天阵位于梯形较短的底边上，为间隔为d的均匀线阵，两个发射天线位于梯形较长的底边上，间隔为4d，发射天线Tx₁与其最近的接收天线Rx₁的距离为d/2；发射天线Tx₂与其最近的接收天线Rx₄的距离为d/2；基础单元与基础单元之间对应的阵列梯形交错分布，相邻基础单元距离最近的发射天线Tx₂和Tx₃在方位位置上对齐。如图2，基本构型形成的MIMO阵列等效为16个间隔为d/2的自发自收形成的均匀线阵(TRx₁、TRx₂……TRx₁₆)，图中， TRx₁为位于Tx₁与Rx₁等效相位中心的等效收发单元，TRx₂为位于Tx₁与Rx₂等效相位中心的等效收发单元，依此类推。所述发射天线与接收天线的特定排布方式为：基本单元内部的收发阵元存在垂直方向上的错位、相邻基础单元之间的收发天线阵元同样存在垂直方向上的错位，满足布阵空间尺寸要求的同时，保证等效相位中心位于沿方位向的同一条直线上。

一种主动毫米波成像雷达快速数据采集方法，采用如权利要求所述的数据采集系统实现的，包含步骤：

S1、收发控制模块向前端8发送控制指令，2p个前端8依序驱动对应基础单元的第i个发射天线工作；相邻两个前端8时延ΔT，一个前端8每次只驱动对应基础单元内的一个发射天线，当第i个发射天线工作时，同基础单元的其他发射天线不工作；每个基础单元的每个发射天线发射的信号波形均相同，如图5所示，Tx₁、Tx₂、Tx₃均发射带宽为B_t的调频连续波。

S2、每个基础单元第i个发射天线工作，工作时长均为T_sweep；

S4、每个基础单元的所有接收天线与所属基础单元的发射天线同时工作，同时接收工作时刻所有基础单元发射天线对应的回波信号，回波信号经对应前端8混频器自混频后转化为回波差频信号，通过滤波器滤波去除其它基础单元对应的回波差频信号，得到所属发射天线对应的回波差频信号，经放大后，转化为数字信号；具体的，第j个基础单元的发射天线，以γ为调频率，相对于第i个基础单元的接收天线，输出的FMCW差频信号频率为γ((j-i)ΔT+τ_j)，其中τ_j为相应发射天线、接收天线和目标之间组成的回波路径对应的回波延时。如图5所示，所有通用前端8均使用相同的带通滤波器，下限截止频率为f_L、上限截止频率为f_H，带宽为B_r，限制f_L＜γτ＜f_H＜γΔT，τ为回波延时，以保证接收所属基础单元对应的回波的同时，滤除其它基础单元对应的回波。如图5所示，在本应用实施例中，各个发射天线发射的信号都将对应一组回波，Tx₁的回波延时为τ₁，调频率为γ，所属接收天线接收并经处理后，回波差频将为γτ₁。对于延时ΔT发射的频分复用波形，额外引入的频率差为γΔT，若回波延时为τ₂，经Tx₁所属接收天线接收并处理后，回波差频将为γ(ΔT+τ₂)。令前端8低通滤波器下限截止频率为f_L，上限截止频率为 f_H。当第一个基础单元的滤波器，只要保证f_L＜γτ₁＜f_H＜γΔT，就可以实现所在基础单元各个通道自发自收信号的提取；最终完成方位向上的数据快速采集；

S5、数据传输模块将前端8中所述回波差频信号对应的数字信号，传输给收发控制模块；

S6、收发控制模块对前端8采集到的数字回波进行通道校正、残余相位补偿和距离向处理，同时根据时序切换顺序，实现回波信号的排序，并进行下一级的传输；

S7、当第2p个基础单元的第i个发射天线工作完毕，2p个前端8依序驱动所属基础单元第i+1个发射天线工作，进入S1；当第2p个基础单元的第M个发射天线工作完毕时，每个前端8驱动所属基础单元的第1个发射天线工作，进入S1。

在本应用实施例中，如图4所示，本应用实施例中，单个前端芯片内的两个发射天线分时工作，不同前端芯片数据采集存在延时ΔT，以实现不同前端8频分复用波形同时工作，在t₁时刻Tx₁发射持续时间T_sweep的FMCW波形，与此同时，其对应前端8的四个接收天线Rx₁、Rx₂、Rx₃和Rx₄实现FMCW回波的接收；ΔT时间后的t₂时刻，Tx₃发射持续时间T_sweep的FMCW波形，与此同时，其对应前端8的四个接收天线Rx₅、Rx₆、Rx₇和Rx₈实现FMCW回波的接收；ΔT时间后下一个发射天线发射射频信号，其对应的接收天线接收，直到96个奇数号发射天线Tx_n(n＝1、3、5····191)发射完毕，总共耗时T_sweep+95ΔT。

如图4，Tx₁发射完毕完后，在t₉₇时刻，Tx₂发射持续时间T_sweep的FMCW 波形，与此同时，其对应前端8的四个接收天线Rx₁、Rx₂、Rx₃和Rx₄实现 FMCW回波的接收，ΔT时间后的t₉₈时刻，Tx₄发射持续时间T_sweep的FMCW波形，与此同时，其对应前端8的四个接收天线Rx₅、Rx₆、Rx₇和Rx₈实现FMCW 回波的接收，ΔT时间后下一个发射天线发射射频信号，其对应的接收天线接收，直到96个偶数号发射天线Tx_n(n＝2、4、6····192)发射完毕，总共耗时 T_sweep+95ΔT。在t₁₉₃时刻Tx₁继续发射，重复上述步骤。

与现有技术相比，本发明采用时序切换FMCW体制和MIMO体制实现本了方位向目标数据的快速采集，极大地降低了数据采集时间。能够有效解决数据采集系统复杂度和数据采集速度的矛盾，保证了低复杂度下数据的快速采集，具有很好的实际应有价值，能获得较好的市场经济效益。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，用于方位向目标数据采集，其特征在于，包括：

数据采集模块，包含P个相同的基本构型；所述基本构型包含两个不同的基础单元和两个相同的M发N收通用前端；基础单元与通用前端一一对应，所述基础单元包含M个相同的发射天线，N个相同的接收天线构成的收发天线阵；所述前端产生发射信号，并通过对应基础单元发射天线向空间辐射；接收天线同时接收数据采集模块任一发射天线发射信号对应的回波；前端采集所有回波，并对回波进行混频、滤波和放大；数据采集模块通过发射天线与接收天线的特定排布方式，实现目标的均匀照射，获得优质的成像效果；

收发控制模块，连接所述前端，控制前端按时序切换生成频分复用FMCW发射信号，并对前端采集的信号进行通道校正、残余相位补偿和距离向处理，同时根据时序切换顺序，实现回波信号的排序；

数据传输模块，连接设置在前端和收发控制模块之间，将前端中转换为数字信号的回波差频信号传输给收发控制模块，并将收发控制模块的控制指令传输给前端。

2.如权利要求1所述的主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，其特征在于，所述发射天线与接收天线的特定排布方式为：基础单元内的M个发射天线和N个接收天线组成的天线阵满足MIMO构型，能够等效为一个沿方位向M*N个阵元的自发自收均匀线阵；基础单元之间能够通过拼接完成自发自收均匀线阵的扩展，通过2P个基础单元的拼接能够获得一个沿方位向2P*M*N个阵元的自发自收均匀线阵。

3.如权利要求2所述的主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，其特征在于，所述发射天线与接收天线的特定排布方式为：基本单元内部的收发阵元存在垂直方向上的错位、相邻基础单元之间的收发天线阵元同样存在垂直方向上的错位，满足布阵空间尺寸要求的同时，保证等效相位中心位于沿方位向的同一条直线上。

4.一种主动毫米波成像雷达快速数据采集方法，采用如权利要求所述的数据采集系统实现的，其特征在于，包含步骤：

S1、收发控制模块向前端发送控制指令，2p个前端依序驱动对应基础单元的第i个发射天线工作；相邻两个前端时延ΔT，一个前端每次只驱动对应基础单元内的一个发射天线，当第i个发射天线工作时，同基础单元的其他发射天线不工作；

S2、每个基础单元第i个发射天线工作，工作时长均为T_sweep；

S4、每个基础单元的所有接收天线与所属基础单元的发射天线同时工作，同时接收工作时刻所有基础单元发射天线对应的回波信号，回波信号经对应前端混频器自混频后转化为回波差频信号，通过滤波器滤波去除其它基础单元对应的回波差频信号，得到所属发射天线对应的回波差频信号，经放大后，转化为数字信号；

S5、数据传输模块将前端中转换为数字信号的回波差频信号，传输给收发控制模块；

S6、收发控制模块对前端采集到的数字回波进行通道校正、残余相位补偿和距离向处理，同时根据时序切换顺序，实现回波信号的排序，并进行下一级的传输；

S7、当第2p个基础单元的第i个发射天线工作完毕，2p个前端依序驱动所属基础单元第i+1个发射天线工作，进入S1；当第2p个基础单元的第M个发射天线工作完毕时，每个前端驱动所属基础单元的第1个发射天线工作，进入S1。

5.如权利要求4所述的主动毫米波成像雷达快速数据采集方法，其特征在于，步骤S1中所述的每个基础单元的每个发射天线发射的信号波形均相同。

6.如权利要求4所述的主动毫米波成像雷达快速数据采集方法，其特征在于，步骤S4中，第j个基础单元的发射天线，以γ为调频率，相对于第i个基础单元的接收天线，输出的FMCW差频信号频率为γ((j-i)ΔT+τ_j)，其中τ_j为相应发射天线、接收天线和目标之间组成的回波路径对应的回波延时。

7.如权利要求6所述的主动毫米波成像雷达快速数据采集方法，其特征在于，步骤S4中所有通用前端均使用相同的带通滤波器，下限截止频率为f_L、上限截止频率为f_H，限制f_L＜γτ＜f_H＜γΔT，τ为回波延时，以保证接收所属基础单元对应的回波的同时，滤除其它基础单元对应的回波。

8.如权利要求1所述的主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，其特征在于，所述收发控制模块采用FPGA的硬件平台。

9.如权利要求1所述的主动毫米波成像雷达快速数据采集系统，其特征在于，所述数据传输模块为通用的FMC接口，采用MIPI协议与收发控制模块数据传输。