CN109946748A - 应用于柱面扫描安检成像体制的稀疏阵列天线设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于柱面扫描安检成像体制的稀疏阵列天线设计方法，在进行柱面扫描安检成像时，对发射天线阵元和接收天线阵元的位置进行稀疏布设，确定发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构，沿阵列方向拼接，形成安检所需的稀疏线阵。本发明降低了柱面扫描人体安检成像系统硬件复杂度和数据量，同时不影响成像性能。

Description

应用于柱面扫描安检成像体制的稀疏阵列天线设计方法
技术领域
本发明涉及人体安检成像和雷达成像处理领域，尤其涉及应用于柱面扫描安检成像体制的稀疏阵列天线设计方法。
背景技术
毫米波人体安检三维成像技术市场应用前景广阔，已引起国际上相关政府和工业部门的高度重视，其应用技术也在不断发展之中。其中，主动式毫米波人体安检三维成像技术受环境干扰的影响较小，成像质量较高。
目前市场上应用较多的主动式毫米波安检系统为线阵柱面扫描型。为实现无模糊成像，系统需要采用满足奈奎斯特采样准则的均匀分布天线阵列，即天线辐射单元满足均匀半波长(λ/2)间隔分布。同时为避免干扰，采用两列线阵分别作为发射端和接收端。例如，设雷达工作频率为30吉赫兹，则长度为2m的线阵需要约800个天线辐射单元。这种阵列设计方法需要大量辐射单元，系统成本和系统复杂度非常高。
因此，针对以上不足，需要提供一种解决方法解决问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于：解决柱面扫描人体安检成像系统硬件复杂度和数据量大的问题；解决稀疏阵列引起的图像质量下降的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于柱面扫描安检成像体制的稀疏阵列天线设计方法，其改进之处在于：进行柱面扫描安检成像时，对发射天线阵元和接收天线阵元的位置进行稀疏布设，确定发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构，沿阵列方向拼接，形成安检所需的稀疏线阵。
其中：所述发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构均采用主动冗余线列阵布局。
其中：所述发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构均采用主动冗余线列阵布局时，设置天线阵元之间的最小间隔为λ，其中λ为波长；通过多发多收工作模式获得间隔为λ/2的满阵等效相位中心。
其中：所述发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构长度设置为Lzs，其值根据波数覆盖范围和目标大小选取。为满足人体三维成像要求，将最小结构沿阵列方向(人体高度方向)拼接形成长度为Lz的一维稀疏阵列。
其中：所述发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构均采用两个发射天线阵元和四个接收天线阵元构成的阵列布局。
其中：所述发射天线阵元间隔设置为4λ，接收天线阵元间隔设置为λ；在多发多收模式下产生8个等效相位中心；对此最小结构沿阵列方向拼接形成满足成像要求的一维稀疏线阵。
其中：所述发射天线阵元和接收天线阵元位于一列线阵，设置所述发射阵元位于阵列两端，个数设置为NT，阵元间隔设置为λ，设置所述接收阵元位于阵列中间，个数设置为NR，阵元间隔设置为NTλ/2，形成发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构。
其中：设置所述发射天线阵元与相邻的接收天线阵元间隔满足λ/2，通过多发多收工作模式产生的等效相位中心数量为NTNR，且以间隔λ/2均匀满阵分布。
其中：所述最小结构的长度根据波数覆盖范围和目标大小选取。为满足人体三维成像要求，将稀疏阵列最小结构沿阵列方向(高度方向)拼接，形成长度为Lz、间隔为λ/2的满阵等效相位中心。
其中：所述发射天线阵元和接收天线阵元紧邻布设，设置发射天线阵元位于阵列一端，阵元尺寸设置为D，发射天线阵元个数设置为NT，间隔设置为λ；接收天线阵元个数设置为NR，接收天线阵元间隔设置为2λ，构成发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构。
实施本发明的，具有以下有益效果：
可降低柱面扫描人体安检成像系统硬件复杂度和数据量，同时不影响成像性能。采用稀疏阵列布设方式，可降低柱面扫描人体安检成像系统硬件复杂度和成本，同时降低数据处理量。采用多发多收工作模式和等效相位中心原理，获取人体安检满采样回波数据，可避免稀疏采样带来的图像栅瓣和高副瓣问题。天线最小结构长度根据波数覆盖范围确定，同时根据观测目标大小，在阵列方向进行拼接，阵列长度设计灵活。
附图说明
图1为本发明实施例的柱面扫描人体安检三维成像几何示意图。
图2为本发明实施例的发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，采用主动冗余线列阵布局形成的稀疏线阵最小结构示意图。
图3为本发明实施例的发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，最小结构采用主动冗余线列阵布局，沿阵列方向拼接形成的稀疏线阵示意图。
图4为本发明实施例的发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，两个发射天线阵元和四个接收天线阵元的稀疏线阵最小结构示意图。
图5为本发明实施例的发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，两个稀疏线阵最小结构拼接示意图。
图6为本发明实施例的发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，三个稀疏线阵最小结构拼接示意图。
图7为本发明实施例的发射天线阵元和接收天线阵元位于一列线阵，发射天线阵元位于阵列两端，NT为2，NR为4时，对应的稀疏线阵最小结构示意图。
图8为本发明实施例的发射天线阵元和接收天线阵元位于一列线阵，发射天线阵元位于阵列两端，NT为4，NR为4时，对应的稀疏线阵最小结构示意图。
图9为本发明实施例的发射天线阵元和接收天线阵元紧邻布设，发射天线阵元位于阵列一端，对应的稀疏线阵最小结构和等效相位中心分布示意图。
图中，表示发射天线阵元的发射单元，表示接收天线阵元的接收单元，o为等效相位中心。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
图1为柱面扫描人体安检三维成像几何示意图，其中以人体安检场景中心为原点，建立笛卡尔坐标系，其中X方向(横向)代表方位向，Y方向代表距离向，Z方向(纵向)代表高度向。稀疏阵列天线沿高度向布设，长度为Lz。
本实施例提出的应用于柱面扫描安检成像体制的稀疏阵列天线设计方法，在进行柱面扫描安检成像时，对发射天线阵元和接收天线阵元的位置进行稀疏布设，确定发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构，沿阵列方向拼接，形成安检所需的稀疏线阵。具体的：
当发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵时，发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构设置成均采用主动冗余线列阵布局，设置天线阵元之间的最小间隔为λ，其中λ为波长；通过多发多收工作模式获得间隔为λ/2的满阵等效相位中心。发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构长度设置为Lzs，其值根据波数覆盖范围和目标大小选取。如图2和图3所示，为满足人体三维成像要求，将最小结构沿阵列方向(人体高度方向)拼接形成长度为Lz的一维稀疏阵列。该方法对应的稀疏阵列天线在有限长度内稀疏采样率最高，可大幅降低线阵所需辐射单元数量和系统复杂度，同时避免稀疏采样带来的图像栅瓣和高副瓣问题。
当发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵时，发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构设置为均采用两个发射天线阵元和四个接收天线阵元构成的阵列布局。发射天线阵元间隔设置为4λ，接收天线阵元间隔设置为λ；在多发多收模式下产生8个等效相位中心；对此最小结构沿阵列方向拼接形成满足成像要求的一维稀疏线阵。图4所示为两个发射天线阵元和四个接收天线阵元构成的最小结构，其中发射天线阵元间隔为4λ，接收天线阵元间隔为λ，收发单元分置于相邻平行的两列，在多发多收模式下产生8个等效相位中心。同样可对此结构沿阵列方向拼接形成满足成像要求的一维稀疏线阵。图5、图6所示为稀疏阵列拼接示意图。该方法对应的稀疏阵列天线具有最低的数据处理量和最高的数据利用率，且不影响系统成像性能。
当发射天线阵元和接收天线阵元位于一列线阵时，设置所述发射阵元位于阵列两端，个数设置为NT，阵元间隔设置为λ，设置所述接收阵元位于阵列中间，个数设置为NR，阵元间隔设置为NTλ/2，形成发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构。设置所述发射天线阵元与相邻的接收天线阵元间隔满足λ/2，通过多发多收工作模式产生的等效相位中心数量为NTNR，且以间隔λ/2均匀满阵分布。最小结构的长度Lzs根据波数覆盖范围和目标大小选取。为满足人体三维成像要求，将稀疏阵列最小结构沿阵列方向(高度方向)拼接，形成长度为Lz、间隔为λ/2的满阵等效相位中心。如图7和图8所示，分别为NT＝2，NR＝4和NT＝4，NR＝4，对应的稀疏线阵最小结构示意图，单元长度Lzs可根据波数覆盖范围和目标大小选取。为满足人体三维成像要求，可将稀疏阵列最小结构沿阵列方向(高度方向)拼接，拼接方式如图8，形成长度为Lz、间隔为λ/2的满阵等效相位中心。该方法对应的稀疏阵列天线具有最低的数据处理量和最高的数据利用率，且不影响系统成像性能。同时可根据观测目标大小在阵列方向进行拼接成像，阵列长度设计灵活。
当发射天线阵元和接收天线阵元紧邻布设，设置发射天线阵元位于阵列一端，阵元尺寸设置为D，发射天线阵元个数设置为NT，间隔设置为λ；接收天线阵元个数设置为NR，接收天线阵元间隔设置为2λ，构成发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构。以2发18收稀疏阵列为例，设发射阵元紧邻布设，接收阵元分布为[1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35]，对应的稀疏线阵最小结构和等效相位中心分布如图9所示，最小结构长度可根据波数覆盖范围和目标大小选取。该方法将发射天线阵元和接收天线阵元紧邻布设，有效降低系统复杂度，同时阵列长度可灵活设计，且不影响系统成像性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.应用于柱面扫描安检成像体制的稀疏阵列天线设计方法，其特征在于：进行柱面扫描安检成像时，对发射天线阵元和接收天线阵元的位置进行稀疏布设，确定发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构，沿阵列方向拼接，形成安检所需的稀疏线阵。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构均采用主动冗余线列阵布局。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：所述发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构均采用主动冗余线列阵布局时，设置天线阵元之间的最小间隔为λ，其中λ为波长；
通过多发多收工作模式获得间隔为λ/2的满阵等效相位中心。
4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：所述发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构长度设置为Lzs，其值根据波数覆盖范围和目标大小选取。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述发射天线阵元和接收天线阵元分别位于相邻的两列线阵，发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构均采用两个发射天线阵元和四个接收天线阵元构成的阵列布局。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：所述发射天线阵元间隔设置为4λ，接收天线阵元间隔设置为λ；
在多发多收模式下产生8个等效相位中心。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述发射天线阵元和接收天线阵元位于一列线阵，设置所述发射阵元位于阵列两端，个数设置为NT，阵元间隔设置为λ，设置所述接收阵元位于阵列中间，个数设置为NR，阵元间隔设置为NTλ/2，形成发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：设置所述发射天线阵元与相邻的接收天线阵元间隔满足λ/2，通过多发多收工作模式产生的等效相位中心数量为NTNR，且以间隔λ/2均匀满阵分布。
9.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：所述最小结构的长度根据波数覆盖范围和目标大小选取。
10.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述发射天线阵元和接收天线阵元紧邻布设，设置发射天线阵元位于阵列一端，阵元尺寸设置为D，发射天线阵元个数设置为NT，间隔设置为λ；接收天线阵元个数设置为NR，接收天线阵元间隔设置为2λ，构成发射天线阵元和接收天线阵元的最小结构。
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