CN112099101B - 一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计 - Google Patents

一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，所述布局设计采用稀疏天线阵列，包括两排发射天线阵列和两排接收天线阵列，所述发射天线阵列和所述接收天线阵列分离，所述发射天线阵列和接收天线阵列相邻，两排所述发射天线阵列相对，两排所述接收天线阵列相对，两排所述发射天线阵列和两排所述接收天线阵列围成区域内形成等效相位中心阵列。本发明的布局设计，根据等效相位中心原理，实现快速安检成像的稀疏阵列布局，所需要的发射天线阵元、接收天线阵元数量较少，保证人体成像质量的前提下，最大化提高稀疏阵列的利用率，在实际的安检成像系统中，提高了毫米波安检成像速率，降低了毫米波安检成像系统的复杂度。

Description

一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计
技术领域
本发明属于毫米波雷达成像技术领域，具体涉及一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计。
背景技术
近年来，随着国际国内反恐形势日益严峻，安检问题成为世界各国普遍关注的问题，毫米波成像技术在安检领域得到了世界范围内的关注和研究。
毫米波频率高，辐射低能够穿透衣服，且金属、粉末、陶瓷刀、液体等不同种类的物品在毫米波下具有不同的散射特性，因此在安检领域毫米波成像技术是一种有效的检测技术。毫米波安检成像系统不仅可以检测出织物下隐匿的金属物品，还可以检测出塑料手枪，液体炸药等危险品，且在一定发射功率下对人体无电磁辐射危害。使用毫米波安检成像技术可以获得较为详细的目标图像信息，能大大地降低漏检率和误警率，减少安检人员的安检压力。传统的毫米波安检成像系统一般采用机械扫描式，由均匀分布的线性实孔径天线阵列实现一维成像，一维天线阵列经过机械控制均匀移动实现二维阵列成像。
但是，传统的毫米波安检成像系统存在两个缺点，第一是机械扫描式天线阵列的阵元利用率不高，第二是机械扫描式第二维成像由机械带动天线阵列扫描，扫描花费时间长，且会产生机械抖动问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计。
本发明的一个实施例提供了一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，该用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计包括：
所述布局设计采用稀疏天线阵列，包括两排发射天线阵列和两排接收天线阵列，所述发射天线阵列和所述接收天线阵列分离，所述发射天线阵列和接收天线阵列相邻，两排所述发射天线阵列相对，两排所述接收天线阵列相对，两排所述发射天线阵列和两排所述接收天线阵列围成区域形成等效相位中心阵列。
在本发明的一个实施例中，每排所述接收天线阵列包括若干接收天线阵元，所述若干接收天线阵元以第一等间距排布且无间断。
在本发明的一个实施例中，每排所述发射天线阵列包括若干发射天线阵元，所述若干发射天线阵元以第二等间距排布且无间断。
在本发明的一个实施例中，所述等效相位中心阵列包括若干等效相位中心，每个所述等效相位中心为一所述发射天线阵元和一所述接收天线阵元连线的中点。
在本发明的一个实施例中，两排所述接收天线阵列水平排布，两排所述发射天线阵列竖直排布，所述等效相位中心阵列内的等效相位中心在水平方向以第三间距排布且无间断，所述等效相位中心阵列边界在竖直方向距所述接收天线阵列为第四间距，且所述等效相位中心在竖直方向以第五间距排布且无间断，所述等效相位中心阵列边界在水平方向距所述发射天线阵列为第六间距。
在本发明的一个实施例中，两排所述接收天线阵列竖直排布，两排所述发射天线阵列水平排布，所述等效相位中心阵列内的等效相位中心在水平方向以所述第五间距排布且无间断，所述等效相位中心阵列边界在竖直方向距所述发射天线阵列为所述第六间距，且所述等效相位中心在竖直方向以所述第三间距排布且无间断，所述等效相位中心阵列边界在水平方向距所述接收天线阵列为所述第四间距。
在本发明的一个实施例中，所述等效相位中心阵列中每个等效相位中心的位置是根据雷达天线阵列二维平面尺寸、所述第三间距、所述第四间距、所述第五间距和所述第六间距确定。
在本发明的一个实施例中，所述第三间距、所述第四间距、所述第五间距和所述第六间距根据工作波长来确定。
在本发明的一个实施例中，所述第三间距、所述第四间距、所述第五间距和所述第六间距根据天线的3dB波束宽度和所述工作波长来确定。
在本发明的一个实施例中，所述第一间距和所述第二间距根据所述第三间距和所述第五间距确定，且所述稀疏天线阵列中每个发射天线阵元、每个接收天线阵元的位置是根据所述等效相位中心阵列中每个等效相位中心的位置确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，根据等效相位中心原理，实现快速安检成像的稀疏阵列布局，采用天线阵元利用率高的稀疏阵列布局，所需要的发射天线阵元、接收天线阵元数量较少，保证人体成像质量的前提下，最大化提高稀疏阵列的利用率，在实际的安检成像系统中，提高了毫米波安检成像速率，降低了毫米波安检成像系统的复杂度。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计示意图；
图2为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计中发射天线阵元和接收天线阵元连线形成等效相位中心阵列示意图；
图3为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计中雷达天线辐射示意图；
图5为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计中等效相位中心阵列示意图；
图6为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计一实例示意图；
图7为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局中一实例等效相位中心阵列示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计示意图。本发明实施例提供了一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，该用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计包括：
布局设计采用稀疏天线阵列，该稀疏天线阵列包括两排发射天线阵列和两排接收天线阵列，发射天线阵列和接收天线阵列相分离，发射天线阵列和接收天线阵列相邻，两排发射天线阵列相对，两排接收天线阵列相对，两排发射天线阵列和两排接收天线阵列围成区域形成等效相位中心阵列。具体地：
相对排布的两排接收天线阵列中，每排接收天线阵列包括若干接收天线阵元，若干接收天线阵元以第一等间距排布且无间断；相对排布的两排发射天线阵列中，每排发射天线阵列包括若干发射天线阵元，若干发射天线阵元以第二等间距排布且无间断；等效相位中心阵列由两排发射天线阵列和两排接收天线阵列围成，等效相位中心阵列包括若干等效相位中心，每个等效相位中心为一发射天线阵元和一接收天线阵元连线的中点，请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计中发射天线阵元和接收天线阵元连线形成等效相位中心阵列示意图，可见，本实施例等效相位中心阵列中任意一发射天线阵元和任意一接收天线阵元连线，取该连线的中点作为等效相位中心。
本实施例两排发射天线阵列和两排接收天线阵列分两种排布方式：两排发射天线阵列水平排布、两排接收天线阵列竖直排布，两排接收天线阵列水平排布、两排发射天线阵列竖直排布。当两排接收天线阵列水平排布、两排发射天线阵列竖直排布时，等效相位中心阵列内的等效相位中心在水平方向以第三间距排布且无间断，等效相位中心阵列边界在竖直方向距接收天线阵列为第四间距，且等效相位中心在竖直方向以第五间距排布且无间断，等效相位中心阵列边界在水平方向距发射天线阵列为第六间距；当两排接收天线阵列竖直排布、两排发射天线阵列水平排布，等效相位中心阵列内的等效相位中心在水平方向以第五间距排布且无间断，等效相位中心阵列边界在竖直方向距发射天线阵列为第六间距，且等效相位中心在竖直方向以第三间距排布且无间断，等效相位中心阵列边界在水平方向距接收天线阵列为第四间距。本实施例第三间距、第五间距可相同，可不相同，优选地，本实施例第一间距为第三间距两倍，第六间距为第三间距的二分之一，第二间距为第五间距的两倍，第四间距为第五间距的二分之一。
本实施例等效相位中心阵列中每个等效相位中心的位置是根据雷达天线阵列二维平面尺寸、第三间距、第四间距、第五间距和第六间距确定。其中，第三间距、第四间距、第五间距和第六间距可以根据工作波长来确定，也可以根据天线的3dB波束宽度和工作波长共同来确定，从而根据雷达天线阵列二维平面尺寸、第三间距、第四间距、第五间距和第六间距等效相位中心阵列中每个等效相位中心的位置，进而确定稀疏天线阵列中每个发射天线阵元、每个接收天线阵元的位置。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计流程示意图，本实施例用于毫米波安检成像稀疏天线阵列布局设计的实现可以包括以下步骤：
步骤1、确定毫米波雷达工作中心频率，通过该中心频率确定电磁波的工作波长，确定雷达天线阵列二维平面设计尺寸。
具体而言，本实施例毫米波雷达通常指雷达工作中心频率在30～300GHz的电磁波，毫米波雷达工作中心频率设计为f，根据电磁波工作中心频率f和工作波长λ的关系可以计算出毫米波雷达的工作波长为：λ＝c/f，c表示电磁波在空间中的传播速度。雷达天线阵列二维平面设计尺寸L×N，其中，L为雷达天线阵列二维平面水平方向尺寸大小，N为雷达天线阵列二维平面竖直方向尺寸大小。
步骤2、确定发射/接收天线阵元的3dB波束宽度，根据发射/接收天线阵元的3dB波束宽度确定第三间距、第四间距、第五间距和第六间距的取值范围。
具体而言，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计中雷达天线辐射示意图，本实施例根据发射/接收天线阵元的3dB波束宽度，计算信号到相邻两个发射/接收天线阵元的波程差ΔR＝d*sinθ，d为第三间距或者第五间距，θ为发射/接收天线阵元的3dB入射角，具体θ取值为发射/接收天线阵元的3dB波束宽度的二分之一。为了满足空间采样定律，使得成像不模糊，要求波程差ΔR≤λ/2，得到公式：dsinθ≤λ/2，从而可以计算出：
Figure BDA0002632057890000071
本实施例等效相位中心的第三间距和第五间距不能大于计算得到的范围，若大于计算得到的范围则会产生空间成像模糊的问题。根据发射/接收天线阵元的3dB波束宽度确定第三间距和第五间距的取值范围后，再根据第三间距和第五间距的取值范围确定第四间距和第六间距的取值范围。
通常在不考虑发射/接收天线波束宽度的情况下，第三间距和第五间距的取值范围为小于或等于λ/2，直接根据工作波长来确定第三间距和第五间距的取值范围，再根据第三间距和第五间距的取值范围确定第四间距和第六间距的取值范围。
步骤3、根据雷达天线阵列二维平面尺寸、第三间距、第四间距、第五间距和第六间距的取值范围，计算等效相位中心矩阵的行数和列数，在雷达天线阵列二维平面中确定等效相位中心矩阵中每个等效相位中心的位置。
具体而言，本实施例根据步骤2中计算出的第三间距、第四间距、第五间距、第六间距和在步骤1中确定的雷达天线阵列二维平面尺寸L×N，计算在雷达天线阵列二维平面中等效相位中心矩阵的行数和列数，当两排接收天线阵列水平排布、两排发射天线阵列竖直排布时，等效相位中心矩阵的列数为L除以第三间距，等效相位中心矩阵的行数为N除以第五间距，进而计算最终等效相位中心矩阵中等效相位中心在水平方向等间距排布的第三间距，等效相位中心在竖直方向最终等间距排布的第五间距，以及等效相位中心矩阵边界距接收天线阵列的第四间距，等效相位中心矩阵边界距发射天线阵列的第六间距，当两排发射天线阵列水平排布、两排接收天线阵列竖直排布时，等效相位中心矩阵的列数为L除以第五间距，等效相位中心矩阵的行数为N除以第三间距，进而计算等效相位中心矩阵中等效相位中心在水平方向等间距排布的第五间距，等效相位中心在竖直方向等间距排布的第三间距，以及等效相位中心矩阵边界距接收天线阵列的第六间距，等效相位中心矩阵边界距发射天线阵列的第四间距。等效相位中心矩阵排布于雷达天线阵列二维平面的中心位置，其到雷达天线阵列二维平面的边界距离上下对称、左右对称，从而在雷达天线阵列二维平面中确定等效相位中心矩阵中每个等效相位中心的位置，在雷达天线阵列二维平面内形成等效相位中心阵列，请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计中等效相位中心阵列示意图。
步骤4、根据每个等效相位中心位置确定稀疏天线阵列中每个发射天线阵元、每个接收天线阵元的位置。
具体而言，本实施例将发射天线阵列和接收天线阵列分别排布在等效相位中心阵列四侧，发射天线阵列与发射天线阵列相对，位于等效相位中心阵列左右两侧(竖直方向)或上下两侧(水平方向)，接收天线阵列与接收天线阵列相对，位于等效相位中心上下两侧或左右两侧，根据步骤3计算得到的等效相位中心的第三间距和第五间距，当两排接收天线阵列水平排布、两排发射天线阵列竖直排布时，确定接收天线阵列中每个接收天线阵元排布的第一间距为两倍的第三间距，发射天线阵列中每个发射天线阵元排布的第二间距为两倍的第五间距，接收天线阵列距等效相位中心阵列边界的距离第四间距为第五间距的二分之一，发射天线阵列距等效相位中心阵列边界的距离第六间距为第三间距的二分之一，当两排发射天线阵列水平排布、两排接收天线阵列竖直排布时，确定接收天线阵列中每个接收天线阵元排布的第一间距为两倍的第五间距，发射天线阵列中每个发射天线阵元排布的第二间距为两倍的第三间距，接收天线阵列距等效相位中心阵列边界的距离第六间距为第三间距的二分之一，发射天线阵列距等效相位中心阵列边界的距离第四间距为第五间距的二分之一，每个发射天线阵列和接收天线阵列位于所在侧的中心位置上下或左右对称，从而确定接收天线阵列中每个接收天线阵元和发射天线阵列中每个发射天线阵元的位置，请再参见图1，实现了最终用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局的设计。
为了进一步说明本实施例用于毫米波安检成像稀疏天线阵列布局设计，下面结合仿真数据对本申请的效果做进一步说明，请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计一实例示意图，验证过程中以两排接收天线阵列水平排布、两排发射天线阵列竖直排布为例，具体地：
本实施例仿真过程中采用的毫米波安检成像的参数如表1所示。
表1毫米波安检成像的参数
Figure BDA0002632057890000101
则本实施例步骤1的所述毫米波雷达工作中心频率f已在表1中给出，电磁波在空间中的传播速度c＝3e8m/s，雷达工作中心频率f确定电磁波的工作波长λ＝c/f，可以计算出毫米波雷达工作波长λ为3.896mm，雷达天线阵列二维平面设计尺寸L×N，其中，L为雷达天线阵列二维平面水平方向尺寸大小，N为雷达天线阵列二维平面竖直方向尺寸大小，L、N根据实际情况取值，由表1可知本实施例雷达天线阵列二维平面尺寸大小为40mm×40mm大小的矩形。
本实施例步骤2中确定发射/接收天线阵元的3dB波束宽度，表1中接收和发射天线为同一参数天线，由表1可知接收/发射天线阵元水平3dB波束宽度
Figure BDA0002632057890000104
均为60°，接收/发射天线阵元竖直3dB波束宽度
Figure BDA0002632057890000105
均为60°，在本实施例中，接收/发射天线阵元的3dB波束宽度均为60°，则接收/发射天线阵元的3dB波束均从-30°到30°。根据图4，接收/发射天线阵元的3dB入射角度θ均为30°，则根据等效相位中心的间距
Figure BDA0002632057890000102
可以计算出最大等效相位中心水平方向的第三间距d1和竖直方向的第五间距d2，步骤1计算得到的工作波长λ为3.896mm，则本实施例第三间距d1和第五间距d2均取值为0～3.896mm，第四间距d2/2和第六间距d1/2取值均为0～1.948mm。其中，接收/发射天线阵元3dB波束宽度
Figure BDA0002632057890000103
可相同，可不相同，接收/发射天线阵元3dB波束宽度
Figure BDA0002632057890000111
可相同，可不相同，接收/发射天线阵元3dB波束宽度
Figure BDA0002632057890000112
和接收/发射天线阵元3dB波束宽度
Figure BDA0002632057890000113
可相同，可不相同。
本实施例步骤3根据步骤2计算出的最大等效相位中心水平方向的第三间距d1和竖直方向的第五间距d2和在步骤1中确定的雷达天线阵列二维平面尺寸40mm×40mm，从而计算雷达天线阵列二维平面中，水平方向等效相位中心的个数L/d1＝40/3.896＝10.2个，根据实际情况，等效相位中心水平方向个数向上取2的倍数，即此处取水平方向等效相位中心个数为12个，由此参数计算得到最终等效相位中心水平方向第三间距d1为L/12＝3.33mm，满足步骤2中等效相位中心水平方向取值范围0～3.896mm的要求；同理竖直方向等效相位中心的个数N/d2＝40/3.896＝10.2个，计算得到最终等效相位中心竖直方向第五间距d2为N/12＝3.33mm，竖直方向等效相位中心的个数取12也满足设计要求。雷达天线阵列二维平面中水平方向以第三间距d1、竖直方向以第五间距d2等间距排布了12×12个等效相位中心，形成等效相位中心阵列，请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局中一实例等效相位中心阵列示意图。
本实施例步骤4根据步骤3设计得到的等效相位中心阵列排布图，在等效相位中心阵列排布图的外侧四周放置两排发射天线阵列和两排接收天线阵列，发射天线阵列与发射天线阵列相对，位于等效相位中心阵列左右两侧，接收天线阵列与接收天线阵列相对，位于等效相位中心上下两侧，发射天线阵列和接收天线阵列相分离，发射天线阵列和接收天线阵列相邻，根据步骤3计算得到的第三间距d1＝3.33mm确定接收天线阵列中接收天线阵元之间的间距为6.66mm(两倍的第三间距d1)，根据第五间距d2＝3.33mm确定发射天线阵列中发射天线阵元之间的间距为6.66mm(两倍的第五间距d2)。每个发射天线阵列和接收天线阵列位于所在侧的中心位置，上下或左右对称，接收天线阵列距等效相位中心阵列边界的距离第四间距d2/2＝1.66mm，发射天线阵列距等效相位中心阵列边界的距离第六间距d1/2＝1.66mm，从而确定接收天线阵列中每个接收天线阵元和发射天线阵列中每个发射天线阵元的分布位置，请再参见图6，以完成用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计。
综上所述，本实施例提供的用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，根据等效相位中心原理，在发射天线阵元和接收天线阵元的中间位置产生等效相位中心，实现快速安检成像的稀疏阵列布局，采用天线阵元利用率高的稀疏阵列布局，在雷达天线阵列二维平面内实现等效相位中心满足设计需求前提下，所需要的发射天线阵元、接收天线阵元数量较少，保证人体成像质量的前提下，最大化提高稀疏阵列的利用率，在实际的安检成像系统中，提高毫米波安检成像速率，降低毫米波安检成像系统的复杂度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，其特征在于，所述布局设计采用稀疏天线阵列，包括两排发射天线阵列和两排接收天线阵列，所述发射天线阵列和所述接收天线阵列分离，所述发射天线阵列和接收天线阵列相邻，两排所述发射天线阵列相对，两排所述接收天线阵列相对，两排所述发射天线阵列和两排所述接收天线阵列围成区域形成等效相位中心阵列；
每排所述接收天线阵列包括若干接收天线阵元，所述若干接收天线阵元以第一间距排布且无间断；每排所述发射天线阵列包括若干发射天线阵元，所述若干发射天线阵元以第二间距排布且无间断；所述等效相位中心阵列包括若干等效相位中心，每个所述等效相位中心为一所述发射天线阵元和一所述接收天线阵元连线的中点；其中，
两排所述接收天线阵列水平排布，两排所述发射天线阵列竖直排布，所述等效相位中心阵列内的等效相位中心在水平方向以第三间距排布且无间断，所述等效相位中心阵列边界在竖直方向距所述接收天线阵列为第四间距，且所述等效相位中心在竖直方向以第五间距排布且无间断，所述等效相位中心阵列边界在水平方向距所述发射天线阵列为第六间距；
第一间距为第三间距两倍，第六间距为第三间距的二分之一，第二间距为第五间距的两倍，第四间距为第五间距的二分之一。
2.根据权利要求1所述的用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，其特征在于，所述等效相位中心阵列中每个等效相位中心的位置是根据雷达天线阵列二维平面尺寸、所述第三间距、所述第四间距、所述第五间距和所述第六间距确定。
3.根据权利要求2所述的用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，其特征在于，所述第三间距、所述第四间距、所述第五间距和所述第六间距根据工作波长来确定。
4.根据权利要求3所述的用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，其特征在于，所述第三间距、所述第四间距、所述第五间距和所述第六间距根据天线的3dB波束宽度和所述工作波长来确定。
5.根据权利要求4所述的用于毫米波安检成像的稀疏天线阵列布局设计，其特征在于，所述第一间距和所述第二间距根据所述第三间距和所述第五间距确定，且所述稀疏天线阵列中每个发射天线阵元、每个接收天线阵元的位置是根据所述等效相位中心阵列中每个等效相位中心的位置确定。
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