CN112421244A - 用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列 - Google Patents

用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列 Download PDF

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CN112421244A CN202011199730.0A CN202011199730A CN112421244A CN 112421244 A CN112421244 A CN 112421244A CN 202011199730 A CN202011199730 A CN 202011199730A CN 112421244 A CN112421244 A CN 112421244A
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Abstract

本发明公开了用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列，涉及毫米波成像技术领域。该方法的一具体实施方式包括：基于稀疏采样准则沿直线排列的多个收发天线子阵列；其中，所述收发天线子阵列包括：沿第一直线排列的多个发射天线，和沿第二直线排列的多个接收天线；第一直线和第二直线平行；相邻两个收发天线子阵列中，前一个收发天线子阵列的尾部与后一个收发天线子阵列的首部共用一个发射天线；所述稀疏采样准则为：巴克码伪随机序列，或者M序列，或者格雷码伪随机序列。该实施方式能够在满足成像要求的情况下，大大降低产品成本，缩短扫描成像时间。

Description

用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列
技术领域
本发明涉及毫米波成像技术领域，尤其涉及一种用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列。
背景技术
现有技术在进行毫米波成像时，多采用稀疏多发多收的天线阵列，实现满足奈奎斯特采样定律的稀疏阵列采样。基于奈奎斯特采样定律进行采样时，要使连续信号采样后能够不失真，采用频率必须大于信号最高频率的两倍。天线阵列需要天线数量较多，且天线间距需要满足奈奎斯特采用定律，当工作频率较低时，物理实现难度不大，但是随着工作频率的提高，天线间隔变小，所需天线数目急剧增加，使得天线阵列的成本变高、扫描成像时间变长。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列，能够在满足成像要求的情况下，大大降低产品成本，缩短扫描成像时间。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列，包括：基于稀疏采样准则沿直线排列的多个收发天线子阵列；其中，
所述收发天线子阵列包括：沿第一直线排列的多个发射天线，和沿第二直线排列的多个接收天线；第一直线和第二直线平行；相邻两个收发天线子阵列中，前一个收发天线子阵列的尾部与后一个收发天线子阵列的首部共用一个发射天线；
所述稀疏采样准则为：巴克码伪随机序列，或者M序列，或者格雷码伪随机序列。
可选地，所述巴克码伪随机序列的长度为7位，码型为1110010；或者，所述巴克码伪随机序列的长度为11位，码型为11100010010；或者，所述巴克码伪随机序列的长度为13位，码型为1111100110101；其中，所述码型中的每个1由一个或多个所述收发天线子阵列相邻排列形成，所述码型中的0和1所占用的空间长度相同。
可选地，所述码型中的每个1对应的所述收发天线子阵列的数量小于所述多个收发天线子阵列总数量的三分之一。
可选地，第一直线上任意一个发射天线与第二直线上任意一个接收天线之间的连线与第一直线和第二直线不垂直。
可选地，每个收发对包括：第一直线上的一个发射天线，以及第二直线上与所述一个发射天线距离最近的多个接收天线；
Figure BDA0002754484480000021
式中，A代表每个收发天线子阵列中发射天线的数量，B代表每个收发天线子阵列中接收天线的数量；C代表每个收发对中接收天线的数量。
可选地，相邻两个等效采样点之间的采样间隔为0.2～0.8倍的电磁波波长，所述等效采样点为所述收发对中发射天线与每个接收天线之间连线的中点。
可选地，第一直线与第二直线之间的间隔小于三倍的电磁波波长；所述收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔小于两倍的电磁波波长、相邻两个发射天线之间的间隔为
Figure BDA0002754484480000022
式中，D代表收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔。
可选地，所述收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔为0.9倍电磁波波长。
可选地，所述收发天线子阵列还包括：电子开关，用于切换各个收发对；每个所述收发对包括：第一直线上的一个发射天线，以及第二直线上与所述一个发射天线距离最近的多个接收天线。
可选地，所述发射天线或所述接收天线为以下任意一种：角锥喇叭、圆锥喇叭、双模喇叭天线、贴片天线、微带阵列天线。
上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：收发天线子阵列中的发射天线和接收天线分别采用直线排列，成像效果好；多个收发天线子阵列基于稀疏采样准则沿直线排列，能够大大简化天线阵列的结构，降低天线数量，从而在满足成像要求的情况下，大大降低产品成本，缩短扫描成像时间；相邻两个收发天线子阵列中，前一个收发天线子阵列的尾部与后一个收发天线子阵列的首部共用一个发射天线，能够进一步简化天线阵列的结构，降低天线数量和天线阵列的成本。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明可选实施例中稀疏采样天线阵列的示意图；
图2是本发明一些实施例中收发天线子阵列的示意图；
图3是图2中相邻两个收发天线子阵列的示意图；
图4是本发明再一些实施例中收发天线子阵列的示意图；
图5是本发明另一些实施例中收发天线子阵列的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
图1是本发明可选实施例中稀疏采样天线阵列的示意图，如图1所示，
根据本发明实施例的用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列，包括基于稀疏采样准则沿直线排列的多个收发天线子阵列。稀疏采样准则为：巴克码伪随机序列，或者M序列(最长线性移位寄存器序列的简称)，或者格雷码(Gray code，一种准权码)伪随机序列。巴克码是一种二进制码组，它是一个非周期序列。巴克码中的每个码元的取值为1或0。其中，1由一个或多个收发天线子阵列相邻排列形成，每个码元所占用的空间长度相同，即0和1所占用的空间长度相同。
本发明实施例中，不是将所有的收发天线子阵列依次相邻地沿直线排列，而是基于稀疏采样准则沿直线排列。第一直线上的一个发射天线以及第二直线上与该一个发射天线距离最近的多个接收天线形成一个收发对。收发对中发射天线与每个接收天线之间连线的中点即为一个等效采样点。如图1所示，黑色填充的圆点为发射天线，黑色填充的方框为接收天线，等效采样点为填充黑色的三角形，无填充颜色的三角形为非采样点。本发明实施例中，由于多个收发天线子阵列基于稀疏采样准则沿直线排列，因此形成的各个等效采样点不满足奈奎斯特采样定律，多个收发天线子阵列通过切换收发对对线阵方向采样得到一系列等效采样点满足稀疏性。正是由于各个等效采样点满足稀疏性，因此稀疏采样天线阵列能够不受奈奎斯特采样定律的约束，从而可以大大简化天线阵列的结构，降低天线数量，在满足成像要求的情况下，大大降低产品成本，缩短扫描成像时间。本发明在阵列方向采用稀疏采样方式，能够降低阵列通道个数，由此降低后端射频通道成本。
稀疏采样准则，例如巴克码伪随机序列、或者M序列、或者格雷码伪随机序列，具体序列形式可以根据实际情况进行选择性设定。表1示出了可选实施例中的稀疏采样准则。
表1稀疏采样准则
Figure BDA0002754484480000051
可选地，巴克码伪随机序列的码型中，每个1对应的收发天线子阵列的数量小于多个收发天线子阵列总数量的三分之一。即，巴克码伪随机序列中1的数量大于3。如此能够在简化收发天线子阵列的结构的同时提高收发天线子阵列的成像效果。进一步地，巴克码伪随机序列的长度为7位，码型为1110010；或者，巴克码伪随机序列的长度为11位，码型为11100010010；或者，巴克码伪随机序列的长度为13位，码型为1111100110101；其中，码型中的每个1由一个或多个收发天线子阵列相邻排列形成，码型中的0和1所占用的空间长度相同。基于这种码型的巴克码伪随机序列排列的收发天线阵列，成像效果好。
收发天线子阵列包括：沿第一直线排列的多个发射天线，和沿第二直线排列的多个接收天线；第一直线和第二直线平行；相邻两个收发天线子阵列中，前一个收发天线子阵列的尾部与后一个收发天线子阵列的首部共用一个发射天线。在稀疏采样准则对应的序列中，首尾依次排列的两个收发天线子阵列为相邻收发天线子阵列；若两个收发天线子阵列之间间隔其他收发天线子阵列，或者两个收发天线子阵列之间间隔取值为0的码元，则这两个收发天线子阵列不是相邻收发天线子阵列。例如，码型中的每个1由一个收发天线子阵列相邻排列形成时，连续两个1对应的收发天线子阵列称为相邻收发天线子阵列；码型中的每个1由多个收发天线子阵列相邻排列形成时，每个1对应的连续的两个收发天线子阵列称为相邻收发天线子阵列，前一个1对应的最后一个收发天线子阵列与后一个1对应的首个收发天线子阵列称为相邻收发天线子阵列。
在图1示出的可选实施例中，稀疏采样天线阵列包括N个收发天线子阵列201～20N，收发天线子阵列201～20N以7位巴克码为随机序列的形式沿直线排列，伪随机序列中的“1”由1个收发天线子阵列构成，相邻排列的收发天线子阵列共用每个收发天线子阵列中的首尾两个发射天线。例如，收发天线子阵列201包括A个发射天线，分别为：发射天线201(T0)～201(TA-1)，收发天线子阵列202包括A个发射天线，分别为：发射天线202(T0)～202(TA-1)，收发天线子阵列201中的最后一个发射天线201(TA-1)与收发天线子阵列202的第一个发射天线202(T0)在相同位置，为同一个发射天线，该发射天线为两个收发天线子阵列所共用。再例如，收发天线子阵列202的最后一个发射天线202(TA-1)与收发天线子阵列203的第一个发射天线203(T0)为同一个发射天线。收发天线子阵列203和收发天线子阵列20N之间间隔取值为0的码元，因此收发天线子阵列203和收发天线子阵列20N不是相邻收发天线子阵列。
在图3示出的可选实施例中，收发天线子阵列201包括5个发射天线，分别为：发射天线201(T0)～201(T4)，收发天线子阵列202包括5个发射天线，分别为：发射天线202(T0)～202(T4)，收发天线子阵列201的最后一个发射天线201(T4)与收发天线子阵列202的第一个发射天线202(T0)为同一个发射天线。
相邻两个收发天线子阵列中，前一个收发天线子阵列的尾部与后一个收发天线子阵列的首部共用一个发射天线，能够进一步简化天线阵列的结构，降低天线数量和天线阵列的成本。
可选地，第一直线上任意一个发射天线与第二直线上任意一个接收天线之间的连线与第一直线和第二直线不垂直。本实施例中，每个收发天线子阵列中的发射天线与接收天线错位分布，能够提高稀疏采样天线阵列的成像效果。
本发明实施例的稀疏采样天线阵列可以通过切换不同收发对实现稀疏采样。每个收发对包括：第一直线上的一个发射天线，以及第二直线上与所述一个发射天线距离最近的多个接收天线。在可选的实施例中，
Figure BDA0002754484480000071
记为公式(1)。
式中，A代表每个收发天线子阵列中发射天线的数量，B代表每个收发天线子阵列中接收天线的数量；C代表每个收发对中接收天线的数量。
C的取值可以根据实际情况进行选择性设定，例如将C的取值设置为偶数。例如，第一直线中每个发射天线与第二直线中与该发射天线对应位置处的左侧0.5C个接收天线、以及右侧的0.5C个接收天线形成一个收发对。需要说明的是，本发明实施例中的C是指，发射天线在第二直线中对应位置处的左侧和右侧均有一定数量的接收天线的情况下，收发对中接收天线的数量。对于稀疏收发天线阵列的第一个和最后一个发射天线，以及连续排列的多个收发天线子阵列中的第一个和最后一个发射天线，与其形成一个收发对的接收天线的数量通常小于C个。例如，对于稀疏收发天线阵列的第一个发射天线，由于其在第二直线中对应位置处的左侧没有接收天线，因此，与其形成一个收发对的接收天线的数量为0.5C个，即在第二直线中对应位置处右侧的0.5C个接收天线。对于稀疏收发天线阵列的最后一个发射天线，由于其在第二直线中对应位置处的右侧没有接收天线，因此，与其形成一个收发对的接收天线的数量为0.5C个，即在第二直线中对应位置处左侧的0.5C个接收天线。
以图2示出的收发天线子阵列为例，该收发天线子阵列包含5个发射天线T0～T4、12个接收天线R1～R12。每个收发对中包括6个接收天线，即1发6收。其中，发射天线T1～T3对应的收发对中包含的接收天线的数量均为6个。
以图1示出的稀疏收发天线阵列为例，该稀疏收发天线阵列中的每个收发天线子阵列包含4个发射天线、3个接收天线。每个收发对中包括2个接收天线，即1发2收。其中，收发天线子阵列201中的第二个发射天线至收发天线子阵列203中的第三个发射天线、以及收发天线子阵列20N中的第二个发射天线和第三个发射天线对应的收发对中包含的接收天线的数量均为2个，收发天线子阵列201中的第一个发射天线、收发天线子阵列203中的第四个发射天线、收发天线子阵列20N中的第一个发射天线和第四个发射天线对应的收发对中包含的接收天线的数量均为1个。
通过使每个收发天线子阵列中发射天线和接收天线的数量、以及每个收发对中接收天线的数量满足上述公式(1)，能够提高稀疏收发天线阵列的成像效果。
连续排列的两个等效采样点为相邻收发天线子阵列；若两个等效采样点之间间隔其他等效采样点，或者两个等效采样点之间间隔取值为0的码元，则这两个等效采样点不是相邻收等效采样点。相邻两个等效采样点之间的间隔称为采样间隔。采样间隔越小，需要的天线数量越多，对应稀疏收发天线阵列的成本越高，成像效果越好。采样间隔的取值可以根据实际情况进行选择性设定。可选地，相邻两个等效采样点之间的采样间隔为0.2～0.8倍的电磁波波长。
第一直线与第二直线之间的间隔，以及收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔和相邻两个发射天线之间的间隔，均可以根据实际情况进行选择性设定。可选地，第一直线与第二直线之间的间隔小于三倍的电磁波波长；收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔小于两倍的电磁波波长、相邻两个发射天线之间的间隔为
Figure BDA0002754484480000081
式中，D代表收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔。采样这种间隔，能够提高稀疏采样天线阵列的成像效果。
收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔越小，成像效果越好，但是需要的天线数量越多，对应稀疏收发天线阵列的成本越高。可选地，所述收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔为0.9倍电磁波波长。在图2示出的可选实施例中，每个收发天线子阵列包含5个发射天线T0～T4、12个接收天线R1～R12。每个收发对中包括6个接收天线，即1发6收。第一直线与第二直线之间的间隔为10mm，收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔为10mm，相邻两个发射天线之间的间隔为30mm，收发天线子阵列中发射天线和接收天线形成24个等效采样点，采样间隔为5mm。在图4示出的可选实施例中，每个收发天线子阵列包含8个发射天线T0～T7、14个接收天线R1～R14。每个收发对中包括4个接收天线，即1发4收。第一直线与第二直线之间的间隔为10mm，收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔为10mm，相邻两个发射天线之间的间隔为20mm，收发天线子阵列中发射天线和接收天线形成28个等效采样点，采样间隔为5mm。在图5示出的可选实施例中，每个收发天线子阵列包含17个发射天线T0～T16、16个接收天线R1～R16。每个收发对中包括2个接收天线，即1发2收。第一直线与第二直线之间的间隔为10mm，收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔为10mm，相邻两个发射天线之间的间隔为20mm，收发天线子阵列中发射天线和接收天线形成32个等效采样点，采样间隔为5mm。
本发明实施例中的发射天线或接收天线的天线结构可以根据实际情况进行选择性设置，例如为以下任意一种：角锥喇叭、圆锥喇叭、双模喇叭天线、贴片天线、微带阵列天线。
本发明实施例中，收发天线子阵列还可以包括：电子开关，用于切换各个收发对。通过切换各个收发对，能够实现稀疏采样。假设C为偶数，在进行稀疏采样时，对每个收发天线子阵列重复以下4个步骤：
步骤1：在开始探测时，电子开关控制发射天线T0(即收发天线子阵列中的第一个发射天线)工作，其余发射天线关闭，同时控制接收天线R1工作；在下一时序逻辑，电子开关控制发射天线T0工作，同时控制接收天线R2工作；依次类推，直至第C/2个接收天线RC/2工作。
步骤2：控制发射天线Ti工作，依次切换第C/2*(i-1)+1到第C/2*(i+1)接收天线工作，其中0<i<A-1；i为整数；
步骤3：控制发射天线TA-1工作，依次切换第C/2*(A-2)+1到第C/2*(A-1)接收天线工作。
步骤4：记录所有收发天线组合工作时获取的数据，并标识每组数据的收发次序，将这些数据传送给数据处理单元进行相位校正。
电子开关的时序切换以图2中的1发6收的实施例为例，当收发天线子阵列前后没有其他阵列时，电子开关的控制逻辑如下表2所示：
表2电子开关的控制逻辑
Figure BDA0002754484480000101
当两个收发天线子阵列相邻排列时，如图3所示，共用首尾相连的发射天线201(T4)与发射天线202(T0)。则开关的控制逻辑为：天线子阵列201工作时，按照表2依次切换。天线子阵列202工作时，表2中的t1～t3时刻，发射天线202(T0)即为发射天线201(T4)。
在电子开关控制下，发射天线和接收天线组合工作，可以减少阵列通道个数40％～80％，缩短扫描成像时间，节省成像成本。本发明实施例的稀疏采样阵列可以应用到安检成像、区域监视雷达、无损检测、医疗成像等领域，以其低成本特性促进毫米波阵列成像技术的推广应用。
上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：收发天线子阵列中的发射天线和接收天线分别采用直线排列，成像效果好；多个收发天线子阵列基于稀疏采样准则沿直线排列，能够大大简化天线阵列的结构，降低天线数量，从而在满足成像要求的情况下，大大降低产品成本，缩短扫描成像时间；相邻两个收发天线子阵列中，前一个收发天线子阵列的尾部与后一个收发天线子阵列的首部共用一个发射天线，能够进一步简化天线阵列的结构，降低天线数量和天线阵列的成本。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于毫米波成像的稀疏采样天线阵列，其特征在于，包括：基于稀疏采样准则沿直线排列的多个收发天线子阵列；其中，
所述收发天线子阵列包括：沿第一直线排列的多个发射天线，和沿第二直线排列的多个接收天线；第一直线和第二直线平行；相邻两个收发天线子阵列中，前一个收发天线子阵列的尾部与后一个收发天线子阵列的首部共用一个发射天线；
所述稀疏采样准则为：巴克码伪随机序列，或者M序列，或者格雷码伪随机序列。
2.如权利要求1所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，所述巴克码伪随机序列的长度为7位，码型为1110010；或者，所述巴克码伪随机序列的长度为11位，码型为11100010010；或者，所述巴克码伪随机序列的长度为13位，码型为1111100110101；其中，所述码型中的每个1由一个或多个所述收发天线子阵列相邻排列形成，所述码型中的0和1所占用的空间长度相同。
3.如权利要求2所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，所述码型中的每个1对应的所述收发天线子阵列的数量小于所述多个收发天线子阵列总数量的三分之一。
4.如权利要求1所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，第一直线上任意一个发射天线与第二直线上任意一个接收天线之间的连线与第一直线和第二直线不垂直。
5.如权利要求4所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，每个收发对包括：第一直线上的一个发射天线，以及第二直线上与所述一个发射天线距离最近的多个接收天线；
Figure FDA0002754484470000011
式中，A代表每个收发天线子阵列中发射天线的数量，B代表每个收发天线子阵列中接收天线的数量；C代表每个收发对中接收天线的数量。
6.如权利要求5所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，相邻两个等效采样点之间的采样间隔为0.2～0.8倍的电磁波波长，所述等效采样点为所述收发对中发射天线与每个接收天线之间连线的中点。
7.如权利要求6所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，第一直线与第二直线之间的间隔小于三倍的电磁波波长；所述收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔小于两倍的电磁波波长、相邻两个发射天线之间的间隔为
Figure FDA0002754484470000021
式中，D代表收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔。
8.如权利要求7所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，所述收发天线子阵列中相邻两个接收天线之间的间隔为0.9倍电磁波波长。
9.如权利要求1所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，所述收发天线子阵列还包括：电子开关，用于切换各个收发对；每个所述收发对包括：第一直线上的一个发射天线，以及第二直线上与所述一个发射天线距离最近的多个接收天线。
10.如权利要求1-9任一所述的稀疏采样天线阵列，其特征在于，所述发射天线或所述接收天线为以下任意一种：角锥喇叭、圆锥喇叭、双模喇叭天线、贴片天线、微带阵列天线。
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