CN113009474B - 一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统，所述雷达天线包括发射器阵列和接收器阵列，发射器阵列包括若干竖直排列的发射阵列金属板；所述发射阵列金属板之间的间距与发射阵列金属板的面积呈线性关系，上端和下端两个发射阵列金属板之间的间距小于中间两个发射阵列金属板之间的间距；接收器阵列包括若干交错排列的接收阵列金属板，相邻所述接收阵列金属板之间呈90°。本发明采用阶梯式金属板阵列发射端以及转角金属板接收端，有效提升俯仰探测角；接收器阵列通过分析次相位差对人体的反射信号来估算人体在空间中的具体角度位置，当发射器阵列间隔为信号波的半波长时，可以得到最大探测角±90°。

Description

一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统

技术领域

本发明属于信息通信技术领域，具体地指一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，中国人口老龄化日益加重，截至2017年底，中国60岁及以上老年人口已达2.4亿，占总人口的17.3％，预计到2050年前后，中国老人人口数将达到4.87亿的峰值，占总人口的34.9％。人口老龄化的加剧，以及80、90年代独生子女所占比例的增大使得整个社会出现了大量的空巢老人。在一些大城市中，空巢老人所占比例已达30％，更有甚者达到了50％，空巢老人所占老年人的比例也在逐渐增加。每年65岁以上老人跌倒的概率为28％～35％，大于70岁的概率为32％～42％。由于老年人的身体状态进入到衰老期，身体的运动能力会大大降低，当老年人突然跌倒时，若不能得到及时救助，极易引发一系列并发症，如骨折、软组织挫伤、心脏震荡、脑血栓、心理创伤等。据统计，意外跌倒占老年人死亡原因的25％。因此，跌倒探测装置在家庭中使用越来越广泛，甚至每个房间都需要安装一个。

由于传统摄像头涉及隐私的问题，且受房间光线变化影响较大，毫米波雷达成为老年人跌倒检测的优质解决方案。然而传统毫米波雷达主要应用于检测物体距离，对物体具体大小分辨率较低，其精度难对物体的姿态进行探测，要满足检测人体姿态需要一种高精度、大探测角度毫米波雷达方案。

发明内容

本发明针对现有毫米波雷达技术中对物体探测的范围较小、分辨率较低的问题，提供了一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统。

为实现上述目的，本发明所设计的一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，包括发射器阵列和接收器阵列，其特殊之处在于，所述发射器阵列包括若干竖直排列的发射阵列金属板；所述发射阵列金属板之间的间距与发射阵列金属板的面积呈线性关系，上端和下端两个发射阵列金属板之间的间距小于中间两个发射阵列金属板之间的间距；所述接收器阵列包括若干交错排列的接收阵列金属板，相邻所述接收阵列金属板之间呈90°。采用阶梯式金属板阵列发射端以及转角金属板接收端，有效提升俯仰探测角。

进一步地，每个接收阵列金属板与传输线的俯仰角均为±45°，更好地接收各方向的反射波，消除接收端由驻波导致的接收盲点，保持接收端雷达增益在探测范围内是连续的，提高有效俯仰方向探测角度。

更进一步地，所述接收阵列金属板等距排列，相邻接收器阵列纵列的间距为毫米波的半波长的1.1～1.3倍，增大较大水平角度天线增益，增加有效水平方向探测角度。

更进一步地，所述发射器阵列中发射阵列金属板的面积由中间向上下两个方向逐级递减，中间发射阵列金属板的面积最大，上端和下端发射阵列金属板的面积最小。从而大幅中心发射信号波与上下两端信号波的互扰，提升发射器天线增益，同时提高接收端的信噪比。

更进一步地，所述发射器阵列和接收器阵列均为N列，N为大于等于2的自然数。发射器阵列和接收器阵列的数量可根据实际需求设计。

本发明还提出一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达系统，所述系统包括电路板和设置于电路板外部的雷达外壳，所述电路板上设置如上述的雷达天线、芯片和电路。

进一步地，所述雷达外壳内腔顶部与雷达天线之间的距离d_A满足：

d_A＝nλ₀/2

其中n＝1,2,3…，λ₀是毫米波在空气中的波长。

更进一步地，所述雷达外壳的厚度t满足：

其中n为正整数，在此方案中顶盖中心取2，顶盖边沿取1，c为光速，f为毫米波工作的平均频率，ε_r是外壳材料的介电常数。

更进一步地，所述雷达外壳的顶部外侧为圆弧结构，圆弧表面任意一点与顶盖底部之间的厚度d′满足：

d′＝d_Lcosθ

其中，d_L为雷达顶盖中心的外壳厚度，θ为圆弧表面选取的点与雷达外壳中轴线的夹角。

传统毫米波雷达天线均采用传统的半波长等距设计方式，该设计虽然可以保证较长的探测距离，但相对探测的水平角和俯仰角范围较小。在人体姿态检测中，运用传统天线设计可能需要多个雷达在不同位置协同探测，使成本倍增。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明中天线发射端阵列通过分析次相位差对人体的反射信号来估算人体在空间中的具体角度位置，当发射器阵列发射端间隔为信号波的半波长时，可以得到最大探测角±90°。

2、本发明通过设置天线接收端阵列中分列传输线两侧的金属板由水平角分别旋转45°，更好的接收个方向的反射波，提高有效探测角度。

3、本发明采用阶梯式金属板阵列发射端，有效提升信号强度和探测范围；同时此方案重新设计接收器纵列间距，使其为传统天线间距半波长1.1-1.3倍，最优化有效探测角和理论探测交间的关系，最大程度增加有效水平探测角。

4、本发明中设计的雷达外壳内腔顶部与雷达天线之间的距离使得天线发出的毫米波与反射回来的波具有相同的相位，反射波与发射波的互扰降到最低。

5、本发明中雷达外壳采用内平外凸式设计，可以增加毫米波的发射范围，有效提高雷达实际探测角度。

附图说明

图1为本发明一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线的结构示意图；

图2为本发明天线增益的模拟结果与实验结果的对比图；

图3为传统半波长距离天线与本方案天线增益对比图；

图4为本发明中雷达外壳的设计原理图；

图中：发射器阵列1，接收器阵列2，发射阵列金属板3，接收阵列金属板4，雷达外壳5，传输线6。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出的一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，包括发射器阵列1和接收器阵列2，发射器阵列1包括若干竖直排列的发射阵列金属板3；中间发射阵列金属板3距离相邻发射阵列金属板3之间的间隔为信号波的半波长，得到最大探测角±90°；接收器阵列2包括若干交错排列的接收阵列金属板4，每个接收阵列金属板4与传输线6的俯仰角均为±45°。

为了在空间中对人体进行准确定位探测，毫米波雷达需要同时测量的人体相对于雷达的角度以及距离。雷达天线的发射器阵列1通过发射阵列金属板3向人体发射微波信号，发射的微波信号接触到人体会返回至接收器阵列2，接收器阵列2由多个间距为“d”的接收阵列金属板4接收微波信号。如果人体相对雷达的角度是θ，则信号到达相邻接收器的距离差就为d*sin(θ)，此距离差导致微波信号到达不同接收器的相位差为其中λ是信号波的波长。而接收器阵列2通过分析次相位差对人体的反射信号来计算人体在空间中的具体角度位置。一般来说，接收器阵列能够探测到的角度与接收器间距“d”有关，理论最大探测角度为/>故当接收器间隔为信号波的半波长时，可以得到理论上最大理论探测角±90°。

在本发明的一个实施例中，发射器阵列1中发射阵列金属板3的面积由中间向上下两个方向逐级递减，中间发射阵列金属板3的面积最大，上端和下端发射阵列金属板3的面积最小。在本实施例中每一个发射器阵列1中发射阵列金属板3的面积呈三级分布，中间面积最大，向上、下两个方向分级递减30％。

在本发明的一个实施例中，发射阵列金属板3之间的间距与发射阵列金属板3的面积呈线性关系，上端和下端两个发射阵列金属板3之间的间距小于中间两个发射阵列金属板3之间的间距。在俯仰角方面，本发明通过设计发射器阵列1中同一发射阵列金属板3上每个金属板长短和宽度，有效提高探测器的俯仰探测角。由于在俯仰方向的探测波主要由发射器金属板的上下两端发出，本设计中，金属板的宽度由中间向上下两个方向逐步递减，同时金属板与金属板垂直方面间距同样向上下两个方向逐步递减，从而大幅中心发射信号波与上下两端信号波的互扰，提升发射器天线增益，同时提高接收端的信噪比。

在本发明的一个实施例中，接收器阵列2的接收阵列金属板4与传输线6轴线的夹角为±45°。接收器阵列2不同于发射器阵列1，经物体反射回接收端的毫米波的方向更复杂，如用传统的水平金属板设计，则接收端对非水平或垂直方向的毫米波的增益较小，本方案通过分列传输线6两边的接收阵列金属板4由水平角旋转45°，更好的接收各个方向的反射波，提高有效探测角度。

在本发明的一个实施例中，每一个接收器阵列2的两侧分别有5个等距离排列的接收阵列金属板4，相邻接收器阵列2纵列的间距为毫米波的半波长的1.1～1.3倍，则探测角的范围为±90°。水平角方面，由于实际的有效探测角由理论探测角和相应天线增益两方面同时影响，在大水平角度由于天线增益减小无法有效探测信号波，本发明方案通过增加接收器阵列2的横向间距，使理论探测角度减少，但大幅提天线在大水平角的增益，使有效探测角度达到最优。图2为本发明的天线增益的模拟结果与实验结果的对比。

传统毫米波雷达天线均采用传统的半波长等距设计方式，该设计虽然可以保证较长的探测距离，但相对探测的水平角和俯仰角范围较小。在人体姿态检测中，运用传统天线设计可能需要多个雷达在不同位置协同探测，使成本倍增。传统方案多接收器间采用等水平间距设计，如图3所示，本发明方案天线设计采用阶梯式金属板阵列发射端以及转角金属板接收端，有效提升俯仰探测角；本方案重新设计接收器列间距，使其大于传统天线间距半波长10％，最优化有效探测角和理论探测交间的关系，最大程度增加有效水平探测角。

基于上述雷达天线，本发明还提出一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达系统，包括电路板和设置于电路板外部的雷达外壳5。其中，电路板上设置有上述雷达天线，以及芯片和电路。

对于毫米波雷达系统，外壳可以有效保护雷达天线、电路以及芯片不受外界环境因素的干扰。一般情况下，外壳的形状、位置、材料等均会对雷达的辐射模式、最大探测角度、以及最远探测距离产生影响。所以，外壳在给予雷达系统结构支撑、防水、抗击的同时，将其对整个雷达系统的信号干扰降至最低。本发明通过结构设计，在最大程度减少毫米波在外壳表面反射以及在外壳材料中损耗的同时，通过增加天线盖表面曲率增加毫米波雷达的探测角度。

在毫米波雷达系统中，外壳厚度直接决定毫米波雷达工作效果。毫米波在外壳介质中的波长要小于在空气中传播时的波长，有外壳材料的介电常数决定。为达到最大的毫米波传输效果，根据物理模型可知外壳的厚度在等于毫米波半波长的整数倍时，毫米波在外壳介质材料中的波损耗最小。

在本发明的一个实施例中，雷达外壳5的厚度t的计算公式为：

其中n为正整数，在此方案中顶盖中心取2，顶盖边沿取1，c为光速，f为毫米波工作的平均频率，ε_r是外壳材料的介电常数。

本实施例采用聚碳酸酯外壳，材料的介电常数值为3.0，材料强度高、耐疲劳性、尺寸稳定、各种温度下蠕变小、耐热老化性好。

在本发明的一个实施例中，雷达外壳5的顶部外侧为圆弧结构，采用内平外凸式设计，其工作原理与凸透镜类似，发射的毫米波通过天线盖向外以更大角度发散，可以有效增加毫米波雷达实际探测角度。如图4所示，为了保证表面弧线作为一个动态函数曲线，满足在θ角度上，波在顶盖传播的距离与垂直入射相同，雷达外壳5的顶部外侧为圆弧结构，圆弧表面任意一点与顶盖底部之间的厚度d′满足：

d′＝d_Lcosθ

其中，d_L为雷达顶盖中心的外壳厚度，θ为圆弧表面选取的点与雷达外壳中轴线的夹角。球面中心外壳厚度为5.4mm,最外延厚度为2.7mm，均为根据64GHz毫米波半波长和材料介电常数得出的最优解。

同时由于发射的毫米波碰触到天线外盖会发生反射，为最大限度降低顶部天线盖表面对发射信号波的反射，本实施例中顶盖与天线的距离为19mm，为信号波的在空气中半波长的整数倍，也就是雷达外壳内腔顶部与雷达天线之间的距离d_A满足：

d_A＝nλ₀/2

其中n＝1,2,3…，λ₀是毫米波在空气中的波长。此时，天线发出的毫米波与反射回来的波具有相同的相位，反射波与发射波的互扰也降到最低。

本发明提出的天线系统通过对外壳结构形状的精密设计，提出了针对64GHz毫米波雷达电路系统外壳设计最优化方案，使外壳对64GHz毫米波雷达雷达信号波的反射及损耗达到最小，并通过特有的凸面设计，在保证信号波直接互扰不增加的情况下增加毫米波雷达的探测角度。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达系统，所述系统包括电路板和设置于电路板外部的雷达外壳(5)，所述电路板上设置有大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线、芯片和电路；

所述大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，包括发射器阵列(1)和接收器阵列(2)，其特征在于：所述发射器阵列(1)包括若干竖直排列的发射阵列金属板(3)；所述发射器阵列(1)中发射阵列金属板(3)的面积由中间向上下两个方向逐级递减，中间发射阵列金属板(3)的面积最大，上端和下端发射阵列金属板(3)的面积最小；所述接收器阵列(2)包括若干交错排列的接收阵列金属板(4)，相邻所述接收阵列金属板(4)之间呈90°，每个接收阵列金属板(4)与传输线(6)的俯仰角均为±45°；

所述发射阵列金属板(3)之间的间距与发射阵列金属板(3)的面积呈线性关系，上端和下端两个发射阵列金属板(3)之间的间距小于中间两个发射阵列金属板(3)之间的间距；所述接收阵列金属板(4)等距排列，相邻接收器阵列(2)纵列的间距为毫米波半波长的1.1～1.3倍；

毫米波雷达同时测量人体相对于雷达的角度以及距离，雷达天线的发射器阵列(1)通过发射阵列金属板(3)向人体发射微波信号，发射的微波信号接触到人体返回至接收器阵列(2)，接收器阵列(2)由多个间距为d的接收阵列金属板(4)接收微波信号，如果人体相对雷达的角度是θ，则信号到达相邻接收器的距离差就为d*sin(θ)，此距离差导致微波信号到达不同接收器的相位差为其中λ是信号波的波长，而接收器阵列(2)通过分析次相位差对人体的反射信号来计算人体在空间中的具体角度位置；

所述雷达外壳(5)内腔顶部与雷达天线之间的距离d_A满足

d_A＝nλ₀/2

其中n＝1,2,3…，λ₀是毫米波在空气中的波长；

由于发射的毫米波碰触到天线外盖会发生反射，为最大限度降低顶部天线盖表面对发射信号波的反射，所述雷达外壳(5)的顶部厚度t满足：

其中n为正整数，顶盖中心取2，顶盖边沿取1，c为光速，f为毫米波工作的平均频率，ε_r是外壳材料的介电常数；

为了保证表面弧线作为一个动态函数曲线，满足在θ角度上，波在顶盖传播的距离与垂直入射相同，所述雷达外壳(5)的顶部外侧为圆弧结构，圆弧表面任意一点与顶盖底部之间的厚度d′满足：

d′＝d_Lcosθ

其中，d_L为雷达顶盖中心的外壳厚度，θ为圆弧表面选取的点与雷达外壳(5)中轴线的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达系统，其特征在于：所述发射器阵列(1)和接收器阵列(2)均为N列，N为大于等于2的自然数。