基于MIMO的成像仪天线布局方法、阵列及成像检测方法

技术领域

本发明涉及毫米波成像领域，具体地涉及一种基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列布局方法、一种基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列和一种采用基于MIMO稀疏天线阵列的成像仪天线阵列的成像检测方法。

背景技术

为获得良好的检测效果，毫米波安检成像仪需要足够高的成像分辨率及信噪比。为覆盖足够的成像面积，毫米波安检成像仪需要足够大的阵列孔径。为抑制成像模糊现象，天线采样间隔ds需小于λ

为覆盖整个阵列孔径，现有的方法是采用满阵布局，即图1中所示，每一个天线采样点上布局一个天线单元及相应的射频收发通道，此时会极大增加系统复杂度、实现难度及硬件成本。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种基于MIMO的成像仪天线布局方法、阵列及成像检测方法，以至少解决上述的天线布局复杂和天线数量过多的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列布局方法，包括：

根据成像需求，确定待形成的成像仪天线阵列的水平方向孔径和垂直方向孔径，所述成像仪天线阵列包括接收天线阵列和发射天线阵列；

在所述水平方向孔径的范围内，将所述发射天线阵列与所述接收天线阵列对应设置在移动扫描组件上，所述发射天线阵列中的每一发射天线与所述接收天线阵列中的一个接收天线形成收发天线对，且所述发射天线均布于所述发射天线阵列中，所述接收天线均布于所述接收天线阵列中。

进一步的，本发明还提供一种基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列，采用上述的基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列布局方法形成。

优选的，所述发射天线阵列为水平设置的两组发射天线阵列；所述接收天线阵列为水平设置的一组接收天线阵列；所述两组发射天线阵列位于所述一组接收天线阵列的两侧。

优选的，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列之间的间隔为dtr，dtr＝ds，每组发射天线阵列中所述发射天线的均布间隔为dt，dt＝2*ds，所述接收天线阵列中接收天线的均布间隔为dr，dr＝Nt*ds，所述水平方向孔径L＝Nt*Nr*ds；Nt为发射天线数量，Nr为接收天线数量，ds为等效采样间隔间距且ds<λ

优选的，所述接收天线阵列的水平方向孔径为1.2m；所述成像仪天线阵列的垂直方向孔径为2.0m；λ

优选的，所述接收天线阵列的水平方向孔径为1.2m；所述成像仪天线阵列的垂直方向孔径为2.0m；λ

优选的，所述接收天线阵列的水平方向孔径为1.2m；所述成像仪天线阵列的垂直方向孔径为2.0m；λ

优选的，所述接收天线阵列的水平方向孔径为1.2m；所述成像仪天线阵列的垂直方向孔径为2.0m；λ

进一步的，本发明还提供一种采用基于MIMO稀疏天线阵列的成像仪天线阵列的成像检测方法，所述成像仪天线阵列为上述的基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列，所述成像检测方法包括：

将所述移动扫描组件在所述垂直方向孔径的范围内移动，每次移动的间距为ds，ds<λ

通过上述技术方案，通过移动扫描组件按照采样间隔ds布设的天线阵列，运用MIMO稀疏阵列布阵方式，需要的天线单元数量降为发射天线数量Nt和接收天线数量Nr的数量之和，可有效降低系统复杂度及硬件成本。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是现有的毫米波人体安检成像仪满阵布局示意图；

图2是本发明采用基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列的成像检测方法的扫描示意图；

图3是本发明采用基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列的成像检测方法的流程示意图；

图4是本发明基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列的收发天线对等效采样点位置示意图；

图5是本发明基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列中的移动扫描组件的天线布局示意图；

图6是本发明基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列中的移动扫描组件的第一种天线布局示意图及点目标成像结果示意图；

图7是本发明基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列中的移动扫描组件的第二种天线布局示意图及点目标成像结果示意图；

图8是本发明基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列中的移动扫描组件的第三种天线布局示意图及点目标成像结果示意图；

图9是本发明基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列中的移动扫描组件的第四种天线布局示意图及点目标成像结果示意图；

图10是本发明基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列中的移动扫描组件的第三种天线布局对应的人体成像实测图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1-5所示，本发明实施例提供一种基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列布局方法，包括：根据成像需求，确定待形成的成像仪天线阵列的水平方向孔径和垂直方向孔径，所述成像仪天线阵列包括接收天线阵列和发射天线阵列；在所述水平方向孔径的范围内，将所述发射天线阵列与所述接收天线阵列对应设置在移动扫描组件上，所述发射天线阵列中的每一发射天线与所述接收天线阵列中的一个接收天线形成收发天线对，且所述发射天线均布于所述发射天线阵列中，所述接收天线均布于所述接收天线阵列中。

进一步的，本发明实施例还提供了一种基于MIMO稀疏阵列的采用如上所述的布局方法形成的成像仪天线阵列。

本发明的方法根据毫米波人体安检成像仪的应用需求，开展对天线布局布阵的研究与设计。对于人体安检成像，成像需求为1.2m(人体宽度方向)*2.0m(人体高度方向)。本实施例系统工作中心频点25GHz，对应波长λ

可选的，所述发射天线阵列为水平设置的两组发射天线阵列；所述接收天线阵列为水平设置的一组接收天线阵列；所述两组发射天线阵列位于所述一组接收天线阵列的两侧。

可选的，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列之间的间隔为dtr，dtr＝ds；所述发射天线的均布间隔为dt，dt＝2*ds，发射天线数量Nt；所述接收天线的均布间隔为dr，dr＝Nt*ds，接收天线数量Nr。发射天线阵列与接收天线阵列之间可以存在垂直间隔，为了更好的采集成像需求信号，所述垂直间隔可优选小于10*λ

进一步的，本发明实施例还提供了一种采用基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列的成像检测方法，所述成像仪天线阵列为如上所述的基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线阵列，所述成像检测方法包括：将所述移动扫描组件在所述垂直方向孔径的范围内移动，每次移动的间距为ds，ds<λ

具体地，所述移动扫描组件的天线布局方式形成一维满阵布局即X轴方向，然后将移动扫描组件安装到机械上进行Y轴方向上的扫描；形成的一维满阵布局+一维机械扫描的工作模式，当完成一行的数据采集后，移动扫描组件通过现有的机械扫描系统(移动扫描组件优选为安装板，安装板用于固定发射天线和接收天线，安装板通过滑块连接竖直设置的导轨；机械扫描系统驱动安装板在导轨上移动)将天线阵列沿Y轴移动采样间隔ds距离并进行数据采集，如此循环，完成整个孔径的测试，采用这种工作机制，可有效降低天线单元及射频收发通道的数量。

进一步的，本发明提供的一种基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线布局布阵方法降低天线单元及射频收发通道的数量，实现成本压缩，同时有效降低系统硬件的复杂度，为毫米波人体安检成像仪的商业化推广奠定坚实基础。

如图4所示，采用MIMO稀疏阵列技术，对于Nr个接收天线和Nt个发射天线，可形成Nr*Nt个收发天线对，可以保证每一收发天线对可被视为该收发天线对的中点的等效采样点位置，因此满足采用现有算法的信号输入条件；例如采用BP(Error Back Propagation，误差反向传播)算法。通过收发天线位置的合理布局，可使Nr*Nt个收发天线对的等效采样点位置形成等间距的均匀分布阵列。Nr个接收天线为一组，总数量为Nr，位于天线阵列中心，接收天线间隔为dr＝(Nt/2)*dt＝(Nt/2)*(2*ds)＝Nt*ds。因此，上述阵列形成的等效天线孔径尺寸为L＝Nt*Nr*ds。为形成孔径尺寸L＝Nt*Nr*ds、采样间隔ds的天线阵列，采用现有的布局布阵，如图2所示，需要的天线单元数量为Nt*Nr；而采用本发明提出的MIMO稀疏阵列布阵方式，需要的天线单元数量降为Nt+Nr，可有效降低系统复杂度及硬件成本。

为了更好的说明基于MIMO稀疏阵列的成像仪天线布局方法，以下采用4种移动扫描组件的天线阵列布局实施方式对点目标物体进行成像模拟对比测试。

图6所示为第一种移动扫描组件的天线阵列布局实施方式。

所述接收天线阵列的水平方向(X轴)孔径为1.2m；所述成像仪天线阵列的垂直方向(Y轴)孔径为2.0m；λ

图7所示为第二种移动扫描组件的天线阵列布局实施方式。

所述接收天线阵列的水平方向(X轴)孔径为1.2m；所述成像仪天线阵列的垂直方向(Y轴)孔径为2.0m；λ

图8所示为第三种移动扫描组件的天线阵列布局实施方式。

所述接收天线阵列的水平方向(X轴)孔径为1.2m；所述成像仪天线阵列的垂直方向(Y轴)孔径为2.0m；λ

图9所示第四种移动扫描组件的天线阵列布局实施方式。

所述接收天线阵列的水平方向(X轴)孔径为1.2m；所述成像仪天线阵列的垂直方向(Y轴)孔径为2.0m；λ

根据上述4种移动扫描组件的天线阵列布局实施方式得到的目标成像结果示意图(图6-图9)，目标成像结果示意图(图6-图9)中的横坐标中的-50mm到50mm范围内的波形图像对应为点目标物体产生的图像，其余区域的波形图像对应为干扰图像；从图6到图9的目标成像结果示意图可以看出，点目标物体产生的图像周围的干扰图像随着天线数量的减少，干扰图像对应波形开始增多，成像模糊量级逐渐升高。综合考虑系统成本及成像质量，第三种移动扫描组件的天线阵列布局实施方式(图8所示)为最终优选阵列布局。

根据最终优选阵列布局(图8所示)，用于检测人体，通过基于MIMO稀疏阵列的仿真系统，采用BP算法得到人体实测图像如图10所示；在降低了天线数量的情况下，保证了图像识别质量。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。