用于主动式毫米波安检成像的多发多收天线阵列布置、人体安检设备和方法

技术领域

本公开的实施例涉及人体安检领域，特别涉及用于毫米波安检成像的多发多收天线阵列布置，包括该多发多收天线阵列布置的人体安检设备和使用该设备执行的人体安检方法。

背景技术

目前，国内外对公众人体成像安检的主要有以下两种方式。

第一种人体成像安检技术是基于被动式毫米波太赫兹人体成像技术【L.Yujiri.“Passive millimeter wave imaing”，IEEE MII-S Int.Microw.Sym.Dig，pp.98-101，2006】。这种方式最大的优点是检测目标自身的毫米波太赫兹波辐射实现成像，无主动辐射，但是其最大的缺点是成像质量差，易受环境的影响。

第二种人体成像安检技术是基于主动式毫米波太赫兹人体成像技术。该技术工作原理是设备首先向人体辐射毫米波，然后通过探测器接收经过人体或可疑物散射后的毫米波，通过重建算法对人体进行成像。其典型代表是L3公司的Provision产品【Security&Detection Systems，“Advanced personnel screening，”2016，[Online].Available：http：//www.sds.1-3com.com/products/advanced imagingtech.htm】。

目前一般采用一维单发单收或者准单发单收线阵列合成孔径成像原理。利用快速开关切换的天线阵列技术，按照收发天线是否一体可分为图1、图2所示两种形式，其基本原理相同，在成像需要孔径长度上按照半波长间距原则，等间隔布置实际的收发天线单元，收发天线后端通过高速开关与收发设备相连，第一组收发天线通过开关与收发设备组合完成一次数据采集，开关切换，控制第二组收发天线通过开关与收发设备组合，再完成一次数据采集，依次控制开关从通道1切换到通道N，可以完成N组数据采集，获取成像所需N个等效单元的数据信息。

收发一体(收发分置/准单站)天线一维阵列成像方式缺点是需要数量庞大的天线资源，为了实现N个等效单元的采样，收发一体天线阵列需要N个天线单元，收发分置天线阵列需要2N个天线单元，收发天线利用率很低；另外，由于天线阵列实现需要天线单元数较多，且天线单元间距需要满足半波长间距要求，当工作频率较低时，物理实现难度不大，但随着工作频率的提高，实现难度将逐步增加。

为了解决上述问题，文献【IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTESENSING，VOL.49，NO.10，OCTOBER 2011】提出了稀疏分布多输入多输出的天线布局方式，如图3所示。这种天线布局方式虽然可以降低天线的数目，但是由于等效相位中心与收发天线距离较大，只能采用后向投影算法，而后向投影算法计算速度慢，图像重建时间长。

发明内容

根据本公开的一方面，提供一种用于主动式毫米波安检成像的稀疏多发多收阵列布置，包括用于发射波长为毫米量级的毫米波的两组发射天线和用于接收由两组发射天线发射的被人体反射的波长为毫米量级的毫米波的一组接收天线；其中，两组发射发射天线包括第一组发射天线和第二组发射天线，第一组发射天线和第二组发射天线分别包括沿第一方向排列的多个发射天线；一组接收天线包括沿第一方向排列的多个接收天线，从而其排列方向与第一组发射天线的排列方向和第二组发射天线的排列方向平行；一组接收天线与第一组发射天线和第二组发射天线位于同一平面中，其在垂直于第一方向的第二方向上位于第一组发射天线和第二组发射天线的中部，从而第一组发射天线和一组接收天线之间的在第二方向上的间隔等于第二组发射天线和一组接收天线之间的在第二方向上的间隔。

根据本公开的一个实施例，在一组接收天线中，在与第一组发射天线中的两个相邻的发射天线之间的间隔长度相对应的相等长度范围内布置至少一个接收天线使得第一组发射天线中的发射天线的数量等于或少于一组接收天线中的接收天线的数量；以及在一组接收天线中，在与第二组发射天线中的两个相邻的发射天线之间的间隔长度相对应的相等长度范围内布置至少一个接收天线使得第二组发射天线中的发射天线的数量等于或少于一组接收天线中的接收天线的数量。

根据本公开的一个实施例，第一组发射天线中的相邻发射天线以及第二组发射天线中的相邻发射天线均以Mλ的距离间隔开，λ是毫米波的波长，M为大于或等于2的偶数，以及一组接收天线中的相邻的接收天线以2λ的距离间隔开，λ是毫米波的波长；第一组发射天线中的一个发射天线与第二组发射天线中的与之最靠近的一个相应发射天线之间的在第一方向上的间隔为一个波长λ。

根据本公开的一个实施例，第一组发射天线中的任意一个发射天线与任意一个接收天线的连线与第一方向不垂直，且第二组发射天线中的至少一个发射天线与至少一个接收天线对齐使得两者之间的连线垂直于第一方向。

根据本公开的一个实施例，第一组发射天线中的任意一个发射天线与任意一个接收天线的连线与第一方向不垂直，且第二组发射天线中的任意一个发射天线与任意一个接收天线的连线与第一方向也不垂直。

根据本公开的一个实施例，第一组发射天线中的任一发射天线在一组接收天线所在直线上的投影在相邻的两个接收天线的中部，以及第二组发射天线中的任一发射天线在一组接收天线所在直线上的投影与相应的接收天线重合。

根据本公开的一个实施例，第一组发射天线中的一个发射天线和一组接收天线中的与其最靠近的多个接收天线中的一个接收天线的连线的中点被看作这一对发射天线-接收天线的虚拟的等效相位中心，相邻的等效相位中心之间的在第一方向上的间距为毫米波的一倍波长，第一组发射天线中的多个发射天线和一组接收天线中的多个接收天线组成第一组等效相位中心；以及第二组发射天线中的一个发射天线和一组接收天线中的与其最靠近的多个接收天线中的一个接收天线的连线的中点被看作这一对发射天线-接收天线的虚拟的等效相位中心，相邻的等效相位中心之间在第一方向上的间距为毫米波的一倍波长；第二组发射天线中的多个发射天线和一组接收天线中的多个接收天线组成第二组等效相位中心。

根据本公开的一个实施例，第一组等效相位中心的任一个等效相位中心与第二组等效相位中心中的与之最接近的一个相应的等效相位中心在第一方向上的间距为毫米波的波长的0.3至0.7倍。

根据本公开的一个实施例，第一组等效相位中心的任一个等效相位中心与第二组等效相位中心中的与之最接近的一个相应的等效相位中心在第一方向上的间距为毫米波的波长的0.5倍。

根据本公开的一个实施例，第一组发射天线和第二组发射天线之间的间隔开的距离小于成像距离的10％。

根据本公开的一个实施例，第一组发射天线中的发射天线依次发射毫米波，第二组发射天线中的发射天线依次发射毫米波，且第一组发射天线中的发射天线和第二组发射天线中的发射天线不同步地发射毫米波。

根据本公开的一个实施例，稀疏多发多收阵列布置通过其在第二方向上相对于被检人体的相对运动而实现沿第二方向上的扫描。

根据本公开的一个实施例，稀疏多发多收阵列布置被配置成基于傅里叶变换的合成孔径全息算法，一次对正确成像区域完成图像重建，成像公式为：

其中，σ(x，y)是人体的散射系数，R

为一对发射天线-接收天线组合接收到人体的回波信号；K

根据本公开的另一方面，提供一种人体安检设备，包括一个或多个上述的稀疏多发多收阵列布置。

根据本公开的一个实施例，人体安检设备包括第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置，第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置相对地布置以便在两者之间限定实施人体安检的检查空间，第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置分别包括一个或多个上述的稀疏多发多收阵列布置。

根据本公开的一个实施例，第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置分别包括多个上述的稀疏多发多收阵列布置，多个稀松多发多收阵列布置沿着第二方向依次排列，或者多个稀松多发多收阵列布置沿着第一方向以分段的方式依次排列。

根据本公开的一个实施例，第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置能够在第二方向上平移，且第一方向为水平方向且第二方向为竖直方向，或者第一方向为竖直方向且第二方向为水平方向；或者被检人体能够在所限定的检查空间中平行于第一方向站立且能够进行任意角度的旋转，且第一方向为竖直方向，第二方向为水平方向。

根据本公开的一个实施例，多个稀松多发多收阵列布置沿着第一方向以三段的方式依次排列，第二段稀松多发多收阵列布置的两端与第一段稀松多发多收阵列布置和第三段稀松多发多收阵列布置相连，以形成折线，其中，第二段稀松多发多收阵列布置与第一段稀松多发多收阵列布置之间的夹角在90°至170°的范围内，以及第二段稀松多发多收阵列布置与第三段稀松多发多收阵列布置之间的夹角在90°至170°的范围内。

根据本公开的一个实施例，第一稀疏多发多收阵列布置由最低频到最高频发射毫米波、第二稀疏多发多收阵列布置由最高频到最低频毫米波，或者，第二稀疏多发多收阵列布置由最低频到最高频发射毫米波、第一稀疏多发多收阵列布置由最高频到最低频毫米波。

根据本公开的另一方面，提供一种使用上述我的人体安检设备实施的人体安检方法。

本公开提出一种稀疏多发多收阵列布置方案，通过多发多收阵列稀疏化设计与控制技术，可大幅提高数据采集速度与天线单元利用率；沿阵列方向完全地实现电扫描(即通过开关控制天线的一个接一个天线工作或通过开关控制天线逐个使用频率扫描)，无需机械扫描，可以实现快速扫描，提高成像速度；而且可以采用基于快速傅里叶变化的重建算法，进而显著提高重建速度；同时降低硬件复杂度，提高工程可实现性。

附图说明

图1示出一种现有的一维单发单收天线阵列的示意图；

图2示出一种现有的一维多发多收天线阵列的示意图；

图3示出一种现有的一维多发多收天线阵列的示意图；

图4示出多发射天线-多接收天线工作原理图；

图5示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为6λ；

图6示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为4λ；

图7示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为2λ；

图8示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为8λ；

图9示出本公开的一个实施例的人体安检设备；

图10示出本公开的一个实施例的人体安检设备；

图11示出本公开的一个实施例的人体安检设备；

图12示出了如图11所示的人体安检设备的俯视图；

图13示出了如图11的人体安检设备的稀疏多发多收阵列布置的示意图；以及

图14示出本公开的一个实施例的人体安检设备。

具体实施方式

尽管本公开的容许各种修改和可替换的形式，但是它的具体的实施例通过例子的方式在附图中示出，并且将详细地在本文中描述。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本公开的限制到公开的具体形式，而是相反，是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本公开的精神和范围中的所有的修改、等同形式和替换形式。附图是为了示意，因而不是按比例地绘制的。

在本说明书中使用了“上”、“下”、“左”、“右”等术语，并不是为了限定元件的绝对方位，而是为了描述元件在视图中的相对位置帮助理解；本说明书中“顶侧”和“底侧”是相对于一般情况下，物体正立的上侧和下侧的方位；“第一”、“第二”等也不是为了排序，而是为了区别不同部件。

先介绍用于本公开的实施例的毫米波人体安检的一些基本的知识。

奈奎斯特采用定理指的是，沿孔径需要的采样数量由几种因素确定，包括波长、孔径尺寸、目标尺寸以及到目标的距离。如果从一个采样点至下一个采样点的相移小于π，则满足奈奎斯特法则。最坏的情况将会是，目标非常接近孔径并且采样点接近孔径的边缘。对于空间取样间隔Δx，最坏的情况将是相移不超过2kΔx。因此，取样法则可以表示为：

Δx＜(λ/4)

其中，λ＝2π/k是波长。

这个结果比通常的要求严格，因为目标(例如人体)通常距离孔径距离较近，天线波束宽度通常小于180度。基于此原因，应用的成像系统通常采用的取样间隔在λ/2的量级。

以工作频率24-30GHz和70-80GHz为例进行对比，对应波长分别为10mm和4mm，要实现图1、图2所示的现有一维阵列，则要求收发天线间距为分别为5mm和2mm，假设天线孔径长度为1m时，收发一体天线阵列分别需要200和500个天线单元，收发分置天线阵列需要400和1000个天线单元。可以看到随着频率的增加天线间隔变小，所需天线数目急剧增加。天线间隔变小使得天线单元的设计以及阵列布局设计都存在极大的难度，同时还会限制收发天线性能。天线数目的增加，不仅增加了硬件成本，增加了系统的复杂度，而且数据量增加，采集时间变成。因此，图1、图2所示一维阵列在高频毫米波(50GHz-300GHz)人体成像安检方面应用实现的可行性不高，不具备工程实现价值。

图3示出了一种现有的稀疏分布多输入多输出的天线布局方式，其中T表示发射天线，R表示接收天线，这种天线布局方式虽然可以降低天线的数目，但是有缺点：例如，由于等效相位中心与收发天线距离较大，只能采用后向投影算法，而后向投影算法计算速度慢，图像重建时间长。后向投影起源于计算机断层扫描技术是一种基于时域信号处理的精确的成像算法。其基本思想是对成像区域内每一成像点，通过计算该点到收、发天线之间的延时，将所有回波对它的贡献相干叠加从而得到该点在图像中对应的像素值，这样对整个成像区域逐点地进行相干叠加处理，即可获得成像区域的图像。这种算法最大的缺点是需要对整个成像区间每一个点重建，重建速度慢，耗时长；此外，两端的接收天线是密集分布的，间隔需满足奈奎斯特采用定理。如170GHz-260GHz频段，典型的发射天线和接收天线口径为10.8mm，而中心频率对应的半波长为1.36mm。显然，这种天线排布方式是不适合的。一种解决方法就是稀疏接收天线，使得等效相位中心间隔比半波长大，但是天线采样不足会导致重建图像的伪影严重。

为解决上述不足，本公开提出一种稀疏多发多收阵列布置方案，通过多发多收阵列稀疏化设计与控制技术，可大幅提高数据采集速度与天线单元利用率；沿阵列方向完全地实现电扫描(即通过开关控制天线的一个接一个天线工作或通过开关控制天线逐个使用频率扫描)，无需机械扫描，可以实现快速扫描，提高成像速度；而且可以采用基于快速傅里叶变化的重建算法，进而显著提高重建速度；同时降低硬件复杂度，提高工程可实现性。

根据本公开的实施例，提供一种用于主动式毫米波成像的一维稀疏多发多收阵列布置，稀疏多发多收阵列通过单站等效与电开关控制后，稀疏多发多收阵列最终形成等效单元间距最大为略大于或者等于工作频率对应波长的一半，等效单元为等效相位中心。

为了方便解释，参照图4示出了一种多发多收系统，构建X-Y坐标系统，设定在x轴上设置稀疏进行收发组合，用A

对于目标区域内的一个点目标，I表示位于I(x

经过点目标散射后的回波信号可以表示为S

其中，σ(x，y)是人体的散射系数，K

对于收发组合A

其中D为成像区域。

发射和接收信号的等效位置可以由天线的相位中心来表示，该等效位置为两个独立天线或孔径的物理中心。在多发多收系统中，一个发射天线对应着多个接收天线，本公开的实施例中，接收天线单元和发射天线单元被设置为不处于同一位置，这种发射和接收天线空间分离的系统可以使用一个虚拟的系统模拟，在虚拟系统中，在每一组发射与接收天线之间添加一个虚拟位置，这个位置被称为等效相位中心。收发天线组合所采集的回波数据，可以等效为其等效相位中心Ae(xe，ye)所在位置自发自收天线所采集的回波。

对于该收发组合，各天线之间物理坐标的关系可以表示为：

采用等效相位中心原理，等效回波信号可以表示为：

根据本公开的上述的主动式毫米波成像的稀疏多发多收阵列布置原理，图5示出了根据本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图。图5中的稀疏多发多收阵列布置具体可以通过以下步骤来构造：

首先，根据成像指标参数如工作频率(波长λ)，天线阵列长度Lap等要求，确定所需的等效单元数目N及间隔d，该间隔d优选地略大于或者等于工作频率对应波长的一半。然后，按照收发分置方式布置实际天线单元，发射天线/接收天线分别按照相互平行的三条直线分布(两条发射天线阵列)，条发射天线阵列之间的间隔为2*dtr。接着，设计发射天线单元的布置，发射天线总数Nt为任意数，由天线孔径Lap决定；每个发射天线的间距为Mλ，(M为偶数且M≥2)；接下来，设计接收天线单元的布置，接收天线总数为任意数Nr，接收天线等间距分布，间距为2λ。一组发射天线和一组接收天线之间的TR间距dtr可以是任意值，一方面能放置下收发天线阵列，其使得相互耦合小，另一方面要求2dtr/z0＜10％，z0为成像距离。

根据以上步骤构造的稀疏多发多收阵列布置包括用于发射波长为毫米量级的毫米波的两组发射天线和用于接收由两组发射天线发射的被人体反射的波长为毫米量级的毫米波的一组接收天线；其中，两组发射发射天线包括第一组发射天线和第二组发射天线。第一组发射天线和第二组发射天线分别包括沿第一方向D1排列的多个发射天线T；一组接收天线包括沿第一方向排列的多个接收天线R，从而其排列方向与第一组发射天线的排列方向和第二组发射天线的排列方向平行。一组接收天线与第一组发射天线和第二组发射天线位于同一平面中，其在垂直于第一方向的第二方向D2上位于第一组发射天线和第二组发射天线的中部，从而第一组发射天线和一组接收天线之间的在第二方向上的间隔dtr等于第二组发射天线和一组接收天线之间的在第二方向上的间隔dtr。在一组接收天线中，在与第一组发射天线中的两个相邻的发射天线之间的间隔长度相对应的相等长度范围内布置至少一个接收天线使得第一组发射天线中的发射天线的数量等于或少于一组接收天线中的接收天线的数量；在一组接收天线中，在与第二组发射天线中的两个相邻的发射天线之间的间隔长度相对应的相等长度范围内布置至少一个接收天线使得第二组发射天线中的发射天线的数量等于或少于一组接收天线中的接收天线的数量。

因此，在根据本公开的稀疏多发多收阵列布置可以在保证图像清晰度的同时减少接收天线的数量，发射天线的数量等于或少于接收天线的数量少，从而减少了总的元件数量，因而降低制造难度和成本。

在一个实施例中，第一组发射天线中的相邻发射天线以及第二组发射天线中的相邻发射天线均以Mλ的距离间隔开，λ是毫米波的波长，M为大于或等于2的偶数，以及一组接收天线中的相邻的接收天线以2λ的距离间隔开，λ是毫米波的波长，第一组发射天线中的一个发射天线与第二组发射天线中的与之最靠近的一个相应发射天线之间的在第一方向上的间隔为一个波长λ。

图5示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中相邻的发射天线之间的间距为6λ，相邻的接收天线之间的间距为2λ，第一组发射天线中的第一个发射天线与第二组发射天线中的第一个发射天线在第一方向D1上的间隔为一个波长λ，以此类推，相应的第二个发射天线之间在第一方向D1上的间隔也为一个波长λ。一种可以选择的方式为，一颗芯片内有2个发射天线，3个接收天线，如图5中的一个方框所示。

图6示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中相邻的发射天线之间的间距为4λ，相邻的接收天线之间的间距为2λ，第一组发射天线中的第一个发射天线与第二组发射天线中的第一个发射天线在第一方向D1上的间隔为一个波长λ，以此类推，相应的第二个发射天线之间在第一方向D1上的间隔也为一个波长λ。一种可以选择的方式为，一颗芯片内有2个发射天线，2个接收天线，如图6中的一个方框所示

图7示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中相邻的发射天线之间的间距为2λ，相邻的接收天线之间的间距为2λ，第一组发射天线中的第一个发射天线与第二组发射天线中的第一个发射天线在第一方向上的间隔为一个波长λ，以此类推，相应的第二个发射天线之间在第一方向上的间隔也为一个波长λ。一种可以选择的方式为，一颗芯片内有4个发射天线，2个接收天线，如图7中的一个方框所示

图8示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中相邻的发射天线之间的间距为8λ，相邻的接收天线之间的间距为2λ，第一组发射天线中的第一个发射天线与第二组发射天线中的第一个发射天线在第一方向上的间隔为一个波长λ，以此类推，相应的第二个发射天线之间在第一方向上的间隔也为一个波长λ。一种可以选择的方式为，一颗芯片内有2个发射天线，4个接收天线，如图8中的一个方框所示。

在图5至图8所示的稀疏多发多收阵列布置的示意图，第一组发射天线中的任意一个发射天线与任意一个接收天线的连线与第一方向D1不垂直，第二组发射天线中的至少一个发射天线与至少一个接收天线对齐使得两者之间的连线垂直于第一方向D1。优选地，如图5至8所示，第一组发射天线中的任一发射天线在一组接收天线所在直线上的投影在相邻的两个接收天线的中部，也即是在相邻的两个接收天线的连线的中点处，以及第二组发射天线中的任一发射天线在一组接收天线所在直线上的投影与相应的接收天线重合。

图5-8所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本领域的技术人员应当理解，第一组发射天线中的一个发射天线在接收天线所在的直线上的投影也可以不在两个接收天线的中部，第二组发射天线中的发射天线与相应的接收天线也可以不对齐，也就是说：第一组发射天线中的任意一个发射天线与任意一个接收天线的连线与第一方向不垂直，且第二组发射天线中的任意一个发射天线与任意一个接收天线的连线与第一方向也不垂直，只要第一组发射天线中的一个发射天线与第二组发射天线中的与之最靠近的一个相应发射天线之间的在第一方向上的间隔为一个波长λ即可。在未示出的实施例中，发射天线的布置可以基于例如图5-8做出一些改变，例如图5所示的第一组发射天线和第二组发射天线相对于接收天线都向右移位大约0-λ之间的距离(例如，0.5λ)，使得无论第一组还是第二组发射天线与相应接收天线之间的连接都不与第一方向垂直。但是在此情况下形成的相邻等效相位中心之间的间隔依旧能够在0.5λ左右，例如，在发射天线平移0.5λ的情况下，第一组等效相位中心和第二组等效相位中心都向右平移大约0.25λ，相邻等效相位中心之间的间隔依旧能够在0.5λ左右。在下文中将对等效相位中心进行详细说明。

例如，在未示出的实施例中，第一组发射天线中的发射天线的投影不位于两个接收天线的中心且第二组发射天线中的发射天线的投影不与相应的接收天线重合时，但是两组发射天线中的相邻发射天线错位λ，图示的两组等效相位中心也随着第一发射天线和第二组发射天线相对于接收天线的位移而发生相对应的移位，且形成的第一组等效相位中心的任一个等效相位中心与第二组等效相位中心中的与之最接近的一个相应的等效相位中心在第一方向上的间距依旧为毫米波的波长的0.5倍。

下文将对等效相位中心进行详细的说明。第一组发射天线的一个发射天线和一组接收天线中的与其最靠近的多个接收天线中的一个接收天线的连线的中点被看作这一对发射天线-接收天线的虚拟的等效相位中心。第一组发射天线中的多个发射天线和一组接收天线中的多个接收天线组成第一组等效相位中心。第二组发射天线的一个发射天线和一组接收天线中的与其最靠近的多个接收天线中的一个接收天线的连线的中点被看作这一对发射天线-接收天线的虚拟的等效相位中心。第二组发射天线中的多个发射天线和一组接收天线中的多个接收天线组成第二组等效相位中心。

为了减少发射天线和接收天线的数量，并且一般避免等效相位中心的重叠，第一组等效相位中心和第二组等效相位中心中的相邻的等效相位中心之间的距离为毫米波的波长的大约一半可以满足最终构成清晰的图像，例如相邻的等效相位中心之间的距离为毫米波的波长的0.3至0.7倍。换句话说，第一组等效相位中心和第二组等效相位中心中的相邻的等效相位中心之间的距离大于毫米波的波长的一半太多的时候，则可能图像不清晰。在本公开的实施例中，从图5-8中可以看出，第一组等效相位中心的任一个等效相位中心与第二组等效相位中心中的与之最接近的一个相应的等效相位中心在第一方向上的间距为毫米波的波长的0.3至0.7倍，优选地，间距为0.5λ。

在图5-8中，正方形T表示的发射天线与圆形R表示的接收天线之间用虚线连接，T和R的中点用三角形表示，三角形位置就表示虚拟的等效相位中心。一个发射天线一般可以对应多个接收天线，例如一个发射天线可以对应3个、4个、5个、6个、7个或8个接收天线，即一个发射天线发出的信号被最靠近它的3个、4个、5个、6个、7个或8个接收天线接收并识别。实际上发射天线的信号可能还被其他接收天线接收到，然而在实际应用中并不考虑其他接收天线的信号，也就是说每个发射天线与固定对应的接收天线配对实施测量，对应的接收天线的序号可以由程序进行预先规定。每一对发射天线-接收天线之间具有一个虚拟的等效相位中心，这些虚拟的等效相位中心。虚拟的等效相位中心如图5-8中的三角形所示。如图5-8所示，第一组等效相位中心(上方的一组等效相位中心)中相邻的等效相位中心彼此间隔开的距离为毫米波的波长λ，第二组等效相位中心(下方的一组等效相位中心)中相邻的等效相位中心彼此间隔开的距离为毫米波的波长λ，同时第一组等效相位中心和第二组等效相位中心在第一方向上错位0.5λ，也就是说第一组等效相位中心的任一个等效相位中心与第二组等效相位中心中的与之最接近的一个相应的等效相位中心在第一方向上的间距为毫米波的波长的0.5倍。

下面参照图5，以84个发射天线与125个接收天线组成阵列的设计过程为例，介绍本公开的稀疏多发多收阵列布置方法，本领域技术人员可以根据本公开的教导进行稀疏阵列的布置。

如图5所示，以M＝6为例，阵列长度为1m时，计算出Nt＝84个发射天线，Nr＝125个接收天线组成阵列的设计过程为例，介绍本公开一维稀疏阵列布置方法，本领域技术人员可以根据本公开的教导进行一维稀疏阵列的布置。

首先，根据成像指标参数要求，如成像分辨率、旁瓣电平等参数确定所需的等效单元数目及间隔，也就是确定等效虚拟阵列的分布。等效阵元的间隔需要最大略大于或者等于工作波长的一半。然后，按照收发分置方式布置实际天线单元，发射天线/接收天线/发射天线分别按照相互平行的三条直线分布，直线间距可以是任意值，但是尽可能的小(可以是λ，1.5λ，2λ，3λ，4λ等)，以实际设计天线单元尺寸与阵列尺寸设计要求合理选择，本公开阵列尺寸1m设计。接着，如图5所示，设计发射天线单元的布置，发射天线总数为84(可扩展为其他任意数，具体数目由成像分辨率、成像范围等因素决定)，分解为两排，每排中每个发射天线间距为6λ。两排发射天线有一个λ的错位，接下来，设计接收天线单元的布置，接收天线总数为125(可扩展为其他任意数，具体数目由成像分辨率、成像范围等因素决定，每个接收天线间距为2λ。

根据本公开的实施例，第一组发射天线或第二组发射天线与一组接收天线间隔开的距离可以是任意的，但是，一组发射天线与一组接收天线间隔开的距离尽可能小是有利的，因为距离过大会造成等效相位中心条件(相邻等效相位中心的间距为波长的一半或接近波长的一半)不成立；然而，在实际应用中，距离过短会造成实现困难，串扰与空间排布不下的问题。在一个实施例中，第一组发射天线和第二组发射天线之间的间隔开的距离小于成像距离的10％，也就是2dtr/z0＜10％，z0为成像距离。

在稀疏多发多收阵列布置工作时，第一排第一个至Nt个发射天线对前应M个接收天线进行差值，得到一排等间隔λ的等效单元中心1，第二排发射天线与接收天线同样也形成一排间隔为λ的等效相位中心2，等效相位中心1与2在空间位置上恰好错开λ/2，于是等效相位中心1与2合并成一条新的等效相位中心。最终得到满足奈奎斯特采样定律要求的等效元分布；通过电开关控制，依次切换发射天线完成一次数据采集。然后在阵列正交的方向进行合成孔径扫描，完成对二维孔径的扫描。最后，结合基于快速傅里叶变化的合成孔径全息算法，可以实现快速重建，完成成像测试。

所谓合成孔径技术，即被检物静止，收发阵列模块沿着与阵列正交的方向机械扫描，完成对被检物的扫描。在替代实施例中，也可以是收发阵列静止，被检物沿着与阵列正交的方向运动，完成对被检物的扫描。当被检人进入被检空间时，MIMO线阵列中发射天线依次发射，相应的接收天线接收。然后在阵列正交的方向进行机械扫描，扫描的步长为等于或者略大于中心波长的一半，直到完成整个面阵扫描，获得被检人不同视角的所有散射数据。即利用合成孔径技术对被检物成像。机械扫描的长度取为(0.8m-2.5m)。

在一个实施例中，稀疏多发多收阵列布置中的第一组发射天线中的发射天线依次发射毫米波，第二组发射天线中的发射天线依次发射毫米波，并且相应的接收天线接收反射回的信号，从而实现沿第一方向的扫描。第一组发射天线中的发射天线与第二组发射天线中的发射天线不同步地发射毫米波，从而使得两组发射天线所发射的毫米波不会彼此干涉。

如图5-8所示，在一个实施例中，在工作时，第一组发射天线先发射毫米波，从左侧第一个发射天线开始，发射毫米量级毫米波，预定的接收天线接收返回信号，随后第二个发射天线发射毫米波，预定的接收天线接收返回信号。然后，第二组发射天线开始扫描，从左侧第一个发射天线开始，发射毫米量级毫米波，预定的接收天线接收返回信号，随后第二个发射天线发射毫米波，预定的接收天线接收返回信号。如此操作，完成第一方向上的一维扫描。

在一个替代实施例中，如图5-8所示，第一组发射天线的第一个发射天线发射毫米量级毫米波，预定的接收天线接收返回信号，随后第二组天线中的第一个发射天线发射毫米量级毫米波，预定的接收天线接收返回信号。然后，第一组发射天线的第二个发射天线发射毫米量级毫米波，接收天线接收返回信号，随后第二组天线中的第二个发射天线发射毫米量级毫米波，接收天线接收返回信号。依次操作，直到最后一个发射天线发射毫米量级毫米波，并且相应的接收天线接收返回信号，从而实现第一方向上的一维扫描。

稀疏多发多收阵列布置配置成通过第一组发射天线和第二组发射天线依次发射毫米波完成一组发射天线的扫描，通过稀疏多发多收阵列布置在第二方向上相对于被检人体的运动而沿第二方向进行扫描。在一个示例中，该相对运动可以是被检人体不动，稀疏多发多收阵列布置沿第二方向进行平移以沿第二方向进行扫描，从而实现对被检人体的二维扫描。例如，稀疏多发多收阵列布置沿第二方向以0.5λ的步长进行扫描，如图9、10、11所示。在另一示例中，该相对运动也可以是稀疏多发多收阵列布置不动，而被检人体相对于稀疏多发多收阵列布置进行旋转，如图14所示。

在一个实施例中，稀疏多发多收阵列布置配置成基于傅里叶变换的合成孔径全息算法，一次对正确成像区域完成图像重建，成像公式为：

其中，σ(x，y)是人体的散射系数，R

为一对发射天线-接收天线组合接收到人体的回波信号；K

工作时，通过控制开关，多个发射天线依次发射毫米波。如图5所示，第一组发射天线中的第1个发射天线工作时，第1到第4个接收天线采集回波数据；第2个发射天线工作时，第2到第7个接收天线采集回波数据；第3个发射天线工作时，第5到第9个接收天线采集回波数据。第二组发射天线中的第1个发射天线工作时，第1到第5个接收天线采集回波数据；第2个发射天线工作时，第3到第8个接收天线采集回波数据；第3个发射天线工作时，第6到第9个接收天线采集回波数据。

当第一组发射天线和第二组发射天线中的所有发射天线依次发射后，完成一次横向数据采集。根据上述等效相位中心原理，这些回波数据可以等效相位中心所采集到的回波数据。并且，这些等效相位中间的间隔为0.5λ，满足奈奎斯特采样定律要求的等效元分布。然后在阵列正交的方向即第二方向上进行合成孔径扫描，即机械扫描，完成对二维孔径的扫描，扫描的步长同样需要满足采用定理，即半波长0.5λ。

完成二维孔径扫描后，采集到的回波数据可以表示为S(x

最后，结合基于快速傅里叶变化的合成孔径全息算法，可以实现快速重建，完成成像。

成像算法的目的就是从回波表达式中反演出目标的像，即目标的散射系数σ(x，y)，基于傅里叶变换的合成孔径全息算法，无需像后续投影算法一样对整个成像区域逐点重建，而是利用快速傅里叶变换的优势，一次对正确成像区域重建完成。成像公式为：

其中R0为成像距离。

本公开中提出的稀疏多发多收阵列布置是基于单站等效原理，即设计阵列通过单站等效并结合控制开关的控制，使得最终形成的等效相位中心(本公开中也称等效单元或等效天线单元)满足奈奎斯特采样定律，也就是，收发天线阵列最终形成的等效天线单元的间距略大于或者等于为工作频率对应波长的一半。本公开的实施例依据上述原则，考虑到高频段毫米波波长较短，为兼顾工程可实现性，同时采用阵列稀疏化设计与阵列开关控制技术，最终实现半波长间距等效天线单元分布要求。

在本公开的一个实施例中，还提供一种人体安检设备，包括一个或多个上述的稀疏多发多收阵列布置。

在一个实施例中，如图9所示，人体安检设备包括第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200，其中第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置相对地布置以便在两者之间限定实施人体安检的检查空间S。第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200分别包括一个或多个根据权利要求上述的稀疏多发多收阵列布置，

在一个实施例中，在包括多个稀疏多发多收阵列布置的情况下，多个稀松多发多收阵列布置沿着第二方向依次排列，该第二方向能够是如图9所示的竖直方向，发射天线和接收天线的排列方向(即第一方向)能够是水平方向。此外，该第二方向还可以是如图10和14所示的水平方向，发射天线和接收天线的排列方向(即第一方向)能够是竖直方向。在另一实施例中，在包括多个稀疏多发多收阵列布置的情况下，多个稀松多发多收阵列布置沿着第一方向以分段的方式依次排列，如图11所示。在如图11-13所示的实施例中，多个稀松多发多收阵列布置沿着第一方向以三段的方式依次排列，第二段稀松多发多收阵列布置2的两端与第一段1稀松多发多收阵列布置和第三段稀松多发多收阵列布置3相连，以形成折线。如图12和13所示，第二段稀松多发多收阵列布置2与第一段稀松多发多收阵列布置1之间的夹角在90°至170°的范围内，以及第二段稀松多发多收阵列布置2与第三段稀松多发多收阵列布置3之间的夹角在90°至170°的范围内。如图11所示的实施例提供了一种毫米波三维全息扫描成像设备，包括至少6条收发阵列，组成如图12所示的俯视图。第一、第二和第三段稀松多发多收阵列布置1、2和3都采用多发多收阵列布置。三条阵列的长度取值范围为0.3m-0.8m，即三条阵列围成的区域半径内一个正常的人能够站立下。六条收发阵列，在竖直方向进行机械扫描，机械扫描的步长选择为工作波长的半波长。完成整个人体的扫描后，获得完整的散射场数据，然后传输到数据处理单元，利用全息算法进行重建，形成被测人体图像。最后，图像传输到显示单元。

为了实现稀松多发多收阵列布置的二维扫描，在一个实施例中，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200能够在第二方向上平移。如图9所示，第一方向为水平方向且第二方向为竖直方向，或者如图10所示，第一方向为竖直方向且第二方向为水平方向。在一个实施例中，为了避免第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200发射的毫米波发生干涉，优选地使得第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200在进行扫描时，在空间上分开。例如，在如图9所示的实施例中，第一稀疏多发多收阵列布置100在其所在竖直平面内由上向下扫描，第二稀疏多发多收阵列布置200分别在其所在竖直平面内由下向上扫描；在如图10所示的实施例中，第一稀疏多发多收阵列布置100在其所在竖直平面内由左向右扫描，第二稀疏多发多收阵列布置200分别在其所在竖直平面内由右向左扫描。

在另一个实施例中，为了实现稀松多发多收阵列布置的二维扫描，稀松多发多收阵列布置不进行平移运动，而是如图14所示，被检人体能够在所限定的检查空间中平行于第一方向站立且能够进行任意角度的旋转，且第一方向为竖直方向，第二方向为水平方向。该旋转角度优选为360°。

在第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200一起对待测对象进行扫描的整个过程中，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200发射毫米波发射的毫米波的频率不能相互干涉。在一个实施例中，当开始扫描时，通过控制开关，第一稀疏多发多收阵列布置100的发射天线依次发射毫米波信号，在第一稀疏多发多收阵列布置100所有发射天线都发射完毫米波信号之后，第二稀疏多发多收阵列布置200的发射天线依次发射毫米波信号，因此第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200分时地发射信号，因此不会彼此干扰。在另一实施例中，当开始扫描时，通过控制开关，第一稀疏多发多收阵列布置100由最低频到最高频发射毫米波，同时第二稀疏多发多收阵列布置200由最高频到最低频发射毫米波；或者，第二稀疏多发多收阵列布置200由最低频到最高频，同时第一稀疏多发多收阵列布置100由最高频到最低频。因此，在同一时刻，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200所发射的频率是不同的，从而不会彼此干扰。

在本实施例中，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200可以单独扫描，两者的扫描信号被用于形成人体的图像。

使用本公开的人体安检设备对人体例如旅客等进行安检时，仅需要人体停留在人体安检设备中，即第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200之间，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200同时扫描或分时扫描人体的一侧，然后将扫描所得的信号发送给处理器或控制器，经过处理器或控制器进行图像处理形成人体的图像，完成方便快捷的检查。

在本公开的一个实施例中，还提供一种使用如上述的稀疏多发多收阵列布置对人体实施检测的方法。

虽然本总体专利构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体专利构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。