阅读说明：本技术 一种圆柱孔径mimo阵列天线、成像方法及补偿方法 (Cylindrical aperture MIMO array antenna, imaging method and compensation method ) 是由 李世勇 王硕光 孙厚军 敬汉丹 王泽昊 邢光楠 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种圆柱孔径MIMO阵列天线、成像方法及补偿方法,MIMO多子阵成像体制可以节省阵元数,加工方便,柱面阵列可以取得更好的成像效果；与本发明提出的补偿方案相结合,可以较好地补偿通道实际收发位置与等效位置之间的波程差,从而取得很好的三维成像效果,适合于毫米波人体安检成像；当阵列口面较大时,按照本发明提供的方案对每个子阵进行补偿,每一个子阵的累积误差都较小,从而实现较好的成像效果；同时本发明提出的补偿方案可以解决以下问题：由于收发通道天线方向图的影响,某一对特定的收发通道仅能作用于有限的区域,仅需保证子阵中的天线能作用于补偿点附近的区域即可实现较好的补偿效果。(The invention discloses a cylindrical aperture MIMO array antenna, an imaging method and a compensation method, wherein an MIMO multi-sub-array imaging system can save array elements, is convenient to process, and a cylindrical array can obtain a better imaging effect; by combining with the compensation scheme provided by the invention, the wave path difference between the actual transceiving position and the equivalent position of the channel can be well compensated, so that a good three-dimensional imaging effect is obtained, and the method is suitable for millimeter wave human body security inspection imaging; when the array aperture is large, each subarray is compensated according to the scheme provided by the invention, and the accumulated error of each subarray is small, so that a good imaging effect is realized; meanwhile, the compensation scheme provided by the invention can solve the following problems: due to the influence of the antenna directional diagram of the transmitting-receiving channel, a certain pair of specific transmitting-receiving channels can only act on a limited area, and the good compensation effect can be realized only by ensuring that the antennas in the subarray can act on the area near the compensation point.)

一种圆柱孔径MIMO阵列天线、成像方法及补偿方法

技术领域

本发明属于安检技术领域，具体涉及一种圆柱孔径MIMO阵列天线、成像方法及补偿方法。

背景技术

公共场所的安检问题也引发了社会与学术界的广泛重视，对安检系统的准确性、实时性、智能化等特性也提出了更高的要求。

人体安检一直都面临着一些技术难题，例如，传统的安全检测设备，如金属探测器、X光成像设备。金属探测器能够检测出人体携带的金属违禁物品，但不能检测如陶瓷刀、***、粉末炸弹等非金属违禁物品，且对违禁物品步进无法分辨其种类，也无法实现精确定位；虽然X光成像设备可以对携带隐匿物品的人体进行高分辨率成像，但由于X光具有电离性，并不适用于快速高分辨人体安检成像。

利用毫米波进行安检成像是近几年出现的新型安检技术，其具有如安全性高、可靠性好、对于不同材料的电磁散射特性具有差异性等优点，已成为目前人体安检技术的主流发展方向。

目前，世界上主流的毫米波安检成像系统仍存在一些亟需计解决问题：如美国L3公司的需要机械扫描的Provision系列平台，成像速度较慢；德国Rohde&Schwarz公司的QPS系统，成本较高，信号处理时间长；Smith公司的Eqo，需要被检人员在成像系统前旋转一周，成像速度较慢，很难满足国内对于高通量快速安检的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种圆柱孔径MIMO阵列天线、成像方法及补偿方法，可以节省阵元数，加工方便；补偿方法可以补偿每一个子阵的累积误差，从而实现较好的成像效果。

一种圆柱孔径多子阵MIMO阵列天线，发射天线TX和接收天线RX在圆柱弧面上分布，其中：发射天线TX在圆柱弧面的等角度间隔的弧线上均匀分布；接收天线RX在圆柱弧面的等间隔母线上均匀分布；相邻两条母线上的接收天线RX以及该两条母线之间的相邻两条弧线上的发射天线TX构成一个天线子阵；该MIMO阵列天线工作时，每个子阵分时依次对目标进行扫描成像。

一种圆柱孔径多子阵MIMO阵列天线的成像方法，针对每一个天线子阵，所有发射天线TX均发射某特定频段射频信号，所有接收天线RX同时接收由目标反射的回波信号；子阵内任意一个发射天线TX和一个接收天线RX构成一个收发天线对；在标准柱面坐标系下，设收发天线对中发射天线TX位置表示为(R,θ_T,z_T)，接收天线RX位置表示为(R,θ_R,z_R)，则其等效相位中心位置EX表示为：

设圆柱弧面所在圆柱的半径为R，则在直角坐标系下其坐标表示为：

(x_c,y_c,z_c)＝(Rcosθ_c,Rsinθ_c,z_c)；

将该天线子阵中所有收发天线对的等效相位中心所在平面等效认为一个平面阵列天线，利用平面阵列天线成像算法进行成像计算。

较佳的，所述成像算法为ωk三维成像算法。

一种圆柱孔径多子阵MIMO阵列天线的成像方法的补偿方法，针对每个天线子阵中的任意一个收发天线对，在工作频率f_i下，需要补偿的相位为：

其中，R_com＝R₁+R₂-2R₃；R₁表示发射天线到所在天线子阵聚焦点距离；R₂表示聚焦点到接收天线距离；R₃表示聚焦点到收发天线对应的等效相位中心阵元位置的距离。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出的MIMO多子阵成像体制可以节省阵元数，加工方便，柱面阵列可以取得更好的成像效果；与本发明提出的补偿方案相结合，可以较好地补偿通道实际收发位置与等效位置之间的波程差，从而取得很好的三维成像效果，适合于毫米波人体安检成像。

本发明提出的补偿方案针对当阵列口面较大时，非补偿点的累积误差较大的问题。当阵列口面较大时，按照本发明提供的方案对每个子阵进行补偿，每一个子阵的累积误差都较小，从而实现较好的成像效果。

同时本发明提出的补偿方案可以解决以下问题：由于收发通道天线方向图的影响，某一对特定的收发通道仅能作用于有限的区域。仅需保证子阵中的天线能作用于补偿点附近的区域即可实现较好的补偿效果。

本发明提出的圆柱孔径MIMO近场成像体制及阵列补偿方案与快速成像算法结合后，可兼具高距离和方位向和高度向分辨率的优点，易于布置，应用环境适用性强，可以实现快速的人体安检，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下的人体安检。

附图说明

图1是根据本发明的圆柱孔径MIMO阵列多子阵近场补偿方法的原理框图；

图2为本发明的实施例中圆柱孔径MIMO阵列多子阵系统的整体结构示意图；

图3为用于解释本发明相位累积误差的示意图；

图4(a)为对比采用传统中心补偿的误差示意图，(b)为本发明的实施例中圆柱孔径MIMO阵列多子阵近场补偿的误差示意图；

图5(a)、(b)、(c)说明圆柱孔径MIMO阵列多子阵近场补偿方法对快速成像算法结果的影响。其中，5(a)为采用传统近场补偿方法之后采用ωk(波数域算法)算法的成像结果；5(b)为采用多子阵近场补偿方法之后采用ωk(波数域算法)算法的成像结果；5(c)为标准BP算法成像结果(无需补偿)。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供的一种圆柱孔径多子阵MIMO阵列天线，如图2所示，实心圆圈表示发射天线TX，空心圈表示接收天线RX，发射天线TX在圆柱孔径的等角度间隔的弧线上均匀分布；接收天线RX在圆柱孔径的等间隔母线上均匀分布；相邻两条母线上的接收天线RX以及该两条母线之间的相邻两条弧线上的发射天线TX构成一个天线子阵。本实施例中，每个子阵由8个发射(4上4下)天线与8个接收(4上4下)天线构成。

该MIMO阵列天线工作时，每个子阵分时依次对目标进行扫描成像，直到遍历所有子阵。针对每个子阵，所有发射天线TX均发射某特定频段射频信号，由于成像范围属于近场范围，该子阵内所有接收天线RX同时接收由目标反射的回波信号；子阵内任意一个发射天线TX和一个接收天线RX构成收发天线对；该收发天线对的发射和接收过程可等效成从某一特定位置发射并接收信号，如图2右侧示意图所示，在标准柱面坐标系下，设某子阵中某发射天线TX位置可表示为(R,θ_T,z_T)，某接收天线RX位置可表示为(R,θ_R,z_R)，则其等效相位中心位置EX可表示为：

设圆柱的半径为R，则在直角坐标系下其坐标表示为：

(x_c,y_c,z_c)＝(Rcosθ_c,Rsinθ_c,z_c)

该子阵内所有天线对可等效平面满阵的天线阵，因此，在成像算法上，可采用传统平面天线阵算法，例如常用的ωk三维成像算法(波数域算法)。采用弧面的形式可以使天线波束方向正对着成像区域，缓解天线非视线方向增益下降导致图像质量恶化的问题。

但是，MIMO阵列等效出的满阵与实际阵列拓扑结构存在着相位误差，一般需要采用中心补偿的方式对整个阵列进行补偿。当阵列口面较大时，非补偿点的累积误差较大，会严重影响成像质量。同时由于收发通道天线方向图的影响，某一对特定的收发通道仅能作用于有限的区域，而中心补偿的方式有可能在此收发通道的作用范围之外。

本发明因此还提供了一种相位补偿方法。

圆柱孔径多子阵MIMO阵列所需补偿的相位由以下方案确定：通过计算发射天线到子阵聚焦点再到接收天线产生的波程差，与计算发射接收天线等效相位中心导子阵聚焦点产生的波程差，对上述两个波程差求差来获得需要补偿的相位，并用在基带信号进行补偿。

本发明通过以下步骤实现对人体的快速高分辨率成像，方案流程如图1所示：

首先确定某一子阵聚焦点的位置(x₀,y₀,z₀)，并假设其中某个收发天线对中发射天线位置为(x₁,y₁,z₁)，接收天线位置为(x₂,y₂,z₂)，对应的等效相位中心阵元位置设为(x₃,y₃,z₃)，那么可计算得到以下几段路径的长度：发射天线到聚焦点距离：

聚焦点到接收天线距离：

聚焦点到收发天线对应的等效相位中心阵元位置：

那么所需补偿的距离为：R_com＝R₁+R₂-2R₃。为了使成像结果有一定的距离分辨率，本发明所述的系统采用宽带射频信号。若该系统的收发射频信号对应的N个频率构成序列：Γ＝{f₁,f₂,…,f_N}(注：此频率序列应是等差数列)，则系统带宽为B＝f_N-f₁，真空中的光速为c，则距离分辨率为

以等间距步进频信号为例，若频率步进间隔为Δf，由经典距离像成像算法的不模糊距离为

即经典距离像成像算法的结果仅适用于不模糊距离的范围内。可知在条件允许的情况下，若在分辨率一定的情况下(系统带宽一定)，应保证频点数越多越好，实现更大的不模糊距离，以保证本算法的补偿结果与成像效果。

对于序列Γ中的某一频率f_i，在此频率下需要补偿的相位为：

需要说明的是，不同子阵聚焦中心可以提前划分，一般都设在圆柱阵的对称轴上。不同子阵在不同聚焦点与不同频率下的相位分布可以提前计算并存储与相应设备中。在应用时应直接从相应设备中读取，而非实时计算。

遍历某一收发天线对儿中，收发射频信号序列Γ中所有频率信号f_i，针对所有f_i与聚焦点(x₀,y₀,z₀)，根据补偿相位计算原则计算出该频率下需要补偿的相位。

遍历同一子阵中的所有收发通道，完成对同子阵中所有通道所需补偿相位的计算。

遍历所有不同子阵，完全对完成对所有子阵中所有通道所需补偿相位的计算。

用上述补偿相位补偿采集到的基带信号，采用快速三维成像算法(ωk算法)得到三维成像结果，从而实现对人体各部分内各区域的高分辨率三维成像。

在本发明所述的近场安检成像场景下，保证较大的阵面孔径与较多的子阵可使得三维成像的水平维和垂直维达到较高的分辨率，并实现较高的距离维分辨率，从而实现对人体一个区域的三维高分辨率成像。

综上所述，通过所述对圆柱孔径MIMO阵列近场补偿算法并与ωk算法(波数域算法)相结合，实现了对目标场景的三维高分辨快速成像。

下面详细描述本发明的部分实施例，通过参考附图描述的实施例只是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例附图中相同的标识应理解为具有相同功能的部件或模块。

在本发明的描述中，描述的方位或位置关系为基于附图所示实施例的方位或位置关系，而不能理解为所述系统部件或模块必须以上述位置安装或工作，不能理解为对本发明的限制。

如图2所示，该图为圆柱孔径MIMO阵列多子阵系统的整体结构示意图。所有的收发天线波束均正对着人体，当检测到被检人员在可检测范围内时，成像系统划分不同子阵聚焦中心，遍历不同子阵所有通道所有频率下收发通道到聚焦中心与所有通道等效相位中心到聚焦中心的波程，并计算出所有需要补偿的相位。用计算所得所需补偿的相位对接收到的回波数据进行补偿，并用wk算法(波数域算法)进行成像，得到目标区域的三维像结果。

图3为说明本发明相位累积误差的示意图。其中，A，B分别为某通道发射天线与接收天线的位置。O表示A，B的等效相位中心。P表示聚焦点位置，T表示实际目标所在位置。那么该补偿在T位置出产生的距离误差可以表示为：

ε_R＝R₃+R₄-R₁+R₂+2R₀-2R_c

那么该补偿产生的相位误差可表示为

图4(a)(b)说明对于本发明的圆柱孔径多子阵MIMO成像体制，采用本发明补偿法的必要性。图(a)为对于圆柱孔径MIMO阵列，采用总阵中心补偿的方式(经典MIMO阵列补偿方法)所得误差示意图。总阵中心补偿即将所有的子阵聚焦到成像平面的同一位置。而本发明中针对柱面多子阵MIMO阵列采用多子阵分别补偿的方法。图(b)为本发明的实施例中圆柱孔径MIMO阵列多子阵近场补偿的误差示意图。可以看出，在成像区域较大时，总阵中心补偿的方案仅在成像区域中心位置维持较小的相位误差，本发明采用的方法可以在较大的范围内维持较小的相位误差，故能获得更好的成像效果。

图5(a)、(b)、(c)说明对本发明的圆柱孔径多子阵MIMO阵列采用本发明所述补偿方法对成像算法结果的影响。本发明采用了2x4的子阵(8个子阵)作为实施例，每个子阵均为23x23阵元的正方形阵列。圆柱阵列半径为0.5m。仿真采用射频频率为16～22GHz。其中，(a)为采用多总阵近场补偿方法之后采用wk算法(波数域算法)的成像结果；(b)为采用多子阵近场补偿方法之后采用wk算法(波数域算法)的成像结果；(c)为标准BP算法成像结果(无需补偿)。

从结果上来看，图5(c)(BP算法)的结果最好但成像时间长，无法满足实时成像的要求，作为我们成像结果的参考。传统的利用总阵补偿方法后采用wk算法(波数域算法)成像的结果如图5(a)所示，可以看出在成像平面中心区域附近成像效果较好，而边缘有明显的恶化与失真；而采用本发明的子阵中心补偿后成像的结果图5(b)效果近似于BP算法结果，能满足高图像质量与实时成像的需求。

综上，根据本发明实施例的圆柱孔径多子阵MIMO阵列体制及近场补偿方法，结合wk快速成像算法(波数域算法)，使安检系统实现了快速高分辨率成像，安检系统兼具高成像速度和高分辨率的优点，且易于布置，成本低，可应用于机场和高通量的地铁、火车站等环境下的人体安检。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。