近距離平面陣列多輸入多輸出成像天線布局方法
2024-04-10 09:15:05
近距離平面陣列多輸入多輸出成像天線布局方法
【專利摘要】本發明公開一種近距離平面陣列MIMO成像天線的布局方法，包括：步驟S1：確定成像系統的最短有效合成陣列大小和平面陣列陣元天線尺寸；步驟S2：確定同類收發天線中心最小間距；步驟S3：確定成像系統的最小合成陣列的收發陣元總數以及最小合成陣列尺寸；步驟S4：計算成像系統的收發總陣元數、天線等效相位中心數和成像系統的平面陣列尺寸；步驟S5：計算成像系統的發射和接收陣元天線幾何中心位置的分布；步驟S6：根據成像系統的發射和接收陣元天線幾何中心位置的分布進行布局。根據本發明的布局方法解決了平面陣列MIMO成像中有效合成陣列長度受觀測距離的影響問題，在保證近距離微波圖像質量的前提下，進一步提高了數據獲取效率。
【專利說明】近距離平面陣列多輸入多輸出成像天線布局方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及近距離微波成像觀測領域，尤其涉及一種近距離平面陣列多輸入多輸 出成像天線布局方法。
【背景技術】
[0002] 近距離微波成像技術憑藉其不受光照等條件的影響，具有可以穿透一定的障礙物 等優勢，在安全檢測、無損檢測、雷達目標成像診斷等領域發揮著越來越重要的重要。根據 實際應用特點，近距離微波成像通常的觀測範圍在2m以內或者10m以內，常規採用單天線 沿二維平面移動從而獲取觀測目標回波數據的方式時間長，效率較低，僅適用於實驗驗證， 卻不適於實際的系統應用。
[0003] 美國太平洋西北實驗室David M. Sheen等採用陣列天線構型，通過微波開關切換 實現等效滿陣天線合成，並結合機械掃描運動（包括Y軸方向和Z軸方向的掃描運動）實 現平面孔徑合成，進而實現對觀測目標的高解析度三維成像。該成像模式中，等效滿陣天線 合成主要通過上下各一排收發天線完成，由於天線緊湊排布，通過需要成百天線陣元，相應 地也需要複雜的微波網絡予以配合。
[0004] 近年來，荷蘭A. G. Yarovoy等為進一步提高數據獲取效率，結合多輸入多輸出 (Multiple-Input Multiple-Output簡稱ΜΙΜΟ)陣列優化方法，進一步降低收發天線數量， 但該陣列優化方法隱含地假設了所有陣元均能實現對觀測目標的回波信號獲取，也即無論 觀測目標自身的尺度大小，陣列天線距離觀測目標的距離均遠遠大於陣列天線本身，而實 際近距離成像中，由於觀測目標與天線距離有限，通常只有米級距離，隨著觀測角度範圍的 增大，收發天線中並不是每個陣元均能接收到有效的回波信號，因此其有效合成陣列長度 會急劇縮短，進而影響到成像觀測質量，不利於實際應用。
[0005] 譚維賢等針對微波近距離成像中的陣列優化問題進行研究，分析了不考慮限制條 件的遠距離陣列稀疏優化方法在近距離成像中的局限性，給出了考慮波束寬度限制的近距 離一維陣列稀疏優化方法，一定程度上解決了有效合成陣列長度受觀測距離的影響問題， 但由於該方法主要是針對一維陣列，尚未考慮平面二維陣列構型及優化策略。
[0006] 專利文獻 1 :David Μ. Sheen, Η. Dale Collins, Thomas Ε. Hall, Real-time wideband holographic surveillance system, No:5557283, Sep. 17, 1996.
[0007] 專利文獻 2 :X. Zhuge，A. Yarovoy，J. Fortuny-Guasch，et al. "An ultra-wideband radar imaging system using a two-dimensional multiple-input multiple-output(ΜΙΜ0)transducer array"，European Patent Application No. 09173986. 2-2220, Dec. 2009.
[0008] 非專利文獻 1 :X. Zhuge and A. G. Yarovoy，"A sparse aperture MIMO-SAR-based UWB imaging system for concealed weapon detection，，'IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 49, no. 1, pp. 509 - 518, 2011.
[0009] 非專利文獻 2 :Yaolong Qi，Weixian Tan，Xueming Peng，Yanping Wang，and Wen Hong. Application of optimized sparse antenna array in near range 3d microwave imaging，IEICE TRANS. COMMUN.，Vol. E96-B，No. 10, 2542-2552, 2013.
[0010] 非專利文獻 3 :Yaolong Qi，Yanping Wang，Weixian Tan and Wen Hong,Application of sparse array and ΜΙΜ0 in near-range microwave imaging, Proc. SPIE 8179, 81790X，2011.
[0011] 非專利文獻4:譚維賢.合成孔徑雷達三維成像理論與方法研究[D].[博士學 位].北京：中國科學院研究生院，2009.
[0012] 現有技術中主要的技術缺陷在於：現有近距離微波成像主要採用一維陣列天線構 型，且所需陣元天線數目繁多，相應的微波網絡及全系統複雜度較高，需要通過機械掃描獲 取目標回波數據，其效率較低；基於平面陣列的ΜΜ0成像天線構型尚未考慮目標與天線之 間的距離，影響了實際平面陣列合成孔徑的大小，進而影響了近距離微波圖像的質量；已有 的解決了有效合成陣列長度受觀測距離的影響問題的方法尚未考慮二維平面陣列合成，不 利於進一步提高近距離微波成像數據獲取效率。
【發明內容】
[0013] 本發明所要解決的問題是近距離微波成像不能兼顧效率和成像質量，提供一種近 距離平面陣列多輸入多輸出成像天線的布局方法。
[0014] 為了解決上述問題，本發明提供一種近距離平面陣列多輸入多輸出成像天線的布 局方法，其包括以下步驟：
[0015] 步驟S1 :根據平面陣列多輸入多輸出成像系統的二維平面解析度、陣列天線目標 近距和系統工作頻率確定成像系統的最短有效合成陣列大小和平面陣列陣元天線尺寸；
[0016] 步驟S2 :根據成像系統的平面陣列陣元天線尺寸確定同類收發天線中心最小間 距；
[0017] 步驟S3 :根據最短有效合成陣列大小和同類收發天線中心最小間距確定成像系 統的最小合成陣列的收發陣元總數以及最小合成陣列尺寸；
[0018] 步驟S4 :根據預設的陣列觀測範圍、最小合成陣列尺寸、最小合成陣列的收發陣 元數計算成像系統的收發總陣元數、天線等效相位中心數和成像系統的平面陣列尺寸；
[0019] 步驟S5 :根據成像系統收發總陣元數、天線等效相位中心數和成像系統平面陣列 尺寸計算成像系統的發射和接收陣元天線幾何中心位置的分布；
[0020] 步驟S6 :根據成像系統的發射和接收陣元天線幾何中心位置的分布進行布局。
[0021] 作為優選，步驟S1進一步包括：
[0022] 步驟S11 :根據成像系統的二維平面解析度計算平面陣列陣元波束寬度；
[0023] 步驟S12 :根據平面陣列陣元波束寬度，以及陣列天線目標近距，計算最短有效合 成陣列大小；
[0024] 步驟S13 :根據平面陣列陣元波束寬度，以及由系統工作頻率所確定的系統工作 波長計算平面陣列陣元尺寸。
[0025] 作為優選，步驟S2進一步包括：步驟21 :通過式（1)，根據成像系統在Y軸和Z軸 方向上的天線陣元口面距離和平面陣列陣元天線尺寸確定同類收發天線中心最小間距，同 類收發天線中心最小間距包括俯仰向陣元天線中心最小間距Λ lminz和方位向陣元天線中 心最小間距Λ l^iny ;
[0026]
【權利要求】
1. 一種近距離平面陣列多輸入多輸出成像天線的布局方法，其特徵在於，包括以下步 驟： 步驟Sl:根據平面陣列多輸入多輸出成像系統的二維平面解析度、陣列天線目標近距 和系統工作頻率確定所述成像系統的最短有效合成陣列大小和平面陣列陣元天線尺寸； 步驟S2 :根據所述成像系統的平面陣列陣元天線尺寸確定同類收發天線中心最小間 距； 步驟S3 :根據最短有效合成陣列大小和同類收發天線中心最小間距確定所述成像系 統的最小合成陣列的收發陣元總數以及最小合成陣列尺寸； 步驟S4 :根據預設的陣列觀測範圍、所述最小合成陣列尺寸、所述最小合成陣列的收 發陣元數計算所述成像系統的收發總陣元數、天線等效相位中心數和所述成像系統的平面 陣列尺寸； 步驟S5 :根據所述成像系統收發總陣元數、所述天線等效相位中心數和所述成像系統 平面陣列尺寸計算所述成像系統的發射和接收陣元天線幾何中心位置的分布； 步驟S6 :根據所述成像系統的發射和接收陣元天線幾何中心位置的分布進行布局。
2. 根據權利要求1所述的布局方法，其特徵在於，步驟Sl進一步包括： 步驟Sll:根據所述成像系統的二維平面解析度計算平面陣列陣元波束寬度； 步驟S12 :根據所述平面陣列陣元波束寬度，以及所述陣列天線目標近距，計算所述最 短有效合成陣列大小； 步驟S13 :根據所述平面陣列陣元波束寬度，以及由所述系統工作頻率所確定的系統 工作波長計算平面陣列陣元尺寸。
3. 根據權利要求1所述的布局方法，其特徵在於，步驟S2進一步包括： 步驟21 :通過式（1)，根據所述成像系統在Y軸和Z軸方向上的天線陣元口面距離和平 面陣列陣元天線尺寸確定同類收發天線中心最小間距，所述同類收發天線中心最小間距包 括俯仰向陣元天線中心最小間距ΛIminz和方位向陣元天線中心最小間距Alminy;
其中，、和Iz分別表示沿Y軸方向和Z軸方向上的平面陣列陣元天線尺寸，&7和ξζ分別表示沿Y軸方向和Z軸方向上的天線陣元口面距離，其中，e(〇, 1/2)，且 ξze(〇,lz/2);或者，ξy =ξze(〇,min[ly，IJ)。
4. 根據權利要求3所述的布局方法，其特徵在於，步驟S3進一步包括： 步驟S30 :根據Y軸與Z軸方向上的最短有效合成陣列大小和Y軸與Z軸陣元天線中 心最小間距計算最小合成陣列沿Y軸與Z軸的收發陣元數； 步驟S33 :根據所述最小合成陣列沿Y軸與Z軸方向收發陣元數通過式（2)計算最小 合成陣列收發陣元總數； NminTE一NminyTNminzT+MminyEMminzE (2) 其中，NminTK表示最小合成陣列收發陣元總數，NminyT和NminzT分別表示最小合成陣列沿Y軸和Z軸方向的發射陣元數，MminyK和MminzK分別表示最小合成陣列沿Y軸和Z軸方向的接 收陣元數； 步驟S34 :根據所述Y軸與Z軸方向上的最短有效合成陣列大小和Y軸與Z軸陣元天 線中心最小間距通過式（3)修正所述成像系統的最小合成陣列尺寸；
其中，LniinsynYcor和LniinsynZcor分別表示沿Y軸方向和Z軸方向上經修正的所述成像系統 的最小合成陣列尺寸，ΛIniiny和ΛIniinz分別表示Y軸方向和Z軸方向陣元天線中心最小間 距，Iy和Iz分別表示沿Y軸方向和Z軸方向上的平面陣列陣元天線尺寸。
5. 根據權利要求4所述的布局方法，其特徵在於，步驟S30進一步包括： 步驟S301 :根據式（4)計算最小合成陣列沿Y軸方向發射陣元數NminyT，根據式（5)計 算最小合成陣列沿Z軸方向發射陣元數NminzT，
其中，Lminsynγ和Lminsynz表示沿Y軸與Z軸方向上的最短有效合成陣列大小； 步驟S302 :根據式（6)計算最小合成陣列沿Y軸方向接收陣元數MminyK，根據式（7)計 算最小合成陣列沿沿Z軸方向接收陣元數MminzK，
其中，Lminsynγ和Lminsynz表示沿Y軸與Z軸方向上的最短有效合成陣列大小。
6. 根據權利要求5所述的布局方法，其特徵在於，步驟S4進一步包括： 步驟S41 :根據陣列觀測範圍和最小合成陣列尺寸通過下述公式確定沿Y軸與Z軸方 向上的最小合成陣列數，
其中，NAmyY和Nitoayz分別表示沿Y軸與Z軸方向上的等效最小合成陣列數，Syci和Sztl分 別表示沿Y軸和Z軸方向的目標觀測範圍； 步驟S42 :根據最小合成陣列數通過式（9)和式（10)分別對應計算所述成像系統收發 總陣元數和天線等效相位中心數，
其中，NftansA"ayY和NK_iAmyY分別表示所述成像系統的合成陣列單列天線沿Y軸方向的 發射天線和接收天線，NftansAmyZ和NKK：e;iAlTayZ分別表示所述成像系統的合成陣列單列天線沿 Z軸方向的發射天線和接收天線數目，NTKAmyYZ表示所述成像系統收發總陣元數， APCTEtoayY和APCratoayz分別表示所述成像系統的合成陣列單列天線沿Y軸和Z軸方向的 天線等效相位中心數，APCTEtoayYZ表示所述成像系統的合成陣列總的天線等效相位中心數； 步驟S43 :根據Y軸和Z軸陣元天線中心最小間距和沿Y軸和Z軸方向上的平面陣列 陣元天線尺寸通過式（11)計算所述成像系統平面陣列尺寸，
其中，Lsynγ和Lsynz分別表示所述成像系統平面陣列沿Y軸和Z軸方向的實際物理尺 寸。
7. 根據權利要求6所述的布局方法，其特徵在於，步驟S5進一步包括： 步驟S51 :以所述成像系統平面陣列幾何中心為原點，計算所述成像系統平面陣列發 射陣元天線幾何中心位置的分布； 步驟S52 :以所述成像系統平面陣列幾何中心為原點，計算所述成像系統平面陣列接 收陣元天線幾何中心位置的分布； 步驟S53 :分別記錄發射和接收陣元天線幾何中心位置。
8. 根據權利要求7所述的布局方法，其特徵在於，步驟S51進一步包括：步驟S512 :通 過式（12)計算第kn，m = [NTMnsAlTayYX(m-l)+n]個發射陣元天線幾何中心位置，
步驟S513 :使計數變量η加1，若η彡NT,msAmyY，執行步驟S512 ;若η>NftansA"ayY，繼續 執行步驟S514 ; 步驟S514 :使計數變量m加1，若m彡Nftansitoayz，使η= 1，繼續執行步驟S512 ;若m> ^TransArrayZ? 繼續執行步驟S52 ; 其中,m和η為臨時計數變量,km，n = 1，2,…，（NTransAlTayYNTMnsAmyZ)為發射陣元天線幾何 中心標識。
9. 根據權利要求8所述的布局方法，其特徵在於，步驟S52進一步包括： 步驟S521 :設置臨時計數變量，p= 1，q= 1 ; 步驟S522 :通過式（13)計算第kkp，q = [NKe；M；iAmyYX(q-l)+p]個發射陣元天線幾何中 心位置
步驟S523 :使計數變量ρ加1，若計數變量ρ ^EeceiArrayY?繼續執行步驟S524; 步驟S524 :使計數變量q加1，若q彡NK_iA"ayZ，使p= 1，繼續執行步驟S522 ;若q> ^EeceiArrayZ? 繼續執行步驟S53 ; 其中，m和η為臨時變量，kkp，q1，2，J^^EeceiArrayY^EeceiAmyZ)為接收陣元天線幾何中 心標識； 步驟S53具體為：分別記錄發射和接收陣元天線幾何中心位置z)和 PR?'q(y，z)。
10. 根據權利要求1所述的布局方法，其特徵在於，步驟S6進一步包括： 步驟S61 :根據所述系統工作波長確定所述成像系統的平面陣列天線安裝基準面平面 度或安裝基準面位置測量精度要求； 步驟S62 :根據記錄的發射和接收陣元天線幾何中心位置在平面陣列天線安裝基準面 上進行天線布局中心標記； 步驟S63 :陣元天線布局，具體為在保證收發天線陣元幾何中心與收發天線布局中心 標記重合的前提下，進行收發天線布局； 步驟S64 :在天線安裝過程中存在發射陣元天線和接收陣元天線物理位置相互幹涉的 情況下： 如果發射天線與接收天線位置布局中心Y軸和Z軸相鄰，則減小物理位置存在幹涉的 發射天線和接收天線的實際尺寸或增大天線波束寬度或調整與發射天線相鄰的接收天線 位置關係，直到陣元幾何中心與天線布局中心標記重合； 如果發射天線與接收天線位置布局中心不相鄰，則不調整位置關係。
【文檔編號】H01Q1/36GK104269612SQ201410544609
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月15日 優先權日:2014年10月15日
【發明者】黃平平, 譚維賢, 洪文, 王彥平 申請人:內蒙古工業大學