距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置及方法，包括：单通道发射机，所述单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给二维天线阵列和多通道接收机；二维天线阵列包含二维平面分布的发射天线和接收天线，发射天线向自由空间辐射毫米波信号，接收天线接收目标物的散射回波信号；多通道接收机含有若干个相同的接收机通道，每个通道的接收机对来自单通道发射机的线性调频毫米波信号和来自接收接收天线的回波信号进行正交下变频处理，得到回波信号的幅度信号和相位信号，传输给数据处理系统；数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建。

Multi input multiple output array millimeter wave three dimensional imaging device and method based on distance compensation

The invention discloses a distance compensated multi-input multi-output array millimeter wave three-dimensional imaging device and method, including a single channel transmitter, which generates a linear frequency modulated millimeter wave signal and transmits it to a two-dimensional antenna array and a multi-channel receiver, and a two-dimensional antenna array including a two-dimensional planar distribution transmitting antenna. And receiving antenna, transmitting antenna radiates millimeter-wave signal to free space, receiving antenna receives scattered echo signal of target; multi-channel receiver contains several same receiver channels, each channel receiver has linear FM millimeter-wave signal from single channel transmitter and echo from receiving antenna. The signal is processed by orthogonal down-conversion, and the amplitude and phase signals of the echo signal are obtained, which are transmitted to the data processing system. The data processing system uses the amplitude and phase information of the echo signal, and uses distance compensation to reconstruct the image of the target.

【技术实现步骤摘要】
距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置及方法
本专利技术涉及毫米波成像
，特别是涉及距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置及方法。
技术介绍
频率在30GHz～300GH范围内的毫米波凭借其穿透性好、成像分辨率高、非电离辐射等优良特性，特别适合应用在人体安检、无损探测、医学诊断等领域。相关的毫米波三维成像装置及方法，成为当前的研究热点。为了重建目标物的三维图像，需要使用二维天线阵列。天线阵列拓扑结构包括单基结构和多基结构两种。在单基结构中，同一时刻只有一对位置相同的发射天线和接收天线工作，使用电扫描或者机械扫描的方式形成二维天线阵列。为了获得高质量图像，需要采用大孔径，扫描时间和数据采集时间很长，导致成像速度非常慢。在多基结构中，采用MIMO(多输入多输出)阵列天线，发射天线和接收天线位于不同的位置，多个发射天线顺次或者同时发射毫米波，多个接收天线同时接收目标物的散射或者反射回波。多基阵列可以显著提高成像速度，减少等效天线数量。当前，针对毫米波成像技术的研究，主要集中在单基结构方面。针对采用MIMO阵列天线的多基结构的研究，多数处于图像重建方法的理论研究阶段。并且，现有的针对MIMO阵列的毫米波三维图像重建方法，为了实现回波信号指数项相位信息的线性化，以及系数项的常数化，需要忽略与距离向传播损耗有关的距离信息，导致不同距离向位置的目标物重建图像质量差异较大。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供了距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，利用单通道发射机、发射电子开关、多通道接收机、接收电子开关、数据处理系统和二维天线阵列组成了MIMO阵列毫米波成像装置，提高了成像速度，降低了等效天线数量。距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，包括：单通道发射机，所述单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给二维天线阵列和多通道接收机；所述二维天线阵列包含二维平面分布的发射天线和接收天线，发射天线向自由空间辐射毫米波信号，接收天线接收目标物的散射回波信号；所述多通道接收机含有若干个相同的接收机通道，每个通道的接收机对来自单通道发射机的线性调频毫米波信号和来自接收接收天线的回波信号进行正交下变频处理，得到回波信号的幅度信号和相位信号，传输给数据处理系统；所述数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建。进一步优选的技术方案，所述单通道发射机与二维天线阵列之间设置有发射电子开关，所述多通道接收机与二维天线阵列之间设置有接收电子开关；所述发射电子开关为开关阵列，等效为单刀多掷开关，发射电子开关的输出端连接二维天线阵列的所有发射天线；所述接收电子开关为开关阵列，等效为多路选择开关，接收电子开关按照每次向多通道接收机传输回波信号的方式，将所有接收天线的回波信号传输给多通道接收机。进一步优选的技术方案，所述多通道接收机含有与接收电子开关输出通道数量相同的接收机通道。进一步优选的技术方案，所述发射天线和接收天线的数量均为Ntotal个，接收电子开关等效为一个固定有Nn输出通道数量的Nn×Ntotal的多路选择开关。并且，Ntotal是Nn的整数倍。进一步优选的技术方案，所述数据处理系统包括：阵列结构变换单元，实现对任意一对发射、接收天线对的回波信号等效为发射和接收天线处于相同位置的回波信号；二维傅里叶变换单元，实现对等效后的回波信号的共轭作横向二维傅立叶变换；滤波单元，实现对二维傅里叶变换单元输出的空间波数域回波信号进行空间波数域滤波；差值处理单元，对滤波后的数据，进行差值处理，使数据实现均匀分布；二维傅里叶逆变换元单元，对差值后的数据，进行二维傅里叶逆变换；距离向一维傅里叶变换单元，对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据，进行一维傅里叶变换；距离向频移单元，对距离向一维傅里叶变换得到的数据进行处理实现距离向频移；距离补偿单元，对距离向频移后的数据进行处理得到目标物重建图像。本申请的目的之二是公开了距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像方法，包括：利用单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给二维天线阵列和多通道接收机；其中，二维天线阵列包含二维平面分布的发射天线和接收天线，发射天线向自由空间辐射毫米波信号，接收天线接收目标物的散射回波信号；多通道接收机中的每个通道的接收机对来自单通道发射机的线性调频毫米波信号和来自接收接收天线的回波信号进行正交下变频处理，得到回波信号的幅度信号和相位信号，传输给数据处理系统；数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建。进一步优选的技术方案，数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建，具体为：对任意一对发射、接收天线对的回波信号等效为发射和接收天线处于相同位置的回波信号，实现阵列结构变换；对等效后的回波信号的共轭作横向二维傅立叶变换；对横向二维傅立叶变换产生的空间波数域回波信号S(kx，ky，k)乘以进行空间波数域滤波，Z0表示目标物所在成像区域在z轴方向距离二维天线阵列平面最近的距离，kz表示z方向的空间波数；对滤波后的数据，针对kz维进行差值处理，使数据在kz维实现均匀分布；对差值后的数据,针对kx和ky维进行二维傅里叶逆变换；对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据依次经过距离向一维傅里叶变换、距离向频移及距离补偿处理得到目标物重建图像。进一步优选的技术方案，对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据依次经过距离向一维傅里叶变换、距离向频移及距离补偿处理得到目标物重建图像，具体为：对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据，针对kz维进行一维傅里叶变换，得到S′(x，y，z′),且z′＝z-Z0；对距离向一维傅里叶变换得到的数据，乘以实现距离向频移，其中kc表示中心波数，且ωc表示线性调频毫米波信号的中心角频率，c表示光速；对距离向频移后的数据，乘以实现距离补偿，得到目标物重建图像，其中，λ表示毫米波信号波长。进一步优选的技术方案，在个完整的线性调频毫米波信号周期内，发射电子开关固定连接到1个发射天线；在下一组个毫米波信号周期，发射电子开关切换到下一个发射天线。经过个毫米波信号周期，完成所有发射天线的遍历。进一步优选的技术方案，在1个完整的线性调频毫米波信号周期内，接收电子开关固定选择Nn个接收天线；在下1个毫米波信号周期，接收电子开关切换到下一组接收天线。经过个毫米波信号周期，完成所有接收天线的遍历。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术利用单通道发射机、发射电子开关、多通道接收机、接收电子开关、数据处理系统和二维天线阵列组成了MIMO阵列毫米波成像装置。单基阵列毫米波成像装置中，天线间距最大值正比于毫米波信号最小波长的一半；而MIMO阵列毫米波成像装置中，天线间距最大值正比于毫米波信号最小波长。因此，与传统的单基阵列毫米波成像装置相比，针对相同的横向分辨率需求，天线间距的最大值限制扩大了2倍，相当于把等效天线的数量降低了一半，减小了硬件成本和系统复杂度。(2)本专利技术利用等效相位中心原理，将5维的回波信号转换为3维数据，降低了后续处理的方法复杂度，提高了图像重建速度。(3)本专利技术对回波数据进行了距离向频移和距离补偿，在图像重建过程中考虑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，其特征是，包括：单通道发射机，所述单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给二维天线阵列和多通道接收机；所述二维天线阵列包含二维平面分布的发射天线和接收天线，发射天线向自由空间辐射毫米波信号，接收天线接收目标物的散射回波信号；所述多通道接收机含有若干个相同的接收机通道，每个通道的接收机对来自单通道发射机的线性调频毫米波信号和来自接收接收天线的回波信号进行正交下变频处理，得到回波信号的幅度信号和相位信号，传输给数据处理系统；所述数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建。

【技术特征摘要】
1.距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，其特征是，包括：单通道发射机，所述单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给二维天线阵列和多通道接收机；所述二维天线阵列包含二维平面分布的发射天线和接收天线，发射天线向自由空间辐射毫米波信号，接收天线接收目标物的散射回波信号；所述多通道接收机含有若干个相同的接收机通道，每个通道的接收机对来自单通道发射机的线性调频毫米波信号和来自接收接收天线的回波信号进行正交下变频处理，得到回波信号的幅度信号和相位信号，传输给数据处理系统；所述数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建。2.如权利要求1所述的距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，其特征是，所述单通道发射机与二维天线阵列之间设置有发射电子开关，所述多通道接收机与二维天线阵列之间设置有接收电子开关；所述发射电子开关为开关阵列，等效为单刀多掷开关，发射电子开关的输出端连接二维天线阵列的所有发射天线；所述接收电子开关为开关阵列，等效为多路选择开关，接收电子开关按照每次向多通道接收机传输回波信号的方式，将所有接收天线的回波信号传输给多通道接收机。3.如权利要求2所述的距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，其特征是，所述多通道接收机含有与接收电子开关输出通道数量相同的接收机通道。4.如权利要求2所述的距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，其特征是，所述发射天线和接收天线的数量均为Ntotal个，接收电子开关等效为一个固定有Nn输出通道数量的Nn×Ntotal的多路选择开关。5.如权利要求1所述的距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，其特征是，所述数据处理系统包括：阵列结构变换单元，实现对任意一对发射、接收天线对的回波信号等效为发射和接收天线处于相同位置的回波信号；二维傅里叶变换单元，实现对等效后的回波信号的共轭作横向二维傅立叶变换；滤波单元，实现对二维傅里叶变换单元输出的空间波数域回波信号进行空间波数域滤波；差值处理单元，对滤波后的数据，进行差值处理，使数据实现均匀分布；二维傅里叶逆变换元单元，对差值后的数据，进行二维傅里叶逆变换；距离向一维傅里叶变换单元，对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据，进行一维傅里叶变换；距离向频移单元，对距离向一维傅里叶变换得到的数据进行处理实现距离向频移；距离补偿单元，对距离向频移后的数据进行处理得到目标物重建图像。6.距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像方法，其特征是，包括：利用单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给二维天...

【专利技术属性】
技术研发人员：常天英，王忠民，崔洪亮，
申请(专利权)人：山东省科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37