近距离平面阵列多输入多输出成像天线布局方法技术

本发明专利技术公开一种近距离平面阵列MIMO成像天线的布局方法，包括：步骤S1：确定成像系统的最短有效合成阵列大小和平面阵列阵元天线尺寸；步骤S2：确定同类收发天线中心最小间距；步骤S3：确定成像系统的最小合成阵列的收发阵元总数以及最小合成阵列尺寸；步骤S4：计算成像系统的收发总阵元数、天线等效相位中心数和成像系统的平面阵列尺寸；步骤S5：计算成像系统的发射和接收阵元天线几何中心位置的分布；步骤S6：根据成像系统的发射和接收阵元天线几何中心位置的分布进行布局。根据本发明专利技术的布局方法解决了平面阵列MIMO成像中有效合成阵列长度受观测距离的影响问题，在保证近距离微波图像质量的前提下，进一步提高了数据获取效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及近距离微波成像观测领域，尤其涉及一种近距离平面阵列多输入多输 出成像天线布局方法。
技术介绍
近距离微波成像技术凭借其不受光照等条件的影响，具有可以穿透一定的障碍物 等优势，在安全检测、无损检测、雷达目标成像诊断等领域发挥着越来越重要的重要。根据 实际应用特点，近距离微波成像通常的观测范围在2m以内或者10m以内，常规采用单天线 沿二维平面移动从而获取观测目标回波数据的方式时间长，效率较低，仅适用于实验验证， 却不适于实际的系统应用。 美国太平洋西北实验室David M. Sheen等采用阵列天线构型，通过微波开关切换 实现等效满阵天线合成，并结合机械扫描运动（包括Y轴方向和Z轴方向的扫描运动）实 现平面孔径合成，进而实现对观测目标的高分辨率三维成像。该成像模式中，等效满阵天线 合成主要通过上下各一排收发天线完成，由于天线紧凑排布，通过需要成百天线阵元，相应 地也需要复杂的微波网络予以配合。 近年来，荷兰A. G. Yarovoy等为进一步提高数据获取效率，结合多输入多输出 (Multiple-Input Multiple-Output简称ΜΙΜΟ)阵列优化方法，进一步降低收发天线数量， 但该阵列优化方法隐含地假设了所有阵元均能实现对观测目标的回波信号获取，也即无论 观测目标自身的尺度大小，阵列天线距离观测目标的距离均远远大于阵列天线本身，而实 际近距离成像中，由于观测目标与天线距离有限，通常只有米级距离，随着观测角度范围的 增大，收发天线中并不是每个阵元均能接收到有效的回波信号，因此其有效合成阵列长度 会急剧缩短，进而影响到成像观测质量，不利于实际应用。 谭维贤等针对微波近距离成像中的阵列优化问题进行研究，分析了不考虑限制条 件的远距离阵列稀疏优化方法在近距离成像中的局限性，给出了考虑波束宽度限制的近距 离一维阵列稀疏优化方法，一定程度上解决了有效合成阵列长度受观测距离的影响问题， 但由于该方法主要是针对一维阵列，尚未考虑平面二维阵列构型及优化策略。 专利文献 1 :David Μ. Sheen, Η. Dale Collins, Thomas Ε. Hall, Real-time wideband holographic surveillance system, No:5557283, Sep. 17, 1996. 专利文献 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. 非专利文献 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. 非专利文献 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. 非专利文献 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. 非专利文献4:谭维贤.合成孔径雷达三维成像理论与方法研究[D].[博士学 位].北京：中国科学院研究生院，2009. 现有技术中主要的技术缺陷在于：现有近距离微波成像主要采用一维阵列天线构 型，且所需阵元天线数目繁多，相应的微波网络及全系统复杂度较高，需要通过机械扫描获 取目标回波数据，其效率较低；基于平面阵列的ΜΜ0成像天线构型尚未考虑目标与天线之 间的距离，影响了实际平面阵列合成孔径的大小，进而影响了近距离微波图像的质量；已有 的解决了有效合成阵列长度受观测距离的影响问题的方法尚未考虑二维平面阵列合成，不 利于进一步提高近距离微波成像数据获取效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是近距离微波成像不能兼顾效率和成像质量，提供一种近 距离平面阵列多输入多输出成像天线的布局方法。 为了解决上述问题，本专利技术提供一种近距离平面阵列多输入多输出成像天线的布 局方法，其包括以下步骤： 步骤S1 :根据平面阵列多输入多输出成像系统的二维平面分辨率、阵列天线目标 近距和系统工作频率确定成像系统的最短有效合成阵列大小和平面阵列阵元天线尺寸； 步骤S2 :根据成像系统的平面阵列阵元天线尺寸确定同类收发天线中心最小间 距； 步骤S3 :根据最短有效合成阵列大小和同类收发天线中心最小间距确定成像系 统的最小合成阵列的收发阵元总数以及最小合成阵列尺寸； 步骤S4 :根据预设的阵列观测范围、最小合成阵列尺寸、最小合成阵列的收发阵 元数计算成像系统的收发总阵元数、天线等效相位中心数和成像系统的平面阵列尺寸； 步骤S5 :根据成像系统收发总阵元数、天线等效相位中心数和成像系统平面阵列 尺寸计算成像系统的发射和接收阵元天线几何中心位置的分布； 步骤S6 :根据成像系统的发射和接收阵元天线几何中心位置的分布进行布局。 作为优选，步骤S1进一步包括： 步骤S11 :根据成像系统的二维平面分辨率计算平面阵列阵元波束宽度； 步骤S12 :根据平面阵列阵元波束宽度，以及阵列天线目标近距，计算最短有效合 成阵列大小； 步骤S13 :根据平面阵列阵元波束宽度，以及由系统工作频率所确定的系统工作 波长计算平面阵列阵元尺寸。 作为优选，步骤S2进一步包括：步骤21 :通过式（1)，根据成像系统在Y轴和Z轴 方向上的天线阵元口面距离和平面阵列阵元天线尺寸确定同类收发天线中心最小间距，同 类收发天线中心最小间距包括俯仰向阵元天线中心最小间距Λ lminz和方位向阵元天线中 心最小间距Λ l^iny ; 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种近距离平面阵列多输入多输出成像天线的布局方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤S1：根据平面阵列多输入多输出成像系统的二维平面分辨率、阵列天线目标近距和系统工作频率确定所述成像系统的最短有效合成阵列大小和平面阵列阵元天线尺寸； 步骤S2：根据所述成像系统的平面阵列阵元天线尺寸确定同类收发天线中心最小间距； 步骤S3：根据最短有效合成阵列大小和同类收发天线中心最小间距确定所述成像系统的最小合成阵列的收发阵元总数以及最小合成阵列尺寸； 步骤S4：根据预设的阵列观测范围、所述最小合成阵列尺寸、所述最小合成阵列的收发阵元数计算所述成像系统的收发总阵元数、天线等效相位中心数和所述成像系统的平面阵列尺寸； 步骤S5：根据所述成像系统收发总阵元数、所述天线等效相位中心数和所述成像系统平面阵列尺寸计算所述成像系统的发射和接收阵元天线几何中心位置的分布； 步骤S6：根据所述成像系统的发射和接收阵元天线几何中心位置的分布进行布局。

【技术特征摘要】
1. 一种近距离平面阵列多输入多输出成像天线的布局方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤Sl:根据平面阵列多输入多输出成像系统的二维平面分辨率、阵列天线目标近距 和系统工作频率确定所述成像系统的最短有效合成阵列大小和平面阵列阵元天线尺寸； 步骤S2 :根据所述成像系统的平面阵列阵元天线尺寸确定同类收发天线中心最小间 距； 步骤S3 :根据最短有效合成阵列大小和同类收发天线中心最小间距确定所述成像系 统的最小合成阵列的收发阵元总数以及最小合成阵列尺寸； 步骤S4 :根据预设的阵列观测范围、所述最小合成阵列尺寸、所述最小合成阵列的收 发阵元数计算所述成像系统的收发总阵元数、天线等效相位中心数和所述成像系统的平面 阵列尺寸； 步骤S5 :根据所述成像系统收发总阵元数、所述天线等效相位中心数和所述成像系统 平面阵列尺寸计算所述成像系统的发射和接收阵元天线几何中心位置的分布； 步骤S6 :根据所述成像系统的发射和接收阵元天线几何中心位置的分布进行布局。2. 根据权利要求1所述的布局方法，其特征在于，步骤Sl进一步包括： 步骤Sll:根据所述成像系统的二维平面分辨率计算平面阵列阵元波束宽度； 步骤S12 :根据所述平面阵列阵元波束宽度，以及所述阵列天线目标近距，计算所述最 短有效合成阵列大小； 步骤S13 :根据所述平面阵列阵元波束宽度，以及由所述系统工作频率所确定的系统 工作波长计算平面阵列阵元尺寸。3. 根据权利要求1所述的布局方法，其特征在于，步骤S2进一步包括： 步骤21 :通过式（1)，根据所述成像系统在Y轴和Z轴方向上的天线阵元口面距离和平 面阵列阵元天线尺寸确定同类收发天线中心最小间距，所述同类收发天线中心最小间距包 括俯仰向阵元天线中心最小间距ΛIminz和方位向阵元天线中心最小间距Alminy;其中，、和Iz分别表示沿Y轴方向和Z轴方向上的平面阵列阵元天线尺寸，&7和ξζ分别表示沿Y轴方向和Z轴方向上的天线阵元口面距离，其中，e(〇, 1/2)，且 ξze(〇,lz/2);或者，ξy =ξze(〇,min[ly，IJ)。4. 根据权利要求3所述的布局方法，其特征在于，步骤S3进一步包括： 步骤S30 :根据Y轴与Z轴方向上的最短有效合成阵列大小和Y轴与Z轴阵元天线中 心最小间距计算最小合成阵列沿Y轴与Z轴的收发阵元数； 步骤S33 :根据所述最小合成阵列沿Y轴与Z轴方向收发阵元数通过式（2)计算最小 合成阵列收发阵元总数； NminTE一NminyTNminzT+MminyEMminzE (2) 其中，NminTK表示最小合成阵列收发阵元总数，NminyT和NminzT分别表示最小合成阵列沿Y轴和Z轴方向的发射阵元数，MminyK和MminzK分别表示最小合成阵列沿Y轴和Z轴方向的接 收阵元数； 步骤S34 :根据所述Y轴与Z轴方向上的最短有效合成阵列大小和Y轴与Z轴阵元天 线中心最小间距通过式（3)修正所述成像系统的最小合成阵列尺寸；其中，LniinsynYcor和LniinsynZcor分别表示沿Y轴方向和Z轴方向上经修正的所述成像系统 的最小合成阵列尺寸，ΛIniiny和ΛIniinz分别表示Y轴方向和Z轴方向阵元天线中心最小间 距，Iy和Iz分别表示沿Y轴方向和Z轴方向上的平面阵列阵元天线尺寸。5. 根据权利要求4所述的布局方法，其特征在于，步骤S30进一步包括： 步骤S301 :根据式（4)计算最小合成阵列沿Y轴方向发射阵元数NminyT，根据式（5)计 算最小合成阵列沿Z轴方向发射阵元数NminzT，其中，Lminsynγ和Lminsynz表示沿Y轴与Z轴方向上的最短有效合成阵列大小； 步骤S302 :根据式（6)计算最小合成阵列沿Y轴方向接收阵元数MminyK，根据式（7)计 算最小合成阵列沿沿Z轴方向接收阵元数MminzK，其中，Lminsynγ和Lminsynz表示沿Y轴与Z轴方向上的最短有效合成阵列大小。6. 根据权利要求5所述的布局方法，其特征在于，步骤S4进一步包括： 步骤S41 :根据阵列观测范围和最小合成阵列尺寸通过下述公式确定沿Y轴与Z轴方 向上的最小合成阵列数，其中，NAmyY和...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄平平，谭维贤，洪文，王彦平，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15