一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统，所述雷达天线包括发射器阵列和接收器阵列，发射器阵列包括若干竖直排列的发射阵列金属板；所述发射阵列金属板之间的间距与发射阵列金属板的面积呈线性关系，上端和下端两个发射阵列金属板之间的间距小于中间两个发射阵列金属板之间的间距；接收器阵列包括若干交错排列的接收阵列金属板，相邻所述接收阵列金属板之间呈90°。本发明专利技术采用阶梯式金属板阵列发射端以及转角金属板接收端，有效提升俯仰探测角；接收器阵列通过分析次相位差对人体的反射信号来估算人体在空间中的具体角度位置，当发射器阵列间隔为信号波的半波长时，可以得到最大探测角±90°。

【技术实现步骤摘要】
一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统
本专利技术属于信息通信
，具体地指一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统。
技术介绍
随着社会经济的飞速发展，中国人口老龄化日益加重，截至2017年底，中国60岁及以上老年人口已达2.4亿，占总人口的17.3％，预计到2050年前后，中国老人人口数将达到4.87亿的峰值，占总人口的34.9％。人口老龄化的加剧，以及80、90年代独生子女所占比例的增大使得整个社会出现了大量的空巢老人。在一些大城市中，空巢老人所占比例已达30％，更有甚者达到了50％，空巢老人所占老年人的比例也在逐渐增加。每年65岁以上老人跌倒的概率为28％～35％，大于70岁的概率为32％～42％。由于老年人的身体状态进入到衰老期，身体的运动能力会大大降低，当老年人突然跌倒时，若不能得到及时救助，极易引发一系列并发症，如骨折、软组织挫伤、心脏震荡、脑血栓、心理创伤等。据统计，意外跌倒占老年人死亡原因的25％。因此，跌倒探测装置在家庭中使用越来越广泛，甚至每个房间都需要安装一个。由于传统摄像头涉及隐私的问题，且受房间光线变化影响较大，毫米波雷达成为老年人跌倒检测的优质解决方案。然而传统毫米波雷达主要应用于检测物体距离，对物体具体大小分辨率较低，其精度难对物体的姿态进行探测，要满足检测人体姿态需要一种高精度、大探测角度毫米波雷达方案。
技术实现思路
本专利技术针对现有毫米波雷达技术中对物体探测的范围较小、分辨率较低的问题，提供了一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线及系统。为实现上述目的，本专利技术所设计的一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，包括发射器阵列和接收器阵列，其特殊之处在于，所述发射器阵列包括若干竖直排列的发射阵列金属板；所述发射阵列金属板之间的间距与发射阵列金属板的面积呈线性关系，上端和下端两个发射阵列金属板之间的间距小于中间两个发射阵列金属板之间的间距；所述接收器阵列包括若干交错排列的接收阵列金属板，相邻所述接收阵列金属板之间呈90°。采用阶梯式金属板阵列发射端以及转角金属板接收端，有效提升俯仰探测角。进一步地，每个接收阵列金属板与传输线的俯仰角均为±45°，更好地接收各方向的反射波，消除接收端由驻波导致的接收盲点，保持接收端雷达增益在探测范围内是连续的，提高有效俯仰方向探测角度。更进一步地，所述接收阵列金属板等距排列，相邻接收器阵列纵列的间距为毫米波的半波长的1.1～1.3倍，增大较大水平角度天线增益，增加有效水平方向探测角度。更进一步地，所述发射器阵列中发射阵列金属板的面积由中间向上下两个方向逐级递减，中间发射阵列金属板的面积最大，上端和下端发射阵列金属板的面积最小。从而大幅中心发射信号波与上下两端信号波的互扰，提升发射器天线增益，同时提高接收端的信噪比。更进一步地，所述发射器阵列和接收器阵列均为N列，N为大于等于2的自然数。发射器阵列和接收器阵列的数量可根据实际需求设计。本专利技术还提出一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达系统，所述系统包括电路板和设置于电路板外部的雷达外壳，所述电路板上设置如上述的雷达天线、芯片和电路。进一步地，所述雷达外壳内腔顶部与雷达天线之间的距离dA满足：dA＝nλ0/2其中n＝1,2,3…，λ0是毫米波在空气中的波长。更进一步地，所述雷达外壳的厚度t满足：其中n为正整数，在此方案中顶盖中心取2，顶盖边沿取1，c为光速，f为毫米波工作的平均频率，εr是外壳材料的介电常数。更进一步地，所述雷达外壳的顶部外侧为圆弧结构，圆弧表面任意一点与顶盖底部之间的厚度d′满足：d′＝dLcosθ其中，dL为雷达顶盖中心的外壳厚度，θ为圆弧表面选取的点与雷达外壳中轴线的夹角。传统毫米波雷达天线均采用传统的半波长等距设计方式，该设计虽然可以保证较长的探测距离，但相对探测的水平角和俯仰角范围较小。在人体姿态检测中，运用传统天线设计可能需要多个雷达在不同位置协同探测，使成本倍增。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术中天线发射端阵列通过分析次相位差对人体的反射信号来估算人体在空间中的具体角度位置，当发射器阵列发射端间隔为信号波的半波长时，可以得到最大探测角±90°。2、本专利技术通过设置天线接收端阵列中分列传输线两侧的金属板由水平角分别旋转45°，更好的接收个方向的反射波，提高有效探测角度。3、本专利技术采用阶梯式金属板阵列发射端，有效提升信号强度和探测范围；同时此方案重新设计接收器纵列间距，使其为传统天线间距半波长1.1-1.3倍，最优化有效探测角和理论探测交间的关系，最大程度增加有效水平探测角。4、本专利技术中设计的雷达外壳内腔顶部与雷达天线之间的距离使得天线发出的毫米波与反射回来的波具有相同的相位，反射波与发射波的互扰降到最低。5、本专利技术中雷达外壳采用内平外凸式设计，可以增加毫米波的发射范围，有效提高雷达实际探测角度。附图说明图1为本专利技术一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线的结构示意图；图2为本专利技术天线增益的模拟结果与实验结果的对比图；图3为传统半波长距离天线与本方案天线增益对比图；图4为本专利技术中雷达外壳的设计原理图；图中：发射器阵列1，接收器阵列2，发射阵列金属板3，接收阵列金属板4，雷达外壳5，传输线6。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。如图1所示，本专利技术提出的一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，包括发射器阵列1和接收器阵列2，发射器阵列1包括若干竖直排列的发射阵列金属板3；中间发射阵列金属板3距离相邻发射阵列金属板3之间的间隔为信号波的半波长，得到最大探测角±90°；接收器阵列2包括若干交错排列的接收阵列金属板4，每个接收阵列金属板4与传输线6的俯仰角均为±45°。为了在空间中对人体进行准确定位探测，毫米波雷达需要同时测量的人体相对于雷达的角度以及距离。雷达天线的发射器阵列1通过发射阵列金属板3向人体发射微波信号，发射的微波信号接触到人体会返回至接收器阵列2，接收器阵列2由多个间距为“d”的接收阵列金属板4接收微波信号。如果人体相对雷达的角度是θ，则信号到达相邻接收器的距离差就为d*sin(θ)，此距离差导致微波信号到达不同接收器的相位差为其中λ是信号波的波长。而接收器阵列2通过分析次相位差对人体的反射信号来计算人体在空间中的具体角度位置。一般来说，接收器阵列能够探测到的角度与接收器间距“d”有关，理论最大探测角度为故当接收器间隔为信号波的半波长时，可以得到理论上最大理论探测角±90°。在本专利技术的一个实施例中，发射器阵列1中发射阵列金属板3的面积由中间向上下两个方向逐级递减，中间发射阵列金属板3的面积最大，上端和下端发射阵列金属板3的面积最小。在本实施例中每一个发射器阵列1中发射阵列金属板3的面积呈三级分布，中间面积最大，向上、下两个方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，包括发射器阵列(1)和接收器阵列(2)，其特征在于：所述发射器阵列(1)包括若干竖直排列的发射阵列金属板(3)；所述发射器阵列(1)中发射阵列金属板(3)的面积由中间向上下两个方向逐级递减，中间发射阵列金属板(3)的面积最大，上端和下端发射阵列金属板(3)的面积最小；所述接收器阵列(2)包括若干交错排列的接收阵列金属板(4)，相邻所述接收阵列金属板(4)之间呈90°。/n

【技术特征摘要】
1.一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，包括发射器阵列(1)和接收器阵列(2)，其特征在于：所述发射器阵列(1)包括若干竖直排列的发射阵列金属板(3)；所述发射器阵列(1)中发射阵列金属板(3)的面积由中间向上下两个方向逐级递减，中间发射阵列金属板(3)的面积最大，上端和下端发射阵列金属板(3)的面积最小；所述接收器阵列(2)包括若干交错排列的接收阵列金属板(4)，相邻所述接收阵列金属板(4)之间呈90°。


2.根据权利要求1所述的一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，其特征在于：每个接收阵列金属板(4)与传输线(6)的俯仰角均为±45°。


3.根据权利要求1所述的一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，其特征在于：所述发射阵列金属板(3)之间的间距与发射阵列金属板(3)的面积呈线性关系，上端和下端两个发射阵列金属板(3)之间的间距小于中间两个发射阵列金属板(3)之间的间距。


4.根据权利要求2所述的一种大范围高分辨率人体姿态检测毫米波雷达天线，其特征在于：所述接收阵列金属板(4)等距排列，相邻接收器阵列(2)纵列的间距为毫米波半波长的1.1～1.3倍。


5.根据权利要求1所述的一种大范围高分辨率...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵晨，范伟，李天敏，郑晓君，张灿，
申请(专利权)人：北京算丰征途科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11