本发明专利技术请求保护一种等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法，属于毫米波成像技术领域。区别于传统主动毫米波扫描成像系统固定配对收发单元的方式，本发明专利技术利用等效相位中心近似原理，巧妙设计MIMO线性阵列排布方式，灵活配置每个时刻收发天线的配对情况，实现半波长间隔均匀等效采样，在保证半波长均匀等效采样位置不缺失、不重复的情况下，大幅减少了半波长满阵采样所需的天线单元，降低了硬件成本。针对所设计的MIMO线性阵列排布方式，本发明专利技术提出了相应的高效率、高分辨的快速三维成像方法。三维成像方法。三维成像方法。
【技术实现步骤摘要】
等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法
[0001]本专利技术属于毫米波成像
，涉及一种特殊MIMO阵列扫描及其三维成像方法。
技术介绍
[0002]毫米波具有很强的穿透性，可穿透一般的衣物、纺织品、包装纸等，而且分辨率高、指向性好、抗干扰能力强，对被探测目标尤其是人体无电离辐射危害，因此被广泛视为新一代人员安全检查、无损检测等领域的关键技术，是取代目前低效的金属探测结合人工搜查的首要选择。近年来随着毫米波成像技术研究队伍不断壮大，涌现出一大批科研成果。目前毫米波成像技术最为成功的商业应用方向是面向人体安检应用的安检门，如美国L3公司的Provision系列产品，已经在全球销量过千台，德国R&S公司以及国内的一些毫米波人体安检产品已经日趋成熟并形成了部分销售。现有的主动式毫米波人体安检门一般采用全息成像体制，通过外差混频对反射回来的毫米波信号的相位进行直接测量，然后基于相位信息反演得到人体体表图像。该技术采用合成孔径成像，分辨率高，可达半个波长量级，并且反映的是人体体表的反射信息，可以清晰地看到人体所携带物品的表面细节，不同种类的物品区分度很高。
[0003]虽然毫米波成像技术正迅速发展，国内外众多科研院所和相关企业也取得了显著成果，但现有的毫米波安检成像技术仍远未成熟，低成本、高可靠性、高分辨率的毫米波成像技术研发仍面临着巨大的挑战。比如，对于平面扫描的成像系统体制，为了保证成像的高分辨率，采样间隔须达到半波长或更小，因此需要大量的收发天线单元。在纯电扫描无机械扫描的最极端情况下，二维满阵将可以实现实时凝视扫描，扫描速度达到最快，但是这种情况下的收发单元成本以及控制阵列工作的开关网络复杂度也将是极其巨大的。
[0004]为了平衡安检成像系统的复杂度与扫描效率，目前应用最为广泛的技术方案是利用线阵电扫加机扫的模式实现二维平面扫描。但是，随着毫米波安检系统的商业化推广，即使是半波长扫描间隔的线性满阵所需要的收发单元成本也是相当巨大的，因此，研究如何进一步降低硬件成本具有重大意思。而线性多发多收(MIMO)稀疏布阵技术刚好可以解决这一问题，稀疏布阵使天线数量减少，也允许使用更大口径的天线更方便安装，并且可以使得收发天线间产生更少的相互干扰，具有更大的隔离度，提高阵列性能。
[0005]针对稀疏布阵技术，国内外众多学者也提出了不同的解决方案。如美国西北太平洋实验室的David M.Sheen等人提出了一种线性稀疏阵列解决方案(Proceedings ofSPIE，90780I,2014)，该方案可总结为按N1:N2:Nc方式稀疏，其中线性稀疏阵列由Nc个重复单元组成，在每个单元内均匀分布N1个发射天线和N2个接收天线，而且要求N1和N2互质。工作时每个发射天线将分别与左右两边邻近的2N2个接收天线进行配对依次工作(同一时间仅有一对收发天线工作)，得到2N2等效采样位置，所以整个阵列在理论上将得到2N1N2Nc个采样点，但是阵列两端的发射天线无法得到左右两边2N2个接收天线的配对，因些会在阵列两端出现漏采样点，而且每个发射天线与左边两边邻近的2N2个接收天线的配对工作，收发天线
的间距跨度较大，引入的等效相位中心近似误差也太大。专利CN106707275B，针对这个问题进一步优化了阵列排布方式，同样是按N1:N2:Nc方式稀疏，但是每个单元内的发射天线不再是在整个单元内均匀排布，而是按1倍波长间隔与接收天线一边对齐，这种方式避免了Sheen的方案中存在的漏采样的问题，但是发射天线全部聚集在一端，使收发天线的间距增大，引入了更大的相位误差。本专利技术综合考虑了阵列稀疏度和等效相位中心误差的关系，提出了新的MIMO稀疏阵列排布方式，即保证阵列在按半波长均匀等间隔采样的同时，不出现漏采样和重复采样的问题，且收发天线的最大间距适中，相应的等效相位中心误差也较小，在成像算法过程可以进行精确的校准，最终得到更加理想的成像效果。
技术实现思路
[0006]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法。本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法，其包括以下步骤：
[0008]步骤101、设计等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列的排布方式的步骤；其中，所述等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列由Nc个MIMO单元组成，每个MIMO单元包含N个发射天线和M个接收天线；MIMO单元通过配置每个时刻收发天线的工作状态实现阵列方向上半波长间隔等效均匀采样，在阵列方向上扫描长度为L的区域内实现等效采样间隔为半波长的均匀采样；
[0009]步骤102、设计与MIMO阵列扫描对应的成像方法的步骤；其中，利用接收到的目标区域回波信号进行目标的毫米波图像三维重建；
[0010]进一步地，所述步骤101设计等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列的排布方式的步骤，具体包括：
[0011]组成MIMO扫描阵列的每个MIMO单元包含N个发射天线和M个接收天线，其中M个接收天线均匀排布，间隔为1倍波长λ；N个发射天线也是均匀排布，间隔为M倍波长即Mλ；
[0012]每个MIMO单元内发射天线按照序号先后依次工作，每个发射天线工作时所有的M个接收天线同时接收回波信号，MIMO单元可得到NM个等效采样点，覆盖的阵列方向扫描长度为(NM
‑
1)λ/2；
[0013]相邻的两个MIMO单元互为180
°
旋转对称，且相邻两个MIMO单元中距离最近的收发天线间隔为半波长(λ/2)；Nc个MIMO单元组成的MIMO扫描阵列共计得到NcNM个等效采样点，覆盖的阵列方向扫描长度为L＝(NcNM
‑
1)λ/2。
[0014]进一步地，每个MIMO单元内N个发射天线和M个接收天线可以居中对齐排布或根据实际情况非居中排布，即左对齐或右对齐排布或不对齐；收发天线可以分成两行排布，两行的间距h根据实际情况确定，也可以排布在同一条直线上即h＝0。
[0015]进一步地，所述一种等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法，其特征在于，阵列中的收发天线功能可以互换，即每个MIMO单元内包含N个接收天线和M个发射天线，其中M个发射天线均匀排布，间隔为1倍波长λ；N个接收射天线也是均匀排布，间隔为M倍波长即Mλ；每个MIMO单元内发射天线按照序号先后依次工作，每个发射天线工作时所有的N个接收天线同时接收回波信号，MIMO单元同样得到NM个等效采样点，覆盖的阵列方向扫描长度为(NM
‑
1)λ/2；由MIMO单元组成MIMO阵列的方法相同，得到的等效采样点亦是相
同。
[0016]进一步地，所述步骤102设计与MIMO阵列扫描对应的成像方法的步骤，具体包括：
[0017](1)利用等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描得到尺寸大小为NcNM
×
H
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤101、设计等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列的排布方式的步骤；其中，所述等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列由Nc个MIMO单元组成，每个MIMO单元包含N个发射天线和M个接收天线；MIMO单元通过配置每个时刻收发天线的工作状态实现阵列方向上半波长间隔等效均匀采样，在阵列方向上扫描长度为L的区域内实现等效采样间隔为半波长的均匀采样；步骤102、设计与MIMO阵列扫描对应的成像方法的步骤；其中，利用接收到的目标区域回波信号进行目标的毫米波图像三维重建。2.根据权利要求1所述的一种等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法，其特征在于，所述步骤101设计等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列的排布方式的步骤，具体包括：组成MIMO扫描阵列的每个MIMO单元包含N个发射天线和M个接收天线，其中M个接收天线均匀排布，间隔为1倍波长λ；N个发射天线也是均匀排布，间隔为M倍波长即Mλ；每个MIMO单元内发射天线按照序号先后依次工作，每个发射天线工作时所有的M个接收天线同时接收回波信号，MIMO单元可得到NM个等效采样点，覆盖的阵列方向扫描长度为(NM
‑
1)λ/2；相邻的两个MIMO单元互为180
°
旋转对称，且相邻两个MIMO单元中距离最近的收发天线间隔为半波长(λ/2)；Nc个MIMO单元组成的MIMO扫描阵列共计得到NcNM个等效采样点，覆盖的阵列方向扫描长度为L＝(NcNM
‑
1)λ/2。3.根据权利要求2所述的一种等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法，其特征在于，每个MIMO单元内N个发射天线和M个接收天线可以居中对齐排布或根据实际情况非居中排布，即左对齐或右对齐排布或不对齐；收发天线可以分成两行排布，两行的间距h根据实际情况确定，也可以排布在同一条直线上即h＝0；阵列中的收发天线功能可以互换，即每个MIMO单元内包含N个接收天线和M个发射天线，其中M个发射天线均匀排布，间隔为1倍波长λ；N个接收射天线也是均匀排布，间隔为M倍波长即Mλ；每个MIMO单元内发射天线按照序号先后依次工作，每个发射天线工作时所有的N个接收天线同时接收回波信号，MIMO单元同样得到NM个等效采样点，覆盖的阵列方向扫描长度为(NM
‑
1)λ/2；由MIMO单元组成MIMO阵列的方法相同，得到的等效采样点亦是相同。4.根据权利要求2或3所述的一种等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描及成像方法，其特征在于，所述步骤102设计与MIMO阵列扫描对应的成像方法的步骤，具体包括：(1)利用等效半波长均匀采样的毫米波MIMO阵列扫描得到尺寸大小为NcNM
×
H
×
F的回波数据s(r
r
,k)，其中F为在每个采样位置宽带扫频过程的采样点数，H为垂直方向上移动的次数、r
r
表示接收天线的位置、k为波数；(2)计算MIMO阵列的等效相位中心近似误差e
‑
jkΔR
，其中ΔR为由相位中心等效产生的相位误差因子；(3)利用相位中心近似误差对回波信号进行补偿，得到补偿后的回波信号s
c
(r
r
,k)；(4)补偿后的回波信号s
c
(r
r
,k)作方位向二维傅立叶变换得到S(k
x
,k
y
,k)；(5)对S(k
x
...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟杨，陈国平，卿安永，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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