一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法，陣列通過(guò)單站等效與微動(dòng)控制后，陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半，所述等效單元為等效相位中心。本發(fā)明在數(shù)據(jù)采集速度和節(jié)省硬件資源成本等方面有較大優(yōu)勢(shì)，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的天線陣列可以有效的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行太赫茲成像測(cè)試。
【專利說(shuō)明】
一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由雷達(dá)理論可知，無(wú)論是微波、毫米波，還是太赫茲成像，都是通過(guò)工作帶寬獲取距離向分辨率，通過(guò)合成孔徑、實(shí)孔徑，或逆合成孔徑，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)獲取方位向分辨率。
[0003]在安檢、異物檢測(cè)、復(fù)合材料檢測(cè)等太赫茲成像應(yīng)用領(lǐng)域，目前一般采用如圖1所示的合成孔徑成像原理，收發(fā)天線沿某一方向以一定間隔做“一步一?！边\(yùn)動(dòng)，步進(jìn)間隔需滿足空間采樣定律要求，一般選取工作中心頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半，測(cè)試設(shè)備在每一步進(jìn)位置點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，最后利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)所有位置點(diǎn)數(shù)據(jù)綜合處理，獲取方位向分辨率。該成像技術(shù)需要在每一等效單元點(diǎn)完成一次信號(hào)收發(fā)與數(shù)據(jù)采集，假設(shè)一次數(shù)據(jù)采集時(shí)間為
，一個(gè)步進(jìn)間隔運(yùn)動(dòng)時(shí)間為T，完成N個(gè)等效單元數(shù)據(jù)采集所需時(shí)間為(N-Dti+NT，一次成像測(cè)試所需時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。
[0004]為提高成像速度，在微波領(lǐng)域出現(xiàn)了利用快速開(kāi)關(guān)切換的天線陣列技術(shù)，按照收發(fā)天線是否一體可分為圖2、圖3所示兩種形式，其基本原理相同，在成像需要孔徑長(zhǎng)度上按照半波長(zhǎng)間距原則，等間隔布置實(shí)際的收發(fā)天線單元，收發(fā)天線后端通過(guò)高速開(kāi)關(guān)與收發(fā)設(shè)備相連，第一組收發(fā)天線通過(guò)開(kāi)關(guān)與收發(fā)設(shè)備組合完成一次數(shù)據(jù)采集，開(kāi)關(guān)切換，控制第二組收發(fā)天線通過(guò)開(kāi)關(guān)與收發(fā)設(shè)備組合，再完成一次數(shù)據(jù)采集，依次控制開(kāi)關(guān)從通道I切換到通道N，可以完成N組數(shù)據(jù)采集，獲取成像所需N個(gè)等效單元的數(shù)據(jù)信息，假設(shè)開(kāi)關(guān)通道間切換時(shí)間表示為t2，則完成N個(gè)等效單元數(shù)據(jù)采集所需時(shí)間為(N-l)t2+NT，由于〖2遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于
，因此該陣列成像技術(shù)可以大大縮短數(shù)據(jù)采集時(shí)間，提高成像速度。
[0005]“一步一?！背上穹绞降闹饕秉c(diǎn)是成像速度慢、效率低，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)成像場(chǎng)合的需要，收發(fā)一體(收發(fā)分置)天線一維陣列成像方式雖然可以大幅提高成像速度，但缺點(diǎn)是需要數(shù)量龐大的天線資源，為了實(shí)現(xiàn)N個(gè)等效單元的采樣，收發(fā)一體天線陣列需要N個(gè)天線單元，收發(fā)分置天線陣列需要2N個(gè)天線單元，收發(fā)天線利用率很低；另外，由于天線陣列實(shí)現(xiàn)需要天線單元數(shù)較多，且天線單元間距需要滿足半波長(zhǎng)間距要求，當(dāng)工作頻率較低時(shí)，物理實(shí)現(xiàn)難度不大，但隨著工作頻率的提高，實(shí)現(xiàn)難度將逐步增加，以工作頻率10GHz為例，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為3mm，要實(shí)現(xiàn)圖2、圖3所示一維陣列，則要求收發(fā)天線間距為1.5mm，無(wú)論是天線單元設(shè)計(jì)，還是陣列布局設(shè)計(jì)，都存在極大的難度，同時(shí)還會(huì)限制收發(fā)天線性能。因此，圖
2、圖3所示一維陣列在太赫茲成像方面應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的可行性不高，不具備工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出一種一維稀疏陣列布置方法，通過(guò)天線陣列稀疏化設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，可大幅提高數(shù)據(jù)采集速度與天線單元利用率，進(jìn)而顯著提高成像速度，同時(shí)降低硬件復(fù)雜度，提高工程可實(shí)現(xiàn)性。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]—種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法，陣列通過(guò)單站等效與微動(dòng)控制后，陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半，所述等效單元為等效相位中心。
[0009]可選地，上述用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法，包括以下步驟:
[0010]首先，根據(jù)成像指標(biāo)參數(shù)要求，確定所需的等效單元數(shù)目及間隔；
[0011]然后，按照收發(fā)分置方式布置實(shí)際天線單元，發(fā)射天線/接收天線分別按照相互平行的兩條直線分布；
[0012]接著，設(shè)計(jì)發(fā)射天線單元的布置，發(fā)射天線總數(shù)為任意耦數(shù)，每?jī)蓚€(gè)發(fā)射天線組成一對(duì)發(fā)射天線組合，每個(gè)組合內(nèi)兩發(fā)射天線間距為4λ，每?jī)蓚€(gè)發(fā)射天線組合間距為4λ;
[0013]接下來(lái)，設(shè)計(jì)接收天線單元的布置，接收天線總數(shù)為任意耦數(shù)，每?jī)蓚€(gè)接收天線組成一對(duì)接收天線組合，每個(gè)組合內(nèi)兩接收天線間距為2λ，每?jī)蓚€(gè)接收天線組合間距為6λ;發(fā)射天線陣列與接收天線陣列進(jìn)行錯(cuò)位設(shè)計(jì)，發(fā)射天線陣列左首第一個(gè)天線與接收天線陣列左首第一個(gè)天線間距為0.5λ;
[0014]分別在原位狀態(tài)與移位狀態(tài)下完成一組數(shù)據(jù)采集，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行組合內(nèi)插處理后，得到等間隔0.5λ的等效單元分布，最終得到滿足奈奎斯特采樣定律要求的等效單元分布；
[0015]最后，結(jié)合數(shù)據(jù)處理算法，完成成像測(cè)試。
[0016]可選地，陣列在原位狀態(tài)下產(chǎn)生的等效單元分布，各等效單元以間距λ等分布。
[0017]可選地，陣列在移位狀態(tài)下產(chǎn)生的等效單元分布，各等效單元以間距λ等分布。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
[0019](I)利用等效相位中心原理設(shè)計(jì)了一種一維稀疏陣列，有效提高了數(shù)據(jù)采集速度，降低了陣列硬件復(fù)雜度與實(shí)現(xiàn)成本；
[0020](2)利用發(fā)射陣列的單次機(jī)械微動(dòng)實(shí)現(xiàn)了等效單元的成倍增加，使最終形成的等效單元間距滿足太赫茲級(jí)別成像所需的采樣要求，在一定收發(fā)天線單元數(shù)量限制下，實(shí)現(xiàn)了太赫茲級(jí)別的成像；
[0021](3)在數(shù)據(jù)采集速度和節(jié)省硬件資源成本等方面有較大優(yōu)勢(shì)，可以有效的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行太赫茲成像測(cè)試。
【附圖說(shuō)明】
[0022]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為現(xiàn)有的“一步一?！背上裨硎疽鈭D；
[0024]圖2為現(xiàn)有的收發(fā)一體天線一維陣列原理示意圖；
[0025]圖3為現(xiàn)有的收發(fā)分置天線一維陣列原理示意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明的一維稀疏天線陣列布局與原位狀態(tài)下等效單元分布示意圖；
[0027]圖5為本發(fā)明的一維稀疏天線陣列布局與移位狀態(tài)下等效單元分布示意圖；
[0028]圖6為本發(fā)明的一維稀疏天線陣列等效單元分布示意圖；
[0029]圖7為理想散射點(diǎn)的等效相位中心誤差示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0031]太赫茲成像技術(shù)具有分辨率高、對(duì)人體無(wú)損傷、私密性好、穿透性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，因此太赫茲成像技術(shù)在機(jī)場(chǎng)安檢、反恐檢查、異物檢測(cè)、復(fù)合材料檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前太赫茲成像，特別是主動(dòng)式成像中，絕大多數(shù)采用合成孔徑(SAR)原理，即成像系統(tǒng)收發(fā)天線采用“一步一?！钡墓ぷ鞣绞?，利用收發(fā)天線運(yùn)動(dòng)形成的合成孔徑獲取高的方位向成像分辨率，采用該方法需要耗費(fèi)大量時(shí)間用于數(shù)據(jù)采集，成像速度較慢，這也成為限制太赫茲成像技術(shù)應(yīng)用的主要因素之一。
[0032]本發(fā)明的目的在于提出一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法，通過(guò)天線陣列稀疏化設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的高效率，進(jìn)而顯著提高成像速度。
[0033]針對(duì)“一步一?！背上穹绞剿俣嚷⑿实?，收發(fā)一體(收發(fā)分置)天線一維陣列成像方式占用資源多，天線利用率很低，工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值不高等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種一維稀疏陣列布置方法，通過(guò)天線陣列稀疏化設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，可大幅提高數(shù)據(jù)采集速度與天線單元利用率，進(jìn)而顯著提高成像速度，同時(shí)降低硬件復(fù)雜度，提高工程可實(shí)現(xiàn)性。
[0034]本發(fā)明提出的稀疏陣列布置方法基于單站等效原理，即設(shè)計(jì)陣列通過(guò)單站等效與微動(dòng)控制后，最終形成的等效相位中心(本發(fā)明中統(tǒng)稱等效單元)滿足奈奎斯特采樣定律，即陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半。本發(fā)明依據(jù)上述原則，考慮到太赫茲頻段波長(zhǎng)較短，為兼顧工程可實(shí)現(xiàn)性，同時(shí)采用陣列稀疏化設(shè)計(jì)與陣列微動(dòng)控制技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)半波長(zhǎng)間距等效單元分布要求。
[0035]下面以8個(gè)發(fā)射天線與8個(gè)接收天線組成陣列的設(shè)計(jì)過(guò)程為例，介紹本發(fā)明一維稀疏陣列布置方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)進(jìn)行一維稀疏陣列的布置。
[0036]首先，根據(jù)成像指標(biāo)參數(shù)要求，如成像分辨率、旁瓣電平等參數(shù)確定所需的等效單元數(shù)目及間隔，也就是確定等效虛擬陣列的分布。
[0037]然后，按照收發(fā)分置方式布置實(shí)際天線單元，發(fā)射天線/接收天線分別按照相互平行的兩條直線分布，直線間距沒(méi)有嚴(yán)格要求，以實(shí)際設(shè)計(jì)天線單元尺寸與陣列尺寸設(shè)計(jì)要求合理選擇，本發(fā)明按照12λ (λ為波長(zhǎng))設(shè)計(jì)。
[0038]接著，如圖4所示，設(shè)計(jì)發(fā)射天線單元的布置，發(fā)射天線總數(shù)為8(可擴(kuò)展為其他任意耦數(shù)，具體數(shù)目由成像分辨率、成像范圍等因素決定)，每?jī)蓚€(gè)發(fā)射天線組成一對(duì)發(fā)射天線組合，每個(gè)組合內(nèi)兩發(fā)射天線間距為4λ，每?jī)蓚€(gè)發(fā)射天線組合間距為4λ。
[0039]接下來(lái)，設(shè)計(jì)接收天線單元的布置，接收天線總數(shù)為8(可擴(kuò)展為其他任意耦數(shù)，具體數(shù)目由成像分辨率、成像范圍等因素決定)，每?jī)蓚€(gè)接收天線組成一對(duì)接收天線組合，每個(gè)組合內(nèi)兩接收天線間距為2λ，每?jī)蓚€(gè)接收天線組合間距為6λ。發(fā)射天線陣列與接收天線陣列需要進(jìn)行錯(cuò)位設(shè)計(jì)，圖4中發(fā)射天線陣列左首第一個(gè)天線11與接收天線陣列左首第一個(gè)天線21間距為0.5λ。數(shù)據(jù)采集時(shí)，在高速開(kāi)關(guān)控制下，發(fā)射/接收天線單元通過(guò)一定的組合關(guān)系工作，圖4所示發(fā)射天線組合I中發(fā)射天線11發(fā)射時(shí)，接收天線組合2中接收天線21接收時(shí)形成等效單元31，接收天線22接收時(shí)形成等效單元32，發(fā)射天線12與接收天線21的收發(fā)組合形成等效單元33，發(fā)射天線12與接收天線22的收發(fā)組合形成等效單元34，按此原則，一次控制循環(huán)后可形成圖4中的等效單元分布3，其中各單元按間距λ等分布。等效單元間距為λ，不能滿足奈奎斯特采樣定律要求，為此還需進(jìn)行發(fā)射天線陣列的微動(dòng)控制設(shè)計(jì)，一維稀疏陣列在如圖4所示原始狀態(tài)下完成一組數(shù)據(jù)采集后，保持接收陣列靜止，發(fā)射陣列沿平行方向整體右移距離λ，一維稀疏天線陣列變換為圖5所示的移位狀態(tài)下，由于發(fā)射天線陣列與接收天線陣列布局沒(méi)有發(fā)生改變，按照?qǐng)D4的數(shù)據(jù)采集控制完成一組數(shù)據(jù)采集后，可形成圖5中的等效單元分布4，其中各單元按間距λ等分布。
[0040]本發(fā)明設(shè)計(jì)的一維稀疏天線陣列在原位狀態(tài)下產(chǎn)生的等效單元分布如圖6中a所示，各等效單元以間距λ等分布，在移位狀態(tài)下產(chǎn)生的等效單元分布如圖6中b所示，各等效單元以間距λ等分布，圖6中a與圖6中b所示等效單元分布間距剛好為0.5λ。因此，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一維稀疏天線陣列分別在原位狀態(tài)與移位狀態(tài)下完成一組數(shù)據(jù)采集，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行組合內(nèi)插處理后，可以得到等間隔0.5λ的等效單元分布，如圖6中c所示，最終可以得到滿足奈奎斯特采樣定律要求的等效單元分布。結(jié)合數(shù)據(jù)處理算法，可以完成成像測(cè)試。
[0041]為驗(yàn)證本發(fā)明所設(shè)計(jì)一維稀疏陣列的等效單元相位誤差，計(jì)算距離一維陣列中心前0.5m的理想散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的等效相位中心誤差，如圖7所示，可見(jiàn)理想散射點(diǎn)最大的等效相位中心誤差不足2mm，與目標(biāo)到陣列的距離0.5m相比，幾乎是可以忽略不計(jì)的，可以滿足成像測(cè)試要求。
[0042]本發(fā)明的一維稀疏陣列布置方法，利用等效相位中心原理設(shè)計(jì)了一種一維稀疏陣列，有效提高了數(shù)據(jù)采集速度，降低了陣列硬件復(fù)雜度與實(shí)現(xiàn)成本;利用發(fā)射陣列的單次機(jī)械微動(dòng)實(shí)現(xiàn)了等效單元的成倍增加，使最終形成的等效單元間距滿足太赫茲級(jí)別成像所需的采樣要求，在一定收發(fā)天線單元數(shù)量限制下，實(shí)現(xiàn)了太赫茲級(jí)別的成像。
[0043]本發(fā)明在數(shù)據(jù)采集速度和節(jié)省硬件資源成本等方面有較大優(yōu)勢(shì)，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的天線陣列可以有效的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行太赫茲成像測(cè)試。
[0044]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法，其特征在于，陣列通過(guò)單站等效與微動(dòng)控制后，陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半，所述等效單元為等效相位中心。2.如權(quán)利要求1所述的一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法，其特征在于，包括以下步驟: 首先，根據(jù)成像指標(biāo)參數(shù)要求，確定所需的等效單元數(shù)目及間隔； 然后，按照收發(fā)分置方式布置實(shí)際天線單元，發(fā)射天線/接收天線分別按照相互平行的兩條直線分布； 接著，設(shè)計(jì)發(fā)射天線單元的布置，發(fā)射天線總數(shù)為任意耦數(shù)，每?jī)蓚€(gè)發(fā)射天線組成一對(duì)發(fā)射天線組合，每個(gè)組合內(nèi)兩發(fā)射天線間距為4λ，每?jī)蓚€(gè)發(fā)射天線組合間距為4λ; 接下來(lái)，設(shè)計(jì)接收天線單元的布置，接收天線總數(shù)為任意耦數(shù)，每?jī)蓚€(gè)接收天線組成一對(duì)接收天線組合，每個(gè)組合內(nèi)兩接收天線間距為2λ，每?jī)蓚€(gè)接收天線組合間距為6λ;發(fā)射天線陣列與接收天線陣列進(jìn)行錯(cuò)位設(shè)計(jì)，發(fā)射天線陣列左首第一個(gè)天線與接收天線陣列左首第一個(gè)天線間距為0.5λ; 分別在原位狀態(tài)與移位狀態(tài)下完成一組數(shù)據(jù)采集，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行組合內(nèi)插處理后，得到等間隔0.5λ的等效單元分布，最終得到滿足奈奎斯特采樣定律要求的等效單元分布； 最后，結(jié)合數(shù)據(jù)處理算法，完成成像測(cè)試。3.如權(quán)利要求2所述的一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法，其特征在于，陣列在原位狀態(tài)下產(chǎn)生的等效單元分布，各等效單元以間距λ等分布。4.如權(quán)利要求2所述的一種用于太赫茲實(shí)時(shí)成像的一維稀疏陣列布置方法，其特征在于，陣列在移位狀態(tài)下產(chǎn)生的等效單元分布，各等效單元以間距λ等分布。
【文檔編號(hào)】G01S7/02GK106054181SQ201610351453
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】常慶功, 胡大海, 王亞海
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所, 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所