MIMO天线阵列、MIMO阵列天线及安检系统的制作方法

本申请涉及安检领域，特别是涉及一种面向太赫兹近场成像的mimo天线阵列、mimo阵列天线及安检系统。

背景技术：

太赫兹成像技术是利用频率波段为0.1thz-10thz的高频电磁波来成像的技术，相比于传统的x光成像技术、红外成像技术、微波成像技术而言，太赫兹成像具有安全性好、穿透性强、图像质量高以及一定物质识别能力等优势，因此受到了越来越多的关注。多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)成像雷达是一种利用收发天线单元的多重组合来实现以较少的天线数目生成图像的雷达，具备成本及复杂程度低，数据获取速率快等特点。而基于多收多发的太赫兹成像技术融合了太赫兹成像和多收多发成像雷达的优点，在人体安检、医疗诊断、军事侦察等领域具有重要的应用价值，尤其是在针对违禁物品检查的人体安检领域有着天然的优势。

其中，阵列设计是成像系统中一个非常关键的问题，它对成像质量、参数估计、目标检测等都有直接或间接的影响。合理的阵列排布不仅能够获得良好的成像质量，而且可以减少阵元数目、简化系统的复杂度。等效相位中心原理在近场条件下，不能忽略近似误差，并且随着信号频率的提高，到太赫兹频段，由时延误差引起的相位误差将进一步加大。因此，目前基于等效相位中心原理设计的直线形mimo天线阵列在近场成像中存在着严重旁栅伪影的问题，影响了成像质量。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前的直线形mimo天线阵列在近场成像中存在着严重旁栅伪影的问题，提供一种面向太赫兹近场成像具有较小旁栅伪影的mimo天线阵列、mimo阵列天线及安检系统。

本申请提供一种mimo天线阵列包括接收天线子阵以及多个发射天线子阵。所述多个发射天线子阵设置于所述接收天线子阵的两端，且所述接收天线子阵与所述多个发射天线子阵设置于同一条圆弧上。

在其中一个实施例中，所述接收天线子阵包括多个接收天线。所述多个接收天线设置于同一条圆弧上，且相邻所述接收天线之间的间距相等。

在其中一个实施例中，每个所述发射天线子阵包括多个发射天线。所述多个发射天线设置于所述多个接收天线的两端，相邻所述发射天线之间的间距相等，且所述多个发射天线与所述多个接收天线设置于同一条圆弧上。

在其中一个实施例中，所述mimo天线阵列包括2个所述发射天线子阵，2个所述发射天线子阵设置于所述接收天线子阵的两端。

在其中一个实施例中，每个所述发射天线子阵包括5个发射天线，所述接收天线子阵包括个接收天线。

在其中一个实施例中，所述接收天线子阵的工作频段与所述多个发射天线子阵的工作频段至少部分相同。

在其中一个实施例中，一种mimo阵列天线包括收发器、电子开关和上述任一实施例所述的mimo天线阵列，所述收发器与所述mimo天线阵列电连接，所述收发器用以产生发射信号，所述电子开关用以切换所述多个发射天线和所述多个接收天线的开关。

在其中一个实施例中，一种安检系统包括多个安检模块以及处理模块。每个所述安检模块包括至少一个如上述实施例所述的mimo阵列天线。所述处理模块与所述多个安检模块的输出端电连接，用以处理所述多个安检模块检测到数据。

在其中一个实施例中，每个所述安检模块还包括圆弧结构。至少一个所述mimo阵列天线嵌套于所述圆弧结构中。

在其中一个实施例中，所述mimo阵列天线与所述圆弧结构滑动连接，用以实现对检测物体的上下扫描。

本申请提供一种面向太赫兹近场成像的mimo天线阵列、mimo阵列天线及安检系统，所述多个发射天线基于发射信号发射检测信号，所述接收天线接收反射信号，并将反射信号反馈至收发器。所述接收天线与所述多个发射天线设置于同一条圆弧上，并且均匀分布。所述接收天线与所述多个发射天线设置于同一条圆弧上，可以使得所述接收天线与所述多个发射天线到圆心的距离相等。

依照等效相位中心原理，任意一对发射天线与接收天线的组合都可以用位于两者中心的一个收发同置的天线来代替。只有在远场条件下，等效相位中心原理才能成立，近场条件下近似误差将不能忽略。并且随着信号频率的提高，到太赫兹频段，由时延误差引起的相位误差将进一步加大。所述mimo天线阵列利用圆上任意一点到圆心的距离相等的特性，对基于等效相位中心原理设计直线形mimo天线阵列的方法进行了修正，解决了现有基于等效相位中心原理的直线形mimo阵列在近场成像中存在严重旁栅伪影的问题，提高了成像质量。

附图说明

图1为本申请提供的mimo天线阵列结构示意图；

图2为本申请提供的发射天线与接收天线形成等效单收单发天线示意图；

图3为直线形mimo天线阵列及其等效单收单发阵列结构示意图；

图4为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列结构示意图；

图5为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列的等效阵列结构示意图；

图6为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列以及其等效阵列结构参数；

图7为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列以及其等效阵列结构在太赫兹波段内的仿真参数；

图8为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列以及其等效阵列结构在330ghz～350ghz中mimo天线阵列及其等效阵列的点扩散函数；

图9为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列与直线形mimo阵列在330ghz～350ghz中的点扩散函数；

图10为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列与直线形mimo阵列在毫米波波段仿真参数；

图11为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列与直线形mimo阵列在25ghz～35ghz中的点扩散函数；

图12为本申请提供的一个实施例中mimo天线阵列与直线形mimo阵列在120ghz～150ghz中的点扩散函数；

图13为本申请提供的安检系统的结构示意图。

附图标记说明

mimo天线阵列10、接收天线子阵110、发射天线子阵120、接收天线111、发射天线121、mimo阵列天线20、安检系统30、安检模块310、处理模块320、圆弧结构311、检测物体40、圆心130、等效天线50、等效天线阵列60。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请提供一种mimo天线阵列10包括接收天线子阵110以及多个发射天线子阵120。所述多个发射天线子阵120设置于所述接收天线子阵110的两端，且所述接收天线子阵110与所述多个发射天线子阵120设置于同一条圆弧上。

所述多个发射天线子阵120基于发射信号发射检测信号，所述接收天线子阵110接收反射信号，并将反射信号反馈至收发器。所述接收天线子阵110与所述多个发射天线子阵120设置于同一条圆弧上，并且均匀分布。所述接收天线子阵110与所述多个发射天线子阵120设置于同一条圆弧上，可以使得所述接收天线子阵110与所述多个发射天线子阵120到圆心130的距离相等。

依照等效相位中心原理，任意一对发射天线与接收天线的组合都可以用一个位于两者中心的收发同置的天线来代替。只有在远场条件下，等效相位中心原理才能成立，近场条件下近似误差将不能忽略。并且随着信号频率的提高，到太赫兹频段，由时延误差引起的相位误差将进一步加大。所述mimo天线阵列10利用圆上任意一点到圆心130的距离相等的特性，对基于等效相位中心原理设计直线形mimo天线阵列的方法进行了修正，解决了现有基于等效相位中心原理的直线形mimo阵列在近场成像中存在严重旁栅伪影的问题，提高了成像质量。

在一个实施例中，所述接收天线子阵110包括多个接收天线111，所述多个接收天线111设置于同一条圆弧上，且相邻所述接收天线111之间的间距相等。

在一个实施例中，每个所述发射天线子阵120包括多个发射天线121。所述多个发射天线121设置于所述多个接收天线111的两端，相邻所述发射天线121之间的间距相等，且所述多个发射天线121与所述多个接收天线111设置于同一条圆弧上。

相邻所述接收天线111、相邻所述发射天线121以及相邻的所述接收天线111与所述发射天线121之间的圆弧间距，需要满足由所述多个接收天线111与所述多个发射天线121形成的等效阵列天线之间的圆弧长度小于等于二分之一中心波长λc。其中，中心波长λc为发射的宽带电磁波中心频率对应的波长。

请参见图2，依照等效相位中心原理，任意一对发射天线与接收天线的组合都可以用位于两者中心的一个收发同置的天线来代替。利用圆上任意一点到圆心130的距离相等的特性，对基于等效相位中心原理设计直线形mimo天线阵列的方法进行了修正。在极坐标系中(r,θt)处的所述发射天线121与(r,θr)处的所述接收天线111的组合可以用位于(r，(θt+θr)/2)处的收发同置的等效天线50来替代，而由于圆上任意一点到圆心130的距离相等，时延τtr＝(rt+rr)/c＝2rv/c将恒成立。可通过设计满足成像要求的圆弧形等效单收单发天线阵列，继而分解得到相应的mimo阵列。

因此，所述mimo天线阵列10不存在近似误差，在近场中和等效的单收单发天线阵列具有相近的旁栅水平，对基于等效相位中心原理设计直线形mimo天线阵列的方法进行了修正，解决了现有基于等效相位中心原理的直线形mimo阵列在近场成像中存在严重旁栅伪影的问题，提高了成像质量。

在一个实施例中，所述mimo天线阵列10包括2个所述发射天线子阵120。2个所述发射天线子阵120设置于所述接收天线子阵110的两端。

在一个实施例中，每个所述发射天线子阵120包括5个发射天线121，所述接收天线子阵110包括20个接收天线111。

2个所述发射天线子阵120分别设置于所述接收天线子阵110的两端，且每个所述发射天线子阵120包括5个所述发射天线121，所述接收天线子阵110包括20个所述接收天线111。也就是说5个所述发射天线121设置于20个所述接收天线111的一端，5个所述发射天线121设置于20个所述接收天线111的另一端。

请参见图3-5，在一个实施例中，辐射源选择在太赫兹波段。首先对基于等效相位原理设计的直线形mimo阵列，以及所述mimo天线阵列10进行了仿真测试，同时采用两种十发二十收mimo阵列。十发二十收mimo阵列指10个所述发射天线121和20个所述接收天线111，且每5个所述发射天线121分别设置于20个所述接收天线111的两端。

请参见图6为十发二十收mimo天线阵列以及其等效阵列结构参数，图7为十发二十收mimo天线阵列以及其等效阵列结构在太赫兹波段内的仿真参数。

请参见图8，为十发二十收mimo天线阵列以及其等效阵列结构在330ghz～350ghz中mimo天线阵列及其等效阵列的点扩散函数。其中方位向采样范围d为(-8λc,8λc)，λc为中心波长。从图8所示的仿真结果显示，在成像距离为0.1m的近场成像中，本申请所述mimo天线阵列10与其等效阵列的点扩散函数(pointspreadfunction，psf)几乎重合，验证了在近场条件下本申请所述mimo天线阵列10与其等效阵列成像性能的一致性。

请参见图9，为十发二十收mimo天线阵列与直线形mimo阵列在330ghz～350ghz中的点扩散函数。从图9可知在近场条件下，本申请提供的所述mimo天线阵列10的旁栅水平明显低于基于等效相位原理设计的直线形mimo阵列，仿真实验验证了本申请的有效性。

请参见图10-12，在一个实施例中，参数设置如图10所示，在25-35ghz和120-150ghz的毫米波波段对本申请所述mimo天线阵列10与直线形mimo天线阵列进行了仿真测试。从图11与图12可以看出，在毫米波波段，本申请所述mimo天线阵列10的旁栅水平同样明显低于基于等效相位原理设计的直线形mimo阵列。因此，本申请所述mimo天线阵列10在毫米波波段具有有效性，同样可以适用于其他电磁波段。

在一个实施例中，所述接收天线子阵110的工作频段与所述多个发射天线子阵120的工作频段至少部分相同。

在一个实施例中，一种mimo阵列天线20包括收发器、电子开关和上述任一实施例所述的mimo天线阵列10，所述收发器与所述mimo天线阵列10电连接，所述收发器用以产生发射信号，所述电子开关用以切换所述多个发射天线和所述多个接收天线的开关。

所述收发器用于实现电磁波信号和电信号的相互转换，所述收发器根据发射信号的频率例如可以为毫米波收发器或太赫兹收发器等。所述mimo天线阵列10中发射天线基于发射信号发射检测信号，接收天线用以接收反射信号，并将反射信号反馈至所述收发器。

在一个实施例中，一种安检系统30包括多个安检模块310以及处理模块320。每个所述安检模块310包括至少一个如上述实施例所述的mimo阵列天线20。所述处理模块320与所述多个安检模块310的输出端电连接，用以处理所述多个安检模块310检测到数据。

每个所述安检模块310包括至少一个如上述实施例所述的mimo阵列天线20，用于将所述收发器发射的电磁波信号进行传播，以传播至所述检测物体40，实现对所述检测物体40的检测扫描。其中，所述mimo阵列天线20可以采用线阵阵列或面阵阵列。

所述处理模块320可以是各种具有处理计算功能的终端设备，例如服务器、平板个人计算机、台式计算机、膝上型pc、上网本计算机或者智能手机等。所述mimo阵列天线20中的所述发射天线121发射的电磁波经由所述检测物体40反射得到反射信号，反射信号由所述接收天线111接收后转换为电信号，收发信号经混频及解调后传给所述处理模块320。所述处理模块320基于解调后的数据即可处理得到所述检测物体40的切面扫描图，从而实现对所述检测物体40的检测。

通过所述安检系统30可以用于对检测物体40进行安检。所述安检模块310的个数可以为1个或多个。多个所述安检模块310围绕所述检测物体40设置，用以从不同方位对所述检测物体40进行检测。太赫兹波具有独特的指纹谱、宽频带、穿透性、高分辨率和无危害性的特点，可以进行无损检测、安全检查等，提高了人们出行的安全性。

在一个实施例中，所述mimo阵列天线20可以为柱面形状的阵列天线，全方位实现对所述检测物体40进行扫描，更大范围的获得所述检测物体40的信息。

在一个实施例中，所述安检系统30包括两个所述安检模块310，且两个所述安检模块310相对设置，所述检测物体40设置于所述两个所述安检模块310之间，可以用来检测。

在一个实施例中，每个所述安检模块310还包括圆弧结构311，至少一个所述mimo阵列天线20嵌套于所述圆弧结构311中。

所述mimo阵列天线20可以为圆弧形阵列天线，安装于所述圆弧结构311，形成一个以所述检测物体40为圆心的圆弧，从而可以从各个方向实现对所述检测物体40的扫描，确保了人们出行的安全性。

在一个实施例中，每个所述安检模块310可以包括多个所述mimo阵列天线20，所述多个mimo阵列天线20可以固定嵌套于所述圆弧结构311中，形成面阵阵列，使多个所述mimo阵列天线20无需滑动也可实现对所述检测物体40的全方位扫描，节省了所述安检系统30检测的时间，提高了所述安检系统30的效率，更方便了人们出行。

在一个实施例中，所述mimo阵列天线20与所述圆弧结构311滑动连接，用以实现对检测物体的上下扫描。

通过在所述圆弧结构311与所述mimo阵列天线20之间安装一个滑轮，且在所述圆弧结构311内设置一个滑动槽，可以实现所述mimo阵列天线20在所述圆弧结构311内上下滑动，沿着高度方向进行扫描，从而可以对所述检测物体40全方位进行扫描，更大范围的获得所述检测物体40的信息，避免人们出行时携带有危险物品，危害社会安全。

在一个实施例中，所述安检模块310还包括混频单元与解调单元。所述混频单元连接于所述收发器，基于发射信号和本振信号混频得到参考信号，以及基于反射信号和本振信号混频得到测量信号。其中，本征信号由所述收发器产生，所述解调单元用以解调参考信号与测量信号得到检测数据。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。