距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置及方法与流程

本发明涉及毫米波成像技术领域，特别是涉及距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置及方法。

背景技术

频率在30ghz～300gh范围内的毫米波凭借其穿透性好、成像分辨率高、非电离辐射等优良特性，特别适合应用在人体安检、无损探测、医学诊断等领域。相关的毫米波三维成像装置及方法，成为当前的研究热点。

为了重建目标物的三维图像，需要使用二维天线阵列。天线阵列拓扑结构包括单基结构和多基结构两种。在单基结构中，同一时刻只有一对位置相同的发射天线和接收天线工作，使用电扫描或者机械扫描的方式形成二维天线阵列。为了获得高质量图像，需要采用大孔径，扫描时间和数据采集时间很长，导致成像速度非常慢。在多基结构中，采用mimo(多输入多输出)阵列天线，发射天线和接收天线位于不同的位置，多个发射天线顺次或者同时发射毫米波，多个接收天线同时接收目标物的散射或者反射回波。多基阵列可以显著提高成像速度，减少等效天线数量。

当前，针对毫米波成像技术的研究，主要集中在单基结构方面。针对采用mimo阵列天线的多基结构的研究，多数处于图像重建方法的理论研究阶段。并且，现有的针对mimo阵列的毫米波三维图像重建方法，为了实现回波信号指数项相位信息的线性化，以及系数项的常数化，需要忽略与距离向传播损耗有关的距离信息，导致不同距离向位置的目标物重建图像质量差异较大。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供了距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，利用单通道发射机、发射电子开关、多通道接收机、接收电子开关、数据处理系统和二维天线阵列组成了mimo阵列毫米波成像装置，提高了成像速度，降低了等效天线数量。

距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像装置，包括：

单通道发射机，所述单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给二维天线阵列和多通道接收机；

所述二维天线阵列包含二维平面分布的发射天线和接收天线，发射天线向自由空间辐射毫米波信号，接收天线接收目标物的散射回波信号；

所述多通道接收机含有若干个相同的接收机通道，每个通道的接收机对来自单通道发射机的线性调频毫米波信号和来自接收接收天线的回波信号进行正交下变频处理，得到回波信号的幅度信号和相位信号，传输给数据处理系统；

所述数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建。

进一步优选的技术方案，所述单通道发射机与二维天线阵列之间设置有发射电子开关，所述多通道接收机与二维天线阵列之间设置有接收电子开关；

所述发射电子开关为开关阵列，等效为单刀多掷开关，发射电子开关的输出端连接二维天线阵列的所有发射天线；

所述接收电子开关为开关阵列，等效为多路选择开关，接收电子开关按照每次向多通道接收机传输回波信号的方式，将所有接收天线的回波信号传输给多通道接收机。

进一步优选的技术方案，所述多通道接收机含有与接收电子开关输出通道数量相同的接收机通道。

进一步优选的技术方案，所述发射天线和接收天线的数量均为ntotal个，接收电子开关等效为一个固定有nn输出通道数量的nn×ntotal的多路选择开关。并且，ntotal是nn的整数倍。

进一步优选的技术方案，所述数据处理系统包括：

阵列结构变换单元，实现对任意一对发射、接收天线对的回波信号等效为发射和接收天线处于相同位置的回波信号；

二维傅里叶变换单元，实现对等效后的回波信号的共轭作横向二维傅立叶变换；

滤波单元，实现对二维傅里叶变换单元输出的空间波数域回波信号进行空间波数域滤波；

差值处理单元，对滤波后的数据，进行差值处理，使数据实现均匀分布；

二维傅里叶逆变换元单元，对差值后的数据，进行二维傅里叶逆变换；

距离向一维傅里叶变换单元，对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据，进行一维傅里叶变换；

距离向频移单元，对距离向一维傅里叶变换得到的数据进行处理实现距离向频移；

距离补偿单元，对距离向频移后的数据进行处理得到目标物重建图像。

本申请的目的之二是公开了距离补偿的多输入多输出阵列毫米波三维成像方法，包括：

利用单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给二维天线阵列和多通道接收机；

其中，二维天线阵列包含二维平面分布的发射天线和接收天线，发射天线向自由空间辐射毫米波信号，接收天线接收目标物的散射回波信号；

多通道接收机中的每个通道的接收机对来自单通道发射机的线性调频毫米波信号和来自接收接收天线的回波信号进行正交下变频处理，得到回波信号的幅度信号和相位信号，传输给数据处理系统；

数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建。

进一步优选的技术方案，数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，利用距离补偿实现目标物的图像重建，具体为：

对任意一对发射、接收天线对的回波信号等效为发射和接收天线处于相同位置的回波信号，实现阵列结构变换；

对等效后的回波信号的共轭作横向二维傅立叶变换；

对横向二维傅立叶变换产生的空间波数域回波信号s(kx，ky，k)乘以进行空间波数域滤波，z0表示目标物所在成像区域在z轴方向距离二维天线阵列平面最近的距离，kz表示z方向的空间波数；

对滤波后的数据，针对kz维进行差值处理，使数据在kz维实现均匀分布；

对差值后的数据,针对kx和ky维进行二维傅里叶逆变换；

对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据依次经过距离向一维傅里叶变换、距离向频移及距离补偿处理得到目标物重建图像。

进一步优选的技术方案，对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据依次经过距离向一维傅里叶变换、距离向频移及距离补偿处理得到目标物重建图像，具体为：

对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据，针对kz维进行一维傅里叶变换，得到s′(x，y，z′),且z′＝z-z0；

对距离向一维傅里叶变换得到的数据，乘以实现距离向频移，其中kc表示中心波数，且ωc表示线性调频毫米波信号的中心角频率，c表示光速；

对距离向频移后的数据，乘以实现距离补偿，得到目标物重建图像，其中，λ表示毫米波信号波长。

进一步优选的技术方案，在个完整的线性调频毫米波信号周期内，发射电子开关固定连接到1个发射天线；在下一组个毫米波信号周期，发射电子开关切换到下一个发射天线。经过个毫米波信号周期，完成所有发射天线的遍历。

进一步优选的技术方案，在1个完整的线性调频毫米波信号周期内，接收电子开关固定选择nn个接收天线；在下1个毫米波信号周期，接收电子开关切换到下一组接收天线。经过个毫米波信号周期，完成所有接收天线的遍历。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用单通道发射机、发射电子开关、多通道接收机、接收电子开关、数据处理系统和二维天线阵列组成了mimo阵列毫米波成像装置。单基阵列毫米波成像装置中，天线间距最大值正比于毫米波信号最小波长的一半；而mimo阵列毫米波成像装置中，天线间距最大值正比于毫米波信号最小波长。因此，与传统的单基阵列毫米波成像装置相比，针对相同的横向分辨率需求，天线间距的最大值限制扩大了2倍，相当于把等效天线的数量降低了一半，减小了硬件成本和系统复杂度。

(2)本发明利用等效相位中心原理，将5维的回波信号转换为3维数据，降低了后续处理的方法复杂度，提高了图像重建速度。

(3)本发明对回波数据进行了距离向频移和距离补偿，在图像重建过程中考虑了距离向的传播损耗，提高了重建图像质量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请其中一些实施例子的装置结构图；

图2(a)-图2(c)分别为本申请其中一些实施例子的成像场景示意图和目标物分布正视图、侧视图；

图3(a)-图3(b)为本申请其中一些实施例子的利用等效相位中心原理实现阵列结构变换的示意图；其中图3(a)为二维mimo天线阵列，图3(b)为等效的单站天线阵列；

图4(a)-图4(b)为本申请其中一些实施例子的重建的目标物图像的正视图及侧视图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一些典型的实施方式中，一种距离补偿的mimo阵列毫米波三维成像装置由单通道发射机、发射电子开关、多通道接收机、接收电子开关、数据处理系统和二维天线阵列组成，如图1所示。

单通道发射机产生线性调频的毫米波信号，传输给发射电子开关和多通道接收机。

发射电子开关是个开关阵列，等效为一个1×625的单刀多掷开关，二维天线阵列中发射(接收)天线的数量是625。发射电子开关的输出端连接二维天线阵列的所有发射天线。

二维天线阵列包含二维平面分布的625个发射天线和625个接收天线，并且发射和接收天线的物理分布位置非常接近，可以等效为同一坐标处的一对发射和接收天线。发射天线向自由空间辐射毫米波信号，接收天线接收目标物的散射回波信号。

接收电子开关是个开关阵列，等效为一个固定有16个输出通道的16×625的多路选择开关。接收电子开关按照每次向多通道接收机传输16组回波信号的方式，将所有接收天线的回波信号传输给多通道接收机。

在40个完整的线性调频毫米波信号周期内，发射电子开关固定连接到1个发射天线；在下一组40个毫米波信号周期，发射电子开关切换到下一个发射天线。经过25000个毫米波信号周期，完成所有发射天线的遍历。

在1个完整的线性调频毫米波信号周期内，接收电子开关固定选择16个接收天线；在下1个毫米波信号周期，接收电子开关切换到下一组接收天线。经过40个毫米波信号周期，完成所有接收天线的遍历。

本申请的另一些典型的实施方式中，发射天线和接收天线的数量可以不相等。但依然需要完成所有发射天线和接收天线的遍历工作。

多通道接收机含有16个相同的接收机通道，每个通道的接收机对来自单通道发射机的线性调频毫米波信号和来自接收电子开关的回波信号进行正交下变频处理，得到回波信号的幅度信号和相位信号，传输给数据处理系统。

数据处理系统利用回波信号的幅度信息和相位信息，使用带距离补偿的mimo阵列毫米波三维成像方法，实现目标物的图像重建。

成像区域设定为0.2m×0.2m×0.15m的矩形体区域，与二维天线阵列平面的最近距离是0.5m。目标物设定为4组不同z轴位置处的点目标，组间在z轴方向的间距是0.05m，每组内点目标的间距是0.05m，点目标反射系数均为1，如图2(a)-图2(c)所示。

本发明的另一实施例子中，公开了一种距离补偿的mimo阵列毫米波三维成像装置及方法，其方法包括以下步骤：

步骤1：阵列结构变换，将任意一对发射、接收天线对的回波信号等效为发射和接收天线处于相同位置的回波信号，实现空间降维。

任意一对发射、接收天线对的回波信号可以表示为：

其中，(xt，yt，)表示发射天线在二维天线阵列平面的坐标，(xr，yr)表示接收天线在二维天线阵列平面的坐标，并且二维天线阵列平面位于z轴原点，f(x，y，z)表示位于(x，y，z)目标物的反射系数，rt表示发射天线到目标物的距离，rr表示接收天线到目标物的距离，k表示波数，且ω表示毫米波信号的角频率，c表示光速。

利用等效相位中心原理，将任意一对发射、接收天线对的回波信号s(xt，yt，xr，yr，k)等效为发射和接收天线处于相同位置的回波信号如图3(a)-图3(b)所示。

其中，(xc，yc)表示等效的发射和接收天线在二维天线阵列平面的坐标。

步骤2：横向二维傅里叶变换，将回波信号变换到空间波数域，为空间滤波做准备。

对等效后的回波信号的共轭作横向二维傅立叶变换：

其中，kx和ky表示x方向和y方向的空间波数，*表示共轭运算，ft2d表示二维傅立叶变换。

步骤3：空间滤波，将空间波数域回波数据从整个成像区域变换到目标区域。

对空间波数域回波信号s(kx，ky，k)乘以进行空间波数域滤波，实现空间平移，将回波数据从整个成像区域变换到目标区域。其中，z0表示目标物所在成像区域在z轴方向距离二维天线阵列平面最近的距离，kz表示z方向的空间波数，且

步骤4：差值处理

在空间波数域三维数据中，x方向和y方向的波数域kx和ky是均匀分布的，而z方向的波数域kz，由于不同位置处天线产生的距离徙动的影响，是非均匀分布的。因此，对滤波后的数据，针对kz维进行差值处理，使数据在kz维实现均匀分布，得到s′(kx，ky，kz)。

步骤5：横向二维傅里叶逆变换，将回波信号变换回空间域。

对差值后的数据,针对kx和ky维进行二维傅里叶逆变换，得到s′(x，y，kz)。

步骤6：距离向一维傅里叶变换，将回波信号的距离向数据从波数域变换到空间域。

对横向二维傅里叶逆变换后得到的数据，针对kz维进行一维傅里叶变换，得到s′(x，y，z′),且z′＝z-z0，z表示距离向(z方向)坐标。

单基阵列毫米波成像装置中,基于波恩近似和各向同性散射假设，回波信号可以表示为：

其中，x0和y0表示发射天线在二维天线阵列平面的坐标，表示天线到目标物的距离。

在标量衍射理论中，观察点的光场可以表示为衍射孔径二次球面波的叠加：

其中，u(x0，y0，z0)表示观察点的光场，u(x，y，0)表示衍射孔径的散射场，r表示观察点和衍射孔径的距离，cosθ＝z0/r表示倾斜因子，z0表示观察点和衍射孔径沿z方向的距离。

毫米波成像过程可以等效为光场的来回程传播过程。因此，公式(1)可以等效为：

其中，k′表示k的2倍。

此外，光场的传播还可是使用角谱公式描述：

其中，a(fx，fy，0)表示u(x，y，0)的二维傅立叶变换，fx和fy表示x方向和y方向的空间频率。

因此，毫米波成像装置的回波数据又可以等效为：

得到图像重建的表达式为：

其中，stolt表示差值处理。

所以，为了重建图像，多基结构中，除了上述6个步骤，还需要距离向频移和距离补偿。

步骤7：距离向频移

对距离向一维傅里叶变换得到的数据，乘以实现距离向频移。其中kc表示中心波数，且ωc表示线性调频毫米波信号的中心角频率。

步骤8：距离补偿

对距离向频移后的数据，乘以得到目标物重建图像，如图4(a)-图4(b)所示。其中，λ表示毫米波信号波长。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。