一种复用多子阵结构安检阵列的制作方法

本发明涉及一种基于复用多子阵结构的安检阵列，属于人体安检领域。

背景技术：

近年来随着国际安全形式的恶化和恐怖主义的猖獗，飞机场、地铁站等人流密集场所的安全开始面临越来越多的威胁，人体安检设备需求迫切。目前人体安检设备采用的线性阵列基本特征在于，利用天线阵列的电子开关逐个阵元切换来完成一维扫描(collinshd,mcmakindl,hallte,etal.real-timeholographicsurveillancesystem:u.s.patent5,455,590[p].1995-10-3；sheendm,collinshd,hallte,etal.real-timewidebandholographicsurveillancesystem:u.s.patent5,557,283[p].1996-09-17)，然后通过控制天线阵列的机械移动来完成另一个方向的扫描。传统逐个阵元切换的线性阵列扫描时间过长，造成人体安检设备检查速度太慢。采用复用多子阵结构安检阵列既可以减少阵元数量，提高扫描速度，同时对成像质量影响不大，配合成熟的汽车雷达芯片，还可以大幅降低设备成本，对低成本人体快速安检设备的研制具有重要的意义。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供了一种基于复用多子阵结构的安检阵列，该安检阵列采用复用多子阵的稀疏阵列结构，利用多发多收(mimo)工作模式，实现满阵的虚拟重构，降低了阵元数量和扫描时间。

为了解决以上问题，本发明采用了如下技术方案：一种复用多子阵结构安检阵列，其特征在于，由m个复用子阵构成，其中m≥1,每个子阵由1个发射阵元和2n个接收阵元构成，接收阵元在发射阵元两边对称分布，每边各n个，其中2≤n≤32；一个发射阵元和2n个接收阵元构成了第一个子阵，第二个子阵也由一个发射阵元和2n个接收阵元构成，其中有n个接收阵元与第一个子阵复用，以此类推，所有相邻子阵复用n个接收阵元，整个阵列有m个发射阵元和(m+1)×n个接收阵元，接收阵元排布成一条直线，发射阵元排布成一条直线，在线阵两边边缘各设有富余阵元，数量各1个，也可以是多个。富余阵元不发射也不接收信号，起到修正由于几何不对称性造成的边缘天线方向图畸变的作用。

接收阵元间的中心间距d1为0.5λ-λ，其中λ代表安检系统工作波长，接收阵元与发射阵元的横向中心间距d2等于0.5×d1，纵向中心间距d3为0-10λ，为了天线排布空间的考虑，发射阵元和接收阵元设计在不同直线上，即一般d3＞0。

复用多子阵结构安检阵列，可采用子阵间分时工作模式，或子阵间同时工作模式，或子阵间分时工作和同时工作相结合的模式。阵间分时工作和同时工作相结合的模式。

采用子阵间分时工作模式：首先第一个子阵工作，第一个发射阵元发射线性调频连续波或者步进频信号，第一个子阵内2n个接收阵元同时接收信号；之后第二个子阵工作，第二个发射阵元发射同样信号，第二个子阵内2n个接收阵元同时接收信号；以此类推，直到最后一个子阵工作完；处理时，将第一个子阵中2n个接收阵元采集的数据按顺序排成一行为[1-1,1-2,…，1-2n]，同样，第二个子阵的2n个数据按顺序在第一个子阵数据后排成一行[2-1,2-2,…,2-2n],以此类推，直到最后一个子阵的2n个数据按顺序排在整个阵列数据的末尾，该行数据即为整个阵列的一维扫描数据[1-1,1-2,1-3,…,m-2n]，整个安检阵列通过机械扫描即可完成另一维的扫描，最后通过后向投影(bp)算法实现人体的二维图像重建。

采用子阵间同时工作模式：整个阵列的所有发射阵元同时发射相互正交的信号(如正交编码信号)，所有接收阵元同时接收信号，经过正交解码后，按照上述方式对所有数据进行重排，得到[1-1,1-2,1-3,…,m-2n]的一维扫描数据，整个安检阵列通过机械扫描即可完成另一维的扫描，最后通过后向投影(bp)算法实现二维图像重建。

当然，本发明设计的安检阵列还可以采用阵间分时工作和同时工作相结合的模式，即每次工作时有部分子阵同时工作，从而减少正交信号数量，降低系统设计难度，同时增加系统扫描速度。

复用多子阵结构安检阵列总长度l为0.5米～2米。

所述的富余阵元与接收阵元的中心间距等于接收阵元之间的间距。

复用多子阵结构安检阵列工作频率为20ghz～1000ghz。

有益效果：本发明通过稀疏阵列设计以及子阵复用结构，可以将安检阵列阵元数量降低一半以上，成本大大降低，同时阵元设计排布复杂度也得到降低；本发明可以将安检扫描时间降低一半以上，提高了人体安检速度；本发明在降低成本和扫描时间的基础上，成像质量基本不受影响，且本发明所述的安检阵列与成熟的汽车雷达芯片兼容，可进一步降低安检阵列设计成本和复杂度。

附图说明

图1为复用多子阵结构安检阵列结构图；

图2为复用多子阵结构安检阵列其中一个子阵的结构图；

图3为复用多子阵结构安检阵列采用子阵间分时工作方式示意图；

图4为复用多子阵结构安检阵列一维扫描数据排布结构图；

图5为复用多子阵结构安检阵列采用子阵间同时工作方式示意图；

图6为复用多子阵结构安检阵列与传统阵列一维点扩展函数仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步阐述。

如图1所示，整个复用多子阵结构安检阵列安装在金属支撑结构105上，复用多子阵结构安检阵列由128个复用子阵构成，采用成熟的汽车雷达芯片来设计，工作频段为70-80ghz，其总长度l为1.03米。

每个子阵由1个发射阵元和8个接收阵元构成，接收阵元在发射阵元两边对称分布，每边各4个。

如一个发射阵元102-1和8个接收阵元101构成了第一个子阵103，第二个子阵104也由一个发射阵元102-2和8个接收阵元构成，其中有4个接收阵元与第一个子阵103复用，以此类推，所有相邻子阵复用4个接收阵元，整个阵列有128个发射阵元和516个接收阵元101，接收阵元排布成一条直线，发射阵元排布成一条直线，在线阵两边边缘各设有富余阵元106和107，数量各1个，富余阵元与接收阵元的中心间距等于接收阵元之间的间距，富余阵元不发射也不接收信号，起到修正由于几何不对称性造成的边缘天线方向图畸变的作用。

如图2所示为每个子阵的具体结构，发射阵元202两边各对称分布4个接收阵元，分别为201-1、201-2、201-3、201-4和203-1、203-2、203-3、203-4，接收阵元等间距分布，中心间距d1为2mm，接收阵元与发射阵元的横向中心间距d2等于1mm，为了天线排布空间的考虑，发射阵元和接收阵元设计在不同直线上，设计纵向中心间距d3为10mm。

如图3所示复用多子阵结构安检阵列采用子阵间分时工作模式，或采用子阵间同时工作模式，或子阵间分时工作和同时工作相结合的模式。

采用子阵间分时工作模式：首先第一个子阵3001工作，第一个发射阵元发射线性调频连续波或者步进频信号，第一个子阵内8个接收阵元同时接收信号；之后第二个子阵3002工作，第二个发射阵元发射同样信号，第二个子阵内8个接收阵元同时接收信号；以此类推，直到最后一个子阵工作完；处理时，将第一个子阵3001中8个接收阵元采集的数据按顺序排成一行为[1-1,1-2,…，1-8]，同样，第二个子阵3002的8个数据按顺序在第一个子阵3001数据后排成一行[2-1,2-2,…,2-8],以此类推，直到最后一个子阵的8个数据按顺序排在整个阵列数据的末尾，该行数据即为整个阵列的一维扫描数据[1-1,1-2,1-3,…,128-8]，如图4所示。根据多发多收虚拟阵列系统原理，本发明设计的安检阵列构成的阵面的阵列因子等于发射和接收阵列的空域阵列因子相乘，即：

其中ftx→rx代表等效阵面阵列因子，ftx代表发射阵列因子，frx代表接收阵列因子，ft2d代表二维傅里叶变换，atx(x,y)代表发射阵列，arx(x,y)代表接收阵列；

由上式可以看出本发明所述的安检阵列等效于间距为1mm的满布阵列，从而实现对阵列维度的扫描成像；整个安检阵列通过机械扫描即可完成另一维的扫描，最后通过后向投影(bp)算法实现人体的二维图像重建。

采用子阵间同时工作模式：如图5所示，整个阵列401的128个发射阵元同时发射相互正交的信号，所有接收阵元同时接收信号，经过正交解码后，按照上述方式对所有数据进行重排，得到[1-1,1-2,1-3,…,128-8]的一维扫描数据，整个安检阵列通过机械扫描即可完成另一维的扫描，最后通过后向投影(bp)算法实现二维图像重建。

当然，本发明设还可以采用子阵间分时工作和同时工作结合分时工作和同时工作模式，即每次工作时有部分子阵同时工作，从而减少正交信号数量，降低系统设计难度，同时增加系统扫描速度。

如图6所示为上述实施例描述的安检阵列点扩展函数仿真结果(点距离阵列的中心距离为0.8m)，以及传统安检阵列的点扩展函数仿真结果对比图，可以看到采用本发明描述的安检阵列扫描成像结果与传统阵列基本一致，但是成像速度提升了8倍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。