一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构及设计方法

摘要

一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构及设计方法，包括若干个相同的一维相控阵列及一维相控阵列的支架。其中每个一维相控阵由若干个具有一定夹角的多通道一体化接收机前端模块组成。根据辐射计近场成像的原理，通过优化一维相控阵中一体化接收机前端模块的通道间隔，前端模块之间的夹角及阵列的整体尺寸，可以在毫米波辐射计实际工作的近场区域内实现要求的成像范围和空间分辨率指标，并获得优化的旁瓣电平。本发明针对辐射计近场成像应用，提出一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构，比常规平面阵列结构具有更低的旁瓣电平。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构及设计方法，属于微波安防遥感、毫米波成像技术领域。

背景技术

辐射计是一种接收物体自然辐射或反射电磁波的一种高灵敏度装置；毫米波是指波长在毫米量级(10mm～1mm)，对应频率在30GHz～300GHz的电磁波；毫米波辐射计是指工作在毫米波频段范围内的辐射计。毫米波辐射计具有波长短，宽频带，具有一定的穿透能力，无电磁辐射的优点，在军事和民用应用领域都有广泛的应用。

近年来，随着国际反恐形式变得越来越严峻，在公共场所出入口，针对人体及其随身携带物品的安检变得越来越迫切。毫米波阵列辐射计具有快速成像能力，可非接触式地对人体携带的违禁品进行检测、识别，是实现快速人体安检的一种有效手段。

毫米波阵列辐射计分为焦平面体制和瞳平面体制两大类。焦平面体制毫米波阵列辐射计的景深受限，不能在近场情况下对人体实现自动变焦、实时跟踪的安检成像。瞳平面体制辐射计采用数字波束形成的方式，可实时跟踪人体运动，进行近场实时成像。

常规的瞳平面体制辐射计系统的天线阵列是在同一平面内布局的，适合于远距离目标成像；在近场成像应用中，此种同一平面内的阵列布局会使得成像系统的点扩散函数的旁瓣电平升高，降低系统成像质量。

发明内容

本发明解决的技术问题：针对常规瞳平面体制毫米波辐射计阵列的平面阵列布局在近场成像中存在的旁瓣电平升高问题，提出了一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构及设计方法，具有更低的旁瓣电平，提升了毫米波辐射计在近场成像应用中的性能。

本发明的技术解决方案：本发明提供一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构，包括若干个相同的一维相控阵列及一维相控阵列支架。所述的一维相控阵列安装固定在相控阵支架之内。所述的一维相控阵由若干个具有一定夹角的一体化接收机前端模块组成，用于接收目标辐射的毫米波信号。所述的毫米波辐射计阵列结构能够使得毫米波辐射计在近场成像时，获得比常规平面阵列更低的旁瓣电平。

进一步的，一维相控阵中的一体化接收机前端模块集成了天线及射频接收通道，可以包含1个或若干个接收通道。一体化接收机前端模块通道之间的间隔由近场成像相控阵扫描方向的成像范围确定，通常为0.5～3倍工作波长。

进一步的，一维相控阵由若干个具有一定夹角的一体化接收机前端模块组成,夹角θ的范围大约为2～7度。一维相控阵的扩展长度由特定近场成像距离上所要求的空间分辨率确定。为简化安装及支架设计，一体化前端模块相对于阵列中心线呈对称分布。一体化前端模块之前的夹角由特定近场成像距离上，成像系统点扩散函数的旁瓣电平最低为设计准则进行优化。一体化前端模块之间的间隔在满足安装需求的前提下，应尽量小，以获得尽量高的主波束效率。

进一步的，在与相控阵扫描方向垂直的方向上，毫米波辐射计阵列包含了若干个由均匀间隔或非均匀间隔排布的相同的一维相控阵，一维相控阵之间的间隔由此方向的成像范围确定。一维相控阵的排布尺寸由此方向上的特定成像距离上的空间分辨率确定。

本发明的一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列设计方法，根据辐射计近场成像的原理，通过优化设计一维相控阵中一体化接收机前端模块的通道间隔，实现近场成像范围要求；通过优化设计一维相控阵的整体尺寸，实现近场成像空间分辨率要求；在保证成像空间分辨率的情况下，通过优化设计一维相控阵中前端模块之间的夹角，仿真辐射计系统的点扩散函数，使其最大旁瓣电平最低，从而实现所要求的阵列设计。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明根据瞳平面体制辐射计近场成像的原理，根据近场成像的距离，成像范围，成像分辨率要求，通过对系统成像点扩散函数的仿真，确定相控阵中一体化前端模块的通道间隔、相控阵的尺寸大小、相控阵之间的排布间隔和相控阵的排布尺寸；根据近场特定成像距离上的，相控阵扫描方向的旁瓣电平最低化为设计准则，通过仿真确定一维相控阵中一体化前端模块之间的夹角，针对近场成像的特定应用需求，采用具有一定夹角的阵列布局,相对于常规的平面阵列布局，可以使辐射计成像系统点扩散函数的旁瓣电平降低，从而提高毫米波辐射计系统的成像性能。

附图说明

图1为本发明一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构，1为一维相控阵、2为一体化接收机前端、3为相控阵支架；

图2为毫米波辐射计阵列及其近场成像区域示意图；

图3为相控阵中一体化接收机模块夹角为0度时的阵列布局及仿真结果，(a)为阵列布局示意图，(b)为阵列点扩散函数仿真结果；

图4为相控阵中一体化接收机模块夹角为1度时的阵列布局及仿真结果，(a)为阵列布局示意图，(b)为阵列点扩散函数仿真结果；

图5为相控阵中一体化接收机模块夹角为2度时的阵列布局及仿真结果，(a)为阵列布局示意图，(b)为阵列点扩散函数仿真结果；

图6为相控阵中一体化接收机模块夹角为3度时的阵列布局及仿真结果，(a)为阵列布局示意图，(b)为阵列点扩散函数仿真结果；

图7为相控阵中一体化接收机模块夹角为5度时的阵列布局及仿真结果，(a)为阵列布局示意图，(b)为阵列点扩散函数仿真结果；

图8为相控阵中一体化接收机模块夹角为7度时的阵列布局及仿真结果，(a)为阵列布局示意图，(b)为阵列点扩散函数仿真结果；

图9为相控阵中一体化接收机模块夹角为10度时的阵列布局及仿真结果，(a)为阵列布局示意图，(b)为阵列点扩散函数仿真结果；

图10为相控阵中一体化接收机模块夹角为0～10度范围内变化时，阵列的仿真结果，(a)为空间分辨率仿真结果，(b)为阵列点扩散函数最大旁瓣电平仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图详细解释本发明提出的一种适用于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构及设计方法。

如图1所示，本发明的构成包括：若干个相同的一维相控阵列1及一维相控阵列支架3。每个一维相控阵列由若干个一体化接收机前端2按照一定的夹角排布组成。多个一维相控阵列以一定的间隔排布成二维阵列。本发明能够在近场成像时，获得比常规平面排布阵列更低的旁瓣电平。

本发明采用如下的技术思路：

首先，根据毫米波辐射计系统近场工作的距离和成像区域，计算出辐射计系统阵列所需要的成像视场范围。然后，根据系统在此工作距离上的成像空间分辨率要求，根据天线阵列的基本理论，估算出天线阵列的大致整体尺寸。其次，根据天线阵列的成像视场范围要求，根据相控阵成像的基本原理，估算出相控阵中一体化接收机模块的通道间隔。再次，根据一体化接收机模块的通道间隔和通道数目，确定一体化接收机模块的尺寸，根据天线阵列整体尺寸，估算出一维相控阵中所需的一体化接收机模块的数目。最后，针对辐射计系统的近场成像区域，通过优化一体化接收机模块的夹角，使系统的点扩散函数的旁瓣电平最低，从而确定最终的阵列排布。

下面将通过优选实施例介绍适合于近场快速成像的毫米波辐射计阵列结构的具体实施方式。

首先，如图2所示，为毫米辐射计的近场成像区域示意图。毫米波辐射计阵列距离成像区域的边缘为D，被成像区域为宽度为W，长度为L的矩形区域。成像距离越近，被成像目标相对于辐射计阵列的张角越大，根据图2所示的几何关系，辐射计阵列所需的最大成像范围以D＝1m，W＝1m计算，辐射计阵列所需的最大成像范围为Δθ＝0.927rad＝53.13°

然后，根据辐射计阵列所需的成像空间分辨率要求，估算出辐射计阵列的大致整体尺寸。辐射计系统的空间分辨率估算公式为其中，H为目标距离辐射计系统的距离，λ为辐射计的工作频率，D_A为辐射计阵列的整体尺寸。辐射计系统的空间分辨率随着成像距离变化，以近场成像区域的中心B点所要求的空间分辨率为例进行计算。假定B点所要求的空间分辨率为5cm，则阵列整体尺寸

其次，根据成像视场范围要求，估计出一体化接收机模块的通道间隔。根据本实例所要求的成像视场范围为Δθ＝0.927rad＝53.13°的要求，根据相控阵成像原理，相控阵的成像范围与通道间隔的关系为：其中θ为相控阵成像范围，d为相控阵中通道间隔。由53.13度的成像视场范围要求，计算出一体化接收机模块的通道间隔为d＝1.25λ。

再次，根据一体化接收机模块的通道间隔和通道数目，确定一体化接收机模块的尺寸。一体化接收机模块的通道数目在工程实践中通常有一个最优值，一般在8～16的范围内。一体化接收机模块的通道数目太少，系统所需的模块数目很多，系统集成度太低；一体化接收机模块的通道数目太多，模块的工艺实现难度大，生产及维修成本高。以8通道为例，一体化接收机模块的尺寸约为D_M≈8×1.25λ＝10λ。根据天线阵列整体尺寸D_A＝40λ，以及一体化接收机模块尺寸D_M＝10λ，估算出一维相控阵中所需的一体化接收机模块的数目为4。

最后，针对辐射计系统的近场成像区域，通过优化一体化接收机模块的夹角，使系统的点扩散函数的旁瓣电平最低，从而确定最终的阵列排布。本发明实施例中，以优化成像区域中心B处的点扩散函数的副瓣电平为例，进行夹角的优化计算。根据以上阵列基本参数及几何关系，根据相控阵成像的原理，利用Matlab仿真阵列在不同夹角情况下的系统点扩散函数的情况，并对最大副瓣电平及3dB波束效率等指标进行比较。仿真中，辐射计系统的工作频率为34GHz，相控阵中4个一体化接收机模块之间的安装间隔设计为2倍一体化模块的通道间隔。通过仿真在不同夹角情况下，系统的点扩散函数的旁瓣电平及计算3dB波束效率，可以获得最优的阵列夹角参数。

图3为一体化接收机模块夹角为0度的系统点扩散函数仿真结果，其第一副瓣电平为-14.2dB，3dB波束宽度约为3.7cm。

图4为一体化接收机模块夹角为1度的系统点扩散函数仿真结果，其第一副瓣电平为-15.3dB，3dB波束宽度为3.7cm。

图5为一体化接收机模块夹角为2度的系统点扩散函数仿真结果，其第一副瓣电平为-16.7dB，3dB波束宽度为4.0cm。

图6为一体化接收机模块夹角为3度的系统点扩散函数仿真结果，其第一副瓣电平为-17.2dB，3dB波束宽度为4.0cm。

图7为一体化接收机模块夹角为5度的系统点扩散函数仿真结果，其第一副瓣电平为-16.8dB，3dB波束宽度为4.3cm。

图8为一体化接收机模块夹角为7度的系统点扩散函数仿真结果，其第一副瓣电平为-15.8dB，3dB波束宽度为5.2cm。

图9为一体化接收机模块夹角为10度的系统点扩散函数仿真结果，其第一副瓣电平为-12.0dB，3dB波束宽度为8.6cm。

图10总结了不同夹角情况下，第一副瓣电平、3dB波束宽度与夹角的关系曲线，由此可以看出，随着一体化接收机模块夹角的增大，辐射计系统点扩散函数的空间分辨率逐渐变差，当夹角超过7度时，空间分辨率超过5cm，不满足系统分辨率要求。系统点扩散函数的最大旁瓣电平随着夹角增大先变小，后逐渐变大。当夹角为大约3度时，最大旁瓣电平最低，为-17.2dB,此时分辨率为4cm，满足分辨率要求。与常规夹角为0度的平面阵列相比，副瓣电平降低了3dB。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。