用于主动式毫米波安检成像的多发多收天线阵列布置、人体安检设备和方法

摘要

本公开的实施例公开了一种用于主动式毫米波安检成像的稀疏多发多收阵列布置，包括多个发射天线和多个接收天线；多个发射天线和多个接收天线被设置成沿第一方向排列的两组天线；两组天线被划分为沿第一方向排列的多个芯片，每个芯片包括沿第一方向在第一行排列的N1个发射天线，和沿第一方向在第二行排列N2个接收天线，且N1个发射天线和N2个接收天线沿与第一方向垂直的第二方向间隔开，其中N1和N2为大于等于2的正整数，且N1＜N2。在两组天线中的每一组天线中，N1个发射天线的组合和N2个接收天线的组合沿第一方向交替排列，使得在每组天线中，N1个发射天线位于两个N2个接收天线的组合之间。

说明书

技术领域

本公开的实施例涉及人体安检领域，特别涉及用于毫米波安检成像的多发多收天线阵列布置，包括该多发多收天线阵列布置的人体安检设备和使用该设备执行的人体安检方法。

背景技术

目前，国内外对公众人体成像安检的主要有以下两种方式。

第一种人体成像安检技术是基于被动式毫米波太赫兹人体成像技术【L.Yujiri.“Passive millimeter wave imaing”,IEEE MII-S Int.Microw.Sym.Dig,pp.98-101,2006】。这种方式最大的优点是检测目标自身的毫米波太赫兹波辐射实现成像，无主动辐射，但是其最大的缺点是成像质量差，易受环境的影响。

第二种人体成像安检技术是基于主动式毫米波太赫兹人体成像技术。该技术工作原理是设备首先向人体辐射毫米波，然后通过探测器接收经过人体或可疑物散射后的毫米波，通过重建算法对人体进行成像。其典型代表是L3公司的Provision产品【Security&Detection Systems,“Advanced personnel screening,”2016,[Online].

Available:http://www.sds.l-3com.com/products/advancedimagingtech.htm】。

目前一般采用一维单发单收或者准单发单收线阵列合成孔径成像原理。利用快速开关切换的天线阵列技术，按照收发天线是否一体可分为图 1、图2所示两种形式，其基本原理相同，在成像需要孔径长度上按照半波长间距原则，等间隔布置实际的收发天线单元，收发天线后端通过高速开关与收发设备相连，第一组收发天线通过开关与收发设备组合完成一次数据采集，开关切换，控制第二组收发天线通过开关与收发设备组合，再完成一次数据采集，依次控制开关从通道1切换到通道N，可以完成N组数据采集，获取成像所需N个等效单元的数据信息。

收发一体(收发分置/准单站)天线一维阵列成像方式缺点是需要数量庞大的天线资源，为了实现N个等效单元的采样，收发一体天线阵列需要 N个天线单元，收发分置天线阵列需要2N个天线单元，收发天线利用率很低；另外，由于天线阵列实现需要天线单元数较多，且天线单元间距需要满足半波长间距要求，当工作频率较低时，物理实现难度不大，但随着工作频率的提高，实现难度将逐步增加。

为了解决上述问题，文献【IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTESENSING,VOL.49,NO.10,OCTOBER 2011】提出了稀疏分布多输入多输出的天线布局方式，如图3所示。这种天线布局方式虽然可以降低天线的数目，但是由于等效相位中心与收发天线距离较大，只能采用后向投影算法，而后向投影算法计算速度慢，图像重建时间长。

发明内容

根据本公开的一方面，提供一种用于主动式毫米波安检成像的稀疏多发多收阵列布置，包括用于发射波长为毫米量级的毫米波的多个发射天线和用于接收由多个发射天线发射的被人体反射的波长为毫米量级的毫米波的多个接收天线；多个发射天线和多个接收天线被设置成沿第一方向排列的两组天线；两组天线被划分为沿第一方向排列的多个芯片，每个芯片包括沿第一方向在第一行排列的N1个发射天线，和沿第一方向在第二行排列N2个接收天线，且N1个发射天线和N2个接收天线沿与第一方向垂直的第二方向间隔开，其中N1和N2为大于等于2的正整数，且N1＜N2；在每个芯片中，与沿第一行排列的两个相邻的发射天线之间的间隔长度对应的第二行的相等长度范围内布置至少一个接收天线使得在每个芯片中发射天线的数量少于接收天线的数量；以及在两组天线中的每一组天线中， N1个发射天线的组合和N2个接收天线的组合沿第一方向交替排列，使得在每组天线中，N1个发射天线位于两个N2个接收天线的组合之间。

根据本公开的一个实施例，在每个芯片中，N1个发射天线以毫米波的波长的整数倍的距离间隔开，N2个接收天线以一倍的毫米波的波长的距离间隔开。

根据本公开的一个实施例，第N个芯片中的最后一个接收天线与第 N+1个芯片中的第一个发射天线在第一方向上的间隔为毫米波波长的一半。

根据本公开的一个实施例，第N个芯片中的最后一个接收天线与第 N+1个芯片中的第一个发射天线在第二方向上的间隔为零，使得两组天线中的每一组天线中的所有天线都沿一条直线排列。

根据本公开的一个实施例，第N个芯片中的最后一个接收天线与第 N+1个芯片中的第一个发射天线在第二方向上的间隔不为零。

根据本公开的一个实施例，多个芯片彼此独立地工作，每个芯片中的接收天线不接受来自附近任何芯片的发射天线发射的毫米波，每个芯片中的发射天线也不向附近任何芯片发射毫米波。

根据本公开的一个实施例，多个芯片所发射的毫米波的频率彼此不同。

根据本公开的一个实施例，相邻的芯片之间设置隔离片。

根据本公开的一个实施例，在每个芯片中，至少一个发射天线与至少一个接收天线对齐使得两者之间的连线垂直于第一方向；或任意一个发射天线与任意一个接收天线的连线与第一方向不垂直。

根据本公开的一个实施例，在每个芯片中，一个发射天线与一个接收天线的连线的中点被看作这一对发射天线-接收天线的虚拟的等效相位中心，相邻的等效相位中心之间的距离为毫米波的波长的0.3至0.7倍。

根据本公开的一个实施例，相邻的等效相位中心之间的距离为毫米波的波长的0.5倍

根据本公开的一个实施例，两组天线间隔开的距离小于成像距离的 10％。

根据本公开的一个实施例，稀疏多发多收阵列布置还包括控制开关，用于控制多个芯片，使得多个芯片依次发射毫米波。

根据本公开的一个方面，提供一种人体安检设备，包括一个或多个上述的稀疏多发多收阵列布置。

根据本公开的一个实施例，人体安检设备包括第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置，第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置相对地布置以便在两者之间限定实施人体安检的检查空间，第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置分别包括一个或多个上述的稀疏多发多收阵列布置。

根据本公开的一个实施例，第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置分别包括多个上述的稀疏多发多收阵列布置，多个稀松多发多收阵列布置沿着第二方向依次排列，或者多个稀松多发多收阵列布置沿着第一方向以分段的方式依次排列。

根据本公开的一个实施例，第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置能够在第二方向上平移，且第一方向为水平方向且第二方向为竖直方向，或者第一方向为竖直方向且第二方向为水平方向；或者被检人体能够在所限定的检查空间中平行于第一方向站立且能够进行任意角度的旋转，且第一方向为竖直方向，第二方向为水平方向。

根据本公开的一个实施例，多个稀松多发多收阵列布置沿着第一方向以三段的方式依次排列，第二段稀松多发多收阵列布置的两端与第一段稀松多发多收阵列布置和第三段稀松多发多收阵列布置相连，以形成折线，其中，第二段稀松多发多收阵列布置与第一段稀松多发多收阵列布置之间的夹角在90°至170°的范围内，以及第二段稀松多发多收阵列布置与第三段稀松多发多收阵列布置之间的夹角在90°至170°的范围内。

根据本公开的一个实施例，第一稀疏多发多收阵列布置由最低频到最高频发射毫米波、第二稀疏多发多收阵列布置由最高频到最低频毫米波，或者，第二稀疏多发多收阵列布置由最低频到最高频发射毫米波、第一稀疏多发多收阵列布置由最高频到最低频毫米波。

根据本公开的另一方面，提供一种使用上述的人体安检设备实施的人体安检方法。

本公开提出一种稀疏多发多收阵列布置方案，通过多发多收阵列稀疏化设计与控制技术，可大幅提高数据采集速度与天线单元利用率；沿阵列方向完全地实现电扫描(即通过开关控制天线的一个接一个天线工作或通过开关控制天线逐个使用频率扫描)，无需机械扫描，可以实现快速扫描，提高成像速度；而且可以采用基于快速傅里叶变化的重建算法，进而显著提高重建速度；同时降低硬件复杂度，提高工程可实现性。

附图说明

图1示出一种现有的一维单发单收天线阵列的示意图；

图2示出一种现有的一维多发多收天线阵列的示意图；

图3示出一种现有的一维多发多收天线阵列的示意图；

图4示出多发射天线-多接收天线工作原理图；

图5示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为3λ，每个芯片中的发射天线数量为2；

图6示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为4λ，每个芯片中的发射天线数量为2；

图7示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为4λ，每个芯片中的发射天线数量为3；

图8示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为4λ，其中所有接收天线之间的间隔等于所有发射天线之间的间隔；

图9示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为6λ，每个芯片中的发射天线数量为2；

图10示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为4λ，相邻芯片的发射天线和接收天线在第二方向上的间隔不为零；

图11示出本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图，其中发射天线之间的间距为6λ，相邻芯片的发射天线和接收天线在第二方向上的间隔不为零；

图12示出本公开的一个实施例的人体安检设备；

图13示出本公开的一个实施例的人体安检设备；

图14示出本公开的一个实施例的人体安检设备；

图15示出了如图14所示的人体安检设备的俯视图；

图16示出了如图14所述的人体安检设备的稀疏多发多收阵列布置的示意图；

图17示出本公开的一个实施例的人体安检设备；

图18示出了宽带扫频的调频连续波SFCW工作模式；以及

图19示出了宽带扫频的进频连续波FMCW工作模式。

具体实施方式

尽管本公开的容许各种修改和可替换的形式，但是它的具体的实施例通过例子的方式在附图中示出，并且将详细地在本文中描述。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本公开的限制到公开的具体形式，而是相反，是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本公开的精神和范围中的所有的修改、等同形式和替换形式。附图是为了示意，因而不是按比例地绘制的。

在本说明书中使用了“上”、“下”、“左”、“右”等术语，并不是为了限定元件的绝对方位，而是为了描述元件在视图中的相对位置帮助理解；本说明书中“顶侧”和“底侧”是相对于一般情况下，物体正立的上侧和下侧的方位；“第一”、“第二”等也不是为了排序，而是为了区别不同部件。

先介绍用于本公开的实施例的毫米波人体安检的一些基本的知识。

奈奎斯特采用定理指的是，沿孔径需要的采样数量由几种因素确定，包括波长、孔径尺寸、目标尺寸以及到目标的距离。如果从一个采样点至下一个采样点的相移小于π，则满足奈奎斯特法则。最坏的情况将会是，目标非常接近孔径并且采样点接近孔径的边缘。对于空间取样间隔Δx，最坏的情况将是相移不超过2kΔx。因此，取样法则可以表示为：

Δx<(λ/4)

其中，λ＝2π/k是波长。

这个结果比通常的要求严格，因为目标(例如人体)通常距离孔径距离较近，天线波束宽度通常小于180度。基于此原因，应用的成像系统通常采用的取样间隔在λ/2的量级。

以工作频率24-30GHz和70-80GHz为例进行对比，对应波长分别为10mm和4mm，要实现图1、图2所示的现有一维阵列，则要求收发天线间距为分别为5mm和2mm，假设天线孔径长度为1m时，收发一体天线阵列分别需要200和500个天线单元，收发分置天线阵列需要400和1000 个天线单元。可以看到随着频率的增加天线间隔变小，所需天线数目急剧增加。天线间隔变小使得天线单元的设计以及阵列布局设计都存在极大的难度，同时还会限制收发天线性能。天线数目的增加，不仅增加了硬件成本，增加了系统的复杂度，而且数据量增加，采集时间变成。因此，图1、图2所示一维阵列在高频毫米波(50GHz-300GHz)人体成像安检方面应用实现的可行性不高，不具备工程实现价值。

图3示出了一种现有的稀疏分布多输入多输出的天线布局方式，其中 T表示发射天线，R表示接收天线，这种天线布局方式虽然可以降低天线的数目，但是有缺点：例如，由于等效相位中心与收发天线距离较大，只能采用后向投影算法，而后向投影算法计算速度慢，图像重建时间长。后向投影起源于计算机断层扫描技术是一种基于时域信号处理的精确的成像算法。其基本思想是对成像区域内每一成像点，通过计算该点到收、发天线之间的延时，将所有回波对它的贡献相干叠加从而得到该点在图像中对应的像素值，这样对整个成像区域逐点地进行相干叠加处理，即可获得成像区域的图像。这种算法最大的缺点是需要对整个成像区间每一个点重建，重建速度慢，耗时长；此外，两端的接收天线是密集分布的，间隔需满足奈奎斯特采用定理。如170GHz-260 GHz频段,典型的发射天线和接收天线口径为10.8mm，而中心频率对应的半波长为1.36mm。显然，这种天线排布方式是不适合的。一种解决方法就是稀疏接收天线，使得等效相位中心间隔比半波长大，但是天线采样不足会导致重建图像的伪影严重。

为解决上述不足，本公开提出一种稀疏多发多收阵列布置方案，通过多发多收阵列稀疏化设计与控制技术，可大幅提高数据采集速度与天线单元利用率；沿阵列方向完全地实现电扫描(即通过开关控制天线的一个接一个天线工作或通过开关控制天线逐个使用频率扫描)，无需机械扫描，可以实现快速扫描，提高成像速度；而且可以采用基于快速傅里叶变化的重建算法，进而显著提高重建速度；同时降低硬件复杂度，提高工程可实现性。

根据本公开的实施例，提供-种用于主动式毫米波成像的一维稀疏多发多收阵列布置，稀疏多发多收阵列通过单站等效与电开关控制后，稀疏多发多收阵列最终形成等效单元间距最大为略大于或者等于工作频率对应波长的一半，所述等效单元为等效相位中心。

为了方便解释，参照图4示出了一种多发多收系统，构建X-Y坐标系统，设定在x轴上设置稀疏进行收发组合，用A

对于目标区域内的一个点目标，I表示位于I(x

经过点目标散射后的回波信号可以表示为 S

其中，σ(x，y)是人体的散射系数，K

对于收发组合A

其中D为成像区域。

发射和接收信号的等效位置可以由天线的相位中心来表示，该等效位置为两个独立天线或孔径的物理中心。在多发多收系统中，一个发射天线对应着多个接收天线，本公开的实施例中，接收天线单元和发射天线单元被设置为不处于同一位置，这种发射和接收天线空间分离的系统可以使用一个虚拟的系统模拟，在虚拟系统中，在每一组发射与接收天线之间添加一个虚拟位置，这个位置被称为等效相位中心。收发天线组合所采集的回波数据，可以等效为其等效相位中心Ae(xe，ye)所在位置自发自收天线所采集的回波。

对于该收发组合，各天线之间物理坐标的关系可以表示为：

采用等效相位中心原理，等效回波信号可以表示为：

根据本公开的上述的主动式毫米波成像的稀疏多发多收阵列布置原理，图5示出了根据本公开的一个实施例的稀疏多发多收阵列布置的示意图。图5中的稀疏多发多收阵列布置具体可以通过以下步骤来构造：

首先，根据成像指标参数如工作频率(波长λ)，天线阵列长度Lap等要求，确定所需的等效单元数目N及间隔d(最大为略大于或者等于工作频率对应波长的一半，所述等效单元为等效相位中心)；

然后，按照收发分置方式布置实际天线单元，发射天线/接收天线分别按照相互平行的两条直线分布，间隔为dtr，发射天线和接收天线组成的天线阵列沿两条直线分布，并且能够分隔成多个芯片；

接着，设计发射天线单元的布置，发射天线总数Nt为任意正整数，由天线阵列孔径Lap决定；相邻发射天线的间距为Mλ，(M为正整数， M≥2)，每个芯片中有N1个发射天线；假设每颗芯片内只有两个发射天线，那么构成Lap的天线阵列孔径需要Nc＝Nt/2颗芯片。

接下来，设计接收天线单元的布置，接收天线总数为任意正整数，接收天线等间距分布，间距为λ，每个芯片内有N2个接收天线。

每个芯片中的发射天线和接收天线之间的间距dtr可以是任意值，一方面能放置下收发天线阵列，其使得相互耦合小，另一方面要求 2dtr/z0<10％,z0为成像距离。

根据以上步骤构造的稀疏多发多收阵列布置包括于发射波长为毫米量级的毫米波的多个发射天线和用于接收由所述多个发射天线发射的被人体反射的波长为毫米量级的毫米波的多个接收天线；所述多个发射天线和所述多个接收天线被设置成沿第一方向D1排列的两组天线；所述两组天线被划分为沿第一方向D1排列的多个芯片，每个芯片包括沿第一方向 D1在第一行排列的N1个发射天线，和沿第一方向D1在第二行排列N2 个接收天线，且N1个发射天线和N2个接收天线沿与第一方向D1垂直的第二方向D2间隔开，其中N1和N2为大于等于2的正整数，且N1＜N2；在每个芯片中，与沿第一行排列的两个相邻的发射天线之间的间隔长度对应的第二行的相等长度范围内布置至少一个接收天线使得在每个芯片中发射天线的数量少于接收天线的数量。在本公开中，在两组天线中的每一组天线中，N1个发射天线的组合和N2个接收天线的组合沿第一方向D1 交替排列，使得在每组天线中，N1个发射天线位于两个N2个接收天线的组合之间。

在本公开中，在如图5所示的实施例中，每个芯片包括2个发射天线， 5个接收天线，在第一行中，2个发射天线t3-t4位于第一组5个接收天线 r1-r5和第二组接收天线r11-r15之间；在每个芯片中，发射天线的数量为 2个且少于接收天线的数量。在如图6所示的实施例中，每个芯片包括2 个发射天线，4个接收天线，在第一行中，2个发射天线t3-t4位于第一组 4个接收天线r1-r4和第二组接收天线r9-r12之间；在每个芯片中，发射天线的数量为2个且少于接收天线的数量。在本公开中，每个芯片中，发射天线的数量也可以为奇数个，例如3个，如图7所示，每个芯片包括3个发射天线，8个发射天线，因此在每个芯片中，发射天线的数量为3个且少于接收天线的数量。在如图8-11所示的实施例中，在每个芯片中，发射天线的数量也少于接收天线的数量。

因此，在根据本公开的稀疏多发多收阵列布置可以在保证图像清晰度的同时减少接收天线的数量，在每个芯片中，发射天线的数量少于接收天线的数量少，从而减少了总的元件数量，因而降低制造难度和成本。

下文将对等效相位中心进行详细的说明。每个芯片中的一个发射天线与一个接收天线的连线的中点被看作这一对发射天线-接收天线的虚拟的等效相位中心。为了减少发射天线和接收天线的数量，并且一般避免等效相位中心的重叠，相邻的等效相位中心之间的距离为毫米波的波长的大约一半可以满足最终构成清晰的图像，例如相邻的等效相位中心之间的距离为毫米波的波长的0.3至0.7倍。换句话说，相邻的等效相位中心之间的距离大于毫米波的波长的一半太多的时候，则可能图像不清晰。因此，要求每个芯片中形成的等效相位中心的间距为毫米波的波长的0.3至0.7倍，优选地，间距为0.5λ。

在一个实施例中，在每个芯片中，N1个发射天线以毫米波的波长的整数倍的距离(Mλ)间隔开，N2个接收天线以一倍的毫米波的波长λ的距离间隔开。在本实施例中，在以此间隔形成的发射天线和接收天线中，它们形成的多个等效相位中心的相邻的等效相位中心之间的间隔为相邻的接收天线之间的间隔的一半，也就是0.5λ。如图5所示，在每个芯片中，相邻发射天线以3λ的间隔隔开，接收天线以λ的间隔隔开，所形成的等效相位中心以0.5λ的间隔隔开。如图6、7、8、10所示，在每个芯片中，相邻发射天线以4λ的间隔隔开，接收天线以λ的间隔隔开，所形成的等效相位中心以0.5λ的间隔隔开。如图9和11所示，在每个芯片中，相邻发射天线以6λ的间隔隔开，接收天线以λ的间隔隔开，所形成的等效相位中心以0.5λ的间隔隔开。上述附图仅仅示出了示例性的间隔，本领域的技术人员可以想到，发射天线能够以其他的距离间隔开，例如5λ、7λ、8λ等的间隔隔开，只要该间隔为2倍以上的波长。

为了保证在相邻的芯片之间，前一个芯片中的最后一个等效相位中心和后一个芯片中的第一个等效相位中心之间的间隔也为0.5λ。在一个实施例中，第N个芯片中的最后一个接收天线与第N+1个芯片中的第一个发射天线在第一方向D1上的间隔为毫米波波长的一半。例如如图5所示，接收天线r5和发射天线t3在第一方向D1上的间隔为0.5λ。如图6所示，接收天线r4和发射天线t3在第一方向D1上的间隔为0.5λ。如图7所示，接收天线r8和发射天线t4在第一方向D1上的间隔为0.5λ。如图8所示，接收天线r5和发射天线t3在第一方向D1上的间隔为0.5λ。如图9所示，接收天线r6和发射天线t3在第一方向D1上的间隔为0.5λ。

在本公开的一些实施例中，如图5-9所示，第N个芯片中的最后一个接收天线与第N+1个芯片中的第一个发射天线在第二方向D2上的间隔为零，使得两组天线中的每一组天线中的所有天线都沿一条直线排列。在这些实施例中，相邻的芯片的结构基本类似，使得芯片的制造过程更加简化。

在一些情况下，在λ比较小的情况下，例如λ＝3～4mm时，相邻的芯片的信道隔离度比较差。为了解决该问题，可以通过增大其中一颗芯片的纵向尺寸。在如图10和11所示的实施例中，第N个芯片中的最后一个接收天线与第N+1个芯片中的第一个发射天线在第二方向D2上的间隔不为零。在如图10所示的实施例中，r4与t3之间在第一方向D1上的间隔为 0.5λ，在第二方向D2上的间隔不为0。在如图11所示的实施例中，r6和 t3之间在第一方向D1上的间隔为0.5λ，在第二方向D2上的间隔不为0。通过这样的设置，可以优化相邻的芯片之间的信道隔离度。

在本公开的一个实施例中，多个芯片彼此独立地工作，每个芯片中的接收天线不接受来自附近任何芯片的发射天线发射的毫米波，每个芯片中的发射天线也不向附近任何芯片发射毫米波。在如图5-11所示的实施例中，每个芯片中的发射天线只向本芯片内的接收天线发射毫米波，而这些接收天线只接收本芯片内的发射天线发射的毫米波。通过这样的设置，芯片之间不用交互，即每颗芯片自己的收发是独立的，旁边的芯片不用接收。带来优点一是，阵列化集成更加方便，某颗芯片坏了，其他芯片没关系；二是，一颗芯片发射某个频率，旁边芯片发射其他频率，也就是频率正交化，这样实时性也能提供，因为电开关数目变少；三是，相邻的芯片之间可以加上隔离片，降低窜扰。

在本公开的一些实施例中，在每个芯片中，至少一个发射天线与至少一个接收天线对齐使得两者之间的连线垂直于第一方向，例如如图5和8 所示。在本公开的另一些实施例中，任意一个发射天线与任意一个接收天线的连线与第一方向不垂直，例如如图6-7、9-11所示，在这些实施例中，每个芯片中的第一个发射天线和第一个接收天线可以错位，该错位的距离可以根据芯片设计的尺寸需求而任意的选择，例如在0至λ的范围内。该错位距离优选地为0.5λ。

本公开提出的稀疏阵列布置方法基于单站等效原理，即设计阵列通过单站等效与电开关控制后，最终形成的等效相位中心(本公开中统称等效单元)满足奈奎斯特采样定律，即阵列最终形成等效单元间距略大于或者等于为工作频率对应波长的一半。本公开依据上述原则，考虑到高频段毫米波波长较短，为兼顾工程可实现性，同时采用阵列稀疏化设计与阵列开关控制技术，最终实现半波长间距等效单元分布要求。

下面以发射天线之间的间隔Mλ＝4λ为例，阵列长度为1m时，计算出发射天线Nt＝84个发射天线，接收天线Nr＝168个接收天线组成阵列的设计过程为例，介绍本公开一维稀疏阵列布置方法，本领域技术人员可以根据本公开的教导进行一维稀疏阵列的布置。

首先，根据成像指标参数要求，如成像分辨率、旁瓣电平等参数确定所需的等效单元数目及间隔，也就是确定等效虚拟阵列的分布。等效阵元的间隔需要最大略大于或者等于工作波长的一半。

然后，按照收发分置方式布置实际天线单元，两组天线按照相互平行的两条直线分布，直线间距可以是任意值，但是尽可能的小(可以是λ、1.5λ、 2λ、3λ、4λ等)，以实际设计天线单元尺寸与阵列尺寸设计要求合理选择，本公开阵列尺寸1m设计。

接着，如图6所示，设计发射天线单元的布置，发射天线总数为84(可扩展为其他任意数，具体数目由成像分辨率、成像范围等因素决定)。

接下来，设计接收天线单元的布置，接收天线总数为168(可扩展为其他任意数，具体数目由成像分辨率、成像范围等因素决定，每个接收天线间距为λ。

在工作时，第一颗芯片内的第一个发射天线对应4个接收天线；第一颗芯片内的第二个发射天线对应4个接收天线。第二颗芯片到第Nc颗芯片的，采用和第一颗芯片一样的工作方式。多个芯片依次发射毫米波，得到等间隔0.5λ的等效单元分布，最终得到满足奈奎斯特采样定律要求的等效元分布；通过电开关控制，依次切换发射天线完成一次数据采集。然后在阵列正交的方向进行合成孔径扫描，完成对二维孔径的扫描。最后，结合基于快速傅里叶变化的合成孔径全息算法，可以实现快速重建，完成成像测试。工作频率优选76-81GHz、81-86GHz、10-40GHz，也可以是单频点，波长λ选择为中心频率或者最高频率对应的波长。

所谓合成孔径技术，即被检物静止，收发阵列模块沿着与阵列正交的方向机械扫描，完成对被检物的扫描。在替代实施例中，也可以是收发阵列静止，被检物沿着与阵列正交的方向运动，完成对被检物的扫描。当被检人进入被检空间时，MIMO线阵列中发射天线依次发射，相应的接收天线接收。然后在阵列正交的方向进行机械扫描，扫描的步长为等于或者略大于中心波长的一半，直到完成整个面阵扫描，获得被检人不同视角的所有散射数据。即利用合成孔径技术对被检物成像。机械扫描的长度取为 (0.8m-2.5m)。

如果毫米波收发链路是单频毫米波，不同距离上的散射信号会在扫描平面形成干涉，最终导致重建图像存在严重的散斑效应。为了实现三维全息成像，毫米波收发链路需要是宽频带的，宽带扫频主要分为调频连续波 FMCW和进频连续波SFCW两种模式。

SFCW工作模式如图18所示。步进频连续波SFCW的工作模式为一个频率点扫描完成后，继续下一个频率点。SFCW易于合成任意带宽的信号。

FMCW工作模式如图19所示。FMCW的工作模式发射频率随时间线性变化的调频脉冲信号，该信号传播一定距离后被物体反射回来，而此时与参考信号有一定的频率差，该频率差与传播距离成正比。

稀疏多发多收阵列布置配置成通过沿第一方向排列的多个芯片依次发射毫米波完成一组发射天线的扫描，通过稀疏多发多收阵列布置在第二方向D2上相对于被检人体的运动而沿第二方向D2进行扫描。在一个示例中，该相对运动可以是被检人体不动，稀疏多发多收阵列布置沿第二方向D2进行平移以沿第二方向D2进行扫描，从而实现对被检人体的二维扫描。例如，稀疏多发多收阵列布置沿第二方向D2以0.5λ的步长进行扫描，如图12、13、14所示。在另一示例中，该相对运动也可以是稀疏多发多收阵列布置不动，而被检人体相对于稀疏多发多收阵列布置进行旋转，如图17所示。

在一个实施例中，稀疏多发多收阵列布置配置成基于傅里叶变换的合成孔径全息算法，一次对正确成像区域完成图像重建，成像公式为：

其中，σ(x，y)是人体的散射系数，R

为一对发射天线-接收天线组合接收到人体的回波信号；K

当所有芯片中的所有发射天线依次发射后，完成一次横向数据采集。根据上述等效相位中心原理，这些回波数据可以等效相位中心所采集到的回波数据。并且，这些等效相位中间的间隔为0.5λ，满足奈奎斯特采样定律要求的等效元分布。然后在阵列正交的方向即第二方向D2上进行合成孔径扫描，即机械扫描，完成对二维孔径的扫描，扫描的步长同样需要满足采用定理，即半波长0.5λ。

完成二维孔径扫描后，采集到的回波数据可以表示为5(x

最后，结合基于快速傅里叶变化的合成孔径全息算法，可以实现快速重建，完成成像。

成像算法的目的就是从回波表达式中反演出目标的像，即目标的散射系数σ(x，y)，基于傅里叶变换的合成孔径全息算法，无需像后续投影算法一样对整个成像区域逐点重建，而是利用快速傅里叶变换的优势，一次对正确成像区域重建完成。成像公式为：

其中R0为成像距离。

在本公开的一个实施例中，还提供一种人体安检设备，包括一个或多个上述的稀疏多发多收阵列布置。

在一个实施例中，如图12所示，人体安检设备包括第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200，其中第一稀疏多发多收阵列布置和第二稀疏多发多收阵列布置相对地布置以便在两者之间限定实施人体安检的检查空间S。第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200分别包括一个或多个上述的稀疏多发多收阵列布置，

在一个实施例中，在包括多个稀疏多发多收阵列布置的情况下，多个稀松多发多收阵列布置沿着第二方向D2依次排列，该第二方向D2能够是如图12所示的竖直方向，发射天线和接收天线的排列方向(即第一方向D1)能够是水平方向。此外，该第二方向D2还可以是如图13和17所示的水平方向，发射天线和接收天线的排列方向(即第一方向D1)能够是竖直方向。

在另一实施例中，在包括多个稀疏多发多收阵列布置的情况下，多个稀松多发多收阵列布置沿着第一方向D1以分段的方式依次排列，如图14 所示。在如图14-16所示的实施例中，多个稀松多发多收阵列布置沿着第一方向D1以三段的方式依次排列，第二段稀松多发多收阵列布置2的两端与第一段1稀松多发多收阵列布置和第三段稀松多发多收阵列布置3相连，以形成折线。如图15和16所示，第二段稀松多发多收阵列布置2与第一段稀松多发多收阵列布置1之间的夹角在90°至170°的范围内，以及第二段稀松多发多收阵列布置2与第三段稀松多发多收阵列布置3之间的夹角在90°至170°的范围内。如图14所示的实施例提供了一种毫米波三维全息扫描成像设备，包括至少6条收发阵列，组成如图15所示的俯视图。第一、第二和第三段稀松多发多收阵列布置1、2和3都采用多发多收阵列布置。三条阵列的长度取值范围为0.3m-0.8m,即三条阵列围成的区域半径内一个正常的人能够站立下。六条收发阵列，在竖直方向进行机械扫描，机械扫描的步长选择为工作波长的半波长。完成整个人体的扫描后，获得完整的散射场数据，然后传输到数据处理单元，利用全息算法进行重建，形成被测人体图像。最后，图像传输到显示单元。

为了实现稀松多发多收阵列布置的二维扫描，在一个实施例中，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200能够在第二方向D2上平移。如图12所示，所述第一方向D1为水平方向且第二方向 D2为竖直方向，或者如图13所示，所述第一方向D1为竖直方向且第二方向D2为水平方向。

在一个实施例中，为了避免第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200发射的毫米波发生干涉，优选地使得第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200在进行扫描时，在空间上分开。例如，在如图12所示的实施例中，第一稀疏多发多收阵列布置100在其所在竖直平面内由上向下扫描，第二稀疏多发多收阵列布置 200分别在其所在竖直平面内由下向上扫描；在如图13所示的实施例中，第一稀疏多发多收阵列布置100在其所在竖直平面内由左向右扫描，第二稀疏多发多收阵列布置200分别在其所在竖直平面内由右向左扫描。

在另一个实施例中，为了实现稀松多发多收阵列布置的二维扫描，稀松多发多收阵列布置不进行平移运动，而是如图17所示，被检人体能够在所限定的检查空间中平行于所述第一方向D1站立且能够进行任意角度的旋转，且所述第一方向D1为竖直方向，第二方向D2为水平方向。该旋转角度优选为360°。

在第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200 一起对待测对象进行扫描的整个过程中，所述第一稀疏多发多收阵列布置100和所述第二稀疏多发多收阵列布置200发射毫米波发射的毫米波的频率不能相互干涉。在一个实施例中，当开始扫描时，通过控制开关，第一稀疏多发多收阵列布置100的发射天线依次发射毫米波信号，在第一稀疏多发多收阵列布置100所有发射天线都发射完毫米波信号之后，所述第二稀疏多发多收阵列布置200的发射天线依次发射毫米波信号，因此第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200分时地发射信号，因此不会彼此干扰。在另一实施例中，当开始扫描时，通过控制开关，第一稀疏多发多收阵列布置100由最低频到最高频发射毫米波，同时第二稀疏多发多收阵列布置200由最高频到最低频发射毫米波；或者，第二稀疏多发多收阵列布置200由最低频到最高频，同时第一稀疏多发多收阵列布置100由最高频到最低频。因此，在同一时刻，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200所发射的频率是不同的，从而不会彼此干扰。

在本实施例中，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200可以单独扫描，两者的扫描信号被用于形成人体的图像。

使用本公开的人体安检设备对人体例如旅客等进行安检时，仅需要人体停留在人体安检设备中，即第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200之间，第一稀疏多发多收阵列布置100和第二稀疏多发多收阵列布置200同时扫描或分时扫描人体的一侧，然后将扫描所得的信号发送给处理器或控制器，经过处理器或控制器进行图像处理形成人体的图像，完成方便快捷的检查。

在本公开的一个实施例中，还提供一种使用如上述的稀疏多发多收阵列布置对人体实施检测的方法。

虽然本总体专利构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体专利构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。