一種用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法技術

本發(fā)明專利技術提出了一種用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法，陣列通過單站等效與微動控制后，陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對應波長的一半，所述等效單元為等效相位中心。本發(fā)明專利技術在數(shù)據(jù)采集速度和節(jié)省硬件資源成本等方面有較大優(yōu)勢，采用本發(fā)明專利技術設計的天線陣列可以有效的對目標進行太赫茲成像測試。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及成像
，特別涉及一種用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法。
技術介紹
由雷達理論可知，無論是微波、毫米波，還是太赫茲成像，都是通過工作帶寬獲取距離向分辨率，通過合成孔徑、實孔徑，或逆合成孔徑，結合信號處理技術獲取方位向分辨率。在安檢、異物檢測、復合材料檢測等太赫茲成像應用領域，目前一般采用如圖1所示的合成孔徑成像原理，收發(fā)天線沿某一方向以一定間隔做“一步一停”運動，步進間隔需滿足空間采樣定律要求，一般選取工作中心頻率對應波長的一半，測試設備在每一步進位置點采集數(shù)據(jù)，最后利用數(shù)據(jù)處理技術對所有位置點數(shù)據(jù)綜合處理，獲取方位向分辨率。該成像技術需要在每一等效單元點完成一次信號收發(fā)與數(shù)據(jù)采集，假設一次數(shù)據(jù)采集時間為t1，一個步進間隔運動時間為T，完成N個等效單元數(shù)據(jù)采集所需時間為(N-1)t1+NT，一次成像測試所需時間較長，不適用于實時性要求高的場合。為提高成像速度，在微波領域出現(xiàn)了利用快速開關切換的天線陣列技術，按照收發(fā)天線是否一體可分為圖2、圖3所示兩種形式，其基本原理相同，在成像需要孔徑長度上按照半波長間距原則，等間隔布置實際的收發(fā)天線單元，收發(fā)天線后端通過高速開關與收發(fā)設備相連，第一組收發(fā)天線通過開關與收發(fā)設備組合完成一次數(shù)據(jù)采集，開關切換，控制第二組收發(fā)天線通過開關與收發(fā)設備組合，再完成一次數(shù)據(jù)采集，依次控制開關從通道1切換到通道N，可以完成N組數(shù)據(jù)采集，獲取成像所需N個等效單元的數(shù)據(jù)信息，假設開關通道間切換時間表示為t2，則完成N個等效單元數(shù)據(jù)采集所需時間為(N-1)t2+NT，由于t2遠遠小于t1，因此該陣列成像技術可以大大縮短數(shù)據(jù)采集時間，提高成像速度。“一步一停”成像方式的主要缺點是成像速度慢、效率低，無法滿足實時成像場合的需要，收發(fā)一體(收發(fā)分置)天線一維陣列成像方式雖然可以大幅提高成像速度，但缺點是需要數(shù)量龐大的天線資源，為了實現(xiàn)N個等效單元的采樣，收發(fā)一體天線陣列需要N個天線單元，收發(fā)分置天線陣列需要2N個天線單元，收發(fā)天線利用率很低；另外，由于天線陣列實現(xiàn)需要天線單元數(shù)較多，且天線單元間距需要滿足半波長間距要求，當工作頻率較低時，物理實現(xiàn)難度不大，但隨著工作頻率的提高，實現(xiàn)難度將逐步增加，以工作頻率100GHz為例，對應波長為3mm，要實現(xiàn)圖2、圖3所示一維陣列，則要求收發(fā)天線間距為1.5mm，無論是天線單元設計，還是陣列布局設計，都存在極大的難度，同時還會限制收發(fā)天線性能。因此，圖2、圖3所示一維陣列在太赫茲成像方面應用實現(xiàn)的可行性不高，不具備工程實現(xiàn)價值。
技術實現(xiàn)思路
為解決現(xiàn)有技術中的不足，本專利技術提出一種一維稀疏陣列布置方法，通過天線陣列稀疏化設計與控制技術，可大幅提高數(shù)據(jù)采集速度與天線單元利用率，進而顯著提高成像速度，同時降低硬件復雜度，提高工程可實現(xiàn)性。本專利技術的技術方案是這樣實現(xiàn)的：一種用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法，陣列通過單站等效與微動控制后，陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對應波長的一半，所述等效單元為等效相位中心。可選地，上述用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法，包括以下步驟：首先，根據(jù)成像指標參數(shù)要求，確定所需的等效單元數(shù)目及間隔；然后，按照收發(fā)分置方式布置實際天線單元，發(fā)射天線/接收天線分別按照相互平行的兩條直線分布；接著，設計發(fā)射天線單元的布置，發(fā)射天線總數(shù)為任意耦數(shù)，每兩個發(fā)射天線組成一對發(fā)射天線組合，每個組合內(nèi)兩發(fā)射天線間距為4λ，每兩個發(fā)射天線組合間距為4λ；接下來，設計接收天線單元的布置，接收天線總數(shù)為任意耦數(shù)，每兩個接收天線組成一對接收天線組合，每個組合內(nèi)兩接收天線間距為2λ，每兩個接收天線組合間距為6λ；發(fā)射天線陣列與接收天線陣列進行錯位設計，發(fā)射天線陣列左首第一個天線與接收天線陣列左首第一個天線間距為0.5λ；分別在原位狀態(tài)與移位狀態(tài)下完成一組數(shù)據(jù)采集，將兩組數(shù)據(jù)進行組合內(nèi)插處理后，得到等間隔0.5λ的等效單元分布，最終得到滿足奈奎斯特采樣定律要求的等效單元分布；最后，結合數(shù)據(jù)處理算法，完成成像測試。可選地，陣列在原位狀態(tài)下產(chǎn)生的等效單元分布，各等效單元以間距λ等分布。可選地，陣列在移位狀態(tài)下產(chǎn)生的等效單元分布，各等效單元以間距λ等分布。本專利技術的有益效果是：(1)利用等效相位中心原理設計了一種一維稀疏陣列，有效提高了數(shù)據(jù)采集速度，降低了陣列硬件復雜度與實現(xiàn)成本；(2)利用發(fā)射陣列的單次機械微動實現(xiàn)了等效單元的成倍增加，使最終形成的等效單元間距滿足太赫茲級別成像所需的采樣要求，在一定收發(fā)天線單元數(shù)量限制下，實現(xiàn)了太赫茲級別的成像；(3)在數(shù)據(jù)采集速度和節(jié)省硬件資源成本等方面有較大優(yōu)勢，可以有效的對目標進行太赫茲成像測試。附圖說明為了更清楚地說明本專利技術實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為現(xiàn)有的“一步一停”成像原理示意圖；圖2為現(xiàn)有的收發(fā)一體天線一維陣列原理示意圖；圖3為現(xiàn)有的收發(fā)分置天線一維陣列原理示意圖；圖4為本專利技術的一維稀疏天線陣列布局與原位狀態(tài)下等效單元分布示意圖；圖5為本專利技術的一維稀疏天線陣列布局與移位狀態(tài)下等效單元分布示意圖；圖6為本專利技術的一維稀疏天線陣列等效單元分布示意圖；圖7為理想散射點的等效相位中心誤差示意圖。具體實施方式下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。太赫茲成像技術具有分辨率高、對人體無損傷、私密性好、穿透性強等突出優(yōu)點，因此太赫茲成像技術在機場安檢、反恐檢查、異物檢測、復合材料檢測等領域具有廣闊的應用前景。目前太赫茲成像，特別是主動式成像中，絕大多數(shù)采用合成孔徑(SAR)原理，即成像系統(tǒng)收發(fā)天線采用“一步一停”的工作方式，利用收發(fā)天線運動形成的合成孔徑獲取高的方位向成像分辨率，采用該方法需要耗費大量時間用于數(shù)據(jù)采集，成像速度較慢，這也成為限制太赫茲成像技術應用的主要因素之一。本專利技術的目的在于提出一種用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法，通過天線陣列稀疏化設計與控制技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的高效率，進而顯著提高成像速度。針對“一步一停”成像方式速度慢、效率低，收發(fā)一體(收發(fā)分置)天線一維陣列成像方式占用資源多，天線利用率很低，工程實現(xiàn)價值不高等問題，本專利技術提出一種一維稀疏陣列布置方法，通過天線陣列稀疏化設計與控制技術，可大幅提高數(shù)據(jù)采集速度與天線單元利用率，進而顯著提高成像速度，同時降低硬件復雜度，提高工程可實現(xiàn)性。本專利技術提出的稀疏陣列布置方法基于單站等效原理，即設計陣列通過單站等效與微動控制后，最終形成的等效相位中心(本專利技術中統(tǒng)稱等效單元)滿足奈奎斯特采樣定律，即陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對應波長的一半。本專利技術依據(jù)上述原則，考慮到太赫茲頻段波長較短，為兼顧工程可實現(xiàn)性，同時采用陣列稀疏化設計與陣列微動控制技術，最終實現(xiàn)半波長間距等效單元分布本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法，其特征在于，陣列通過單站等效與微動控制后，陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對應波長的一半，所述等效單元為等效相位中心。

【技術特征摘要】
1.一種用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法，其特征在于，陣列通過單站等效與微動控制后，陣列最終形成等效單元間距最大為工作頻率對應波長的一半，所述等效單元為等效相位中心。2.如權利要求1所述的一種用于太赫茲實時成像的一維稀疏陣列布置方法，其特征在于，包括以下步驟：首先，根據(jù)成像指標參數(shù)要求，確定所需的等效單元數(shù)目及間隔；然后，按照收發(fā)分置方式布置實際天線單元，發(fā)射天線/接收天線分別按照相互平行的兩條直線分布；接著，設計發(fā)射天線單元的布置，發(fā)射天線總數(shù)為任意耦數(shù)，每兩個發(fā)射天線組成一對發(fā)射天線組合，每個組合內(nèi)兩發(fā)射天線間距為4λ，每兩個發(fā)射天線組合間距為4λ；接下來，設計接收天線單元的布置，接收天線總數(shù)為任意耦數(shù)，每兩個接收天線組成一對接收天線...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：常慶功，胡大海，王亞海，
申請(專利權)人：中國電子科技集團公司第四十一研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：山東;37