基于片上天线的D波段MIMO雷达系统实现高分辨率三维成像

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：D-Band MIMO Radar With On-Chip Antenna Elements for 3-D Imaging

本文介绍了一种创新的D波段MIMO雷达系统，该研究针对现有毫米波成像系统存在的高频信号分布复杂、外部天线笨重等问题，通过采用商用MMIC芯片与片上天线技术，开发了紧凑型1-D MIMO阵列与机械扫描相结合的3-D成像方案。研究结果表明，该系统在3米距离内可实现亚厘米级跨分辨率成像，显著降低了系统复杂度和成本，为人员安检应用提供了高效解决方案。

　　

在当今社会，安全检查已成为保障公共安全的重要环节。机场、体育场等人员密集场所对高效、安全的安检技术需求日益增长。传统金属探测器只能识别金属物品，无法区分日常物品与潜在威胁；而X光系统虽能检测隐蔽物体形状，但因其使用电离辐射而不被推荐。为此，毫米波雷达成像技术逐渐成为人员安检的新选择。

毫米波雷达利用波长为1-10毫米的电磁波生成高分辨率图像。特别是在D波段（110-170GHz），电磁波能够穿透常见衣物材料（如T恤、牛仔布），从而在不使用电离辐射的情况下检测隐蔽物体。频率调制连续波（FMCW）雷达因其低发射功率要求、易处理接收信号等优势，成为毫米波成像的首选技术。然而，现有系统面临高频信号分布复杂、笨重外部天线等问题，增加了系统复杂性和成本。

针对这些挑战，Ignacio Sardinero-Meirás等人开展了一项创新研究，开发了一套基于片上天线的D波段多输入多输出（MIMO）雷达系统。该系统采用商用单片微波集成电路（MMIC）技术，在每个阵列单元本地生成高频信号，实现了紧凑、可扩展的解决方案。研究成果发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》上，为毫米波雷达成像领域带来了重要突破。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，设计了稀疏阵列配置，通过遗传算法优化发射器和接收器位置，最小化点扩散函数（PSF）的旁瓣水平；其次，利用时间域多路复用（TDM）实现波形正交性，结合差频分离（BFD）策略解决硬件限制；第三，开发了专门的校准程序，包括基线去除、非线性效应校正和参考相位校正等步骤；最后，集成机械扫描系统，在垂直维度上形成合成孔径。

阵列架构

系统采用水平1-D MIMO阵列与机械扫描系统相结合的架构。阵列设计满足特定要求：3米观测距离、8个发射器、7个接收器、孔径尺寸≤100厘米、元件最小间距2厘米。通过遗传算法优化后，发射孔径长度L_Tx=0.504米，接收孔径长度L_Rx=0.96米，在3米距离处实现4.9毫米的理论跨分辨率。机械扫描系统在Z轴形成0.5米合成孔径，步长10毫米。

RF节点描述与表征

RF节点基于Indie Semiconductor的商业MMIC芯片，采用锁相环（PLL）架构，确保与参考振荡器相位同步。表征结果显示，传输功率在频带内最大变化13dB，与制造商数据表一致。片上天线为垂直极化印刷偶极子，辐射模式与数据表吻合良好。信噪比（SNR）测试显示与距离的1/R⁴比例关系，电磁干扰（EMI）通过微波吸收材料得到有效控制。

多站操作同步

系统采用准相干架构，通过分配低频参考同步多个PLL。TDM MIMO操作通过解复用器（DEMUX）顺序触发每个发射器实现。BFD策略通过设置不同起始频率（δf=1.875MHz）分离单站和双站回波。相位相干性分析显示，双站回波相位噪声导致的SNR限制为24dB，长期相位稳定性要求专门的校准程序。

雷达校准

开发了专门的校准算法，包括基线去除、非线性效应校正、感兴趣区域（ROI）提取、参考拍频估计和参考相位校正。校准过程依赖于在雷达视场（FoV）内已知位置R_c的参考目标，通过离散时间傅里叶变换（DTFT）实现亚毫米级精度。

成像结果

系统在5分钟内完成场景数据采集。分辨率测试显示，两个直径10毫米、间距11毫米的金属圆柱体在2米距离处清晰可辨，3dB宽度为3.5毫米，接近理论值3.3毫米。对5×5厘米²金属板、刀具和手枪的成像实验验证了系统性能。金属板几何形状准确重建，刀具形状清晰识别，手枪部分区域因镜面反射未能检测。通过T恤遮挡实验证实了D波段对衣物的透明度。

2金属板。（b）和（e）金属刀具。（c）和（f）金属手枪。颜色刻度表示归一化功率（dB）。'>

研究结论表明，这种基于片上天线的D波段MIMO雷达系统成功实现了高分辨率3-D成像。水平维度通过优化稀疏阵列实现，垂直维度通过机械定位器完成。系统采用PLL架构，通过分配低频参考振荡器同步所有单元，显著降低了硬件复杂性。相位稳定性分析和校准程序有效解决了双站路径中的相位失配问题。成像实验结果验证了系统对典型目标和复杂目标的重建能力，以及通过衣物检测隐蔽物体的能力。

这项研究的重要意义在于提供了一种紧凑、可扩展且低成本的毫米波成像解决方案，为人员安检应用提供了新的技术途径。与现有技术相比，该系统在保持相似性能的同时显著降低了复杂性，展示了商用MMIC技术在高端雷达系统中的巨大应用潜力。