一种基于超宽带mimo阵列的扇扫成像方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于超宽带MIMO阵列的扇扫成像方法，利用MIMO阵列的M个发射阵元在单个脉冲内同时发射M个相互独立的脉冲信号，这M个相互独立的脉冲总带宽与单个UWB脉冲的带宽相等。利用线列阵对回波进行接收，并利用匹配滤波处理分离出不同脉冲对应的回波分量。分别处理这些回波分量，并对其进行UWB信号合成，获得最终的扇扫图。本发明具有与使用单个大带宽的UWB信号类似的高方位和高距离分辨率，克服了步进频率成像系统中发射信号时间过长的缺点。
【专利说明】—种基于超宽带MIMO阵列的扇扫成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阵列成像方法。
【背景技术】
[0002]超宽带(Ultra-Wideband:UWB)成像系统通过使用具有大带宽的UWB信号来获得高距离和高方位分辨率(Taylor J, Ultra-wideband radar technology, BocaRatomCRC Press，2001)。将超宽带技术应用到阵列扇扫成像领域，可以在不增加阵元个数和阵列孔径的前提下提高成像分辨率。然而在实际使用中，很多扇扫成像系统的发射端无法直接发射大带宽的UWB信号。此外，扇扫成像系统接收端处理机的带宽有限，也难以直接处理大带宽的UWB信号。针对这些缺点，Gill (Gill G, Detection oftargets embedded in clutter using frequency step waveform, Proceedings ofthel994International Symposium on Noise and Clutter Rejection in Radars andImaging Sensors, Kawasaki, Japan, 1994:115)和刘晓红(刘晓红，高距离分辨成像雷达的信号分析与处理，西安电子科技大学硕士学位论文，2006)等人对步进频率(SteppedFrequency)系统进行了一系列研究,指出步进频率系统可以利用多个脉冲来合成大带宽的UWB信号。但是，这些脉冲的发射并不是同步进行的，而是按照先后顺序发射。为了各个脉冲之间的回波不发生混叠，步进频率系统要求相邻脉冲之间的间隔足够长。当目标处于运动状态时，在脉冲陆续照射目标的过程中，目标已经产生了距离迁徙，这使得步进频率系统无法直接对运动目标进行成像，随之而来的目标运动补偿也大大增加了算法的复杂程度。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术步进频率系统的信号发射时间过长的不足，本发明提供一种利用MMO阵列的多个发射阵元在单个脉冲内同时发射覆盖不同频带的脉冲信号，在接收端通过匹配滤波处理分离不同脉冲对应的回波分量并将其合成UWB信号的扇扫成像方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
[0005]I)设定用于扇扫成像的MMO阵列的发射阵元和接收阵元个数分别为M和N，接收阵列为N元均匀直线阵；
[0006]2) M个脉冲信号的互相关函数峰值小于等于其自相关峰值的0.2倍，且脉冲信号的总频带宽度等于单个UWB脉冲信号的带宽；利用MIMO阵列的M个发射阵元在单个脉冲内同时发射M个脉冲信号，在单个脉冲照射时间内完成对目标区域的空间采样，利用N元接收线列阵对回波进行采集，第η个阵元上的回波Sn(t)是这M个相互独立的脉冲信号经过不同时延和衰减后的时域叠加；采集好回波后，利用M个发射信号对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，获得M组匹配滤波输出分量；
[0007]3)对匹配滤波输出分量进行UWB信号合成，过程如下:[0008](a)对每组中N个匹配滤波输出分量进行波束形成，通过调节波束指向角使得目标区域被Q个波束覆盖，共获得Q个角度上的波束输出；对M组匹配滤波输出分量都进行相同的多波束处理，共获得MQ个分量，根据波束指向角分为Q组，每组含有M个具有相同波束指向角的波束输出分量；
[0009](b)对于Q组波束输出，将每组内的M个分量求和；求和时将M个波束输出在时域上进行对齐，然后直接将这M个波束输出相加获得单个波束输出，最终获得Q个由UWB信号组成的波束输出；
[0010]4)提取这Q个波束输出的强度，获得二维扇扫强度图。
[0011]本发明的有益效果是:本发明所提方法的基本原理经过了理论推导，实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明:本发明的方法利用MMO阵列在单个脉冲内同时发射多个带宽较小的独立信号，通过对这些带宽较小的信号进行联合处理，最终获得与使用单个大带宽的UWB信号类似的高方位和高距离分辨率，克服了步进频率成像系统中发射信号时间过长的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是发射阵元随机排布、接收阵为均匀直线阵的MIMO阵列；
[0013]图2是发射阵列为均匀直线阵、接收阵为均匀直线阵的MIMO阵列；
[0014]图3是本发明中主要步骤的流程；
[0015]图4是处理回波获得高分辨扇扫图的流程；
[0016]图5是10个带宽均为30kHz的LFM信号的频谱，其总频带宽度等于300kHz ；
[0017]图6是步进频率阵列和MMO阵列的波束图，阵元加权为均匀加权，主瓣指向0°。其中，子图(a)为整个波束图，子图(b)为局部放大图；
[0018]图7 Ca)是成像阵列和目标的相对位置，(b)是目标“Fur”在方位维与距离维上的分布情况；
[0019]图8 Ca)是步进频率阵列的扇扫成像结果，(b)是本发明中MIMO阵列的扇扫成像结果。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0021]本发明的主要内容有:
[0022]1.利用MMO阵列的M个发射阵元在单个脉冲内同时发射M个相互独立的脉冲信号，如M个中心频率不相等的连续波(Continuous Wave, CW)脉冲或M个频带相互分开的线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM)脉冲。这M个相互独立的脉冲总带宽与单个UWB脉冲的带宽相等。利用线列阵对回波进行接收，并利用匹配滤波处理分离出不同脉冲对应的回波分量。分别处理这些回波分量，并对其进行UWB信号合成，获得最终的扇扫图。
[0023]2.通过计算机数值仿真给出了步进频率阵列的波束图(利用多个脉冲合成)和本发明中方法对应的波束图(在单个脉冲内合成)，用波束图来说明本发明中的方法可以获得与步进频率阵列相同的方位分辨率。
[0024]3.通过计算机数值仿真给出了步进频率阵列和本发明中方法的扇扫成像结果，从成像结果证明了本发明中方法仅利用单个脉冲即可获得步进频率阵列使用多个脉冲才能得到的扇扫成像结果。
[0025]本发明的技术方案可分为以下4个步骤:
[0026]5)设定用于扇扫成像的MIMO阵列的发射阵列与接收阵列参数。发射阵元和接收阵元个数分别为M和N。由于本发明中的发射信号是相互独立的，因此发射阵在发射端形成不了指向性波束，MIMO阵列发射单个脉冲即可完成对目标区域的空间采样。此外，本步骤对发射阵的阵型无特殊要求，发射阵可以为均匀直线阵，可以为非均匀直线阵，也可以是阵元随机布置的随机阵型。为了便于对回波进行多波束形成等处理，本步骤将接收阵列设为N元均匀直线阵。
[0027]6)M个脉冲信号的同步发射、接收与匹配滤波处理。这些脉冲信号的互相关函数峰值需要小于等于其自相关峰值的0.2倍，且脉冲信号的总频带宽度等于单个UWB脉冲信号的带宽。由于M个脉冲信号之间的互相关函数很低，因此可以认为发射信号是相互独立的，从而发射端是无指向性的。利用MIMO阵列的M个发射阵元在单个脉冲内同时发射这些脉冲，因此在单个脉冲照射时间内就可完成对目标区域的空间采样。利用N元接收线列阵对回波进行采集，第η (11=1，2，一，《个阵元上的回波\(0可以看做是这M个相互独立的脉冲信号经过不同时延和衰减后的时域叠加。采集好回波后，利用M个发射信号对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理。以第m (πι=1，2，...，Μ)个发射信号为例，用其对N个阵元上的回波进行匹配滤波处理，可获得N个由第m个发射信号的回波组成的输出分量。因此，M个发射信号共获得M组匹配滤波输出分量。
[0028]7)对匹配滤波的输出进行UWB信号合成，其过程可分为以下2部分:
[0029](a)对每组中N个匹配滤波输出分量进行波束形成，通过调节波束指向角使得目标区域被Q个波束覆盖，共获得Q个角度上的波束输出。对M组匹配滤波输出分量都进行相同的多波束处理，获得M组波束输出(每组波束输出对应着不同的频带)，总共获得MQ个分量。由于处理每组匹配滤波输出时均使用同一组波束指向角，因此MQ个波束输出可以根据波束指向角分为Q组，每组含有M个具有相同波束指向角的波束输出分量。
[0030]( b )对于Q组波束输出，将每组内的M个分量(S卩波束指向角相同的波束输出)求和。求和时需要将M个波束输出在时域上进行对齐，然后直接将这M个波束输出相加获得单个波束输出。由于求和的过程是将M个频带对应的波束输出进行合成，相当于利用多个较窄频带的信号合成了 UWB信号，最终获得Q个由UWB信号组成的波束输出。
[0031]8)提取这Q个波束输出的强度，获得二维扇扫强度图。
[0032]下面对本发明的每个步骤作详细说明:
[0033]步骤I)主要涉及的相关理论和具体内容如下:
[0034]MIMO阵列的发射阵元个数为M，其阵型不固定，可以为均匀直线阵，非均匀直线阵，也可以为随机排布的阵列。接收阵为N元直线阵，其阵元间距为4。发射阵元随机排布的MMO阵列如图1所示。当发射阵元到接收阵列几何中点的最大距离不超过接收阵列尺寸时，可以将该MIMO阵列看作单基地阵列。为了避免叙述的重复和繁琐，下面以发射阵为均匀直线阵的情况为例来描述问题。即:发射阵为M元均匀直线阵，阵元间距为dt。发射直线阵和接收直线阵相互平行，且两者之间的距离小于等于接收阵列的尺寸。该MMO阵列如图2所示。
[0035]步骤2)所涉及的相关理论和具体内容如下:[0036]MIMO阵列的M个发射阵元在单个脉冲内发射M个相互独立的脉冲信号，且M个脉冲信号的总带宽等于单个UWB信号的带宽，即
[0037]
【权利要求】
1.一种基于超宽带MIMO阵列的扇扫成像方法，其特征在于包括下述步骤: 1)设定用于扇扫成像的MIMO阵列的发射阵元和接收阵元个数分别为M和N，接收阵列为N元均匀直线阵； 2)Μ个脉冲信号的互相关函数峰值小于等于其自相关峰值的0.2倍，且脉冲信号的总频带宽度等于单个UWB脉冲信号的带宽；利用MIMO阵列的M个发射阵元在单个脉冲内同时发射M个脉冲信号，在单个脉冲照射时间内完成对目标区域的空间采样，利用N元接收线列阵对回波进行采集，第η个阵元上的回波Sn(t)是这M个相互独立的脉冲信号经过不同时延和衰减后的时域叠加；采集好回波后，利用M个发射信号对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，获得M组匹配滤波输出分量； 3)对匹配滤波输出分量进行UWB信号合成，过程如下: (a)对每组中N个匹配滤波输出分量进行波束形成，通过调节波束指向角使得目标区域被Q个波束覆盖，共获得Q个角度上的波束输出；对1组匹配滤波输出分量都进行相同的多波束处理，共获得MQ个分量，根据波束指向角分为Q组，每组含有M个具有相同波束指向角的波束输出分量； (b)对于Q组波束输出，将每组内的M个分量求和；求和时将M个波束输出在时域上进行对齐，然后直接将这M个波束输出相加获得单个波束输出，最终获得Q个由UWB信号组成的波束输出； 4)提取这Q个波束输出的强度，获得二维扇扫强度图。
【文档编号】G01S13/89GK103454629SQ201310390889
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月31日 优先权日:2013年8月31日
【发明者】孙超, 刘雄厚 申请人:西北工业大学