一种基于多阵元发射技术的超宽带三维成像方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于多阵元发射技术的超宽带三维成像方法，在三维成像系统的发射端，利用多个发射阵元同时发射多个覆盖不同频带范围的脉冲信号，将单个大带宽UWB信号的发射过程分解为多个频带较窄脉冲的同步发射过程。在接收端，使用具有空间三维分辨能力的阵列来接收多个脉冲信号的回波。利用发射脉冲的拷贝对回波进行匹配滤波处理，以分离和提取不同发射脉冲对应的回波分量。对匹配滤波的输出进行处理，获得目标的三维像。本发明在不增加发射端和处理端系统带宽的前提下，获得了与UWB系统可比拟的三维成像结果。
【专利说明】一种基于多阵元发射技术的超宽带三维成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种阵列成像方法。
【背景技术】
[0002]在水下声成像、雷达电磁波成像以及医学超声成像等领域，为了对目标区域进行三维成像，需要使用具有空间三维分辨能力的平面阵、柱面阵或者球面阵等阵列(Murino Vand Trucco A,Three-dimensional image generation and processing in underwateracoustic vision, in Proc.1EEE, 2000; 88 (12): 103-1948.)D 为了提高三维成像系统的方位分辨率，增加阵列孔径或者提高发射信号频率是传统的做法。但是，增加阵列孔径会使得阵元数目急剧增大，使得三维成像系统的硬件复杂度大大提高，最终导致三维成像系统的成本变得过于高昂。提高发射信号频率会带来空间欠采样的问题，从而导致栅瓣的出现。而栅瓣会导致成像结果出现方位模糊，严重影响成像质量。
[0003]鉴于传统的阵列成像系统在提高分辨率时遇到的困难，Taylor等人研究了超宽带(Ultra-Wideband:UWB)雷达的性能，指出利用UWB信号的优点之一就是可获得优于传统成像系统的方位分辨率(Taylor J, Ultra-wideband radar technology, Boca Raton:CRCPress, 2001)。然而，UWB信号的使用要求成像系统的发射端和接收端具有很大的处理带宽，对硬件系统的要求远远超过传统的成像系统。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于多阵元发射技术的超宽带三维成像方法。该方法将单个UWB信号的发射过程分解为多个频带较窄脉冲的同步发射过程。在接收端利用匹配滤波处理对各个脉冲信号对应的回波进行分离和提取，并处理回波获得目标的三维像。与UWB系统相比，该方法在不增加系统带宽的前提下获得了与UWB系统类似的分辨率。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
[0006]I)根据期望的方位分辨率，设定使用单个UWB脉冲时所需要的频带范围；将该UWB信号的频带分解成M个子频带，且这些子频带带宽的最大值不能超过成像系统发射端和接收处理端的系统带宽；根据这M个子频带，设计出与其对应的M个脉冲信号，第m个脉冲信号的频带范围等于第m个子频带的频带范围；各脉冲信号之间的互相关函数峰值小于等于自相关函数峰值的0.2倍；
[0007]2) M个发射阵元同步发射M个脉冲信号，并由N元接收阵对回波进行采集，所述的N元接收阵具有空间三维分辨能力；
[0008]3)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；当用第m个发射信号对N元接收阵上的回波进行匹配滤波，可获得N个输出分量;M个发射信号总共对应着丽个匹配滤波输出；
[0009]4)将MN个匹配滤波输出可以按照发射信号来分为M组，对与第m个发射信号对应的一组匹配滤波输出进行多波束处理，获得与第m个发射信号对应的一组波束输出，其中含有Q个分量，处理完M组匹配滤波输出，可获得MQ个波束输出；将MQ个波束输出按照波束指向角分为Q组，每组含有M个具有相同波束指向角的分量；对波束指向角相同的分量进行求和，获得最终的Q个波束输出；根据Q个波束输出获得目标在距离维上分布的多个二维强度图，并据此重构出目标的三维像。
[0010]本发明的有益效果是:本发明提出将大带宽UWB信号的发射与处理分解为对多个频带较窄的信号的同步发射与联合处理的方法，并将其应用于三维成像系统中。该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:本发明的方法解决了三维成像系统难以直接发射和处理大带宽UWB信号的问题，在不增加发射端和处理端系统带宽的前提下，获得了与UWB系统可比拟的三维成像结果。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是单个频带为50kHz?250kHz的LFM信号的频谱；
[0012]图2是10个带宽均为20kHz的LFM信号的频谱，其总频带宽度等于200kHz ；
[0013]图3 (a)是发射阵元随机排布、接收阵为矩形平面阵的三维成像阵列；(b)是发射阵为均匀直线阵、接收阵为矩形平面阵的三维成像阵列；
[0014]图4是三维成像系统的三维坐标模型，其中Φ为俯仰角，Θ为方位角；
[0015]图5是本发明中主要步骤的流程；
[0016]图6是对回波进行处理以获得三维像的流程；
[0017]图7是UWB阵列和本发明中阵列的波束图，阵元加权为均匀加权，主瓣指向0°。其中，图7 Ca)为UWB阵列的波束图，图7 (b)为本发明中阵列的波束图；图7 (c)为两种阵列波束图在uy=0 (uy = sin(<i))sin( Θ ))上的切片图；图7 (d)为两种阵列波束图在ux=0(ux = sin(<i))cos( θ ))上的切片图；
[0018]图8 (a)是成像阵列和4个散射点目标的相对位置；(b)是z=_5米平面上的2个散射点的分布情况；(c)是z=-6米平面上的2个散射点的分布情况；
[0019]图9是UWB阵列直接使用50kHz-250kHz的LFM信号获得的2D切片，其中图9(a)为z=-5米处的2D切片，图9 (b)为z=-6米处的2D切片；
[0020]图10是本发明中阵列使用10个带宽为20kHz的LFM脉冲信号获得的2D切片，其中图10 (a)为z=-5米处的2D切片，图10 (b)为z=_6米处的2D切片；
[0021]图11是分别利用两种阵列的多个2D切片进行重构获得的4个散射点在空间的分布，其中图11 (a)为空间立体分布，图11 (b)为俯视图，图11 (C)为沿y轴方向的侧视图，图11 (d)为沿X轴方向的侧视图。
【具体实施方式】
[0022]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。
[0023]本发明的主要内容有:
[0024]1.在三维成像系统的发射端，利用多个发射阵元同时发射多个覆盖不同频带范围的脉冲信号，将单个大带宽UWB信号的发射过程分解为多个频带较窄脉冲的同步发射过程。在接收端，使用具有空间三维分辨能力的阵列(如矩形平面阵、柱面阵和球面阵等)来接收多个脉冲信号的回波。利用发射脉冲的拷贝对回波进行匹配滤波处理，以分离和提取不同发射脉冲对应的回波分量。对匹配滤波的输出进行处理，获得目标的三维像。
[0025]2.以矩形接收阵为例，通过计算机仿真给出其直接使用UWB信号时的波束图和利用本发明中方法获得的波束图。从波束图来说明本发明中的方法可以获得与UWB系统可比拟的方位分辨率。
[0026]3.以矩形接收阵为例，通过计算机数值仿真分别给出了直接使用UWB信号和利用本发明中方法获得的三维成像结果。从成像结果证明了本发明中方法可以在不增加发射端和接收端处理机带宽的前提下，获得与UWB系统可比拟的分辨率，同时也避免了步进频率系统中发射信号时间过长的缺点。
[0027]本发明的技术方案可分为以下4个步骤:
[0028]5)设计发射信号参数。根据期望的方位分辨率，设定使用单个UWB脉冲时所需要的频带范围。将该UWB信号的频带分解成M个较窄的子频带，且这些子频带带宽的最大值不能超过成像系统发射端和接收处理端的系统带宽。根据这M个子频带，设计出与其对应的M个脉冲信号。以第m (m=l，2，...，M)个脉冲信号为例，其频带范围等于第m个子频带的频带范围。此外，为了获得发射信号之间的独立性，要求脉冲信号之间的互相关函数峰值小于等于自相关函数峰值的0.2倍。
[0029]6)对步骤I)中设计好的脉冲信号进行发射和接收。由于有M个脉冲信号，因此需要M个发射阵元。M个发射阵元同步发射这M个脉冲信号，并由N元接收阵对回波进行采集。由于需要对目标进行三维成像，N元接收阵应具有空间三维分辨能力，如平面阵、柱面阵和球面阵等。在接收端，第η (η=1，2，...，N)个阵元上的回波sn(t)可以看做是M个脉冲信号经过不同时延和衰减后的时域叠加。
[0030]7)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。当用第m (m=l，2，...，M)个发射信号对N元接收阵上的回波进行匹配滤波，可获得N个输出分量。M个发射信号总共对应着MN个匹配滤波输出。
[0031]8)对匹配滤波的输出进行多波束处理并获得目标的三维像。丽个匹配滤波输出可以按照发射信号来分为M组。对与第m个发射信号对应的一组匹配滤波输出进行多波束处理，获得与第m个发射信号对应的一组波束输出，其中含有Q个分量。在处理每组匹配滤波输出的过程中，均采用一组相同的波束指向角。因此，处理完M组匹配滤波输出，可获得MQ个波束输出。这MQ个波束输出可按照波束指向角分为Q组，每组含有M个具有相同波束指向角的分量。对波束指向角相同的分量进行求和，获得最终的Q个波束输出。根据最终的Q个波束输出，获得目标在距离维上分布的多个二维强度图(2D切片)，并根据这些2D切片重构出目标的三维像。
[0032]下面对本发明的每个步骤作详细说明:
[0033]步骤I)所涉及的相关理论和具体内容如下:[0034]假设需要使用的单个UWB信号的带宽B可表示为fH-f=B，其中fH为该UWB信号的最高频率，4为其最低频率。将该频带分为M个较窄的子频带，其中第m (m=l，2，...，M)个窄频带宽度值为Bm，可以得到:[0035]
【权利要求】
1.一种基于多阵元发射技术的超宽带三维成像方法，其特征在于包括下述步骤: 1)根据期望的方位分辨率，设定使用单个UWB脉冲时所需要的频带范围；将该UWB信号的频带分解成M个子频带，且这些子频带带宽的最大值不能超过成像系统发射端和接收处理端的系统带宽；根据这M个子频带，设计出与其对应的M个脉冲信号，第m个脉冲信号的频带范围等于第m个子频带的频带范围；各脉冲信号之间的互相关函数峰值小于等于自相关函数峰值的0.2倍； 2)M个发射阵元同步发射M个脉冲信号，并由N元接收阵对回波进行采集，所述的N元接收阵具有空间三维分辨能力； 3)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；当用第m个发射信号对N元接收阵上的回波进行匹配滤波，可获得N个输出分量;M个发射信号总共对应着丽个匹配滤波输出； 4)将MN个匹配滤波输出可以按照发射信号来分为M组，对与第m个发射信号对应的一组匹配滤波输出进行多波束处理，获得与第m个发射信号对应的一组波束输出，其中含有Q个分量，处理完M组匹配滤波输出，可获得MQ个波束输出；将MQ个波束输出按照波束指向角分为Q组，每组含有M个具有相同波束指向角的分量；对波束指向角相同的分量进行求和，获得最终的Q个波束输出；根据Q个波束输出获得目标在距离维上分布的多个二维强度图，并据此重构出目标的三维像。
【文档编号】G01S13/89GK103454630SQ201310391030
【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