本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法及装置。
背景技术：
雷达三维实时成像装置最常用的是通过二维阵列实现方位向快速聚焦，以及通过宽带信号实现距离向的聚焦。然而在频段比较高的应用场景下，例如毫米波太赫兹频段，二维阵列由于阵元个数较多，在现有条件下，给系统增加了诸多成本，尤其是目前毫米波太赫兹器件本身成本就相对较高。虽然只采用单个阵元进行二维扫描，结合宽带信号也可获取三维聚焦图像，但是数据的获取时间太长，做不到实时成像。
结合MIMO阵列与合成孔径技术的多输入多输出合成孔径雷达(Multiple Input Multiple Output Synthetic Aperture Radar，MIMO-SAR)，可减少阵元个数，降低系统成本。然而目前基于此装置的成像算法，不能同时满足高精度成像与快速成像的要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法及装置，以解决上述的至少一项技术问题。
本发明的一方面，提供了一种基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法，包括如下步骤：
S1、向目标发送宽带信号，并接收所述宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；
S2、将所述原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，以得到原始空间谱；
S3、将相位偏移因子展开得到固定距离相位偏移因子、固定波数相位偏移因子和傅里叶变换因子；
S4、将原始空间谱结合固定距离相位偏移因子与傅里叶变换因子，确定固定距离空间谱；
S5、将固定距离空间谱结合固定波数相位偏移因子得到每个距离平面的空间谱；以及，
S6、根据每个距离平面的空间谱确定目标的成像函数。
在一些实施例中，在步骤S1中，构建三维坐标系，以x方向表示MIMO阵列方向，y方向表示合成孔径方向，z方向表示距离向，原始回波信号为：
s(xt，xr，y，0，k)
其中，MIMO阵列的发射天线位于(xt，y，z)处，接收天线位于(xr，y，z)处，k为所述宽带信号不同发射频率所对应的波数，MIMO-SAR所在的平面的距离向位于z＝0处。
在一些实施例中，在步骤S2中，通过对原始回波信号进行三维傅里叶变换以将原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，得到的原始空间谱的公式为：
其中，kxt，kxr，ky分别表示xt，xr，y对应的空间频率域坐标。
在一些实施例中，在步骤S3中，相位偏移因子为exp(jkzz)，利用以下公式将相位偏移因子展开，以得到固定距离相位偏移因子和傅里叶变换因子：
其中：H0＝exp(j·2kbz)，
kc为发射宽带信号中心频率所对应的波数，kb＝k-kc，z＝zM，zM为距离向z的若干个实数等间隔取值，z0为所述zM的取值范围内的中间点，H1为固定距离相位偏移因子，H2为固定波数相位偏移因子，H0为宽带信号所对应的傅里叶变换因子。
在一些实施例中，步骤S4包括：
S41、将原始空间谱与固定距离相位偏移因子相乘得到初始固定距离空间谱；
S42、将初始固定距离空间谱结合所述傅里叶变换因子对波数维度进行逆傅里叶变换得到固定距离空间谱。
在一些实施例中，
步骤S41中，初始固定距离空间谱的公式为：
s(kxt，kxr，ky，z0，kb)＝s(kxt，kxr，ky，0，kb)·H1(kxt，kxr，ky，z0，kb)；
步骤S42中，固定距离空间谱的公式为：
s(kxt，kxr，ky，z0，z)＝∫s(kxt，kxr，ky，z0，kb)·exp(j·2kbz)dkb。
在一些实施例中，步骤S5包括：
S51、将固定距离空间谱与固定波数相位偏移因子相乘得到每个距离平面的空间谱；以及
S52、利用空间频率域的坐标关系，对所述每个距离平面的空间谱进行重排，得到重排后的每个距离平面的空间谱。
在一些实施例中，
在步骤S51中，每个距离平面的空间谱公式为：
s(kxt，kxr，ky，z)＝s(kxt，kxr，ky，z0，z)·H2(kxt，kxr，ky，z0，z)；
在步骤S52中，所述空间频率域的坐标关系包括：
kx＝kxt+kxr，ky＝kyt+kyr；
重排后的每个距离平面的空间谱的公式为：
s(kx，ky，z)＝s(kxt，kxr，ky，z)rearrange。
在一些实施例中，在步骤S6中，所述目标的成像函数通过将每个距离平面的空间谱进行二维逆傅里叶变换得到，所述目标的成像函数为：
s(x，y，z)＝∫s(kx，ky，z)·exp(jkxx)·exp(jkyy)dxdy。
本发明的另一方面，还提供了一种基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像装置，其包括：
存储器，用于存储指令；以及
处理器，用于根据所述指令，执行前述的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法。
本发明的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法及装置，相较于现有技术，至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：
1、相较于经典的可用于任意阵列形式的反向传播(BP)算法，成像速度得到了提升。
2、相较于成像速度较快的经过一定条件近似的快速傅氏变换(FFT)算法，成像质量得到改善。
附图说明
图1为本发明实施例的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法的步骤的流程图；
图2为本发明实施例的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像装置的结构示意图；
图3为MIMO线性阵列实例示意图；
图4为本发明实施例的步骤S4的具体步骤的流程图；
图5为本发明实施例的步骤S5的具体步骤的流程图；
图6为本发明的实施例的目标三维成像结果示意图；
图7为本发明的实施例的距离为R处的目标二维成像结果示意图；
图8为本发明实施例的用基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本发明的一方面，提供了一种基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法，图1为本发明实施例的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法的步骤的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1、向目标发送宽带信号，并接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；
S2、将原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，以得到原始空间谱；
S3、将相位偏移因子展开得到固定距离相位偏移因子、固定波数相位偏移因子和傅里叶变换因子；
S4、将原始空间谱结合固定距离相位偏移因子与傅里叶变换因子，确定固定距离空间谱；
S5、将固定距离空间谱结合固定波数相位偏移因子得到每个距离平面的空间谱；
S6、根据每个距离平面的空间谱确定目标的成像函数。
其中，在步骤S1中，宽带信号是由MIMO阵列的发射阵元发射的，MIMO阵列的接收阵元接收原始回波信号。
在一些实施例中，MIMO阵列选择发射在接收阵列两端形式的线性阵列，可以理解的是，在其他实施例中也可以选择其他形式的MIMO阵列。图2为本发明实施例的MIMO线性阵列合成孔径仿真场景示意图，图3为本发明实施例的MIMO线性阵列实例示意图，如图2和图3所示，在该MIMO线性阵列中，接收阵元以间距为dR排列，在第一个和最后一个接收阵元的两端，各有发射阵元以间距为dT排列。接收阵列长度为LR，接收阵列和发射阵列总长度为LT。有两组目标点组成的线性目标以交叉形式排列，目标到MIMO-SAR平面的距离为R。
在一些实施例中，参照图2，构建三维坐标系，以x方向表示MIMO阵列方向，y方向表示合成孔径方向，z方向表示距离向，原始回波信号为：
s(xt，xr，y，0，k)
其中，MIMO阵列的发射天线位于(xt，y，z)处，接收天线位于(xr，y，z)处，k为所述宽带信号不同发射频率所对应的波数，MIMO-SAR所在的平面的距离向位于z＝0处。
根据一些实施例，在步骤S2中，通过对原始回波信号进行三维傅里叶变换以将原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，以得到原始空间谱，原始空间谱的公式为：
其中，kxt，kxr，ky分别表示xt，xr，y对应的空间频率域坐标。
根据一些实施例，在步骤S3中，相位偏移因子可以为exp(jkzz)，利用以下公式将相位偏移因子展开，以得到固定距离相位偏移因子、固定波数相位偏移因子和傅里叶变换因子：
其中：H0＝exp(j·2kbz)，
kc为发射宽带信号中心频率所对应的波数，kb＝k-kc，z＝zM，zM为距离向z的若干个实数等间隔取值，z0为所述zM的取值范围内的中间点，H1为固定距离相位偏移因子，H2为固定波数相位偏移因子，H0为宽带信号所对应的傅里叶变换因子。
图4为本发明实施例的步骤S4的具体步骤的流程图，如图4所示，该步骤S4可以包括以下子步骤：
S41、将原始空间谱与固定距离相位偏移因子相乘得到初始固定距离空间谱。
例如，初始固定距离空间谱的公式为：
s(kxt，kxr，ky，z0，kb)＝s(kxt，kxr，ky，0，kb)·H1(kxt，kxr，ky，z0，kb)。
S42、将初始固定距离空间谱结合所述傅里叶变换因子对波数维度进行逆傅里叶变换得到固定距离空间谱。
例如，固定距离空间谱的公式为：
s(kxt，kxr，ky，z0，z)＝∫s(kxt，kxr，ky，z0，kb)·exp(j·2kbz)dkb。
图5为本发明实施例的步骤S5的具体步骤的流程图，如图5所示，该步骤S5可以包括以下子步骤：
S51、将固定距离空间谱与固定波数相位偏移因子相乘得到每个距离平面的空间谱。
例如，每个距离平面的空间谱公式为：
s(kxt，kxr，ky，z)＝s(kxt，kxr，ky，z0，z)·H2(kxt，kxr，ky，z0，z)，
S52、利用空间频率域的坐标关系，对每个距离平面的空间谱进行重排，得到重排后的每个距离平面的空间谱。
例如，空间频率域的坐标关系包括：
kx＝kxt+kxr，ky＝kyt+kyr；
重排后的每个距离平面的空间谱公式为：
s(kx，ky，z)＝s(kxt，kxr，ky，z)rearrange
根据一些实施例，在步骤S6中，将每个距离平面的空间谱进行二维逆傅里叶变换，以确定目标的成像函数，得到目标的成像函数为：
s(x，y，z)＝∫s(kx，ky，z)·exp(jkxx)·exp(jkyy)dxdy。
下面结合附图介绍本发明的一个具体实施例。参照图2，目标区域的图像如图2所示，按照以下步骤以实现基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像。
S1、向目标发送宽带信号，并接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号。
构建三维坐标系，以x方向表示MIMO阵列方向，y方向表示合成孔径方向，z方向表示距离向，如图2所示，MIMO阵列的发射天线位于(xt，y，z)处，接收天线位于(xr，y，z)处，MIMO-SAR所在的平面的距离向位于z＝0处，以k来表示所述宽带信号不同发射频率所对应的波数，
则原始回波信号可表示为：s(xt，xr，y，0，k)。
S2、将原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，以得到原始空间谱。
可以理解的是，在本实施例中，将原始散射回波信号变换到空间频率域是可以通过对简化公式进行三维傅里叶变换实现的，则原始空间谱的公式为：
其中，kxt，kxr，ky分别表示xt，xr，y对应的空间频率域坐标。
S3、将相位偏移因子展开得到固定距离相位偏移因子、固定波数相位偏移因子和傅里叶变换因子。
本实施例中，相位偏移因子为exp(jkzz)，利用以下公式将相位偏移因子展开，以得到固定距离相位偏移因子和傅里叶变换因子：
其中：H0＝exp(j·2kbz)，
kc为发射宽带信号中心频率所对应的波数，kb＝k-kc，z＝zM，zM为距离向z的若干个实数等间隔取值，z0为所述zM的取值范围内的中间点，H1为固定距离相位偏移因子，H2为固定波数相位偏移因子，H0为宽带信号所对应的傅里叶变换因子。
S4、将原始空间谱结合固定距离相位偏移因子与傅里叶变换因子，确定固定距离空间谱。
本实施例中，步骤S4包括以下子步骤：
S41、将原始空间谱与固定距离相位偏移因子相乘得到初始固定距离空间谱，初始固定距离空间谱的公式为：
s(kxt，kxr，ky，z0，kb)＝s(kxt，kxr，ky，0，kb)·H1(kxt，kxr，ky，z0，kb)；
S42、将初始固定距离空间谱结合所述傅里叶变换因子对波数维度进行逆傅里叶变换得到固定距离空间谱，固定距离空间谱的公式为：
s(kxt，kxr，ky，z0，z)＝∫s(kxt，kxr，ky，z0，kb)·exp(j·2kbz)dkb。
S5、将固定距离空间谱结合固定波数相位偏移因子得到每个距离平面的空间谱。
本实施例中，步骤S5包括以下子步骤：
S51、将固定距离空间谱与固定波数相位偏移因子相乘得到每个距离平面的空间谱，每个距离平面的空间谱公式为：
s(kxt，kxr，ky，z)＝s(kxt，kxr，ky，z0，z)·H2(kxt，kxr，ky，z0，z)；
S52、利用空间频率域的坐标关系，对每个距离平面的空间谱进行重排，得到重排后的每个距离平面的空间谱，空间频率域的坐标关系包括：
kx＝kxt+kxr，ky＝kyt+kyr；
重排后的每个距离平面的空间谱公式为：
s(kx，ky，z)＝s(kxt，kxr，ky，z)rearrange。
S6、将每个距离平面的空间谱进行二维逆傅里叶变换，得到目标的三维成像函数为：
s(x，y，z)＝∫s(kx，ky，z)·exp(jkxx)·exp(jkyy)dxdy。
根据上述方法获得的成像效果可参照图6和图7。图6为本实施例中得到的目标三维成像结果的示意图，图7为本实施例中距离为R处的目标二维成像结果的示意图。
可见，根据本发明的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法缩短了成像时间，并且提高了成像质量。
本发明的另一方面，还提供了一种基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像装置，图8为本发明实施例的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像装置的结构示意图，如图8所示，该装置包括：
存储器81，用于存储指令；以及
处理器82，用于根据存储器81中的指令，执行如前所述的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法。
综上所述，根据本发明的基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像方法及装置，相较于经典的可用于任意阵列形式的BP算法，成像速度得到了明显提升，相较于成像速度较快的经过一定条件近似的FFT快速算法，成像质量得到大幅改善。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。