專利名稱：一種基于mimo技術(shù)的高分辨扇掃成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陣列成像方法。
背景技術(shù)：
在水下聲成像、雷達(dá)成像以及醫(yī)學(xué)成像等陣列成像領(lǐng)域，扇掃成像是廣泛使用的工作方式之一。典型的扇掃成像系統(tǒng)由ー個(gè)發(fā)射陣元和一條接收線陣組成。發(fā)射陣元發(fā)射單個(gè)脈沖就可以照射一片區(qū)域。接收線列陣對(duì)回波進(jìn)行多波束形成，提取各個(gè)波束的輸出強(qiáng)度，即可獲得該區(qū)域的ニ維散射強(qiáng)度圖。(Sutton J L, Underwateracoustic imaging, Proceedings of the IEEE,1979;67 (4):554-566. Bao Z, Xing MD and Wang T，Radar imaging technique,China:Publish House of ElectronicsIndustry, 2005. Makovski A，Ultrasonic imaging using arrays, Proceedings of theIEEE, 1979;67(4) :484-495. ) 對(duì)于典型的扇掃成像系統(tǒng)而言，其成像質(zhì)量的好壞直接由分辨率決定。這包括距離分辨率和方位分辨率(Soumekh M. Array imaging with beam-steered data.IEEE Trans. Image Process.，1992; I (3) : 379-390)。距離分辨率由發(fā)射信號(hào)的帶寬決定，可以通過(guò)増加信號(hào)帶寬來(lái)提高。方位分辨率則由陣列的有效孔徑?jīng)Q定，可以通過(guò)增加孔徑來(lái)提高。但是更大的孔徑會(huì)帶來(lái)更大的尺寸，使得陣列難以被ー些內(nèi)部空間有限的成像系統(tǒng)容納。除了增加陣列孔徑外，提高發(fā)射信號(hào)頻率也可以提高方位分辨率。但是更高的頻率會(huì)導(dǎo)致柵瓣的出現(xiàn)(Van Trees H L. Optimum array processing:part4of detection, estimation, and modulation theory.Hoboken: John Wi ley & SonsInc. , 2002.)。此外，傳播過(guò)程中的吸收損失也會(huì)因此而變大，導(dǎo)致成像系統(tǒng)作用距離變短(如在水下扇掃成像系統(tǒng)中的應(yīng)用)。為了減少陣元個(gè)數(shù)并獲得高方位分辨率，王懷軍(Wang H J, Lei W T, Huang CL, and Su Y,MIMO radar imaging model and algorithm, J. Electronics (China), 2009;26: 577-583.)和王黨衛(wèi)(Wang D ff,Ma X Y, Chen A L, and Su Y,High-resolution imagingusing a wideband MIMO radar system with two distributed arrays, IEEE Trans. ImageProcess.，2010; 19(5) :1280-1289.)等人研究了 多輸入多輸出(ΜΜ0，Multiple-InputMultiple-Output)雷達(dá)的扇掃成像能力，認(rèn)為MMO雷達(dá)可以比單輸入多輸出(SM0，Single-Input Multiple-Output)雷達(dá)使用更少的陣元來(lái)獲得所需的方位分辨率。但是這些研究主要針對(duì)安裝在地面上的雷達(dá)成像系統(tǒng)。其關(guān)注的是如何使用少量的陣元來(lái)設(shè)計(jì)MIMO陣列，以及如何使用MIMO陣列進(jìn)行高分辨成像，并沒(méi)有將控制成像陣列的尺寸作為考慮因素。對(duì)于很多扇掃成像系統(tǒng)而言，其用于安裝發(fā)射陣和接收陣的內(nèi)部空間是有限的。面臨的問(wèn)題是如何在這有限的空間下布置發(fā)射陣和接收陣，并結(jié)合適當(dāng)?shù)奶幚矸椒▉?lái)獲得更高的方位分辨率。如前所述，傳統(tǒng)的SMO陣列在提高方位分辨率上面臨諸多限制，MIMO陣列的研究者也沒(méi)有將控制陣列尺寸作為考慮因素。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有扇掃成像系統(tǒng)在提高方位分辨率上遇到的困難，本發(fā)明提出ー種新的基于MMO技術(shù)的扇掃成像方法。通過(guò)選擇合適的陣型、發(fā)射信號(hào)與處理方法，本發(fā)明中的MMO陣列可以在與SMO陣列同尺寸的前提下(即二者所占用成像系統(tǒng)的內(nèi)部空間是相同的)，獲得2倍于后者的方位分辨率。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟I)采用MIMO陣列作為成像陣列，發(fā)射陣和接收陣都為均勻直線陣，兩者位于同一條直線上且兩個(gè)均勻直線陣的中垂線重合，發(fā)射陣元的間距dt等于接收陣元的間距も乘以接收陣元個(gè)數(shù)N ;所述的發(fā)射陣元的個(gè)數(shù)為2個(gè)；所述的發(fā)射直線陣和接收直線陣也可以互相平行，但是要保證兩者之間的距離遠(yuǎn) 遠(yuǎn)小于成像系統(tǒng)的最小工作距離，最大不超過(guò)發(fā)射線列陣的尺寸大小。2)選取兩個(gè)發(fā)射信號(hào)，這兩個(gè)發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)R1U)和R2(t)具有相同的主瓣包絡(luò)和低旁瓣，即旁瓣最大值小于等于主瓣值的O. I倍，同時(shí)其互相關(guān)函數(shù)R1>2 (t)的最大值小于等于自相關(guān)函數(shù)R1U)和R2(t)最大值的O. I倍；3)發(fā)射陣元發(fā)射滿足步驟2)中要求的發(fā)射信號(hào)；4)在接收端采集回波后，用兩個(gè)發(fā)射信號(hào)S1 (t)和S2 (t)對(duì)N個(gè)接收陣元上的回波分別進(jìn)行匹配濾波處理，獲得2N個(gè)輸出，即N個(gè)輸出為R1⑴，另外N個(gè)輸出為R2⑴；5)按照回波到達(dá)的先后順序來(lái)提取各個(gè)波束輸出的強(qiáng)度，最后將各個(gè)波束輸出的強(qiáng)度進(jìn)行拼接，獲得目標(biāo)區(qū)域的ニ維散射強(qiáng)度圖。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的基本原理和實(shí)施方案經(jīng)過(guò)了計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的驗(yàn)證，其結(jié)果表明與傳統(tǒng)扇掃成像系統(tǒng)中使用的SMO陣列相比，本發(fā)明中的MMO陣列可以在不增加陣列尺寸和提高發(fā)射信號(hào)頻率的前提下，將陣列的方位分辨率倍増。本發(fā)明中MIMO陣列采用為2發(fā)N收的布陣方式，其可等效為I發(fā)2N收的虛擬陣列，且兩種陣列的接收陣元間距都同為も。因此可以計(jì)算出，MMO陣列的尺寸為Ndr，而其有效孔徑卻是(2N-l)dr。與MMO陣列同尺寸的SMO陣列，其有效孔徑與其實(shí)際尺寸是相同的，即為Neレ扇掃成像系統(tǒng)中，為了獲得足夠的方位分辨率，接收陣元個(gè)數(shù)N—般取數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)。當(dāng)N彡20時(shí)，可以認(rèn)為MMO陣列孔徑(2Ν-1)4是其與其等尺寸的SMO陣列的有效孔徑N4的2倍。本發(fā)明中的MIMO陣列使用2個(gè)發(fā)射陣元，在獲得相同的方位分辨率的前提下，能夠比SMO陣列節(jié)省一半的陣元。本發(fā)明中2發(fā)N收的MMO陣列與I發(fā)2N收的SMO陣列具有相同的方位分辨率，即MIMO陣列使用N+2個(gè)陣元，與其同分辨的SMO陣列則使用2N+1個(gè)陣元。當(dāng)接收陣元個(gè)數(shù)N > 20時(shí),可以認(rèn)為后者約是前者的2倍。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步說(shuō)明。


圖I為MMO陣列及其坐標(biāo)系統(tǒng)，其中實(shí)心圓為發(fā)射陣元，空心圓為接收陣元；
圖2為兩種發(fā)射陣和接收陣示意圖，其中圖2 Ca)中發(fā)射陣和接收陣位于同一條直線上，圖2 (b)中發(fā)射陣和接收陣相互平行；圖3為MIMO陣列的等效虛擬陣列，其中陰影圓為虛擬接收陣元；圖4為傳統(tǒng)SMO陣列，其中在原點(diǎn)處，發(fā)射陣元與I個(gè)接收陣元的位置重合；圖5為MMO陣列與SMO陣列的有效孔徑的比值和MMO陣列的發(fā)射陣元數(shù)M的關(guān)系;圖6為2個(gè)正交多相編碼信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)及其互相關(guān)函數(shù)，其中子碼個(gè)數(shù)為256(為了顯示清晰，只畫出了 2個(gè)自相關(guān)函數(shù)主瓣左右和互相關(guān)函數(shù)最大值左右各32個(gè)點(diǎn)的數(shù)值)；圖7為本發(fā)明中主要步驟的流程；
圖8為處理回波獲得扇掃成像結(jié)果的流程；圖9為實(shí)施實(shí)例中的MIMO陣列和SIMO陣列示意圖；圖10為圖9中的MMO陣列和SMO陣列的波束圖；其中圖10(a)是整體圖，圖10(b)是其局部放大圖；圖11為成像陣列和目標(biāo)(兩根細(xì)管)在三維坐標(biāo)系下的位置；圖12為分別使用MMO陣列和SMO陣列對(duì)目標(biāo)進(jìn)行ニ維扇掃成像的結(jié)果；其中圖12 Ca)為MMO陣列的成像結(jié)果，圖12 (b)是SMO陣列的成像結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的主要內(nèi)容有I.利用MMO陣列可以獲得虛擬陣元的優(yōu)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)成像陣列，在不增加陣列尺寸和提高信號(hào)頻率的前提下將方位分辨率倍増。2.通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真給出了具有相同尺寸的MMO陣列和SMO陣列的波束圖，從波束圖主瓣寬度這一角度來(lái)說(shuō)明MMO陣列具有更高的方位分辨率。3.通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真給出了具有相同尺寸的MIMO陣列和SIMO陣列的ニ維扇掃成像結(jié)果，從成像結(jié)果證明了 MMO陣列具有更高的方位分辨率。本發(fā)明解決現(xiàn)存問(wèn)題所采用的技術(shù)方案可分為以下5個(gè)步驟6)設(shè)計(jì)在陣列尺寸不增加的前提下使方位分辨率倍増的成像陣列。本發(fā)明使用MMO陣列作為成像陣列。發(fā)射陣和接收陣都為均勻直線陣，兩者位于同一條直線上(發(fā)射直線陣和接收直線陣也可以互相平行，但是要保證兩者之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成像系統(tǒng)的最小工作距離，最大不超過(guò)發(fā)射線列陣的尺寸大小)且兩個(gè)直線陣的中垂線要重合。此外要滿足發(fā)射陣元的間距dt等于接收陣元的間距も乘s以接收陣元個(gè)數(shù)N。根據(jù)使用最小陣列尺寸獲得最大方位分辨率的原則，推導(dǎo)出發(fā)射陣元的個(gè)數(shù)應(yīng)選為2個(gè)。7)選取合適的發(fā)射信號(hào)。本發(fā)明需要采用具有良好自相關(guān)和互相關(guān)特性的信號(hào)作為發(fā)射信號(hào)。這2個(gè)發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)R1U)和R2(t)具有相同的主瓣包絡(luò)和低旁瓣(旁瓣最大值小于等于主瓣值的O. I倍)，同時(shí)其互相關(guān)函數(shù)Ut)的最大值小于等于自相關(guān)函數(shù)R1⑴和R2⑴最大值的O. I倍。8)選擇好成像陣列和發(fā)射信號(hào)后，就可進(jìn)行扇掃成像。2個(gè)發(fā)射陣元發(fā)射2個(gè)滿足步驟2)中要求的信號(hào)。由于發(fā)射信號(hào)之間互相獨(dú)立，其在傳播過(guò)程中互不干擾。因此每個(gè)接收陣元上采集的回波可以認(rèn)為是這2種信號(hào)經(jīng)過(guò)不同時(shí)延和不同衰減之后的時(shí)域疊加的結(jié)果。9)在接收端，采集好回波后，用2個(gè)發(fā)射信號(hào)S1 (t)和s2(t)對(duì)N個(gè)接收陣元上的回波分別進(jìn)行匹配濾波處理，可獲得2N個(gè)輸出。由于匹配濾波處理相當(dāng)于求相關(guān)，因此每個(gè)匹配濾波器的輸出為自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)的疊加。若是用Sl(t)進(jìn)行匹配濾波，則輸出為自相關(guān)函數(shù)R1U)和互相關(guān)函數(shù)Ru(t)。若是用s2(t)進(jìn)行匹配濾波，則輸出為自相關(guān)函數(shù)R2 (t)和互相關(guān)函數(shù)Ru (t)。由步驟2)可知，互相關(guān)函數(shù)的值與自相關(guān)函數(shù)的值相比處于很低的水平，可以將其忽略。因此每個(gè)匹配濾波輸出可以簡(jiǎn)化為發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)，即N個(gè)輸出為R1 (t)，另外N個(gè)輸出為R2⑴。10)對(duì)匹配濾波的輸出進(jìn)行波束形成。在波束形成過(guò)程中，自相關(guān)函數(shù)的主瓣部分才是波束形成器輸入端的有用信號(hào)，其旁瓣部分對(duì)波束器的輸出結(jié)果沒(méi)有影響。通過(guò)調(diào)節(jié)波束形成器的指向，使得目標(biāo)區(qū)域被足夠多的波束覆蓋(波束個(gè)數(shù)和相鄰波束之間的夾角由使用者自己設(shè)定)。按照回波到達(dá)的先后順序來(lái)提取各個(gè)波束輸出的強(qiáng)度。最后將各個(gè)波束輸出的強(qiáng)度進(jìn)行拼接，獲得目標(biāo)區(qū)域的ニ維散射強(qiáng)度圖。下面對(duì)本發(fā)明的每個(gè)步驟作詳細(xì)說(shuō)明步驟I)主要涉及MMO陣列的設(shè)計(jì)，并說(shuō)明為何發(fā)射陣元的個(gè)數(shù)取為2，其相關(guān)理論和具體內(nèi)容如下假設(shè)MMO陣列的發(fā)射陣為M (M的值大于或等于2)元直線陣，接收陣為N元直線陣。發(fā)射陣和接收陣有2種布置方法，ー種是發(fā)射陣和接收陣位于同一條直線上，另ー種是發(fā)射陣和接收陣相互平行且兩者的間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成像系統(tǒng)的最小工作距離，最大不超過(guò)發(fā)射線列陣的尺寸大小。此外，2種布陣方式均要求發(fā)射直線陣和接收直線陣的中垂線是重合在一起的。由于這2種布陣方式具有相同的效果，下面以發(fā)射陣和接收陣處于同一直線上的布陣方式來(lái)描述問(wèn)題。若發(fā)射陣和接收陣均以坐標(biāo)軸的原點(diǎn)為中點(diǎn)和參考點(diǎn)，則MMO陣列及其空間坐標(biāo)系如圖I所示(以發(fā)射陣和接收陣處于同一直線上為例)，其中實(shí)心圓代表發(fā)射陣元，空心圓代表接收陣元。以窄帶信號(hào)為例，M發(fā)N收的MMO陣列的發(fā)射導(dǎo)向矢量at(0p)和接收導(dǎo)向矢量ar(9p)分別可表示為
權(quán)利要求
1.一種基于MIMO技術(shù)的高分辨扇掃成像方法，其特征在于包括下述步驟 1)采用MIMO陣列作為成像陣列，發(fā)射陣和接收陣都為均勻直線陣，兩者位于同一條直線上且兩個(gè)均勻直線陣的中垂線重合，發(fā)射陣元的間距dt等于接收陣元的間距4乘以接收陣元個(gè)數(shù)N ;所述的發(fā)射陣元的個(gè)數(shù)為2個(gè)； 2)選取兩個(gè)發(fā)射信號(hào)，這兩個(gè)發(fā)射信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)R1U)和民(0具有相同的主瓣包絡(luò)和低旁瓣，即旁瓣最大值小于等于主瓣值的0. I倍，同時(shí)其互相關(guān)函數(shù)Ut)的最大值小于等于自相關(guān)函數(shù)R1U)和民⑴最大值的0.1倍； 3)發(fā)射陣元發(fā)射滿足步驟2)中要求的發(fā)射信號(hào)； 4)在接收端采集回波后，用兩個(gè)發(fā)射信號(hào)S1(t)和S2 (t)對(duì)N個(gè)接收陣元上的回波分別進(jìn)行匹配濾波處理，獲得2N個(gè)輸出，即N個(gè)輸出為R1⑴，另外N個(gè)輸出為R2⑴； 5)按照回波到達(dá)的先后順序來(lái)提取各個(gè)波束輸出的強(qiáng)度，最后將各個(gè)波束輸出的強(qiáng)度進(jìn)行拼接，獲得目標(biāo)區(qū)域的二維散射強(qiáng)度圖。
2.根據(jù)利用權(quán)利要求I所述的基于MIMO技術(shù)的高分辨扇掃成像方法，其特征在于所述的發(fā)射直線陣和接收直線陣不在同一條實(shí)現(xiàn)而是互相平行，兩者之間的距離最大不超過(guò)發(fā)射線列陣的尺寸大小。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于MIMO技術(shù)的高分辨扇掃成像方法，利用MIMO陣列可以獲得虛擬陣元的優(yōu)點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)成像陣列，在不增加陣列尺寸和提高信號(hào)頻率的前提下將方位分辨率倍增；通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真給出了具有相同尺寸的MIMO陣列和SIMO陣列的波束圖，從波束圖主瓣寬度這一角度來(lái)說(shuō)明MIMO陣列具有更高的方位分辨率；通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真給出了具有相同尺寸的MIMO陣列和SIMO陣列的二維扇掃成像結(jié)果，從成像結(jié)果證明了MIMO陣列具有更高的方位分辨率。本發(fā)明可以在與SIMO陣列同尺寸的前提下獲得2倍于后者的方位分辨率。
文檔編號(hào)G01S15/89GK102809746SQ20121028455
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者孫超, 劉雄厚, 卓頡, 郭祺麗 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)