[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于超寬帶MIMO陣列的扇掃成像方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310390889.4
• 申請(qǐng)日: 2013-08-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103454629A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫超;劉雄厚
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S13/89
• 分類(lèi)號(hào): G01S13/89
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專(zhuān)利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

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)

超寬帶（Ultra-Wideband：UWB）成像系統(tǒng)通過(guò)使用具有大帶寬的UWB信號(hào)來(lái)獲得高距離和高方位分辨率（Taylor?J,Ultra-wideband?radar?technology,Boca?Raton:CRC?Press,2001）。將超寬帶技術(shù)應(yīng)用到陣列扇掃成像領(lǐng)域，可以在不增加陣元個(gè)數(shù)和陣列孔徑的前提下提高成像分辨率。然而在實(shí)際使用中，很多扇掃成像系統(tǒng)的發(fā)射端無(wú)法直接發(fā)射大帶寬的UWB信號(hào)。此外，扇掃成像系統(tǒng)接收端處理機(jī)的帶寬有限，也難以直接處理大帶寬的UWB信號(hào)。針對(duì)這些缺點(diǎn)，Gill（Gill?G,Detection?of?targets?embedded?in?clutter?using?frequency?step?waveform,Proceedings?of?the1994International?Symposium?on?Noise?and?Clutter?Rejection?in?Radars?and?Imaging?Sensors,Kawasaki,Japan,1994:115）和劉曉紅（劉曉紅，高距離分辨成像雷達(dá)的信號(hào)分析與處理，西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006）等人對(duì)步進(jìn)頻率（Stepped?Frequency）系統(tǒng)進(jìn)行了一系列研究，指出步進(jìn)頻率系統(tǒng)可以利用多個(gè)脈沖來(lái)合成大帶寬的UWB信號(hào)。但是，這些脈沖的發(fā)射并不是同步進(jìn)行的，而是按照先后順序發(fā)射。為了各個(gè)脈沖之間的回波不發(fā)生混疊，步進(jìn)頻率系統(tǒng)要求相鄰脈沖之間的間隔足夠長(zhǎng)。當(dāng)目標(biāo)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在脈沖陸續(xù)照射目標(biāo)的過(guò)程中，目標(biāo)已經(jīng)產(chǎn)生了距離遷徙，這使得步進(jìn)頻率系統(tǒng)無(wú)法直接對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行成像，隨之而來(lái)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償也大大增加了算法的復(fù)雜程度。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)步進(jìn)頻率系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的不足，本發(fā)明提供一種利用MIMO陣列的多個(gè)發(fā)射陣元在單個(gè)脈沖內(nèi)同時(shí)發(fā)射覆蓋不同頻帶的脈沖信號(hào)，在接收端通過(guò)匹配濾波處理分離不同脈沖對(duì)應(yīng)的回波分量并將其合成UWB信號(hào)的扇掃成像方法。

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：

1)設(shè)定用于扇掃成像的MIMO陣列的發(fā)射陣元和接收陣元個(gè)數(shù)分別為M和N，接收陣列為N元均勻直線陣；

2)M個(gè)脈沖信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)峰值小于等于其自相關(guān)峰值的0.2倍，且脈沖信號(hào)的總頻帶寬度等于單個(gè)UWB脈沖信號(hào)的帶寬；利用MIMO陣列的M個(gè)發(fā)射陣元在單個(gè)脈沖內(nèi)同時(shí)發(fā)射M個(gè)脈沖信號(hào)，在單個(gè)脈沖照射時(shí)間內(nèi)完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的空間采樣，利用N元接收線列陣對(duì)回波進(jìn)行采集，第n個(gè)陣元上的回波s_n(t)是這M個(gè)相互獨(dú)立的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)不同時(shí)延和衰減后的時(shí)域疊加；采集好回波后，利用M個(gè)發(fā)射信號(hào)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M組匹配濾波輸出分量；

3)對(duì)匹配濾波輸出分量進(jìn)行UWB信號(hào)合成，過(guò)程如下：

（a）對(duì)每組中N個(gè)匹配濾波輸出分量進(jìn)行波束形成，通過(guò)調(diào)節(jié)波束指向角使得目標(biāo)區(qū)域被Q個(gè)波束覆蓋，共獲得Q個(gè)角度上的波束輸出；對(duì)M組匹配濾波輸出分量都進(jìn)行相同的多波束處理，共獲得MQ個(gè)分量，根據(jù)波束指向角分為Q組，每組含有M個(gè)具有相同波束指向角的波束輸出分量；

（b）對(duì)于Q組波束輸出，將每組內(nèi)的M個(gè)分量求和；求和時(shí)將M個(gè)波束輸出在時(shí)域上進(jìn)行對(duì)齊，然后直接將這M個(gè)波束輸出相加獲得單個(gè)波束輸出，最終獲得Q個(gè)由UWB信號(hào)組成的波束輸出；

4)提取這Q個(gè)波束輸出的強(qiáng)度，獲得二維扇掃強(qiáng)度圖。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所提方法的基本原理經(jīng)過(guò)了理論推導(dǎo)，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：本發(fā)明的方法利用MIMO陣列在單個(gè)脈沖內(nèi)同時(shí)發(fā)射多個(gè)帶寬較小的獨(dú)立信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些帶寬較小的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合處理，最終獲得與使用單個(gè)大帶寬的UWB信號(hào)類(lèi)似的高方位和高距離分辨率，克服了步進(jìn)頻率成像系統(tǒng)中發(fā)射信號(hào)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是發(fā)射陣元隨機(jī)排布、接收陣為均勻直線陣的MIMO陣列；

圖2是發(fā)射陣列為均勻直線陣、接收陣為均勻直線陣的MIMO陣列；

圖3是本發(fā)明中主要步驟的流程；

圖4是處理回波獲得高分辨扇掃圖的流程；

圖5是10個(gè)帶寬均為30kHz的LFM信號(hào)的頻譜，其總頻帶寬度等于300kHz；

圖6是步進(jìn)頻率陣列和MIMO陣列的波束圖，陣元加權(quán)為均勻加權(quán)，主瓣指向0°。其中，子圖（a）為整個(gè)波束圖，子圖（b）為局部放大圖；