[發明專利]一種基于多陣元發射技術的超寬帶三維成像方法

無效

• 申請號: 201310391030.5
• 申請日: 2013-08-31
• 公開（公告）號: CN103454630A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 孫超;劉雄厚
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01S13/89
• 分類號: G01S13/89
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及一種陣列成像方法。

背景技術

在水下聲成像、雷達電磁波成像以及醫學超聲成像等領域，為了對目標區域進行三維成像，需要使用具有空間三維分辨能力的平面陣、柱面陣或者球面陣等陣列（Murino?V?and?Trucco?A,Three-dimensional?image?generation?and?processing?in?underwater?acoustic?vision,in?Proc.IEEE,2000;88(12):103-1948.）。為了提高三維成像系統的方位分辨率，增加陣列孔徑或者提高發射信號頻率是傳統的做法。但是，增加陣列孔徑會使得陣元數目急劇增大，使得三維成像系統的硬件復雜度大大提高，最終導致三維成像系統的成本變得過于高昂。提高發射信號頻率會帶來空間欠采樣的問題，從而導致柵瓣的出現。而柵瓣會導致成像結果出現方位模糊，嚴重影響成像質量。

鑒于傳統的陣列成像系統在提高分辨率時遇到的困難，Taylor等人研究了超寬帶（Ultra-Wideband：UWB）雷達的性能，指出利用UWB信號的優點之一就是可獲得優于傳統成像系統的方位分辨率（Taylor?J,Ultra-wideband?radar?technology,Boca?Raton:CRC?Press,2001）。然而，UWB信號的使用要求成像系統的發射端和接收端具有很大的處理帶寬，對硬件系統的要求遠遠超過傳統的成像系統。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于多陣元發射技術的超寬帶三維成像方法。該方法將單個UWB信號的發射過程分解為多個頻帶較窄脈沖的同步發射過程。在接收端利用匹配濾波處理對各個脈沖信號對應的回波進行分離和提取，并處理回波獲得目標的三維像。與UWB系統相比，該方法在不增加系統帶寬的前提下獲得了與UWB系統類似的分辨率。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

1)根據期望的方位分辨率，設定使用單個UWB脈沖時所需要的頻帶范圍；將該UWB信號的頻帶分解成M個子頻帶，且這些子頻帶帶寬的最大值不能超過成像系統發射端和接收處理端的系統帶寬；根據這M個子頻帶，設計出與其對應的M個脈沖信號，第m個脈沖信號的頻帶范圍等于第m個子頻帶的頻帶范圍；各脈沖信號之間的互相關函數峰值小于等于自相關函數峰值的0.2倍；

2)M個發射陣元同步發射M個脈沖信號，并由N元接收陣對回波進行采集，所述的N元接收陣具有空間三維分辨能力；

3)利用M個發射信號對N個接收陣元上的回波分別進行匹配濾波處理；當用第m個發射信號對N元接收陣上的回波進行匹配濾波，可獲得N個輸出分量；M個發射信號總共對應著MN個匹配濾波輸出；

4)將MN個匹配濾波輸出可以按照發射信號來分為M組，對與第m個發射信號對應的一組匹配濾波輸出進行多波束處理，獲得與第m個發射信號對應的一組波束輸出，其中含有Q個分量，處理完M組匹配濾波輸出，可獲得MQ個波束輸出；將MQ個波束輸出按照波束指向角分為Q組，每組含有M個具有相同波束指向角的分量；對波束指向角相同的分量進行求和，獲得最終的Q個波束輸出；根據Q個波束輸出獲得目標在距離維上分布的多個二維強度圖，并據此重構出目標的三維像。

本發明的有益效果是：本發明提出將大帶寬UWB信號的發射與處理分解為對多個頻帶較窄的信號的同步發射與聯合處理的方法，并將其應用于三維成像系統中。該方法的基本原理經過了理論推導，實施方案經過了計算機數值仿真的驗證，其結果表明：本發明的方法解決了三維成像系統難以直接發射和處理大帶寬UWB信號的問題，在不增加發射端和處理端系統帶寬的前提下，獲得了與UWB系統可比擬的三維成像結果。

附圖說明

圖1是單個頻帶為50kHz～250kHz的LFM信號的頻譜；

圖2是10個帶寬均為20kHz的LFM信號的頻譜，其總頻帶寬度等于200kHz；

圖3（a）是發射陣元隨機排布、接收陣為矩形平面陣的三維成像陣列；（b）是發射陣為均勻直線陣、接收陣為矩形平面陣的三維成像陣列；

圖4是三維成像系統的三維坐標模型，其中φ為俯仰角，θ為方位角；

圖5是本發明中主要步驟的流程；

圖6是對回波進行處理以獲得三維像的流程；