[發(fā)明專利]一種多波束發(fā)射三維成像方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410176890.1
• 申請(qǐng)日: 2014-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN103969641A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫超;劉雄厚
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S13/89
• 分類號(hào): G01S13/89
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 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)

三維成像系統(tǒng)通常使用矩形平面陣等陣列對(duì)回波進(jìn)行采集和處理(Murino V and Trucco A,Three-dimensional image generation and processing in underwater acoustic vision,in Proc.IEEE,2000；88(12):1903-1948.)。然而，使用平面陣等會(huì)帶來陣元數(shù)目巨大的缺點(diǎn)，導(dǎo)致三維成像系統(tǒng)的成本極其高昂。為了節(jié)省陣元成本，可以使用由兩條相互垂直的直線陣組成的十字陣進(jìn)行三維成像(de Jong C D,Lachapelle G,Skone S.Multibeam sonar theory of operation.Delft:Delft University Press,2002.)。十字陣可以通過自身的運(yùn)動(dòng)獲得與矩形平面陣類似三維成像能力，也可以通過機(jī)械掃描的方式進(jìn)行三維成像。但是，這些十字陣三維成像系統(tǒng)在一ping(一個(gè)發(fā)射與接收周期)只能對(duì)一兩個(gè)條帶進(jìn)行成像，效率低下。

不同于傳統(tǒng)陣列，MIMO陣列在發(fā)射端利用多個(gè)陣元同時(shí)發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)，在接收端使用發(fā)射信號(hào)的拷貝對(duì)回波進(jìn)行匹配濾波，可產(chǎn)生遠(yuǎn)多于實(shí)際發(fā)射與接收通道的虛擬通道，從而獲得大量的虛擬陣元(Li J,and Stoica P.MIMO radar signal processing.Hoboken,NJ:John Wiley&Sons Inc.,2009.孫超,劉雄厚.MIMO聲納:概念與技術(shù)特點(diǎn)探討.聲學(xué)技術(shù),2012；31(2):117-124.)。根據(jù)這一優(yōu)點(diǎn)，段廣青(Duan G Q,Wang D W and Ma X Y,Three-dimensional imaging via wideband MIMO radar system,IEEE Lett.Geos.remote sens.,2010；7(3):445-449.)和劉雄厚(Liu X H,Sun C,Zhuo J,et al.Devising MIMO arrays for underwater3-D short-range imaging.in Proc OCEANS’12MTS/IEEE,Hampton Roads,USA,2012.)等人研究了多輸入多輸出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)陣列的三維成像能力，通過使用兩個(gè)相互垂直的直線陣(一個(gè)直線陣為發(fā)射陣，另一個(gè)直線陣為接收陣)來等效成一個(gè)虛擬矩形平面陣，達(dá)到了節(jié)省陣元個(gè)數(shù)并降低系統(tǒng)成本的目的。但是，MIMO陣列的發(fā)射陣元同時(shí)發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)，因此MIMO陣列不具備傳統(tǒng)相控陣所具有的發(fā)射陣增益，這導(dǎo)致MIMO陣列的作用距離有限。此外，MIMO陣列成像中使用的發(fā)射信號(hào)多為正交編碼類信號(hào)(段軍旗.正交波形MIMO雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)及處理研究.電子科技大學(xué)博士論文, 2009.)。為了抑制互相關(guān)干擾和自相關(guān)旁瓣干擾，這些編碼類信號(hào)都需要采用較多的子碼個(gè)數(shù)來合成長(zhǎng)脈沖信號(hào)，給接收端的匹配濾波處理帶來較大的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。此外，這些正交編碼類信號(hào)的波形過于復(fù)雜，其在惡劣環(huán)境中的穩(wěn)健性不如傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單波形，如連續(xù)波(CW:Continuous Wave)脈沖和線性調(diào)頻(LFM:Linear Frequency Modulation)脈沖。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種三維成像方法，利用兩個(gè)相互垂直的直線陣(其中一個(gè)直線陣作為發(fā)射陣，另一個(gè)直線陣作為接收陣)通過發(fā)射特定組合后的獨(dú)立脈沖來進(jìn)行多波束發(fā)射，本發(fā)明在一ping內(nèi)可同時(shí)對(duì)多個(gè)條帶進(jìn)行成像，工作效率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)十字陣成像系統(tǒng)。此外，本發(fā)明既可獲得發(fā)射陣增益，也可避免使用復(fù)雜的正交編碼類信號(hào)(如使用一組中心頻率不同的CW脈沖或一組頻帶相互分開的LFM脈沖)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)設(shè)定發(fā)射陣和接收陣均為均勻直線陣，發(fā)射陣和接收陣垂直相交，發(fā)射陣的發(fā)射信號(hào)由若干個(gè)相互獨(dú)立的子脈沖在時(shí)域上疊加而得到，在發(fā)射前，先對(duì)各個(gè)子脈沖進(jìn)行發(fā)射加權(quán)，使各個(gè)子脈沖分別指向?qū)?yīng)的某個(gè)條帶，各個(gè)子脈沖之間的互相關(guān)函數(shù)峰值小于等于自相關(guān)函數(shù)峰值的0.2倍；發(fā)射陣的各個(gè)發(fā)射陣元在同一時(shí)刻發(fā)送相同的子脈沖，使用接收陣采集各個(gè)條帶的回波；

2)用各個(gè)子脈沖的拷貝對(duì)接收陣上的回波進(jìn)行匹配濾波處理，分離出各個(gè)子脈沖對(duì)應(yīng)的回波分量；