专利名称：一种基于mimo技术的高分辨扇扫成像方法
技术领域：
本发明涉及一种阵列成像方法。
背景技术：
在水下声成像、雷达成像以及医学成像等阵列成像领域，扇扫成像是广泛使用的工作方式之一。典型的扇扫成像系统由ー个发射阵元和一条接收线阵组成。发射阵元发射单个脉冲就可以照射一片区域。接收线列阵对回波进行多波束形成，提取各个波束的输出强度，即可获得该区域的ニ维散射强度图。(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. ) 对于典型的扇扫成像系统而言，其成像质量的好坏直接由分辨率决定。这包括距离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)。距离分辨率由发射信号的带宽决定，可以通过増加信号带宽来提高。方位分辨率则由阵列的有效孔径决定，可以通过增加孔径来提高。但是更大的孔径会带来更大的尺寸，使得阵列难以被ー些内部空间有限的成像系统容纳。除了增加阵列孔径外，提高发射信号频率也可以提高方位分辨率。但是更高的频率会导致栅瓣的出现(Van Trees H L. Optimum array processing:part4of detection, estimation, and modulation theory.Hoboken: John Wi ley & SonsInc. , 2002.)。此外，传播过程中的吸收损失也会因此而变大，导致成像系统作用距离变短(如在水下扇扫成像系统中的应用)。为了减少阵元个数并获得高方位分辨率，王怀军(Wang H J, Lei W T, Huang CL, and Su Y,MIMO radar imaging model and algorithm, J. Electronics (China), 2009;26: 577-583.)和王党卫(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 多输入多输出(ΜΜ0，Multiple-InputMultiple-Output)雷达的扇扫成像能力，认为MMO雷达可以比单输入多输出(SM0，Single-Input Multiple-Output)雷达使用更少的阵元来获得所需的方位分辨率。但是这些研究主要针对安装在地面上的雷达成像系统。其关注的是如何使用少量的阵元来设计MIMO阵列，以及如何使用MIMO阵列进行高分辨成像，并没有将控制成像阵列的尺寸作为考虑因素。对于很多扇扫成像系统而言，其用于安装发射阵和接收阵的内部空间是有限的。面临的问题是如何在这有限的空间下布置发射阵和接收阵，并结合适当的处理方法来获得更高的方位分辨率。如前所述，传统的SMO阵列在提高方位分辨率上面临诸多限制，MIMO阵列的研究者也没有将控制阵列尺寸作为考虑因素。
发明内容
为了克服现有扇扫成像系统在提高方位分辨率上遇到的困难，本发明提出ー种新的基于MMO技术的扇扫成像方法。通过选择合适的阵型、发射信号与处理方法，本发明中的MMO阵列可以在与SMO阵列同尺寸的前提下(即二者所占用成像系统的内部空间是相同的)，获得2倍于后者的方位分辨率。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤I)采用MIMO阵列作为成像阵列，发射阵和接收阵都为均匀直线阵，两者位于同一条直线上且两个均匀直线阵的中垂线重合，发射阵元的间距dt等于接收阵元的间距も乘以接收阵元个数N ;所述的发射阵元的个数为2个；所述的发射直线阵和接收直线阵也可以互相平行，但是要保证两者之间的距离远 远小于成像系统的最小工作距离，最大不超过发射线列阵的尺寸大小。2)选取两个发射信号，这两个发射信号的自相关函数R1U)和R2(t)具有相同的主瓣包络和低旁瓣，即旁瓣最大值小于等于主瓣值的O. I倍，同时其互相关函数R1>2 (t)的最大值小于等于自相关函数R1U)和R2(t)最大值的O. I倍；3)发射阵元发射满足步骤2)中要求的发射信号；4)在接收端采集回波后，用两个发射信号S1 (t)和S2 (t)对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，获得2N个输出，即N个输出为R1⑴，另外N个输出为R2⑴；5)按照回波到达的先后顺序来提取各个波束输出的強度，最后将各个波束输出的強度进行拼接，获得目标区域的ニ维散射強度图。本发明的有益效果是本发明的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明与传统扇扫成像系统中使用的SMO阵列相比，本发明中的MMO阵列可以在不增加阵列尺寸和提高发射信号频率的前提下，将阵列的方位分辨率倍増。本发明中MIMO阵列采用为2发N收的布阵方式，其可等效为I发2N收的虚拟阵列，且两种阵列的接收阵元间距都同为も。因此可以计算出，MMO阵列的尺寸为Ndr，而其有效孔径却是(2N-l)dr。与MMO阵列同尺寸的SMO阵列，其有效孔径与其实际尺寸是相同的，即为Neレ扇扫成像系统中，为了获得足够的方位分辨率，接收阵元个数N—般取数十个甚至上百个。当N彡20时，可以认为MMO阵列孔径(2Ν-1)4是其与其等尺寸的SMO阵列的有效孔径N4的2倍。本发明中的MIMO阵列使用2个发射阵元，在获得相同的方位分辨率的前提下，能够比SMO阵列节省一半的阵元。本发明中2发N收的MMO阵列与I发2N收的SMO阵列具有相同的方位分辨率，即MIMO阵列使用N+2个阵元，与其同分辨的SMO阵列则使用2N+1个阵元。当接收阵元个数N > 20时,可以认为后者约是前者的2倍。下面结合附图和实施例对本发明进ー步说明。
图I为MMO阵列及其坐标系统，其中实心圆为发射阵元，空心圆为接收阵元；
图2为两种发射阵和接收阵示意图，其中图2 Ca)中发射阵和接收阵位于同一条直线上，图2 (b)中发射阵和接收阵相互平行；图3为MIMO阵列的等效虚拟阵列，其中阴影圆为虚拟接收阵元；图4为传统SMO阵列，其中在原点处，发射阵元与I个接收阵元的位置重合；图5为MMO阵列与SMO阵列的有效孔径的比值和MMO阵列的发射阵元数M的关系;图6为2个正交多相编码信号的自相关函数及其互相关函数，其中子码个数为256(为了显示清晰，只画出了 2个自相关函数主瓣左右和互相关函数最大值左右各32个点的数值)；图7为本发明中主要步骤的流程；
图8为处理回波获得扇扫成像结果的流程；图9为实施实例中的MIMO阵列和SIMO阵列示意图；图10为图9中的MMO阵列和SMO阵列的波束图；其中图10(a)是整体图，图10(b)是其局部放大图；图11为成像阵列和目标(两根细管)在三维坐标系下的位置；图12为分别使用MMO阵列和SMO阵列对目标进行ニ维扇扫成像的结果；其中图12 Ca)为MMO阵列的成像結果，图12 (b)是SMO阵列的成像結果。
具体实施例方式本发明的主要内容有I.利用MMO阵列可以获得虚拟阵元的优点来设计成像阵列，在不增加阵列尺寸和提高信号频率的前提下将方位分辨率倍増。2.通过计算机数值仿真给出了具有相同尺寸的MMO阵列和SMO阵列的波束图，从波束图主瓣宽度这一角度来说明MMO阵列具有更高的方位分辨率。3.通过计算机数值仿真给出了具有相同尺寸的MIMO阵列和SIMO阵列的ニ维扇扫成像结果，从成像结果证明了 MMO阵列具有更高的方位分辨率。本发明解决现存问题所采用的技术方案可分为以下5个步骤6)设计在阵列尺寸不增加的前提下使方位分辨率倍増的成像阵列。本发明使用MMO阵列作为成像阵列。发射阵和接收阵都为均匀直线阵，两者位于同一条直线上(发射直线阵和接收直线阵也可以互相平行，但是要保证两者之间的距离远远小于成像系统的最小工作距离，最大不超过发射线列阵的尺寸大小)且两个直线阵的中垂线要重合。此外要满足发射阵元的间距dt等于接收阵元的间距も乘s以接收阵元个数N。根据使用最小阵列尺寸获得最大方位分辨率的原则，推导出发射阵元的个数应选为2个。7)选取合适的发射信号。本发明需要采用具有良好自相关和互相关特性的信号作为发射信号。这2个发射信号的自相关函数R1U)和R2(t)具有相同的主瓣包络和低旁瓣(旁瓣最大值小于等于主瓣值的O. I倍)，同时其互相关函数Ut)的最大值小于等于自相关函数R1⑴和R2⑴最大值的O. I倍。8)选择好成像阵列和发射信号后，就可进行扇扫成像。2个发射阵元发射2个满足步骤2)中要求的信号。由于发射信号之间互相独立，其在传播过程中互不干扰。因此每个接收阵元上采集的回波可以认为是这2种信号经过不同时延和不同衰减之后的时域叠加的結果。9)在接收端，采集好回波后，用2个发射信号S1 (t)和s2(t)对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，可获得2N个输出。由于匹配滤波处理相当于求相关，因此每个匹配滤波器的输出为自相关函数和互相关函数的叠加。若是用Sl(t)进行匹配滤波，则输出为自相关函数R1U)和互相关函数Ru(t)。若是用s2(t)进行匹配滤波，则输出为自相关函数R2 (t)和互相关函数Ru (t)。由步骤2)可知，互相关函数的值与自相关函数的值相比处于很低的水平，可以将其忽略。因此每个匹配滤波输出可以简化为发射信号的自相关函数，即N个输出为R1 (t)，另外N个输出为R2⑴。10)对匹配滤波的输出进行波束形成。在波束形成过程中，自相关函数的主瓣部分才是波束形成器输入端的有用信号，其旁瓣部分对波束器的输出结果没有影响。通过调节波束形成器的指向，使得目标区域被足够多的波束覆盖(波束个数和相邻波束之间的夹角由使用者自己设定)。按照回波到达的先后顺序来提取各个波束输出的強度。最后将各个波束输出的強度进行拼接，获得目标区域的ニ维散射強度图。下面对本发明的每个步骤作详细说明步骤I)主要涉及MMO阵列的设计，并说明为何发射阵元的个数取为2，其相关理论和具体内容如下假设MMO阵列的发射阵为M (M的值大于或等于2)元直线阵，接收阵为N元直线阵。发射阵和接收阵有2种布置方法，ー种是发射阵和接收阵位于同一条直线上，另ー种是发射阵和接收阵相互平行且两者的间距远远小于成像系统的最小工作距离，最大不超过发射线列阵的尺寸大小。此外，2种布阵方式均要求发射直线阵和接收直线阵的中垂线是重合在一起的。由于这2种布阵方式具有相同的效果，下面以发射阵和接收阵处于同一直线上的布阵方式来描述问题。若发射阵和接收阵均以坐标轴的原点为中点和參考点，则MMO阵列及其空间坐标系如图I所示(以发射阵和接收阵处于同一直线上为例)，其中实心圆代表发射阵元，空心圆代表接收阵元。以窄带信号为例，M发N收的MMO阵列的发射导向矢量at(0p)和接收导向矢量ar(9p)分别可表示为
权利要求
1.一种基于MIMO技术的高分辨扇扫成像方法，其特征在于包括下述步骤 1)采用MIMO阵列作为成像阵列，发射阵和接收阵都为均匀直线阵，两者位于同一条直线上且两个均匀直线阵的中垂线重合，发射阵元的间距dt等于接收阵元的间距4乘以接收阵元个数N ;所述的发射阵元的个数为2个； 2)选取两个发射信号，这两个发射信号的自相关函数R1U)和民(0具有相同的主瓣包络和低旁瓣，即旁瓣最大值小于等于主瓣值的0. I倍，同时其互相关函数Ut)的最大值小于等于自相关函数R1U)和民⑴最大值的0.1倍； 3)发射阵元发射满足步骤2)中要求的发射信号； 4)在接收端采集回波后，用两个发射信号S1(t)和S2 (t)对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，获得2N个输出，即N个输出为R1⑴，另外N个输出为R2⑴； 5)按照回波到达的先后顺序来提取各个波束输出的强度，最后将各个波束输出的强度进行拼接，获得目标区域的二维散射强度图。
2.根据利用权利要求I所述的基于MIMO技术的高分辨扇扫成像方法，其特征在于所述的发射直线阵和接收直线阵不在同一条实现而是互相平行，两者之间的距离最大不超过发射线列阵的尺寸大小。
全文摘要
本发明提供了一种基于MIMO技术的高分辨扇扫成像方法，利用MIMO阵列可以获得虚拟阵元的优点来设计成像阵列，在不增加阵列尺寸和提高信号频率的前提下将方位分辨率倍增；通过计算机数值仿真给出了具有相同尺寸的MIMO阵列和SIMO阵列的波束图，从波束图主瓣宽度这一角度来说明MIMO阵列具有更高的方位分辨率；通过计算机数值仿真给出了具有相同尺寸的MIMO阵列和SIMO阵列的二维扇扫成像结果，从成像结果证明了MIMO阵列具有更高的方位分辨率。本发明可以在与SIMO阵列同尺寸的前提下获得2倍于后者的方位分辨率。
文档编号G01S15/89GK102809746SQ20121028455
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者孙超, 刘雄厚, 卓颉, 郭祺丽 申请人:西北工业大学