CN110554383B - 用于微波频段的mimo环形阵列方位向成像方法及装置 - Google Patents

用于微波频段的mimo环形阵列方位向成像方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种用于微波频段的MIMO环形阵列方位向成像方法及装置，该方法包括设置MIMO环形阵列；对放置在MIMO环形阵列中的二维目标进行照射并接收散射回波；对接收到的散射回波进行二维傅里叶变换，得到空间谱域结果；对所述散射回波信号进行聚焦，得到聚焦后的谱域结果；对聚焦后的谱域结果进行二维逆傅里叶变换，得到空间域内的目标函数；对所得的空间域内的目标函数进行数据整合，得到直角坐标系下的目标函数；根据所得的直角坐标系下的目标函数得到目标反射系数函数，由此实现MIMO环形阵列方位向成像。本发明通过基于该阵列的快速成像方法，可实现目标高质量、高效率的方位向成像。

Description

用于微波频段的MIMO环形阵列方位向成像方法及装置
技术领域
本发明涉及MIMO阵列成像信号处理技术领域，尤其涉及一种用于微波频段的MIMO环形阵列方位向成像方法及装置。
背景技术
在MIMO(多输入多输出)阵列成像的应用中，MIMO阵列结构与高效率的成像方法是成像技术的重点。针对传统的MIMO阵列，如线性 MIMO阵列，平面矩形MIMO阵列，已经开展了很多快速成像方法。但平面MIMO阵列存在较大的盲区，不能实现对目标的全方位成像。因此，本发明设计了一种环形MIMO阵列，该阵列可以在不接触目标的情况下实现对目标的全方位观测和成像。基于该环形MIMO阵列开发了一种快速高效的方位向成像方法，可以快速重建环形阵列中放置的目标图像。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种用于微波频段MIMO 环形阵列方位向成像方法及装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种MIMO环形阵列方位向成像方法，包括如下步骤：
A、设置MIMO环形阵列；
B、对放置在MIMO环形阵列中的二维目标进行照射并接收散射回波；
C、对接收到的散射回波进行二维傅里叶变换，得到空间谱域结果；
D、对所述散射回波信号进行聚焦，得到聚焦后的谱域结果；
E、对聚焦后的谱域结果进行二维逆傅里叶变换，得到空间域内的目标函数；
F、对所得的空间域内的目标函数进行数据整合，得到直角坐标系下的目标函数；
G、根据所得的直角坐标系下的目标函数得到目标反射系数函数，由此实现MIMO环形阵列方位向成像。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种MIMO环形阵列方位向成像装置，包括：
存储器，用于存储指令；以及
处理器，用于根据所述指令，执行如上所述的方法。
基于上述技术方案可知，本发明的用于微波频段MIMO环形阵列方位向成像方法及装置相对于现有技术至少具有以下优势之一：
本发明用于微波频段MIMO环形阵列方位向成像，在特定的环形 MIMO阵列拓扑结构条件下，可在不干扰目标的情况下实现对目标的360°全方位观测，通过基于该阵列的快速成像方法，可实现目标高质量、高效率的方位向成像。
附图说明
图1为本发明一实施例的用于微波频段MIMO环形阵列方位向成像方法的流程图；
图2为本发明一实施例的101发101收MIMO环形阵列示意图；
图3为本发明一实施例的被观测目标反射系数函数示意图；
图4为本发明一实施例的MIMO环形阵列方位向成像结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种MIMO环形阵列方位向成像方法，包括如下步骤：
A、设置MIMO环形阵列；
B、对放置在MIMO环形阵列中的二维目标进行照射并接收散射回波；
C、对接收到的散射回波进行二维傅里叶变换，得到空间谱域结果；
D、对所述散射回波信号进行聚焦，得到聚焦后的谱域结果；
E、对聚焦后的谱域结果进行二维逆傅里叶变换，得到空间域内的目标函数；
F、对所得的空间域内的目标函数进行数据整合，得到直角坐标系下的目标函数；
G、根据所得的直角坐标系下的目标函数得到目标反射系数函数，由此实现MIMO环形阵列方位向成像。
其中，所述环形阵列包括若干个发射阵元和若干个接收阵元。
其中，所述环形阵列位于z＝0的平面上；
其中，所述环形阵列的发射阵元和接收阵元以环形阵列的中心为中心点等角度等间隔排列。
其中，所述步骤B具体包括：环形阵列中的多个发射单元分时依次发射，利用相关的宽带信号对自由空间中的位于环形MIMO阵列内部的二维目标进行照射，并由多个独立的接收单元同时接收散射回波；
所述自由空间的波速为光速，光速表示为c＝ω/k；其中，ω为角频率，k为波数。
其中，考虑到近场的球面波传播模型下的相位面曲率，步骤B中所述散射回波信号表示为：
Figure GDA0002918716730000031
其中，θT为发射单元的角度位置，θR为接收单元的角度位置，E0为发射波的初始幅值，j为虚数单位，k为波数，R为环形阵列的半径，(r，θ) 为二维目标的坐标位置，f(r，θ)为二维目标的反射系数函数。
其中，所述步骤C具体包括：
子步骤C1包括：将散射回波Esc(θT，θR，k)关于θT、θR分别进行傅里叶变换，有：
Figure GDA0002918716730000041
其中，kθ-T为θT对应的波数域分量，kθ-R为θR对应的波数域分量；
子步骤C2包括：利用驻定相位原理求解上述两个傅里叶变换，有：
Figure GDA0002918716730000042
Figure GDA0002918716730000043
子步骤C3包括：将子步骤C2中的求解结果代入原式(2)中，得到空间谱域结果Esc(kθ_T，kθ_R，k)，表示为：
Figure GDA0002918716730000044
Figure GDA0002918716730000045
其中，所述步骤D具体包括：
子步骤D1包括：定义空间谱域的聚焦函数Fcs，表示为：
Figure GDA0002918716730000051
子步骤D2包括：在空间谱域对回波信号Esc(kθ_T，kθ_R，k)进行聚焦，表示为：
Figure GDA0002918716730000052
子步骤D3包括：得到聚焦后的谱域结果
Figure GDA0002918716730000053
表示为：
Figure GDA0002918716730000054
其中，所述步骤E具体包括：
子步骤E1包括：对聚焦后的谱域结果
Figure GDA0002918716730000055
沿着 (kθ_T，kθ_R)两个方向进行二维逆傅里叶变换，表示为：
Figure GDA0002918716730000056
子步骤E2包括：对上式(9)中的二维逆傅里叶变换利用驻定相位原理进行求解，表示为：
Figure GDA0002918716730000061
Figure GDA0002918716730000062
子步骤E3包括：将驻定相位原理求解的结果代入原式(9)中，得到空间域内的目标函数
Figure GDA0002918716730000063
的最终结果，表示为：
Figure GDA0002918716730000064
所述步骤F具体包括：
子步骤F1包括：定义直角坐标系下的谱域分量(kx，ky)，表示为：
Figure GDA0002918716730000065
子步骤F2包括：并根据(kx，ky)与(θT，θR)的关系对空间域内的目标函数
Figure GDA0002918716730000066
进行数据重新排列整合，得到直角坐标系下的目标函数s(kx，ky)。
其中，所述步骤G具体包括：对直角坐标系下的目标函数s(kx，ky)关于(kx，ky)进行二维逆傅里叶变换，得到目标反射系数函数f(x，y，0)，表示为：
Figure GDA0002918716730000067
本发明还公开了一种MIMO环形阵列方位向成像装置，包括：
存储器，用于存储指令；以及
处理器，用于根据所述指令，执行如上所述的方法。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种用于微波频段的MIMO 环形阵列方位向成像方法。该方法包括：设计由NT个发射阵元和NR个接收阵元构成的MIMO环形阵列，该阵列位于z＝0平面上，半径为R，NT个发射阵元和NR个接收阵元分别按角度间距Δθ等间隔排列构成，接收单元表示为(R，θT)，发射单元表示为(R，θR)；多个发射单元分时发射利用相关的宽带信号，对自由空间(波速为光速c＝ω/k)中的位于环形MIMO 阵列内部的二维目标进行照射(坐标(r，θ)，其反射系数函数写为：f(r，θ)，并由多个独立的接收单元同时接收散射回波Esc(θT，θR，k)，其中考虑到近场的球面波传播模型下的相位面曲率；对接收到的散射回波 Esc(θT，θR，k)关于(θT，θR)两个方向进行二维傅里叶变换，得到空间谱域结果Esc(kθ_T，kθ_R，k)；定义空间谱域的聚焦函数，在空间谱域对回波信号Esc(kθ_T，kθ_R，k)进行聚焦，得到聚焦后的谱域结果
Figure GDA0002918716730000071
对聚焦后的谱域结果
Figure GDA0002918716730000072
沿着(kθ_T，kθ_R) 两个方向进行二维逆傅里叶变换，得到空间域内的目标函数
Figure GDA0002918716730000073
定义直角坐标系下的谱域分量(kx，ky)，并根据(kx，ky)与(θT，θR)的关系对空间域内的目标函数
Figure GDA0002918716730000074
进行数据重新排列整合，得到直角坐标系下的目标函数s(kx，ky)；对直角坐标系下的目标函数s(kx，ky)关于 (kx，ky)进行二维逆傅里叶变换，得到目标反射系数函数f(x，y，0)。本发明通过构建环形MIMO阵列，设计方位向成像方法，可实现高效率，高质量的方位向成像结果。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
在本发明的一个优选示例性实施例中，提供了一种用于微波频段的 MIMO环形阵列方位向成像方法。图1为根据本发明实施例用于微波频段的MIMO环形阵列方位向成像方法的流程图。如图1所示，本实施例用于微波频段MIMO环形阵列方位向成像方法包括：
步骤A：设计由NT个发射阵元和NR个接收阵元构成的MIMO环形阵列，该阵列位于z＝0平面上，半径为R，NT个发射阵元和NR个接收阵元分别按角度间距Δθ等间隔排列构成，接收单元表示为(R，θT)，发射单元表示为(R，θR)；
图2为MIMO环形阵列示意图，其中包含101个发射单元和101个接收单元；
步骤B：多个发射单元分时依次发射利用相关的宽带信号，对自由空间(波速为光速c＝ω/k)中的位于环形MIMO阵列内部的二维目标进行照射(坐标(r，θ)，其反射系数函数写为：f(r，θ))，并由多个独立的接收单元同时接收散射回波Esc(θT，θR，k)，其中考虑到近场的球面波传播模型下的相位面曲率，该散射回波信号写为：
Figure GDA0002918716730000091
图3为本发明的目标反射系数函数示意图。
步骤C：对接收到的散射回波Esc(θT，θR，k)关于(θT，θR)两个方向进行二维傅里叶变换，得到空间谱域结果Esc(kθ_T，kθ_R，k)；
所述步骤C，包括：
子步骤C1：将散射回波Esc(θT，θR，k)关于θT，θR分别进行傅里叶变换，有：
Figure GDA0002918716730000092
子步骤C2：利用驻定相位原理求解上述两个傅里叶变换，有：
Figure GDA0002918716730000093
Figure GDA0002918716730000094
子步骤C3：将子步骤C2中的求解结果代入原式(2)中，得到空间谱域结果Esc(kθ_T，kθ_R，k)，表示为：
Figure GDA0002918716730000101
Figure GDA0002918716730000102
步骤D：定义空间谱域的聚焦函数，在空间谱域对回波信号 Esc(kθ_T，kθ_R，k)进行聚焦，得到聚焦后的谱域结果
Figure GDA0002918716730000103
所述步骤D，包括：
子步骤D1：定义空间谱域的聚焦函数Fcs，表示为：
Figure GDA0002918716730000104
子步骤D2：在空间谱域对回波信号Esc(kθ_T，kθ_R，k)进行聚焦，表示为：
Figure GDA0002918716730000105
子步骤3：得到聚焦后的谱域结果
Figure GDA0002918716730000106
表示为：
Figure GDA0002918716730000111
步骤E：对聚焦后的谱域结果
Figure GDA0002918716730000112
沿着(kθ_T，kθ_R)两个方向进行二维逆傅里叶变换，得到空间域内的目标函数
Figure GDA0002918716730000113
所述步骤E，包括：
子步骤E1：对聚焦后的谱域结果
Figure GDA0002918716730000114
沿着 (kθ_T，kθ_R)两个方向进行二维逆傅里叶变换，表示为：
Figure GDA0002918716730000115
子步骤E2：对上式中的二维逆傅里叶变换利用驻定相位原理进行求解，表示为：
Figure GDA0002918716730000116
Figure GDA0002918716730000117
子步骤E3：将驻定相位原理求解的结果代入原式(9)中，得到空间域内的目标函数
Figure GDA0002918716730000118
的最终结果，表示为：
Figure GDA0002918716730000121
步骤F：定义直角坐标系下的谱域分量(kx，ky)，并根据(kx，ky)与 (θT，θR)的关系对空间域内的目标函数
Figure GDA0002918716730000122
进行数据重新排列整合，得到直角坐标系下的目标函数S(kx，ky)；
所述步骤F，包括：
子步骤F1：定义直角坐标系下的谱域分量(kx，ky)，表示为：
Figure GDA0002918716730000123
子步骤F2：并根据(kx，ky)与(θT，θR)的关系对空间域内的目标函数
Figure GDA0002918716730000124
进行数据重新排列整合，得到直角坐标系下的目标函数s(kx，ky)
步骤G：对直角坐标系下的目标函数s(kx，ky)关于(kx，ky)进行二维逆傅里叶变换，得到目标反射系数函数f(x，y，0)，表示为：
Figure GDA0002918716730000125
本实施例中，图4给出了MIMO环形阵列方位向成像结果，即目标反射系数函数f(x，y，0)的归一化方位向成像结果显示。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明用于微波频段的MIMO环形阵列方位向成像方法有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本发明通过建立MIMO环形阵列，在不干扰目标的情况下实现对目标的360°全方位观测，通过基于该阵列的快速成像方法，可实现目标高质量、高效率的方位向成像。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种MIMO环形阵列方位向成像方法，包括如下步骤：
A、设置MIMO环形阵列，所述环形阵列包括若干个发射阵元和若干个接收阵元；
B、对放置在MIMO环形阵列中的二维目标进行照射并接收散射回波；具体包括：环形阵列中的多个发射单元分时依次发射，利用相关的宽带信号对自由空间中的位于环形MIMO阵列内部的二维目标进行照射，并由多个独立的接收单元同时接收散射回波；
考虑到近场的球面波传播模型下的相位面曲率，步骤B中所述散射回波信号表示为：
Figure FDA0002918716720000011
其中，θT为发射单元的角度位置，θR为接收单元的角度位置，E0为发射波的初始幅值，j为虚数单位，k为波数，R为环形阵列的半径，(r，θ)为二维目标的坐标位置，f(r，θ)为二维目标的反射系数函数；
C、对接收到的散射回波进行二维傅里叶变换，得到空间谱域结果；
D、对所述散射回波信号进行聚焦，得到聚焦后的谱域结果；
E、对聚焦后的谱域结果进行二维逆傅里叶变换，得到空间域内的目标函数；
F、对所得的空间域内的目标函数进行数据整合，得到直角坐标系下的目标函数；
G、根据所得的直角坐标系下的目标函数得到目标反射系数函数，由此实现MIMO环形阵列方位向成像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述环形阵列位于z＝0的平面上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述环形阵列的发射阵元和接收阵元以环形阵列的中心为中心点等角度等间隔排列。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤C具体包括：
子步骤C1包括：将散射回波Esc(θT，θR，k)关于θT、θR分别进行傅里叶变换，有：
Figure FDA0002918716720000021
其中，kθ-T为θT对应的波数域分量，kθ-R为θR对应的波数域分量；
子步骤C2包括：利用驻定相位原理求解上述两个傅里叶变换，有：
Figure FDA0002918716720000022
Figure FDA0002918716720000023
子步骤C3包括：将子步骤C2中的求解结果代入原式(2)中，得到空间谱域结果Esc(kθ_T，kθ_R，k)，表示为：
Figure FDA0002918716720000031
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤D具体包括：
子步骤D1包括：定义空间谱域的聚焦函数Fcs，表示为：
Figure FDA0002918716720000032
子步骤D2包括：在空间谱域对回波信号Esc(kθ_T，kθ_R，k)进行聚焦，表示为：
Figure FDA0002918716720000033
子步骤D3包括：得到聚焦后的谱域结果
Figure FDA0002918716720000034
表示为：
Figure FDA0002918716720000041
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述步骤E具体包括：
子步骤E1包括：对聚焦后的谱域结果
Figure FDA0002918716720000042
沿着(kθ_T，kθ_R)两个方向进行二维逆傅里叶变换，表示为：
Figure FDA0002918716720000043
子步骤E2包括：对上式(9)中的二维逆傅里叶变换利用驻定相位原理进行求解，表示为：
Figure FDA0002918716720000044
Figure FDA0002918716720000045
子步骤E3包括：将驻定相位原理求解的结果代入原式(9)中，得到空间域内的目标函数
Figure FDA0002918716720000046
的最终结果，表示为：
Figure FDA0002918716720000047
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述步骤F具体包括：
子步骤F1包括：定义直角坐标系下的谱域分量(kx，ky)，表示为：
Figure FDA0002918716720000051
子步骤F2包括：并根据(kx，ky)与(θT，θR)的关系对空间域内的目标函数
Figure FDA0002918716720000052
进行数据重新排列整合，得到直角坐标系下的目标函数s(kx，ky)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述步骤G具体包括：对直角坐标系下的目标函数s(kx，ky)关于(kx，ky)进行二维逆傅里叶变换，得到目标反射系数函数f(x，y，0)，表示为：
Figure FDA0002918716720000053
9.一种MIMO环形阵列方位向成像装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储指令；以及
处理器，用于根据所述指令，执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
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