一种用于大孔径MIMO阵列的低运算量混和波束形成方法技术

本发明专利技术提供了一种用于大孔径MIMO阵列的低运算量混和波束形成方法，离线优化MIMO阵列中接收直线阵的孔径，在获得期望的MIMO阵列有效孔径的前提下保证接收直线阵孔径足够小；利用离线处理在发射直线阵上运用移边带波束形成，在不同波束指向角上对各发射波形进行延迟求和，获得多个角度上的输出；对优化后的接收直线阵上回波直接运用相移波束形成，同时波束指向角与离线处理中的等效发射波束形成指向角保持一致；利用离线处理中移边带波束形成的输出对相移波束形成输出进行匹配滤波；提取匹配滤波输出的强度，获得目标的强度像。本发明专利技术可以在保持大孔径MIMO阵列高分辨成像性能的前提下，使得回波在线处理运算量显著降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种阵列成像方法。
技术介绍
多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output:MIMO)阵列通过使用正交发射波形与匹配滤波处理获得大量的虚拟阵元。这些虚拟阵元可以组成大孔径虚拟阵列，从而保证在成像应用中MIMO阵列利用较少的物理阵元即可获得期望的角度分辨率(刘雄厚,孙超,卓颉等.一阵用于高分辨扇扫成像的MIMO阵列.航空学报,2014；35(9):2540-2550.LIUXH,SUNC,ZHUOJ,etal.DevisingMIMOarraysforunderwater3-Dshort-rangeimaging.inProcMTS/IEEEOCEANS’12,HamptonRoads,USA,2012:1-7.)。然而，MIMO阵列的大孔径会带来两个弊端：一是需要使用大量匹配滤波器(潘浩,孙超,刘雄厚的等.基于稀疏阵列技术的MIMO声呐低运算量二维成像.西北工业大学学报,2014；32(4):586-592.)；二是当信号带宽一定时，较大阵列孔径会导致窄带处理条件不再成立(R.A.Gabel,R.R.Kurth.Hybridtime-delay/phase-shiftdigitalbeamformingforuniformcollineararrays.JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica,1984,75(6):1837-1847.)，从而需要采用宽带处理方式以避免强度损失和分辨力下降。由以上两点可知，MIMO阵列的大孔径不但面临着大量匹配滤波器的巨大运算量，也面临着宽带处理的巨大运算量，从而阻碍MIMO阵列在实时成像系统中的应用。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种低运算量混合波束形成方法，能够降低大孔径MIMO阵列成像处理的运算量。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：1)MIMO阵列由M元发射直线阵和N元接收直线阵组成，发射直线阵和接收直线阵均位于x轴上，且发射直线阵孔径和接收直线阵孔径分别表示为Lt和Lr，MIMO阵列的孔径LMIMO＝Lt+Lr；接收直线阵孔径其中，c为信号传播速度，B0为信号的有效带宽，θQ为波束指向角到阵列法线夹的最大角度；M元发射直线阵发射M个正交信号sm(t)，m＝1,2,…,M，其中，t表示时间；利用移边带波束形成对该M个发射信号进行延迟求和；当等效发射波束形成的主瓣指向θq角度时，第m个发射信号上的时延其中，xt,m为第m个发射阵元的x坐标；第q个等效发射波束形成的输出其中，为第m个发射信号sm(t)经过频带搬移后的结果，为第m个发射信号上的复加权，bm为第m个发射信号上的幅度加权，fD为用于频带搬移的参考信号的中心频率；2)将目标建模为P个理想的离散点，第p个散射点到所有发射和接收阵元的角度相同，p＝1,2,…,P；第n个接收阵元上的接收信号xn(t)=Σp=1PσpΣm=1Msm(t-τt,mp-τr,np)+n(t),]]>其中，σp为第p个散射点的散射强度，为第p个散射点到第n个接收阵元的时延，n(t)为噪声项；使用相移波束形成器对N元接收直线阵上的回波进行处理，第n个阵元上的复加权其中，bn是第n个接收阵元上的幅度加权，f0为信号中心频率，xr,n是第n个接收阵元的x坐标；接收波束形成的主瓣指向与等效发射波束形成的主瓣指向一一对应；对接收直线阵上的回波进行移边带处理，得到频带搬移后的回波回波在频带搬移时所用的参考信号频率也为fD，第q个接收波束形成的输出Brq(t)=Σn=1N[wr,nq]cxnD(t);]]>利用等效发射波束形成输出对接收波束形成输出进行匹配滤波，得到最终的输出Bq(t)=Brq(t)*Btq(t),]]>*代表时域卷积。本专利技术的有益效果是：与传统MIMO阵列成像处理流程(即先匹配滤波再波束形成)相比，本专利技术所提处理流程可以在保持大孔径MIMO阵列高分辨成像性能的前提下，使得回波在线处理运算量显著降低。附图说明图1是阵列坐标示意图；图2是本专利技术中主要步骤的流程图；图3(a)是目标的角度距离分布图，图3(b)是传统处理流程(使用相移波束形成)的成像结果图，图3(c)是传统处理流程(使用移边带波束形成)的成像结果图，图3(d)是本专利技术所提处理流程的成像结果图；图4是传统处理流程(分别使用相移波束形成和移边带波束形成)和本专利技术所提处理流程的回波在线处理时间的对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术包括离线处理和在线处理两部分。离线处理在获得期望的MIMO阵列有效孔径的前提下使得接收阵列孔径足够小以进行相移波束形成；同时在发射阵列上运用移边带波束形成对各发射波形进行延迟求和(即等效发射波束形成)。在线处理首先对接收阵列上的回波直接运用相移波束形成；接着，利用离线处理中移边带波束形成的输出对相移波束形成的输出进行匹配滤波；最后，提取匹配滤波输出的强度，获得目标的成像结果。本专利技术的主要内容有：1.采用发射直线阵和接收直线阵构成MIMO阵列。利用离线处理对MIMO阵列的阵型进行优化，在获得期望的MIMO阵列有效孔径的前提下配置发射阵与接收阵，使得接收直线阵孔径足够小；此外，利用离线处理在发射直线阵上运用移边带波束形成，在不同波束指向角上对各发射波形进行延迟求和(即等效发射波束形成)，获得多个角度上的输出。2.在离线处理的基础上进行在线处理。首先对优化后的接收直线阵上回波直接运用相移波束形成，同时波束指向角与离线处理中的等效发射波束形成指向角保持一致；接着，利用离线处理中移边带波束形成的输出对相移波束形成的输出进行匹配滤波；最后，提取匹配滤波输出的强度，获得目标的强度像。3.通过计算机数值仿真给出了使用已有处理方法和本专利技术中方法的成像结果及运算时间，以此证明了本专利技术所提方法可以保证MIMO阵列在获得期望成像分辨率的同时显著降低运算量。本专利技术采用的技术方案可分为以下2个步骤：1)离线优化MIMO阵列中接收直线阵的孔径，在获得期望的MIMO阵列有效孔径的前提下保证接收直线阵孔径足够小(接收阵列孔径只要小到可直接运用相移波束形成处理即可，见式(2))；此外，利用离线处理在发射直线阵上运用移边带波束形成，在不同波束指向角上对各发射波形进行延迟求和(即等效发射波束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大孔径MIMO阵列的低运算量混和波束形成方法，其特征在于包括下述步骤：1)MIMO阵列由M元发射直线阵和N元接收直线阵组成，发射直线阵和接收直线阵均位于x轴上，且发射直线阵孔径和接收直线阵孔径分别表示为Lt和Lr，MIMO阵列的孔径LMIMO＝Lt+Lr；接收直线阵孔径其中，c为信号传播速度，B0为信号的有效带宽，θQ为波束指向角到阵列法线夹的最大角度；M元发射直线阵发射M个正交信号sm(t)，m＝1,2,…,M，其中，t表示时间；利用移边带波束形成对该M个发射信号进行延迟求和；当等效发射波束形成的主瓣指向θq角度时，第m个发射信号上的时延其中，xt,m为第m个发射阵元的x坐标；第q个等效发射波束形成的输出其中，为第m个发射信号sm(t)经过频带搬移后的结果，为第m个发射信号上的复加权，bm为第m个发射信号上的幅度加权，fD为用于频带搬移的参考信号的中心频率；2)将目标建模为P个理想的离散点，第p个散射点到所有发射和接收阵元的角度相同，p＝1,2,…,P；第n个接收阵元上的接收信号xn(t)=Σp=1PσpΣm=1Msm(t-τt,mp-τr,np)+n(t),]]>其中，σp为第p个散射点的散射强度，为第p个散射点到第n个接收阵元的时延，n(t)为噪声项；使用相移波束形成器对N元接收直线阵上的回波进行处理，第n个阵元上的复加权其中，bn是第n个接收阵元上的幅度加权，f0为信号中心频率，xr,n是第n个接收阵元的x坐标；接收波束形成的主瓣指向与等效发射波束形成的主瓣指向一一对应；对接收直线阵上的回波进行移边带处理，得到频带搬移后的回波回波在频带搬移时所用的参考信号频率也为fD，第q个接收波束形成的输出Brq(t)=Σn=1N[wr,nq]cxnD(t);]]>利用等效发射波束形成输出对接收波束形成输出进行匹配滤波，得到最终的输出Bq(t)=Brq(t)*Btq(t),]]>*代表时域卷积。...

【技术特征摘要】
1.一种用于大孔径MIMO阵列的低运算量混和波束形成方法，其特征在于包括下述
步骤：
1)MIMO阵列由M元发射直线阵和N元接收直线阵组成，发射直线阵和接收直
线阵均位于x轴上，且发射直线阵孔径和接收直线阵孔径分别表示为Lt和Lr，MIMO
阵列的孔径LMIMO＝Lt+Lr；接收直线阵孔径其中，c为信号传播速度，
B0为信号的有效带宽，θQ为波束指向角到阵列法线夹的最大角度；
M元发射直线阵发射M个正交信号sm(t)，m＝1,2,…,M，其中，t表示时间；利
用移边带波束形成对该M个发射信号进行延迟求和；当等效发射波束形成的主瓣指向
θq角度时，第m个发射信号上的时延其中，xt,m为第m个发射
阵元的x坐标；
第q个等效发射波束形成的输出其中，为第
m个发射信号sm(t)经过频带搬移后的结果，为第m个发射
信号上的复加权，bm为第m个发射信号上的幅度加权，fD为用于频带搬移的参考信
号的中心频率；
2)将目标建模为P个理想的离散点，第p个散射点到所有发射和接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雄厚，孙超，杨益新，卓颉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61