一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法技术

本发明专利技术公开了一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，步骤如下：步骤一，MIMO阵列数据采样；步骤二，利用MIMO‑RMA完成三维反射率图像重构；步骤三，利用MIMO‑RMA加速求取相干因子；步骤四，相干因子校正反射率三维像。该算法通过重排回波数据化简反射率非相干功率，利用MIMO‑RMA加速计算相干因子，结合并行算法大幅度提高相干因子的计算速度；针对相干因子对弱散射点的压制缺陷，通过控制参数α和β平衡超分辨率性能，而不影响算法的稳定性；利用相干因子校正重构的三维像，能够有效压制旁瓣和基底噪声，同时获得更高的分辨率。

A high speed super resolution MIMO array imaging method

The invention discloses an ultra high resolution MIMO array imaging method comprises the following steps: Step 1, MIMO array data sampling; step two, using MIMO RMA 3D reflectivity image reconstruction; step three, accelerate calculating coherence factor by MIMO RMA; step four, dry phase factor correction reflectance image. The algorithm through the rearrangement of the echo data simplification of reflectivity of incoherent power, accelerating the calculation of coherence factor using MIMO RMA, combined with the parallel algorithm considerably improve the calculation speed of the coherence factor; the pressing defect coherence factor of weak scattering points, by controlling the parameters alpha and beta balance super resolution performance, but does not affect the stability of the algorithm; coherent three-dimensional image reconstruction correction factor, can effectively suppress sidelobes and background noise, and obtain a higher resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法
本专利技术涉及合成孔径成像算法，尤其涉及一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法。
技术介绍
多输入多输出(MultiInputMultiOutput，MIMO)阵列是一种具有广阔发展前景的阵列成像方案。利用分集技术，大大减少天线和通道数量，并保持系统的分辨率性能。合成孔径(SyntheticAperture，SA)成像算法可以应用于MIMO阵列成像系统，该技术的特点是以脉冲压缩技术为基础，相对于传统的电磁成像方法，计算量更小，内存需求更低，是实时成像系统的首选方法。SA采用一种Born近似的电场信号模型，为保证图像的精度，不考虑任何远场近似。MIMO阵列成像最经典的两种SA成像方法是反投影成像算法(backprojectionalgorithm,BPA)和距离偏移成像算法(rangemigrationalgorithm，RMA)。两种方法各有特点。BPA的重要优势在于对天线的空间采样方式没有要求，允许非均匀采样。这一点对于非均匀排布的阵列成像和一些复杂的双基成像雷达具有重要意义。另一方面，BPA的抗噪性能也更强。它的主要缺点是计算量非常大，难以应用在实时系统中。为克服这一问题，有人提出了快速BPA(fastBPA，FBPA)和快速分解BPA(fastfactorizedBPA，FFBPA)，这一类算法是以牺牲图像精度为代价换取提高速度，因此需要均衡考虑。相对来说，RMA得益于快速傅立叶变换(FFT)，其速度优势是与生俱来的，虽然精度比BPA稍低，但是整体性能仍然可接受。MIMO-RMA的最大限制是发射和接收天线的空间排布必须是均匀的。基于RMA的超分辨率成像算的主要原理是，将RMA的最后一步快速傅里叶逆变换(IFFT)用功率谱分析方法代替，因为某些功率谱分析方法得到的谱密度函数比信号的频谱具有更高的频谱分辨率，如Capon谱分析和子空间类谱分析方法。但是谱分析方法的计算量和内存资源占用都很高，因此这一类方法多数局限于二维RMA成像算法中，且难以应用于实时成像系统中。随着压缩感知(compressivesensing,CS)技术的快速发展，雷达成像的一个重要的技术应用就是压缩感知成像。在成像应用中，CS技术一般与其他正则化方法相结合，有利于提高图像质量，达到提高分辨率的效果。除了在3D大场景应用中内存需求过高的问题，计算效率也是这一类方法难以用于实时系统的巨大障碍。由以上分析可见，目前的提出的超分辨率成像算法普遍特点是，计算量大，内存占用率高。对于实时成像系统，尚不存在可用的超分辨率MIMO阵列成像算法。
技术实现思路
针对以上所述超分辨成像方法的技术缺陷，本专利技术提出一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，相干因子技术的提出是用于压制稀疏阵列雷达系统的旁瓣和栅瓣，与BPA相结合，应用于空间域成像算法中。本专利技术将空间域相干因子扩展到波数域，并与MIMO-RMA相结合，具有实时成像能力；本方法在压低图像旁瓣和基底噪声的同时，进一步提高了分辨率。本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提供：一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，包括如下步骤：步骤(1)：对MIMO阵列进行数据采样，得到回波数据；步骤(2)：利用MIMO-RMA对回波数据进行处理，得到反射率函数，即待重构的初始三维图像；所述步骤(2)在处理的过程中得到频域响应信号；步骤(3)：利用MIMO-RMA对步骤(2)求得的频域响应信号加速求取相干因子；步骤(4)：利用步骤(3)得到的相干因子校正步骤(2)得到的反射率函数的初始三维图像。所述步骤(1)的步骤为：在MIMO阵列中，发射天线阵元与接收天线阵元是分开的，发射天线阵元将电磁信号辐射到空间中，遇到被测目标体被散射点反射，接收天线阵元记录回波数据。所述步骤(2)的步骤为：步骤(2.1)：根据驻定相位原理，对回波信号在垂直距离向做四维傅立叶变换，得到垂直距离向波数域信号；步骤(2.2)：对垂直距离向波数域信号进行高通滤波，实现信号脉冲补偿，得到频域响应信号；步骤(2.3)：场景中心补偿：将需要探测的成像区域事先划定，对频域响应信号进行成像区域的场景中心补偿；步骤(2.4)：对场景中心补偿后的频域响应信号进行降维度变换和距离向插值，得到在垂直距离向和距离向均匀排布的三维数据，再进行三维傅立叶逆变换得到反射率函数。所述步骤(3)的步骤为：步骤(3.1)：通过数据重排化简反射率函数的非相干功率，得到重排后的回波数据；步骤(3.2)：在垂直距离向对重排后的回波数据做四维傅立叶变换，得到波数域数据；步骤(3.3)：与步骤(2.3)类似，对步骤(3.2)输出的波数域数据做场景中心补偿；步骤(3.4)：在重排后的新维度空间中，对场景中心补偿后的信号进行降维度变换和距离向插值，得到的三维数据在各维度上均匀分布，再进行三维傅立叶逆变换后得到反射率函数的非相关功率；步骤(3.5)：由步骤(2)得到的反射率函数和步骤(3.4)得到的非相干功率计算相干因子。所述步骤(1)的步骤为：在MIMO阵列中，发射天线阵元与接收天线阵元是分开的，假设所有天线阵元位于同一个平面，在笛卡尔坐标系中，天线平面与X-Y平面相互平行；坐标为(xt,yt,zt)的发射阵元将电磁信号辐射到空间中，下标t代表发射阵元，遇到被测目标体被某一散射点(x,y,z)反射，位于(xr,yr,zr)的接收阵元记录回波数据为，下标r代表接收阵元；其中，Rt和Rr分别是从散射点到发射阵元和接收阵元的单程距离；D(x,y,z)是目标域，σ(x,y,z)是成像目标的反射率函数；p(k)是探测的脉冲波形；f是探测信号的频率，k是f对应的波数，c是电磁波在自由空间中的传播速度；s(xt,yt,zt,xr,yr,zr；k)表示对应发射和接收阵元的回波数据。所述步骤(2.1)的步骤为：根据驻定相位原理，对回波信号s(xt,yt,zt,xr,yr,zr；k)的xt、yt、xr和yr做FFT，取傅立叶变换对xt→kxtyt→kytxr→kxryr→kyr其中→代表傅里叶变换中变量关系，得到变换结果为其中，kzt是发射阵列在Z方向上的波数，kzr是接收阵列在Z方向上的波数，s(kxt,kyt,zt,kxr,kyr,zr,k)是垂直距离向波数域信号。所述步骤(2.2)的步骤为：假设MIMO平面阵列与X-Y平面重合，即zt＝zr＝0；做信号的高通滤波，补偿结果为其中sc(kxt,kyt,kxr,kyr,k)是频域响应信号。所述步骤(2.2)虽然合成孔径以相位聚焦为主，但是自由空间的衰减补偿有利于提高图像精度；信号调制脉冲波形体现了探测信号在各频率分量上的信噪比，大带宽信号有利于深度向分辨率的提高。信号脉冲补偿，从性能而言是做信号的高通滤波。所述步骤(2.3)的步骤为：将需要探测的成像区域事先划定，设在Z方向上场景中心与天线平面的距离为Hc，则场景中心的补偿结果scs(kxt,kyt,kxr,kyr,k)是scs(kxt,kyt,kxr,kyr,k)＝sc(kxt,kyt,kxr,kyr,k)exp[i(kzt+kzr)Hc](6)其中，Hc表示在Z方向上场景中心与天线平面的距离。由于傅立叶变换的周期性特点，Z方向的成像范围并不一定包含目标的真实距离位置，有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，其特征是，包括如下步骤：步骤(1)：对MIMO阵列进行数据采样，得到回波数据；步骤(2)：利用MIMO‑RMA对回波数据进行处理，得到反射率函数，即待重构的初始三维图像；所述步骤(2)在处理的过程中得到频域响应信号；步骤(3)：利用MIMO‑RMA对步骤(2)求得的频域响应信号加速求取相干因子；步骤(4)：利用步骤(3)得到的相干因子校正步骤(2)得到的反射率函数的初始三维图像。

【技术特征摘要】
1.一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，其特征是，包括如下步骤：步骤(1)：对MIMO阵列进行数据采样，得到回波数据；步骤(2)：利用MIMO-RMA对回波数据进行处理，得到反射率函数，即待重构的初始三维图像；所述步骤(2)在处理的过程中得到频域响应信号；步骤(3)：利用MIMO-RMA对步骤(2)求得的频域响应信号加速求取相干因子；步骤(4)：利用步骤(3)得到的相干因子校正步骤(2)得到的反射率函数的初始三维图像。2.如权利要求1所述的一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，其特征是，所述步骤(1)的步骤为：在MIMO阵列中，发射天线阵元与接收天线阵元是分开的，发射天线阵元将电磁信号辐射到空间中，遇到被测目标体被散射点反射，接收天线阵元记录回波数据。3.如权利要求1所述的一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，其特征是，所述步骤(2)的步骤为：步骤(2.1)：根据驻定相位原理，对回波信号在垂直距离向做四维傅立叶变换，得到垂直距离向波数域信号；步骤(2.2)：对垂直距离向波数域信号进行高通滤波，实现信号脉冲补偿，得到频域响应信号；步骤(2.3)：场景中心补偿：将需要探测的成像区域事先划定，对频域响应信号进行成像区域的场景中心补偿；步骤(2.4)：对场景中心补偿后的频域响应信号进行降维度变换和距离向插值，得到在垂直距离向和距离向均匀排布的三维数据，再进行三维傅立叶逆变换得到反射率函数。4.如权利要求3所述的一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，其特征是，所述步骤(3)的步骤为：步骤(3.1)：通过数据重排化简反射率函数的非相干功率，得到重排后的回波数据；步骤(3.2)：在垂直距离向对重排后的回波数据做四维傅立叶变换，得到波数域数据；步骤(3.3)：与步骤(2.3)类似，对步骤(3.2)输出的波数域数据做场景中心补偿；步骤(3.4)：在重排后的新维度空间中，对场景中心补偿后的信号进行降维度变换和距离向插值，得到的三维数据在各维度上均匀分布，再进行三维傅立叶逆变换后得到反射率函数的非相关功率；步骤(3.5)：由步骤(2)得到的反射率函数和步骤(3.4)得到的非相干功率计算相干因子。5.如权利要求1所述的一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，其特征是，所述步骤(1)的步骤为：在MIMO阵列中，发射天线阵元与接收天线阵元是分开的，假设所有天线阵元位于同一个平面，在笛卡尔坐标系中，天线平面与X-Y平面相互平行；坐标为(xt,yt,zt)的发射阵元将电磁信号辐射到空间中，下标t代表发射阵元，遇到被测目标体被某一散射点(x,y,z)反射，位于(xr,yr,zr)的接收阵元记录回波数据为，下标r代表接收阵元；1其中，Rt和Rr分别是从散射点到发射阵元和接收阵元的单程距离；D(x,y,z)是目标域，σ(x,y,z)是成像目标的反射率函数；p(k)是探测的脉冲波形；f是探测信号的频率，k是f对应的波数，c是电磁波在自由空间中的传播速度；s(xt,yt,zt,xr,yr,zr；k)表示对应发射和接收阵元的回波数据。6.如权利要求3所述的一种高速超分辨率MIMO阵列成像方法，其特征是，所述步骤(2.1)的步骤为：根据驻定相位原理，对回波信号s(xt,yt,zt,xr,yr,zr；k)的xt、yt、xr和yr做FFT，取傅立叶变换对xt→kxtyt→kytxr→kxryr→kyr其中→代表傅里叶变换中变量关系，得到变换结果为其中，kzt是发射阵列在Z方向上的波数，kzr是接收阵列在Z方向上的波数，s(kxt,kyt,zt,kxr,kyr,zr,k)是垂直距离向波数域信号；所述步骤(2.2)的步骤为：假设MIMO平面阵列与X-Y平面重合，即zt＝zr＝0；做信号的高通滤波，补偿结果为其中sc(kxt,kyt,kxr,kyr,k)是频域响应信号；所述步骤(2.3)的步骤为：将需要探测的成像区域事先划定，设在Z方向上场景中心与天线平面的距离为Hc，则场景中心的补偿结果scs(kxt,kyt,kxr,kyr,k)是scs(kxt,kyt,kxr,kyr,k)＝sc(kxt,kyt,kxr,kyr,k)exp[i(kzt+kzr)Hc](6)其中，Hc表示在Z方向上场景中心与天线平面的距离；所述步骤(2.4)的步骤为：根据脉冲压缩原理，由公式(2)变形得到kx＝kxt+kxr(8)ky＝kyt+kyr(9)kz＝kzt+kzr(10)公式(7)中的积分核形式满足傅立叶变换形式，但是积分限需要先做变换才能满足FFT的使用条件；公式(8)和(9)对应的变换称为降维度操作，降维度操作需要通过补零或插值保证kx和ky在变换后保持等间隔采样；公式(10)的变换称为Stolt插值，由于kz与kxt,kyt,kxr,kyr和k是非线性关系，因此需要做插值；若降维度是通过补零完成，则Stolt...

【专利技术属性】
技术研发人员：常天英，郭企嘉，崔洪亮，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22