基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法，其包括以下步骤：S1、向目标发送宽带信号，并接收所述宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；S2、将所述原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，确定原始空间谱；S3、将所述原始空间谱结合相位偏移因子，确定包括距离向的总空间谱；以及S4、根据所述总空间谱确定目标的成像函数。本发明专利技术还涉及一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像装置。

High accuracy 3D fast imaging method and device based on MIMO array synthetic aperture

The invention discloses a high-precision three-dimensional fast imaging method based on synthetic aperture of MIMO array, which comprises the following steps: S1, transmitting broadband signal to the target, and receiving the original echo signal of the broadband signal after scattering by the target; S2, transforming the original echo signal into the direction of MIMO array and synthesis. In the spatial frequency domain corresponding to the aperture direction, the original spatial spectrum is determined; in S3, the total spatial spectrum including the distance direction is determined by combining the original spatial spectrum with the phase offset factor; and in S4, the imaging function of the target is determined according to the total spatial spectrum. The invention also relates to a high-precision three-dimensional fast imaging device based on MIMO array synthetic aperture.

【技术实现步骤摘要】
基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法及装置
本专利技术涉及信号处理
，尤其涉及一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法及装置。
技术介绍
雷达三维实时成像装置最常用的是通过二维阵列实现方位向快速聚焦，以及通过宽带信号实现距离向的聚焦。然而在频段比较高的应用场景下，例如毫米波太赫兹频段，二维阵列由于阵元个数较多，在现有条件下，给系统增加了诸多成本，尤其是目前毫米波太赫兹器件本身成本就相对较高。虽然只采用单个阵元进行二维扫描，结合宽带信号也可获取三维聚焦图像，但是数据的获取时间太长，做不到实时成像。结合MIMO阵列与合成孔径技术的多输入多输出合成孔径雷达(MultipleInputMultipleOutputSyntheticApertureRadar，MIMO-SAR)，可减少阵元个数，降低系统成本。然而目前基于此装置的成像算法，不能同时满足高精度成像与快速成像的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法及装置，以解决上述的至少一项技术问题。本专利技术的一方面，提供了一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法，包括如下步骤：S1、向目标发送宽带信号，并接收所述宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；S2、将所述原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，确定原始空间谱；S3、将所述原始空间谱结合相位偏移因子，确定总空间谱；以及S4、根据所述总空间谱确定目标的成像函数。在一些实施例中，在步骤S1中，构建三维坐标系，以x方向表示MIMO阵列方向，y方向表示合成孔径方向，z方向表示距离向，所述原始回波信号为：s(xt，xr，y，O，k)其中，MIMO阵列的发射天线位于(xt，y，z)处，接收天线位于(xr，y，z)处，k为所述宽带信号不同发射频率所对应的波数，MIMO阵列合成孔径所在的平面的距离向位于z＝0处。在一些实施例中，在步骤S2中，通过对所述原始回波信号进行三维傅里叶变换以将所述原始散射回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，得到的所述原始空间谱的公式为：其中，kxt，kxr，ky分别表示xt，xr，y对应的空间频率域坐标。在一些实施例中，步骤S3包括：S31、根据空间频率域的坐标关系将所述原始空间谱结合相位偏移因子，得到初始总空间谱；S32、对初始总空间谱进行数据重排，并将重复的空间频率域坐标对应的空间谱能量进行叠加，得到总空间谱。在一些实施例中，在步骤S31中：所述相位偏移因子为exp(jkzz)，式中所述空间频率域的坐标关系包括kx＝kxt+kxr；所述初始总空间谱的公式为：s(kxt，kxr，ky，z，k)＝s(kxt，kxr，ky，O，k)·exp(jkzz)，其中，z＝zN，zN为距离向z的N个实数取值。在一些实施例中，步骤S32中：对所述初始总空间谱进行数据重排后得到的总空间谱的公式为：s(kx，ky，z，k)＝s(kxt，kxr，ky，z，k)rearrange。在一些实施例中，步骤S4包括：S41、对所述总空间谱进行波数域积分，确定平均波数域总空间谱；以及S42、对所述平均波数域总空间谱进行逆傅里叶变换，确定目标的成像函数。在一些实施例中：所述平均波数域总空间谱为所述目标的成像函数为：本专利技术的另一方面，还提供了一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像装置，包括：存储器，用于存储指令；以及处理器，用于根据所述指令，执行前述的基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法。本专利技术的基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法及装置，相较于现有技术，至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：1、相较于经典的可用于任意阵列形式的反向传播(BP)算法，成像速度得到了提升。2、相较于成像速度较快的经过一定条件近似的快速傅氏变换(FFT)算法，成像质量得到改善。附图说明图1为本专利技术实施例的基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法的步骤的流程图；图2为本专利技术实施例的基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像装置的结构示意图；图3为MIMO线性阵列实例示意图；图4为本专利技术实施例的步骤S3的具体步骤的流程图；图5为本专利技术实施例的步骤S4的具体步骤的流程图；图6为本专利技术的实施例的目标三维成像结果示意图；图7为本专利技术的实施例的距离为R处的目标二维成像结果示意图；图8为本专利技术实施例的用基于MIMO-SAR的高精度三维快速成像装置的结构示意图。具体实施方式为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。本专利技术的一方面，提供了一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法，图1为本专利技术实施例的基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法的步骤示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：S1、向目标发送宽带信号，并接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；S2、将原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，确定原始空间谱；S3、将原始空间谱结合相位偏移因子，确定总空间谱；S4、根据总空间谱确定目标的成像函数。其中，在步骤S1中，宽带信号由MIMO阵列的发射阵元发射，MIMO阵列的接收阵元接收原始回波信号。在本专利技术实施例中，MIMO阵列选择发射在接收阵列两端形式的线性阵列，可以理解的是，在其他实施例中也可以选择其他形式的MIMO阵列。图2为本专利技术实施例的MIMO线性阵列合成孔径仿真场景示意图，图3为本专利技术实施例的MIMO线性阵列实例示意图，如图2和图3所示，在该MIMO线性阵列中，接收阵元以间距为dR排列，在第一个和最后一个接收阵元的两端，各有发射阵元以间距为dT排列。接收阵列长度为LR，接收阵列和发射阵列总长度为LT。有两组目标点组成的线性目标以交叉形式排列，目标到MIMO阵列合成孔径平面的距离为R。在一些实施例中，参照图2，构建三维坐标系，以x方向表示MIMO阵列方向，y方向表示合成孔径方向，z方向表示距离向，原始回波信号为：s(xt，xr，y，O，k)其中，MIMO阵列的发射天线位于(xt，y，z)处，接收天线位于(xr，y，z)处，k为宽带信号不同发射频率所对应的波数，MIMO阵列合成孔径所在的平面的距离向位于z＝0处。根据一些实施例，在步骤S2中，通过对原始回波信号进行三维傅里叶变换以将原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，以得到原始空间谱，原始空间谱的公式为：其中，kxt，kxr，ky分别表示xt，xr，y对应的空间频率域坐标。图4为本专利技术实施例的步骤S3的具体步骤示意图，如图4所示，根据一些实施例，步骤S3可以包括以下子步骤：S31、根据空间频率域的坐标关系将原始空间谱结合相位偏移因子，得到初始总空间谱；例如，相位偏移因子为exp(jkzz)，式中空间频率域的坐标关系包括kx＝kxt+kxr，初始总空间谱的公式为：s(kxt，kxr，ky，z，k)＝s(kxt，kxr，ky，O，k)·exp(jkzz)，其中，z＝zN，zN为距离向z的N个实数取值。S32、将初始总空间谱进行数据重排，并将重复的空间频率域坐标对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法，包括：S1、向目标发送宽带信号，并接收所述宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；S2、将所述原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，确定原始空间谱；S3、将所述原始空间谱结合相位偏移因子，确定总空间谱；以及S4、根据所述总空间谱确定目标的成像函数。

【技术特征摘要】
1.一种基于MIMO阵列合成孔径的高精度三维快速成像方法，包括：S1、向目标发送宽带信号，并接收所述宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；S2、将所述原始回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，确定原始空间谱；S3、将所述原始空间谱结合相位偏移因子，确定总空间谱；以及S4、根据所述总空间谱确定目标的成像函数。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤S1中，构建三维坐标系，以x方向表示MIMO阵列方向，y方向表示合成孔径方向，z方向表示距离向，所述原始回波信号为：s(xt，xr，y，0，k)其中，MIMO阵列的发射天线位于(xt，y，z)处，接收天线位于(xr，y，z)处，k为所述宽带信号不同发射频率所对应的波数，MIMO阵列合成孔径所在的平面的距离向位于z＝0处。3.根据权利要求2所述的方法，其中，在步骤S2中，通过对所述原始回波信号进行三维傅里叶变换以将所述原始散射回波信号变换到MIMO阵列方向以及合成孔径方向所对应的空间频率域，得到的所述原始空间谱的公式为：其中，kxt，kxr，ky分别表示xt，xr，y对应的空间频率域坐标。4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤S3包括：S31、根据空间频率域的坐标关系将所述原始空间谱结合所述相位偏移因...

【专利技术属性】
技术研发人员：李超，高航，吴世有，张群英，刘小军，方广有，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11