MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法技术

本发明专利技术公开一种MIMO‑FDA探地雷达近目标二维成像方法，首先，通过构造多发多收的频率分集阵列发射和接收电磁波信号；其次，将得到的回波信号进行匹配滤波，得到基带回波信号；然后，将处理得到的回波数据表示成矢量形式，并构建一个与之相关的扫描权矢量；最后，通过构造的扫描矢量对回波数据进行扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。本发明专利技术利用波束扫描的方法，并结合多发多收的FDA雷达，实现了地下近场目标的二维定位成像。

Near target 2D imaging method for MIMO-FDA ground penetrating radar

The invention discloses a two-dimensional imaging method of MIMO FDA ground penetrating radar for near target. Firstly, electromagnetic wave signals are transmitted and received by constructing a frequency diversity array with multiple transmitters and receivers; secondly, the baseband echo signals are obtained by matching filtering the obtained echo signals; secondly, the processed echo data is expressed in vector form. Finally, the echo data is scanned by the constructed scanning vector, and the scanning output is obtained. The whole imaging space is traversed. The horizontal and vertical distances are calculated point by point, and the two-dimensional imaging in the region can be completed. The invention realizes two-dimensional positioning and imaging of underground near-field targets by means of beam scanning method and combined with multiple receiving FDA radar.

【技术实现步骤摘要】
MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法
本专利技术涉及阵列信号处理
，具体涉及一种MIMO-FDA(MultipleInputMultipleOutput-FrequencyDiverseArray，多发多收频率分集阵列)探地雷达近目标二维成像方法。
技术介绍
频率分集阵列与普通均匀线阵相比，由于其相邻阵元间存在一个远小于基准载频的偏置，这使得它的波束方向图与距离、角度和时间都有关系。这一特性使得它在雷达目标探测领域有着巨大的优势。探地雷达成像技术在军事和民用领域都有着广泛的应用需求。传统的探地雷达成像技术有合成孔径雷达、相控阵雷达实孔径成像等，它们都是通过发射宽带信号或脉冲压缩信号来获得距离向的高分辨率。然而，传统方法通过逆散射实现地下目标成像定位，需要计算复杂的格林函数和使用泛函方法降低误差，计算方法复杂，并且误差仍然较大，不能有效的实现遮挡的多目标成像定位。
技术实现思路
本专利技术针对传统探地雷达在存在遮挡的情况下，无法对地下多目标进行有效成像的问题，提供一种MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法。为解决上述问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，包括步骤如下：步骤1.构造多发多收的频率分集阵列；步骤2.利用步骤1构造的频率分集阵列对成像空间进行扫描，得到所有回波信号；步骤3.对步骤2得到的所有回波信号分别进行匹配滤波，得到基带回波信号；步骤4.将步骤3得到的所有基带回波数据表示成矢量形式，并构建扫描权矢量；步骤5.利用步骤4构建的扫描权矢量进行波束扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。上述步骤1所构造的频率分集阵列的各个阵元既接收自身发出的信号，又接收其他各阵元发出的信号。上述步骤1中，构造的频率分集阵列的每个阵列的发射频率依次线性增加，则第n个阵元发射信号的载频fn为：fn＝f0+nΔf式中，f0为频率分集阵列的基准载频，Δf为频率分集阵列的初始频率偏置，n＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。上述步骤2中，第m个阵元接收的回波信号ym(t)为：式中，σp为目标的散射系数，fn为第n个阵元发射信号的载频，Xp为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Zp为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，d为频率分集阵列的阵元间隔，v为电磁波在地下介质中的传播速度，nm(t)为第m个阵元接收到的高斯白噪声，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。上述步骤3的具体步骤为：步骤3.1.各个阵元的接收端利用滤波器对信号进行分离，则第m个阵元接收到的信号经滤波输出后得到由第n个阵元发射信号的回波ynm(t)为：步骤3.2.经相干检波变为基带处理，则第m个阵元接收到的信号经相干检波输出后得到由第n个阵元发射信号的回波ynm(Xp,Zp)为：式中，σp为目标的散射系数，f0为频率分集阵列的基准载频，fn为第n个阵元发射信号的载频，Xp为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Zp为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，nnm(t)为第m个阵元接收到第n个阵元发射信号的高斯白噪声，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。上述步骤4所构建的扫描权矢量w(X,Z)为：w(X,Z)＝[r00(X,Z)…r0N-1(X,Z)r10(X,Z)…rN-1N-1(X,Z)]T其中，式中，f0为频率分集阵列的基准载频，fn为第n个阵元发射信号的载频，X为像素点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z为像素点与频率分集阵列的参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数，上标T表示转置。上述步骤5的扫描输出I(X,Z)为：I(X,Z)＝|wH(X,Z)y|其中，w(X,Z)为构建的扫描权矢量，y为所有的回波数据，上标H表示共轭转置。与现有技术相比，本专利技术具有如下特点：(1)本专利技术利用MIMO-FDA波束方向图无耦合的特性，通过构造权矢量进行波束扫描，从而直接对地下近目标进行定位成像；(2)本专利技术采用多发多收技术，相比于单发单收的FDA雷达，无需改变频率偏置，同时能获得更多的信息；(3)本专利技术采用的波束扫描的方法实现二维成像较现有方法计算简单，易于实现。附图说明图1为MIMO-FDA探地模型图。图2为单目标成像结果图。图3为多目标成像结果图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。一种MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，首先，通过构造多发多收的频率分集阵列发射和接收电磁波信号；其次，将得到的回波信号进行匹配滤波，得到基带回波信号；然后，将处理得到的回波数据表示成矢量形式，并构建一个与之相关的扫描权矢量；最后，通过构造的扫描矢量对回波数据进行扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。本专利技术利用波束扫描的方法，并结合多发多收的FDA雷达，实现了地下近场目标的二维定位成像。其具体实施步骤如下：步骤1，构造多发多收的频率分集阵列。在所述基于频率分集阵列的探地雷达中，构造多发多收频率分集阵列的阵列结构模型，如图1所示，f0为频率分集阵列的基准载频，Δf为频率分集阵列的初始频率偏置，v为电磁波在地下介质中的传播速度，ε为地下介质的介电常数，d为频率分集阵列的阵元间距，N为频率分集阵列的阵元个数。构造的频率分集阵列的各个阵元不仅接收自身发出的信号，也接收其他各阵元发出的信号。构造的频率分集阵列(MIMO-FDA雷达天线阵列)的每个阵元的发射频率依次线性增加，阵列第n个阵元发射信号的载频fn表示为：fn＝f0+nΔfn＝0,1,…,N-1式中，f0为频率分集阵列的基准载频，Δf为频率分集阵列的初始频率偏置，N为频率分集阵列的阵元个数。步骤2，利用步骤1构造的频率分集阵列对成像空间进行扫描，得到总的回波信号。利用步骤1构造的频率分集阵列对成像区域进行扫描，当频率偏置为Δf时，第n个阵元发射的信号为sn(t)，第m个阵元接收到第n个阵元的发射信号为ynm(t)，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，t表示时间变量。所述频率分集阵列发射窄带信号。由于在窄带条件下，信号包络起伏非常缓慢，因此信号的复包络可看成是常数，则第n个阵元发射的信号sn(t)可近似表示为一个复指数函数：sn(t)＝exp{j2πfnt}对于一个地下近场观测点p，阵列的法线方向和目标到参考阵元所成线段的夹角为θp，目标到参考阵元的距离为Rp。将角度与距离用阵列方向距离X和深度方向距离Z表示为：Xp＝RpsinθpZp＝Rpcosθp目标观测点p即为成像目标点，Xp为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向(阵列方向)的距离，Zp为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向(深度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.MIMO‑FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，具体包括步骤如下：步骤1.构造多发多收的频率分集阵列；步骤2.利用步骤1构造的频率分集阵列对成像空间进行扫描，得到所有回波信号；步骤3.对步骤2得到的所有回波信号分别进行匹配滤波，得到基带回波信号；步骤4.将步骤3得到的所有基带回波数据表示成矢量形式，并构建扫描权矢量；步骤5.利用步骤4构建的扫描权矢量进行波束扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。

【技术特征摘要】
1.MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，具体包括步骤如下：步骤1.构造多发多收的频率分集阵列；步骤2.利用步骤1构造的频率分集阵列对成像空间进行扫描，得到所有回波信号；步骤3.对步骤2得到的所有回波信号分别进行匹配滤波，得到基带回波信号；步骤4.将步骤3得到的所有基带回波数据表示成矢量形式，并构建扫描权矢量；步骤5.利用步骤4构建的扫描权矢量进行波束扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。2.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤1所构造的频率分集阵列的各个阵元既接收自身发出的信号，又接收其他各阵元发出的信号。3.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤1中，构造的频率分集阵列的每个阵列的发射频率依次线性增加，则第n个阵元发射信号的载频fn为：fn＝f0+nΔf式中，f0为频率分集阵列的基准载频，Δf为频率分集阵列的初始频率偏置，n＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。4.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤2中，第m个阵元接收的回波信号ym(t)为：式中，σp为目标的散射系数，fn为第n个阵元发射信号的载频，t表示时间变量，Xp为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Zp为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，d为频率分集阵列的阵元间隔，v为电磁波在地下介质中的传播速度，nm(t)为第m个阵元接收到的高斯白噪声，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。5.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘庆华，蒋昶，晋良念，郑志鹏，吴丙森，阳佳慧，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45