一种基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及MIMO雷达技术领域，特别涉及一种基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法及系统。所述系统包括：发射天线阵列T、接收天线阵列R和信号处理模块；接收天线阵列R由第一接收子阵A和第二接收子阵B组成；信号处理模块，用于对第一接收子阵A和接收天线阵列R接收的发射信号的回波进行相关干涉运算，相关干涉结果集合C向接收天线阵列的空间频率域采样网格U进行映射处理，作为空间频率域干涉观测结果V，并对空间频率域干涉观测结果V进行逆傅里叶变换反演成像，以得到MIMO雷达成像结果。本发明专利技术提高了接收天线单元和发射天线单元的隔离度，避免发射信号对接收信号的干扰；降低了成像运算复杂度，成像速度快；不依赖平台和目标的相对运动，对成像场景无特殊要求。对成像场景无特殊要求。对成像场景无特殊要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法及系统


[0001]本专利技术涉及MIMO雷达
，特别涉及一种基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法及系统。

技术介绍

[0002]多输入多输出(Multi Input Multi Output，MIMO)雷达可以等效合成一个大口径的虚拟接收阵，使用MIMO雷达进行雷达成像是一个重要的应用方向。后像投影(Back Projection,BP)类算法对MIMO雷达数据进行成像是一种常规的MIMO雷达成像方法，(参考文献：Ahmed I.Study of the Local Backprojection Algorithm for Image Formation in Ultra Wideband Synthetic Aperture Radar.Sweden:Bleking Institute of Technology，2008)，其基本原理为：基于时延相加的思想，通过对回波数据的相干叠加，还原成像目标信息；且由于BP算法对MIMO雷达发射接收天线阵列的构型没有特殊的约束，适用于任何阵列类型。使用合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)技术是用于MIMO雷达数据的成像处理是另一种MIMO雷达成像方法(参考文献：Cristallini D and Pastina D.Exploiting MIMO SAR potentialities with efficient cross
‑
track constellation configurations for improved range resolution.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2010,49(1):38
‑
52),MIMO
‑
SAR成像方法使用发射信号作为参考波形对接收信号进行匹配滤波，其优点在于利用多个回波之间的空间相位关系，能够合成更大带宽的距离向回波，从而显著地提高系统距离向分辨率。
[0003]但是，利用BP算法对MIMO雷达数据进行成像处理时，运算量大，难以快速实时成像等问题；而利用合成孔径雷达技术对MIMO雷达数据的成像处理时，对MIMO收发阵列的硬件隔离度有较高要求，且观测场景依赖平台和目标的相对运动。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，克服现有MIMO雷达成像方法运算量大、难以快速成像、对收发阵列的硬件隔离度有较高要求和观测场景依赖平台和目标的相对运动的问题，从而提出一种基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法及系统。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法及系统，通过合理布局MIMO雷达接收天线阵列和发射天线阵列中天线单元的位置，对接收天线阵列的接收信号进行互相关干涉运算，得到空间频率域干涉观测结果，对空间频率域干涉观测结果进行基于逆傅里叶变换的图像反演，得到MIMO雷达成像结果，以提高接收天线单元和发射天线单元的隔离度，降低成像运算复杂度，进行快速成像，且不依赖平台和目标的相对运动。
[0006]本专利技术提供的一种基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1)对接收天线阵列进行设计；设定MIMO雷达的接收天线阵列的横向最小空间
频率域采样间隔d
x
、纵向最小空间频率域采样间隔d
y
、横向最大空间频率域采样间隔L
x
和纵向最大空间频率域采样间隔L
y
；通过四种所述间隔确定所述接收天线阵列的空间频率域采样网格U；通过所述空间频率域采样网格U得到第一接收子阵A和第二接收子阵B，并得到所述接收天线阵列R；其中，所述接收天线阵列R为第一接收子阵A和第二接收子阵B的并集；
[0008]步骤2)对发射天线阵列进行设计；在所述接收天线阵列R的平面内选定任意点O，并以任意点O为旋转中心，将所述接收天线阵列R中的第一接收子阵A旋转180
°
，以得到所述MIMO雷达的发射天线阵列T:
[0009]T＝{c
p
＝O
‑
a
p
|a
p
∈A}；
[0010]其中，a
p
为所述第一接收子阵A中的任意接收天线单元的坐标；c
p
为a
p
以任意点O为旋转中心，旋转180
°
后对应的所述发射天线阵列T中的发射天线单元的坐标；
[0011]步骤3)通过所述发射天线阵列T的发射天线单元，对外发送发射信号；
[0012]步骤4)通过所述接收天线阵列R接收所述发射信号的回波，作为接收信号；通过第一接收子阵A中的任意一个接收天线单元的所述接收信号和所述接收天线阵列R中的任意一个接收天线单元的所述接收信号，进行相关干涉运算，以得到相关干涉结果集合C:
[0013][0014]在获得相关干涉结果时，使用的发射天线单元的坐标为c
p
，其中，c
p
＝O
‑
a
p
，O为所述接收子阵A和发射天线阵列T的对称旋转中心的坐标；a
p
(t)为所述第一接收子阵A中坐标为a
p
的接收天线单元的所述接收信号；r
q
(t)为所述接收天线阵列R中坐标为r
q
的接收天线单元的所述接收信号；表示互相关干涉运算；
[0015]步骤5)通过所述信号处理模块，将所述相关干涉结果集合C向所述空间频率域采样网格U进行映射处理，并将映射处理结果作为空间频率域干涉观测结果V。
[0016]作为上述方法的一种改进，所述成像方法还包括：步骤6)通过信号处理模块，采用二维逆傅里叶变换算法对所述步骤5)得到的空间频率域干涉观测结果V进行反演成像，以得到基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像结果。
[0017]作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：
[0018]步骤1.1)通过所述横向最小空间频率域采样间隔d
x
、横向最大空间频率域采样间隔L
x
、纵向最小空间频率域采样间隔d
y
和纵向最大空间频率域采样间隔L
y
，确定所述接收天线阵列的空间频率域采样网格U：
[0019][0020]其中，N为整数集合，m为大于等于小于等于的任意整数，n为大于等于小于等于的任意整数；(u
x
,u
y
)为所述空间频率域采样网格U中的任意点的坐标；
[0021]步骤1.2)通过所述空间频率域采样网格U，确定所述第一接收子阵A和第二接收子阵B；其中，
[0022]所述第一接收子阵A内的两个任意接收天线单元构成第一位置差集合V1：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)对接收天线阵列进行设计；设定MIMO雷达的接收天线阵列的横向最小空间频率域采样间隔d
x
、纵向最小空间频率域采样间隔d
y
、横向最大空间频率域采样间隔L
x
和纵向最大空间频率域采样间隔L
y
；通过四种所述间隔确定所述接收天线阵列的空间频率域采样网格U；通过所述空间频率域采样网格U得到第一接收子阵A和第二接收子阵B，并得到所述接收天线阵列R；其中，所述接收天线阵列R为第一接收子阵A和第二接收子阵B的并集；步骤2)对发射天线阵列进行设计；在所述接收天线阵列R的平面内选定任意点O，并以任意点O为旋转中心，将所述接收天线阵列R中的第一接收子阵A旋转180
°
，以得到所述MIMO雷达的发射天线阵列T:T＝{c
p
＝O
‑
a
p
|a
p
∈A}；其中，a
p
为所述第一接收子阵A中的任意接收天线单元的坐标；c
p
为a
p
以任意点O为旋转中心，旋转180
°
后对应的所述发射天线阵列T中的发射天线单元的坐标；步骤3)通过所述发射天线阵列T的发射天线单元，对外发送发射信号；步骤4)通过所述接收天线阵列R接收所述发射信号的回波，作为接收信号；通过第一接收子阵A中的任意一个接收天线单元的所述接收信号和所述接收天线阵列R中的任意一个接收天线单元的所述接收信号，进行相关干涉运算，以得到相关干涉结果集合C:在获得相关干涉结果时，使用的发射天线单元的坐标为c
p
，其中，c
p
＝O
‑
a
p
，O为所述接收子阵A和发射天线阵列T的对称旋转中心的坐标；a
p
(t)为所述第一接收子阵A中坐标为a
p
的接收天线单元的所述接收信号；r
q
(t)为所述接收天线阵列R中坐标为r
q
的接收天线单元的所述接收信号；表示互相关干涉运算；步骤5)通过所述信号处理模块，将所述相关干涉结果集合C向所述空间频率域采样网格U进行映射处理，并将映射处理结果作为空间频率域干涉观测结果V。2.根据权利要求1所述的基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法，其特征在于，所述成像方法还包括：步骤6)通过信号处理模块，采用二维逆傅里叶变换算法对所述步骤5)得到的空间频率域干涉观测结果V进行反演成像，以得到基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像结果。3.根据权利要求1所述的基于空间频率域干涉观测的MIMO雷达成像方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：步骤1.1)通过所述横向最小空间频率域采样间隔d
x
、横向最大空间频率域采样间隔L
x
、纵向最小空间频率域采样间隔d
y
和纵向最大空间频率域采样间隔L
y
，确定所述接收天线阵列的空间频率域采样网格U：其中，N为整数集合，m为大于等于小于等于的任意整数，n为大于等于
小于等于的任意整数；(u
x
,u
y
)为所述空间频率域采样网格U中的任意点的坐标；步骤1.2)通过所述空间频率域采样网格U，确定所述第一接收子阵A和第二接收子阵B；其中，所述第一接收子阵A内的两个任意接收天线单元构成第一位置差集合V1：V1＝{a
p
‑
a
q
|a
p
∈A,a
q
∈A}；其中，a
p
和a
q
分别为所述第一接收子阵A中的任意接收天线单元的坐标；所述第一接收子阵A内的任意接收天线单元和所述第二接收子阵B内的任意接收天线单元构成第二位置差集合V2：V2＝{a
p
‑
b
q
|a
p
∈A,b
q
∈B}；其中，a
p
为所述第一接收子阵A中的任意接收天线单元的坐标，b
q
为所述第二接收子阵B中的任意接收天线单元的坐标；所述空间频率域采样网格U为所述第一位置差集合V1和第二位置差集合V2的并集的子集：步骤1.3)通过所述第一接收子阵A和第二接收子阵B，得到接收天线阵列R，其中，所述第一接收子阵A和第二接收子阵B的并集为所述接收天线阵列R：R＝A∪B。4.根据权利要求1所述的基于空...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩东浩，刘浩，张子扬，牛立杰，张成，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：