基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法及成像装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于MIMO雷达信号处理和成像技术领域，具体涉及一种基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法，包括：根据柱面扫描几何下，MIMO阵列中的发射天线阵元与目标之间的距离，以及MIMO阵列中的接收天线阵元与目标之间的距离，得到距离衰减因子，构建考虑距离衰减的回波模型；对所述回波模型相对于发射天线阵元位置、接收天线阵元位置及方位角度变量分别作一维傅里叶变换，得到波数域回波信号；根据频谱回波信号，建立与重建目标半径相关的聚焦函数表达式；对所述聚焦函数表达式求逆后执行一维傅里叶变换，得到波数域聚焦函数；根据得到的波数域回波信号和波数域聚焦函数，将二者相乘后，再进行降维重排、累积和逆傅里叶变换处理，得到目标反射率图像。得到目标反射率图像。得到目标反射率图像。

【技术实现步骤摘要】
基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法及成像装置


[0001]本专利技术属于MIMO雷达信号处理和成像
，具体地说，涉及一种基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法及成像装置。

技术介绍

[0002]柱面扫描体制可实现对目标360度的观测，在安检及医学等领域可提供全方位的成像结果。
[0003]近年来，多输入多输出(Multiple
‑
Input MultipleOutput,MIMO)雷达技术由于其诸多优点得到快速发展。其中，MIMO阵列相比于单站阵列，可大幅度的减少阵元数量，具有高分辨率成像的潜力。柱面扫描体制下的MIMO阵列是将MIMO阵列与柱面扫描方式相结合，可实现对目标全方位高分辨的重建。MIMO体制下的数据录取方式相对于单站更为复杂，因此，对该几何在近距离场景下的三维成像方法需要进一步的研究。
[0004]传统的距离徙动算法(Range Migration Algorithm,RMA)是基于单站数据获取模式下的成像算法，不能直接应用于MIMO阵列信号的处理。在近场条件下，由于波前是球面而不是平面的，因此，在发射和接收天线之间假设虚拟相位中心的成像算法对于近场MIMO重建是不准确的。
[0005]全息成像系统的多数重建算法为了简化推导过程忽略了距离衰减幅度项，从而推导过程引入了一定的近似，而对于近距离成像场景，忽略距离衰减的成像算法将在一定程度上影响成像质量。现有的成像算法在构建回波模型时大多忽略距离衰减幅度项，而忽略该项会一定程度上影响成像质量。<br/>
技术实现思路

[0006]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法，该方法包括：
[0007]根据柱面扫描几何下，MIMO阵列中的发射天线阵元与目标之间的距离，以及MIMO阵列中的接收天线阵元与目标之间的距离，得到距离衰减因子，构建考虑距离衰减的回波模型；
[0008]对所述回波模型相对于发射天线阵元位置、接收天线阵元位置及方位角度变量分别作一维傅里叶变换，得到波数域回波信号；根据频谱回波信号，建立与重建目标半径相关的聚焦函数表达式；对所述聚焦函数表达式求逆后执行一维傅里叶变换，得到波数域聚焦函数；
[0009]根据得到的波数域回波信号和波数域聚焦函数，将二者相乘后，再进行降维重排、累积和逆傅里叶变换处理得到目标反射率图像。
[0010]作为上述技术方案的改进之一，所述MIMO阵列是由多个发射天线阵元和多个接收天线阵元沿某一方向直线排列而成，并以半径R0作圆周运动，以实现柱面扫描，对柱面内目标区域内的目标实现观测。
[0011]作为上述技术方案的改进之一，所述根据柱面扫描几何下，MIMO阵列中的发射天线阵元与目标之间的距离，以及MIMO阵列中的接收天线阵元与目标之间的距离，得到距离衰减因子，构建考虑距离衰减的回波模型；其具体过程包括：
[0012]根据柱面扫描几何下，发射天线阵元之间的距离R
T
和接收天线阵元与目标之间的距离R
R
，得到距离衰减因子，记为1/(4πR
T
R
R
)；
[0013]其中，
[0014][0015]其中，(r,θ,z)为预先建立的柱坐标系O
‑
rθz区域中的任一点；rθz区域中的任一点；分别为MIMO阵列中发射天线阵元和接收天线阵元的柱坐标系下的坐标，其中，R0为MIMO阵列柱面扫描的半径；为柱面扫描过程中MIMO阵列同X轴正向的夹角；z
T
、z
R
分别代表发射天线阵元在MIMO阵列方向的坐标和接收天线阵元在MIMO阵列方向的坐标；
[0016]根据上述得到的距离衰减因子1/(4πR
T
R
R
)，构建考虑距离衰减的回波模型：
[0017][0018]其中，为快时间波数域回波信号；其中，k
R
为快时间波数；σ(r,θ,z)表示待重建的目标反射率函数；j表示虚部单元；(r,θ,z)为柱坐标系O
‑
rθz区域中的任一点。
[0019]作为上述技术方案的改进之一，所述对回波模型相对于发射天线阵元位置、接收天线阵元位置及方位角度变量分别作一维傅里叶变换，得到波数域回波信号；其具体过程包括：
[0020]根据回波模型，获取快时间波数域回波信号
[0021]对快时间波数域回波信号两侧相对于发射天线阵元位置变量z
T
、接收天线阵元位置变量z
R
分别执行一维傅里叶变换，得到变换后的频谱回波信号
[0022][0023]其中，k
zT
、k
zR
分别为代表变量z
T
、z
R
傅里叶变化后对应的波数域变量；σ(r,θ,z)表示待重建的目标反射率函数；为相对于发射天线阵元位置变量z
T
执行一维傅里叶变换操作；为相对于接收天线阵元位置变量z
R
执行一维傅里叶变换操作；
[0024]利用驻定相位原理求解上式中中
[0025][0026][0027]根据的结果得到另一表示形式下的频谱回波信号
[0028][0029]其中，R0为MIMO阵列柱面扫描的半径；σ(r,θ,z)为待重建的目标反射率函数；
[0030]对中的角度变量执行一维傅里叶变换的操作，得到波数域回波信号SSS(k
R
,k
θ
,k
zT
,k
zR
)；
[0031]其中，k
θ
为角度变量对应的波数域变量。
[0032]作为上述技术方案的改进之一，根据所述频谱回波信号，建立与重建目标半径相关的聚焦函数表达式；对所述聚焦函数表达式求逆后执行一维傅里叶变换，得到波数域聚焦函数；包括：
[0033]根据所述频谱回波信号建立半径r处聚焦函数表达式为：
[0034][0035]对所述半径r处聚焦函数表达式求逆后相对于角度变量执行一维傅里叶变换，得到半径r处的波数域聚焦函数
[0036]作为上述技术方案的改进之一，所述根据得到的波数域回波信号和波数域聚焦函数，将二者相乘后，再进行降维重排、累积和逆傅里叶变换处理得到目标反射率图像；其具
体过程包括：
[0037]将所述波数域回波信号与某半径处波数域聚焦函数表达式相乘得到聚焦后的波数域回波信号；对所述聚焦后的波数域回波信号执行降维重排操作，得到降维处理后的信号；
[0038]对所述降维处理后的信号在快时间波数上进行累积操作得到半径r处的柱面目标的二维频谱；
[0039]对所述半径r处的柱面目标的二维频谱执行角度维和阵列维的逆傅里叶变换，得到所述半径r处的柱面目标的重建图像；
[0040]对每个半径处的柱面目标重复上述过程得到每个半径位置处的柱面目标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法，该方法包括：根据柱面扫描几何下，MIMO阵列中的发射天线阵元与目标之间的距离，以及MIMO阵列中的接收天线阵元与目标之间的距离，得到距离衰减因子，构建考虑距离衰减的回波模型；对所述回波模型相对于发射天线阵元位置、接收天线阵元位置及方位角度变量分别作一维傅里叶变换，得到波数域回波信号；根据频谱回波信号，建立与重建目标半径相关的聚焦函数表达式；对所述聚焦函数表达式求逆后执行一维傅里叶变换，得到波数域聚焦函数；根据得到的波数域回波信号和波数域聚焦函数，将二者相乘后，再进行降维重排、累积和逆傅里叶变换处理，得到目标反射率图像。2.根据权利要求1所述的基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法，其特征在于，所述MIMO阵列是由多个发射天线阵元和多个接收天线阵元沿某一方向直线排列而成，并以半径R0作圆周运动，以实现柱面扫描，对柱面内目标区域内的目标实现观测。3.根据权利要求1所述的基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法，其特征在于，所述根据柱面扫描几何下，MIMO阵列中的发射天线阵元与目标之间的距离，以及MIMO阵列中的接收天线阵元与目标之间的距离，得到距离衰减因子，构建考虑距离衰减的回波模型；其具体过程包括：根据柱面扫描几何下，发射天线阵元之间的距离R
T
和接收天线阵元与目标之间的距离R
R
，得到距离衰减因子，记为1/(4πR
T
R
R
)；其中，其中，(r,θ,z)为预先建立的柱坐标系O
‑
rθz区域中的任一点；rθz区域中的任一点；分别为MIMO阵列中发射天线阵元和接收天线阵元的柱坐标系下的坐标，其中，R0为MIMO阵列柱面扫描的半径；为柱面扫描过程中MIMO阵列同X轴正向的夹角；z
T
、z
R
分别代表发射天线阵元在MIMO阵列方向的坐标和接收天线阵元在MIMO阵列方向的坐标；根据上述得到的距离衰减因子1/(4πR
T
R
R
)，构建考虑距离衰减的回波模型：其中，为快时间波数域回波信号；其中，k
R
为快时间波数；σ(r,θ,z)表示待重建的目标反射率函数；j表示虚部单元；(r,θ,z)为柱坐标系O
‑
rθz区域中的任一点。4.根据权利要求1所述的基于柱面扫描体制下的MIMO阵列三维成像方法，其特征在于，所述对回波模型相对于发射天线阵元位置、接收天线阵元位置及方位角度变量分别作一维傅里叶变换，得到波数域回波信号；其具体过程包括：根据回波模型，获取快时间波数域回波信号对快时间波数域回波信号两侧相对于发射天线阵元位置变量z
T
、接收天线阵元位置变量z
R
分别执行一维傅里叶变换，得到变换后的频谱回波信号
其中，k
zT
、k
zR
分别为代表变量z
T
、z
R
傅里叶变化后对应的波数域变量；σ(r,θ,z)表示待重建的目标反射率函数；为相对于发射天线阵元位置变量z
T
执行一维傅里叶变换操作；为相对于接收天线阵元位置变量z
R
执行一维傅里叶变换操作；利用驻定相位原理求解上式中中中中根据的结果得到另一表示形式下的频谱回波信号的结果得到另一表示形式下的频谱回波信号其中，R0为MIMO阵列柱面扫描的半径；σ(r,θ,z)为待重建的目标反射率函数；对中的角度变量执行一维傅里叶变换的操作，得到波数域回波信号SSS(k
R
,k
θ
,k
zT
,k
zR
)；其中，k
θ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李如雪，董晓，蒋长宏，
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：