利用发射栅瓣的成像方法技术

本发明专利技术提供了一种利用发射栅瓣的成像方法，设计具有大间距稀疏布置的发射阵列和小间距密集布置的接收阵列，接收主瓣指向其中某个发射栅瓣或主瓣时，接收波束图的零点或低旁瓣同时指向其它发射栅瓣；根据设计的阵列进行信号发射、接收波束形成和成像处理，获得目标区域的成像结果。本发明专利技术可以利用发射栅瓣来获得更多的照射角度，可获得高于传统方法的角度分辨率。

【技术实现步骤摘要】
利用发射栅瓣的成像方法
本专利技术涉及一种阵列成像方法。
技术介绍
在声纳、雷达以及医学等阵列成像技术中，一般采用半波长布阵(SuttonJL，Underwateracousticimaging，ProceedingsoftheIEEE，1979；67(4):554-566.BaoZ，XingMDandWangT，Radarimagingtechnique，China:PublishHouseofElectronicsIndustry，2005.MakovskiA，Ultrasonicimagingusingarrays，ProceedingsoftheIEEE，1979；67(4):484-495.)。为了提高方位分辨率，可以将阵元间距设为略大于半波长。但是，当阵元间距过大时，波束图会产生栅瓣(VanTreesHL.Optimumarrayprocessing:part4ofdetection，estimation，andmodulationtheory.Hoboken:JohnWiley&SonsInc.，2002.)。栅瓣的出现导致方位模糊。因此，传统成像方法都是避免栅瓣的出现，并将栅瓣的出现看作有害现象而加以抑制。在抑制栅瓣的过程中，对阵列设计和发射信号设计都会施加较多的束缚条件，从而导致成像系统的方位分辨率受到限制。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种利用发射栅瓣进行成像的方法，采用大间距稀疏布置发射阵元产生较多的发射波束图栅瓣，利用发射波束图的主瓣和栅瓣对目标区域进行离散照射(传统方法是避免栅瓣的出现，本专利技术则是需要用到发射栅瓣)，设计合适的密布接收阵列并将接收波束扫描方向仅限于发射主瓣和发射栅瓣方向，保证将接收波束图主瓣对准发射主瓣或某个发射栅瓣的同时，接收波束图的低旁瓣或零点对准其它栅瓣，从而达到获得某个栅瓣方向回波的同时抑制其它栅瓣回波的目的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：1)设计所需的成像阵列，发射阵列为M元ULA，接收阵列为N元ULA，所述的ULA表示均匀直线阵；发射ULA和接收ULA位于同一条直线上，且几何中心重叠；发射ULA为稀疏阵列，接收ULA为密布阵列，发射阵元间距dt和接收阵元间距dr满足dt＝Ndr；接收主瓣指向其中某个发射栅瓣或主瓣时，接收波束图的零点或低旁瓣同时指向其它发射栅瓣；2)使用步骤1)设计的成像阵列进行信号发射、接收波束形成和成像处理，其中，目标被建模为P个散射点，第p个散射点的角度为θp，即第p个散射点相对于接收ULA法线方向的夹角，p＝1，2，…，P；在一个发射与接收周期中，M个发射阵元同时发射经过加权的脉冲信号s(t)＝[a1(θ0)a2(θ0)…aM(θ0)]Hs0(t)，其中，t代表时间，s0(t)为原始发射信号，am(θ0)＝Amexp[-j2πf0(m-1)dtsinθ0/c]为M元发射ULA中第m个发射阵元上的复加权，Am为对应的幅度加权，θ0代表发射主瓣指向，f0为窄带发射信号的中心频率，c为信号传播速度；此时，M元发射ULA指向θ0的波束其中λ是与f0对应的信号波长；利用接收ULA采集回波，第n个接收阵元上的回波其中，n＝1，2，…，N，σp为第p个散射点的散射强度，是第m个发射阵元到第p个散射点的时延，是第p个散射点到第n个接收阵元的时延，zn(t)代表噪声项；在进行接收波束形成时，接收波束图的主瓣指向位于的发射波束图主瓣和栅瓣，第q个波束的输出其中，q＝1，2，…，Q，Q代表波束数；第n个接收阵元上的复加权An为幅度加权，θq为第q个波束的指向角。本专利技术的有益效果是：采用大间距稀疏布置的发射ULA(发射ULA间距等于接收ULA上阵元间距和阵元个数的乘积)，在获得单个发射主瓣的同时获得多个发射栅瓣，并利用这些主瓣和栅瓣“照亮”目标区域；采用密布接收ULA对回波进行采集和波束形成，且接收波束主瓣仅限于发射主瓣和发射栅瓣“照亮”的方向，在获得发射主瓣或某个发射栅瓣方向上回波的同时可抑制掉其它栅瓣上的回波干扰。本专利技术的基本原理经过了理论推导，实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明本专利技术提出的方法可以利用发射栅瓣来获得更多的照射角度，与所设计的接收阵列结合可获得高于传统方法的角度分辨率。附图说明图1是发射波束和接收波束的示意图，其中接收波束仅指发射主瓣或某个发射栅瓣所在的角度；图2是本专利技术所使用阵列的示意图，发射阵元间距等于接收阵元间距和接收阵元个数的乘积；图3(a)是3发32收阵列的发射波束图和接收波束图；(b)是3发32收阵列的发射接收联合波束图；图4是本专利技术中的二维坐标系统示意图；图5是本专利技术中所涉及步骤的主要流程图；图6是接收端处理一ping回波获得成像结果的流程图；图7是实施实例中发射波束图的单个主瓣(指向0°)和多个栅瓣上所对应的角度值示意图；图8是实施实例中的成像结果，(a)是传统方法的成像结果，(b)是本专利技术中方法的成像结果，(c)是两种方法成像结果在角度维上的切片。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术的主要内容有：设计具有大间距稀疏布置的发射阵列和小间距密集布置的接收阵列。发射阵列需满足：发射阵元间距等于接收阵元间距与接收阵元个数的乘积，利用空间欠采样同时产生单个发射主瓣和多个发射栅瓣；接收阵列需满足：采用传统的密布阵型，且接收波束图主瓣指向某个发射栅瓣(或主瓣)时，接收波束图的零点或低旁瓣对准其它发射栅瓣(或发射主瓣)。根据设计的发射阵列和接收阵列进行成像。在一ping(一ping代表一个发射与接收周期)中，发射阵所发射的信号会同时照射单个主瓣和多个栅瓣方向。接收端进行空间扫描时，接收波束主瓣仅指向发射主瓣和发射栅瓣方向。当一ping所产生的发射主瓣和发射栅瓣提供不了足够大的空间采样密度时，采用多ping发射增加对目标区域的空间采样密度，其中每一ping的发射主瓣指向相互错开，以便产生足够多且指向不同角度的栅瓣来覆盖目标区域。处理一ping或多ping的结果，获得目标区域的像。通过计算机仿真，给出了利用本专利技术中的方法获得的成像结果。通过成像结果检验了本专利技术中所提出利用发射栅瓣进行成像方法的有效性。本专利技术解决现存问题所采用的技术方案可分为以下2个步骤：1)设计所需的成像阵列。发射直线阵和接收直线阵位于同一条直线上，且两者的几何中心重叠。发射阵元间距等于接收阵元间距和接收阵元个数的乘积，使得发射波束图具有单个主瓣和多个栅瓣。接收阵列采用传统的密集布阵方式，接收主瓣指向其中某个发射栅瓣(或主瓣)时，接收波束图的零点或低旁瓣同时指向其它发射栅瓣。2)根据步骤1)设计的阵列，进行信号发射、接收波束形成和成像处理。发射阵列发射单个脉冲信号，同时“照亮”一个主瓣和所有栅瓣方向。进行接收波束形成时，接收阵列的主瓣仅指向被“照亮”的单个发射主瓣方向和多个发射栅瓣方向。获得所有波束上的回波，并提取强度，获得目标区域的成像结果。步骤1)所涉及的具体内容如下：发射阵列为M元均匀直线阵(UniformLinearArray:ULA)，接收阵列为N元ULA。发射ULA和接收ULA位于同一条直线上，且两者的几何中心重叠。发射ULA为大间距本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用发射栅瓣的成像方法，其特征在于包括下述步骤：1)设计所需的成像阵列，发射阵列为M元ULA，接收阵列为N元ULA，所述的ULA表示均匀直线阵；发射ULA和接收ULA位于同一条直线上，且几何中心重叠；发射ULA为稀疏阵列，接收ULA为密布阵列，发射阵元间距dt和接收阵元间距dr满足dt＝Ndr；接收主瓣指向其中某个发射栅瓣或主瓣时，接收波束图的零点或低旁瓣同时指向其它发射栅瓣；2)使用步骤1)设计的成像阵列进行信号发射、接收波束形成和成像处理，其中，目标被建模为P个散射点，第p个散射点的角度为θp，即第p个散射点相对于接收ULA法线方向的夹角，p＝1，2，…，P；在一个发射与接收周期中，M个发射阵元同时发射经过加权的脉冲信号s(t)＝[a1(θ0) a2(θ0) … aM(θ0)]Hs0(t)，其中，t代表时间，s0(t)为原始发射信号，am(θ0)＝Amexp[‑j2πf0(m‑1)dtsinθ0/c]为M元发射ULA中第m个发射阵元上的复加权，Am为对应的幅度加权，θ0代表发射主瓣指向，f0为窄带发射信号的中心频率，c为信号传播速度；此时，M元发射ULA指向θ0的波束BT(θ;θ0)=1M|sin[Mπdtλ(sinθ-sinθ0)]sin[πdtλ(sinθ-sinθ0)]|,]]>其中λ是与f0对应的信号波长；利用接收ULA采集回波，第n个接收阵元上的回波xn(t)=Σp=1PσpΣm=1Msm(t-τt,mp-τr,np)+zn(t),]]>其中，n＝1，2，…，N，σp为第p个散射点的散射强度，是第m个发射阵元到第p个散射点的时延，是第p个散射点到第n个接收阵元的时延，zn(t)代表噪声项；在进行接收波束形成时，接收波束图的主瓣指向位于的发射波束图主瓣和栅瓣，第q个波束的输出其中，q＝1，2，…，Q，Q代表波束数；第n个接收阵元上的复加权An为幅度加权，θq为第q个波束的指向角。...

【技术特征摘要】
1.一种利用发射栅瓣的成像方法，其特征在于包括下述步骤：1)设计所需的成像阵列，发射阵列为M元ULA，接收阵列为N元ULA，所述的ULA表示均匀直线阵；发射ULA和接收ULA位于同一条直线上，且几何中心重叠；发射ULA为稀疏阵列，接收ULA为密布阵列，发射阵元间距dt和接收阵元间距dr满足dt＝Ndr；接收主瓣指向其中某个发射栅瓣或主瓣时，接收波束图的零点或低旁瓣同时指向其它发射栅瓣；2)使用步骤1)设计的成像阵列进行信号发射、接收波束形成和成像处理，其中，目标被建模为P个散射点，第p个散射点的角度为θp，即第p个散射点相对于接收ULA法线方向的夹角，p＝1，2，…，P；在一个发射与接收周期中，M个发射阵元同时发射经过加权的脉冲信号s(t)＝[a1(θ0)a2(θ0)…aM(θ0)]Hs0(t)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雄厚，孙超，杨益新，卓颉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61