半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法技术

本发明专利技术请求保护一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，属于毫米波MIMO合成孔径雷达成像技术领域。本发明专利技术通过可任意配置的MIMO线阵布局方式，并给出了级联方式和三维成像算法。利用MIMO技术和相位中心等效的概念，形成半波长均匀间隔的等效采样点，并结合合成孔径雷达成像技术，通过沿垂直于MIMO线阵方向机械扫描，形成大规模二维面阵，极大降低了天线使用数量、硬件成本。利用MIMO阵列获得目标回波数据和本发明专利技术提出的高效三维成像算法，可快速获得目标的高分辨率三维全息图像。该发明专利技术可应用与安检、医疗、MIMO

【技术实现步骤摘要】
半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法


[0001]本专利技术属于毫米波MIMO合成孔径雷达成像
，涉及MIMO阵列布局及其级联扫描成像方法。

技术介绍

[0002]公共安全是人类社会文明的重要标志。面对日益突出的安检需求，如何防止隐藏的武器、炸药等危险物品进入高密集人群公共场所是一个急迫问题。传统金属探测器仅能提供被检人员是否携带有金属物品的能力，无法具体区分金属物品是违禁品，还是硬币、腰带之类的普通物品。X光成像设备穿透力强，能够有效检测各种隐匿危险品，但是X射线的电离性，使得其不适合人体安检。只能扫描行李、背包。其他的一些成像设备如红外、激光雷达均没有毫米波穿透能力强，且容易受到环境因素影响。而毫米波不受环境影响，具有较强的穿透能力且对人体无害，非常适合用于安检成像。
[0003]毫米波成像系统目前面临者系统成本和复杂度的问题，这往往由收发天线的数量决定。而成像方位分辨率和空间采样率决定了收发天线的数量。成像的距离分辨率由发射信号的带宽决定，方位分辨率由雷达等效孔径长度决定。前者可以通过调频连续波(FMCW)雷达技术实现，后者可以结合合成孔径雷达(SAR)技术实现。
[0004]传统单站采样方案形成大孔径长度时会大大降低采样效率，而多发多收(MIMO)阵列就很好的解决了这一问题。为重构出高分辨率图像，MIMO阵列形成的等效采样间隔在极限情况下为四分之一波长，极限情况是指目标贴近扫描平面。然而实际应用场景下，目标都会距扫描面一定距离，这种情况下半波长的等效采样间隔足以满足高分辨率成像质量，在形成同样孔径长度时，半波长采样间隔需求的收发天线数量将减少一半。半波长的间隔也使得MIMO单元间方便地级联形成大规模MIMO线阵且干扰更少，在合成二维孔径时，只需沿垂直于MIMO阵列方向扫描，这大大提高了扫描效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法。本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其包括以下步骤：
[0007]步骤101、单个MIMO单元收发天线布局的步骤；及将L组MIMO单元级联的步骤；
[0008]步骤102、MIMO阵列合成孔径成像的步骤：其中，与MIMO阵列垂直的方向，通过机械移动MIMO阵列方式来形成等效采样点，每次移动半波长，移动次数由该方向的孔径长度决定。
[0009]进一步地，所述步骤101中单个MIMO单元收发天线布局的步骤为：以两个间隔为一倍波长λ的发射天线为一组，一个MIMO单元布置N组发射天线，M个接收天线，总共有2N个发射天线和M个接收天线；其中每组发射天线间隔为2M倍波长，接收天线以2倍波长的间隔均匀分布；发射、接收天线的垂直距离为h，MIMO单元的工作时序为：2N个发射天线依次工作，
当每个发射天线工作时，M个接收天线同时接收回波信号，取发射接收天线的中点为等效相位中心，则单个MIMO单元工作时总共可形成2NM个间隔为半波长的等效相位中心，合成的孔径长度为(2NM
‑
1)λ/2。
[0010]进一步地，所述步骤101将L组MIMO单元级联的步骤具体为：第偶数个MIMO单元旋转180度，与邻近的前面一个MIMO单元呈中心对称，且相邻两MIMO单元之间间隔为半波长，级联后总共形成2NML个等效相位中心，总孔径长度为(2LNM
‑
1)λ/2。
[0011]进一步地，所述步骤10、MIMO阵列合成孔径成像的步骤具体为：
[0012](1)利用设计的MIMO线阵获得回波信号s(x
T
,x
R
,y
T
,y
R
,k)；发射、接收天线对的坐标分别为(x
T
,y
T
,0)和(x
R
,y
R
,0)，k表示空间波数；
[0013](2)将目标中心位置作为参考点，相位校正因子通过数值仿真的理论回波和等效相位中心对应的收发分离天线实测回波得到，即其中分子表示收发一体情况下等效相位中心位置的理想回波数据，分母表示等效相位中心对应的收发天线分离情况下测得的回波数据，(x',y')表示等效相位中心位置方位坐标；
[0014](3)将回波信号做多站转单站相位校正，即与校正参数相乘，得到相位校准后的回波数据s
cor
(x',y',k)；
[0015](4)对s
cor
(x',y',k)做二维傅里叶变换得到s
cor
(k
x
,k
y
,k)；
[0016](5)对s
cor
(k
x
,k
y
,k)中的k域做Stolt插值得到s
cor
(k
x
,k
y
,k
z
)；
[0017](6)对s
cor
(k
x
,k
y
,k
z
)执行逆三维傅里叶变换即得到重建的目标。
[0018]进一步地，所述步骤(1)利用设计的MIMO线阵获得回波信号s(x
T
,x
R
,y
T
,y
R
,k)具体包括：
[0019]假设MIMO阵列所在平面为xoy平面，成像目标由无数多个散射点叠加而成，反射率为ρ(x,y,z)，坐标为(x,y,z)，发射、接收天线对的坐标分别为(x
T
,y
T
,0)和(x
R
,y
R
,0)，用R
T
、R
R
分别表示发射、接收天线到目标的距离满足：
[0020][0021][0022]则任意发射天线对接收到的回波信号为
[0023][0024]其中k＝2πf/c表示波数，f为发射信号频率，c为光速，假设发射接收天线的中点坐标，即等效相位中心位置坐标为(x',y',0)，其中x'＝(x
T
+x
R
)/2,y'＝(y
T
+y
R
)/2，等效相位中心到目标距离为R，满足
[0025][0026]进一步地，所述步骤(2)将目标中心位置作为参考点，通过理论回波和实测回波计算相位校正参数，即利用相位校正因子可以对回波信号做多站转单站相位校正，即与相位校正因子相乘，得到相位校准后的回波s
cor
(x',y',k)，具体包括：
[0027]相位校准后的回波，即：
[0028][0029]其中
[0030]s0(x',y',k)＝e
‑
j2kR
[0031][0032]s0(x',y',k本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤101、单个MIMO单元收发天线布局的步骤；及将L组MIMO单元级联的步骤；步骤102、MIMO阵列合成孔径成像的步骤：其中，与MIMO阵列垂直的方向，通过机械移动MIMO阵列方式来形成等效采样点，每次移动半波长，移动次数由该方向的孔径长度决定。2.根据权利要求1所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤101中单个MIMO单元收发天线布局的步骤为：以两个间隔为一倍波长λ的发射天线为一组，一个MIMO单元布置N组发射天线，M个接收天线，总共有2N个发射天线和M个接收天线；其中每组发射天线间隔为2M倍波长，接收天线以2倍波长的间隔均匀分布；发射、接收天线的垂直距离为h，MIMO单元的工作时序为：2N个发射天线依次工作，当每个发射天线工作时，M个接收天线同时接收回波信号，取发射接收天线的中点为等效相位中心，则单个MIMO单元工作时总共可形成2NM个间隔为半波长的等效相位中心，合成的孔径长度为(2NM
‑
1)λ/2。3.根据权利要求2所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤101将L组MIMO单元级联的步骤具体为：第偶数个MIMO单元旋转180度，与邻近的前面一个MIMO单元呈中心对称，且相邻两组之间间隔为半波长，级联后总共形成2NML个等效相位中心，总孔径长度为(2LNM
‑
1)λ/2。4.根据权利要求1所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤10、MIMO阵列合成孔径成像的步骤具体为：(1)利用设计的MIMO线阵获得回波信号s(x
T
,x
R
,y
T
,y
R
,k)；发射、接收天线对的坐标分别为(x
T
,y
T
,0)和(x
R
,y
R
,0)，k表示空间波数；(2)将目标中心位置作为参考点，相位校正因子通过数值仿真的理论回波和等效相位中心对应的收发分离天线实测回波得到，即其中分子表示收发一体情况下等效相位中心位置的理想回波数据，分母表示等效相位中心对应的收发天线分离情况下测得的回波数据，(x',y')表示等效相位中心位置方位坐标；(3)将回波信号做多站转单站相位校正，即与校正参数相乘，得到相位校准后的回波数据s
cor
(x',y',k)；(4)对s
cor
(x',y',k)做二维傅里叶变换得到s
cor
(k
x
,k
y
,k)；(5)对s
cor
(k
x
,k
y
,k)中的k域做Stolt插值得到s
cor
(k
x
,k
y
,k
z
)；(6)对s
cor
(k
x
,k
y
,k
z
)执行逆三维傅里叶变换即得到重建的目标。5.根据权利要求4所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤(1)利用设计的MIMO线阵获得回波信号s(x
T
,x
R
,y
T
,y
R
,k)具体包括：假设MIMO阵列所在平面为xoy平面，成像目标由无数多个散射点叠加而成，反射率为ρ(x,y,...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟杨，杨浩溢，陈国平，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：