【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及多发多收(multiple input multiple output,mimo)阵列技术，尤其是一种稀疏mimo阵列近场三维成像系统及方法。
技术介绍
1、雷达三维成像技术因其具有全天候、时效性、多目标和立体化等特点，被广泛应用于自动驾驶、安保、气象监测等领域。
2、现有的三维成像体制主要分为三种：
3、第一种是实孔径雷达成像(real aperture radar,rar)，通过真实阵元组成二维面阵实现方位向以及俯仰向成像，该体制需要增加真实阵元数以增大孔径得到高分辨率，多阵元同步等问题导致系统结构复杂。
4、第二种是合成孔径雷达成像(synthetic aperture radar,sar)，通过二维扫描的方式实现合成孔径，利用了雷达与目标在一段时间间隔内的特征相干信号变化得到比rar更高的分辨率。
5、第三种是实孔径与合成孔径相结合成像，该体制在某一维度采用实孔径技术，另一维度采用合成孔径技术来实现方位向和俯仰向的分辨。
6、实孔径雷达由真实阵元组成，需要提高阵元数量以获得较高的分辨率，多阵元的同步问题势必导致系统成本以及复杂度的增加。合成孔径雷达虽然需要的阵元数少，但需要天线沿方位和俯仰扫描，成像速度受到限制。实孔径与合成孔径相结合，可以减少阵元数量，并且缩短成像速度，但依旧存在优化空间。
7、稀疏mimo阵列可以在保证孔径不变的情况下减少阵元数目，相对现有三维成像体制有低成本和低复杂度、灵活性高等优势。但稀疏mimo减少阵元数目将导
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种稀疏mimo阵列近场三维成像系统及方法，通过mimo技术与sar技术相结合的方式实现了近场三维成像，并显著抑制了稀疏mimo阵列出现的栅瓣问题。
2、本专利技术提供的一种稀疏mimo阵列近场三维成像系统，采用稀疏mimo雷达阵列在方位向成像，控制所述mimo雷达阵列在俯仰向移动，进行近场三维成像。所述系统包括：射频前端板、fpga(现场可编程逻辑门阵列)、滑轨和工控机：其中，
3、所述的射频前端板连接天线阵列，用于实现雷达信号的生成、发射和接收；
4、所述的fpga由远端fpga和近端fpga组成；远端fpga用于接收从射频前端板输出的雷达采样信号并对信号进行预处理；远端fpga将雷达采样信号进行拼接组装后通过光口传输给近端fpga；近端fpga用于对接收到的数据进行解析，并将其存储在ddr中以便于上位机通过pcie总线读取数据；近端fpga中设置中断控制器；
5、所述的工控机用于对射频前端板、滑轨步进电机、fpga设备进行控制；工控机控制滑轨步进电机的驱动，使得滑轨带动所述mimo雷达阵列在俯仰向移动，实现对mimo线阵的扫描；工控机将近端fpga作为pcie设备，采用中断机制通过pcie总线从ddr中读取数据，利用后向投影算法(back projection alogrithm,bpa)对数据处理，并进行栅瓣抑制，最终完成三维成像。其中，所述工控机采用和差图像的成像算法进行栅瓣抑制，构造出的和图像包含目标的主瓣和栅瓣，差图像只包含目标的栅瓣，使用和图像和差图像对消以抑制目标的栅瓣。
6、所述的远端fpga，首先通过fifo存储器对从射频前端板输入的信号数据拼接组装，形成512位的数据，然后将数据处理为udp格式数据，采用10g光口传输给近端fpga。
7、所述的近端fpga，在存储完一帧雷达采样信号后，调用中断控制器发起一次msi中断，工控机接收到所述的msi中断后，通过地址映射读取ddr中数据。
8、所述的工控机，获取后向投影算法进行三维成像所输出的各通道数据，将各通道数据直接叠加构造和图像，将前一半通道的数据减去后一半通道的数据构造出差图像。
9、本专利技术还提供了一种稀疏mimo阵列近场三维成像方法，采用如上述的稀疏mimo阵列近场三维成像系统实现，包括如下步骤：
10、步骤一：根据待测场景和测量要求，确定所述雷达系统的相关参数，包括扫描方向、扫描间隔和扫描次数等；
11、步骤二：通过工控机控制滑轨移动，射频前端板发射信号并采集接收信号；
12、步骤三：远端fpga接收采集信号并对信号进行预处理，将信号拼接组装后通过光口传输给近端fpga；
13、步骤四：近端fpga接收数据并进行解析，将解析后的雷达采样信号存储在ddr中；每存储完一帧雷达采样信号，近端fpga调用中断控制器，发起一次msi中断；
14、步骤五：工控机接收到所述的msi中断后，通过地址映射读取ddr中数据，利用后向投影算法进行三维成像，以及栅瓣抑制处理。其中，利用后向投影算法进行三维成像，通过在成像区域划分网格，遍历每个网格计算网格到收发天线的距离，然后进行相位补偿并进行相干叠加，实现对目标的三维重建；采用和差图像的成像算法进行栅瓣抑制，构造出的和图像包含目标的主瓣和栅瓣，差图像只包含目标的栅瓣，使用和图像和差图像对消以抑制目标的栅瓣。
15、所述的步骤二中，射频前端板采用调频连续波信号生成雷达信号，对目标进行扫描。
16、所述的步骤五中，借助和差波束测角的方法构造和差波束，构造总阵和波束方向图＝子阵发射阵列和波束×子阵接收阵列和波束×阵列因子，总阵差波束方向图＝子阵发射阵列差波束×子阵接收阵列和波束×阵列因子；
17、其中，由子阵发射阵列和波束×子阵接收阵列和波束构造子阵和波束，子阵和波束方向图a∑(θ)表示为：
18、
19、其中，θ表示角度，m为发射子阵阵元数目，d为阵元间距，λ为半波长，θv为对于阵列因子的目标角度；
20、由子阵发射阵列差波束×子阵接收阵列和波束构造子阵差波束，子阵差波束方向图aδ(θ)表示为：
21、
22、阵列因子即各个子阵虚拟相位中心的排布，阵列因子av(θ)表示为：
23、
24、其中，n为阵列因子的数目，dv为阵列因子间距；
25、则设得到总阵和波束方向图为h∑(θ)，总阵差波束方向图为hδ(θ)；进行和差对消抑制栅瓣表示如下：
26、|h(θ)|＝||hσ(θ)|-ε×|hδ(θ)||
27、其中，ε为调控因子，h(θ)为栅瓣抑制后的总阵波束方向图。
28、与现有技术相比，本专利技术的有益效果和优点在于：
29、(1)本专利技术基于稀疏mimo阵列结合sar技术设计出一种近场三维成像系统及成像方法，稀疏阵列大幅降低采样时间以及数据量，利用和差图像成像算法显著减低了稀疏mimo阵列导致的栅瓣问题。本专利技术的近场三维成像系统及方法整体在降低了系统成本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种稀疏MIMO阵列近场三维成像系统，设置稀疏MIMO雷达阵列在方位向成像，控制所述MIMO雷达阵列在俯仰向移动，进行近场三维成像；其特征在于，所述系统包括射频前端板、FPGA、滑轨和工控机；其中：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的射频前端板使用4片微控制单元MCU，MCU控制射频芯片发射与接收雷达信号，对接收的雷达信号进行混频采样，将采集的数据通过OSPI协议发送给远端FPGA。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述的远端FPGA，首先通过FIFO存储器对从射频前端板输入的信号数据拼接组装，形成512位的数据，然后将数据处理为udp格式数据，采用10G光口传输给近端FPGA。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的近端FPGA，在存储完一帧雷达采样信号后，调用中断控制器发起一次msi中断，工控机接收到所述的msi中断后，通过地址映射读取DDR中数据。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的滑轨，带动所述MIMO雷达阵列每隔半波长距离扫描一次。
6.根据权利要求1所述
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述的射频前端板包含多块板，每块板使用4片微控制单元MCU。
8.一种稀疏MIMO阵列近场三维成像方法，使用如权利要求1所述的稀疏MIMO阵列近场三维成像系统进行成像，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤五中，利用后向投影算法进行三维成像，包括：
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述的步骤五中，进行栅瓣抑制处理包括：
...【技术特征摘要】
1.一种稀疏mimo阵列近场三维成像系统，设置稀疏mimo雷达阵列在方位向成像，控制所述mimo雷达阵列在俯仰向移动，进行近场三维成像；其特征在于，所述系统包括射频前端板、fpga、滑轨和工控机；其中：
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的射频前端板使用4片微控制单元mcu，mcu控制射频芯片发射与接收雷达信号，对接收的雷达信号进行混频采样，将采集的数据通过ospi协议发送给远端fpga。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述的远端fpga，首先通过fifo存储器对从射频前端板输入的信号数据拼接组装，形成512位的数据，然后将数据处理为udp格式数据，采用10g光口传输给近端fpga。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的近端fpga，在存储完一帧雷达采样信号后，调用中断控制器发起一次msi中断，工控机接收到所述的msi中断后，通过地址映...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨彬，赵珂，王俊，叶建东，贺嘉诚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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