CN103969642B - 一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法，步骤1：确定每个发射天线和接收天线的坐标位置；步骤2：确定每一对收发天线及其相应的等效相位中心的对应关系；步骤3：计算多探头阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的回波信号；步骤4：计算采用实际的多探头阵列进行双站成像时，接收天线的回波；步骤5：计算多探头阵列的相位补偿矩阵；步骤6：对采样信号乘以多探头阵列的相位补偿矩阵Factor，然后进行成像试验。采用上述方案，提高成像质量,同时在高分辨率成像和节省硬件资源成本等方面有巨大优势，采用本发明进行相位补偿的多探头天线阵列可以有效的对目标进行一维、二维或三维成像。

Description

一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法

技术领域

本发明属于相位补偿技术领域，尤其涉及的是一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法。

背景技术

多探头阵列成像技术在成像方面潜力巨大，它由多个发射单元和接收单元构成，采用开关控制的工作形式，每次有且只有一对收发天线工作，能够有效的抑制天线之间的耦合，产生出远远多于实际天线数目的虚拟阵列单元，从而大大的节省阵列的硬件成本和建造难度。距离徙动算法(RMA)是一种比较精确的散射成像算法，可以应用于多探头阵列散射成像。然而由于距离徙动算法应用与多探头阵列成像算法时进行了等效相位中心近似从而引入了等效相位中心误差，严重影响了最终目标图像的精度。下面分析等效相位误差引入的原理。

根据双站雷达等效理论，具有一定距离的发射天线和接收天线可以等效为收发天线在其中心处的单站情况，具体等效关系示意图如图1所示，设某一时刻有一对收发天线工作，照射的目标为p，发射单元发射电磁波经过路线到达目标p，经p后的散射回波再经过路线被接收单元接收。根据单站等效理论，等效相位中心在发射单元与接收单元所在的直线上。发射单元、接收单元及目标p构成了一个三角形，等效相位中心同时在该三角形角p的角平分线上，因此该角平分线与的交点即为所要求的等相位中心。设等效相位中心向量为根据三角形几何对应关系，则与之间有如下关系：

实际应用中，等效相位中心被认为在发射单元与接收单元的中心处，即当目标距离收发单元较远时，此式近似成立，而在近场当此误差较大时则需要进行相位校准处理。定义等效相位中心误差为：

$err=\left|p\stackrel{\→}{o}s\right|-\frac{\left|\stackrel{\→}{p}c\right|}{2}$

以十字形天线阵列为例，设32发32收的十字型二维阵列天线及其等效相位中心阵列，如图3所示，32发32收的十字形天线阵列可以等效出32*32个等效相位中心。根据公式2计算其相应的等效相位中心误差。天线阵列参数设置如下，工作频率18GHz，相邻发射和接收阵列单元间隔为一个波长，金属点目标位于与阵列平面垂直且过其中心的直线上，距离阵列中心距离为0.6m，等效相位中心阵列的中心为坐标原点，过原点的水平直线为x轴，建立直角坐标系，最后计算每个等相位中心误差，可得十字形天线阵列的最大等效相位中心距离误差为0.00542/λ＝0.3265个波长，显然误差过大，将严重影响成像的结果。

目前国内外进行多探头阵列成像时，一般采用硬件补偿方法，具体是在阵列中心的正前方一定距离处放置一个金属的细圆柱或金属丝，其示意图如图2所示，实际应用中，首先测量金属圆柱或金属丝相应的阵列接收回波，记为E_pole，对于一维阵列成像而言，成像平面为xz面，因此金属圆柱或金属丝可以看作一个理想点目标，其相应的等效相位中心阵列接收回波可以通过理论计算的方式计算出来，记为E_theory。于是补偿矩阵可以表示为E_theory/E_pole，该矩阵与频率及等效相位中心位置有关。

目前国内关于近场散射成像的多探头阵列的相位补偿方法文献较少，一般把多探头阵列用于远场成像，此时等效相位中心误差很小，故而无需误差补偿。当把多探头阵列应用于近场成像时，国内外研究者一般采用如下两种措施：

一是从阵列的设计上降低等效相位中心误差，合适的天线阵列布局也可以有效降低阵列的等效相位中心误差，提高成像质量。如实现同样的虚拟等效单元，矩形阵列的等效相位中心误差就比十字形阵列的小。这种方法缺点是需要花费大量精力在阵列设计上，而且合理的阵列设计也只能在一定程度上降低等效相位误差。

二是采用上节介绍的金属圆柱或金属丝的相位补偿方法，该相位补偿方法存在以下问题：1.金属圆柱或金属丝只能近似等效成理想点目标，显然存在近似误差，而且金属圆柱或金属丝尺寸过大将会使该误差较大，过小则回波容易被噪声淹没，需要选择合适的尺寸。2.补偿方法仅适用于一维阵列成像，对于二维阵列不适用。3.由于该补偿方法是通过硬件实现的，不可避免要增加硬件成本，并引入各种测量误差。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法。

本发明的技术方案如下：一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：根据多探头阵列的布局，建立坐标系确定每个发射天线和接收天线的坐标位置，用于计算点目标的理论回波；

步骤2：根据等效相位中心近似原理，确定每一对收发天线及其相应的等效相位中心的对应关系，同时计算等效相位中心矩阵的坐标；

步骤3：根据成像区域的位置确定其中心点位置坐标，计算多探头阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的回波信号S_{mo_sta}(n,k)，其中n为第n个等效相位中心，k＝2πf/c为发射信号波数；

步骤4：计算采用实际的多探头阵列进行双站成像时，接收天线的回波S_{bi_sta}(n,k)；

步骤5：计算多探头阵列的相位补偿矩阵Factor；

步骤6：使用距离徙动算法对实际目标进行成像处理前，对采样信号乘以多探头阵列的相位补偿矩阵Factor，然后进行成像试验。

用于多探头阵列成像的相位补偿方法，其中，所述步骤3中，所述接收天线接收的回波信号S_{mo_sta}(n,k)的计算公式为，公式一：其中，(x(n),y(n))为第n个等效相位中心位置坐标。

所述的用于多探头阵列成像的相位补偿方法，其中，所述步骤4中，所述接收天线的回波S_{bi_sta}(n,k)的计算公式公式二为：公式三为 $R_T\left(n\right)=\sqrt{R^2+{\left(x_{tr}\right(n)-x_0)}^2+{\left(y_{tr}\right(n)-y_0)}^2},R_R\left(n\right)=\sqrt{R^2+{\left(x_{re}\right(n)-x_0)}^2+{\left(y_{re}\right(n)-y_0)}^2};$

其中，假设(x_tr(n),y_tr(n))为与等效相位中心点(x(n),y(n))对应的发射天线坐标，(x_re(n),y_re(n))为与等效相位中心点对应的接收天线坐标。

所述的用于多探头阵列成像的相位补偿方法，其中，所述步骤5中，所述相位补偿矩阵Factor的计算公式为公式四：

$Factor(n,k)=\frac{S_{mo\_sta}(n,k)}{S_{bi\_sta}(n,k)}.$

采用上述方案，在不增加任何硬件成本的情况下实现多探头阵列的相位补偿，提高成像质量,同时在高分辨率成像和节省硬件资源成本等方面有巨大优势，采用本发明进行相位补偿的多探头天线阵列可以有效的对目标进行一维、二维或三维成像。

附图说明

图1为现有技术中发射单元及接收单元及等效相位中心示意图。

图2为现有技术中多探头阵列成像的相位补偿示意图。

图3为本发明一实施例中十字形天线阵列示意图。

图4为本发明方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明的目的：针对传统阵列相位补偿方法存在的问题，提出一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法以减小阵列的等效相位中心误差，提高成像质量。

如图3所示，图3中101为等效相位中心，102为发射天线，103为接收天线，假设点目标的位置在(x₀,y₀)，距离多探头阵列为R，当采用等效相位中心阵列进行单站成像(收发天线均在等效相位中心位置)时，接收天线接收回波信号(不考虑幅度)为公式一：

$S_{mo-sta}(n,k)=e^{-j\·2k\·\sqrt{{\left(x\right(n)-x_0)}^2+{\left(y\right(n)-y_0)}^2}}$ (公式一)；

其中(x(n),y(n))为第n个等效相位中心位置坐标，k＝2πf/c为发射信号波数。

实际阵列成像采用了双站等效成单站的情况，假设(x_tr(n),y_tr(n))为与等效相位中心点(x(n),y(n))对应的发射天线坐标，(x_re(n),y_re(n))为与等效相位中心点对应的接收天线坐标，则接收散射回波信号(不考虑幅度)为公式二及公式三：

$S_{bi\_sta}(n,k)=e^{-j\·k\·\left(R_T\right(n)+R_R\left(n\right))}$ (公式二)；

$R_T\left(n\right)=\sqrt{R^2+{\left(x_{tr}\right(n)-x_0)}^2+{\left(y_{tr}\right(n)-y_0)}^2},R_R\left(n\right)=\sqrt{R^2+{\left(x_{re}\right(n)-x_0)}^2+{\left(y_{re}\right(n)-y_0)}^2}$ (公式三)

设补偿矩阵为Factor，定义为公式四：

$Factor(n,k)=\frac{S_{mo\_sta}(n,k)}{S_{bi\_sta}(n,k)}$ (公式四)

只需对每次采样的目标回波数据乘以Factor即可进行相位补偿。下面对仿真算例1的采样回波进行相位补偿，并进行二维成像仿真试验。

利用本方法对多探头阵列进行相位补偿的过程如下：

1.首先，根据多探头阵列的布局情况，建立坐标系确定每个发射天线和接收天线的坐标位置，便于计算点目标的理论回波。

2.根据等效相位中心近似原理(已经详细讨论)，确定每一对收发天线及其相应的等效相位中心的对应关系，同时计算等效相位中心矩阵的坐标。

3.根据成像区域的位置确定其中心点位置坐标，由式(3)计算多探头阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的回波信号S_{mo_sta}(n,k)。

4.根据式(4)(5)计算采用实际的多探头阵列进行双站成像时，接收天线的回波S_{bi_sta}(n,k)。注意，此时多探头阵列的收发天线要与步骤3进行单站等效时的等效相位中心满足步骤2中的对应关系。

5.使步骤3的回波信号S_{mo_sta}(n,k)比上步骤4的回波信号S_{bi_sta}(n,k)，即根据式(6)计算多探头阵列的相位补偿矩阵Factor。

6.多探头阵列的相位补偿矩阵已经求解完毕，使用距离徙动算法对实际目标进行成像处理前，对采样信号乘以步骤5的结果补偿矩阵，然后可以成像试验了。

实施例2

在上述实施例的基础上，如图4所示，一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：根据多探头阵列的布局，建立坐标系确定每个发射天线和接收天线的坐标位置，用于计算点目标的理论回波；

步骤2：根据等效相位中心近似原理，确定每一对收发天线及其相应的等效相位中心的对应关系，同时计算等效相位中心矩阵的坐标；

步骤3：根据成像区域的位置确定其中心点位置坐标，计算多探头阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的回波信号S_{mo_sta}(n,k)；

步骤4：计算采用实际的多探头阵列进行双站成像时，接收天线的回波S_{bi_sta}(n,k)；

步骤5：计算多探头阵列的相位补偿矩阵Factor；

步骤6：使用距离徙动算法对实际目标进行成像处理前，对采样信号乘以多探头阵列的相位补偿矩阵Factor，然后进行成像试验。

上述中，所述步骤3中，所述接收天线接收的回波信号S_{mo_sta}(n,k)的计算公式为，公式一： $S_{mo-sta}(n,k)=e^{-j\·2k\·\sqrt{{\left(x\right(n)-x_0)}^2+{\left(y\right(n)-y_0)}^2}};$

其中，(x(n),y(n))为第n个等效相位中心位置坐标，k＝2πf/c为发射信号波数。

上述中，所述步骤4中，所述接收天线的回波S_{bi_sta}(n,k)的计算公式公式二为 $S_{bi\_sta}(n,k)=e^{-j\·k\·\left(R_T\right(n)+R_R\left(n\right))};$ 公式三为： $R_T\left(n\right)=\sqrt{R^2+{\left(x_{tr}\right(n)-x_0)}^2+{\left(y_{tr}\right(n)-y_0)}^2},$ $R_R\left(n\right)=\sqrt{R^2+{\left(x_{re}\right(n)-x_0)}^2+{\left(y_{re}\right(n)-y_0)}^2};$

其中，假设(x_tr(n),y_tr(n))为与等效相位中心点(x(n),y(n))对应的发射天线坐标，(x_re(n),y_re(n))为与等效相位中心点对应的接收天线坐标。

上述中，所述步骤5中，所述相位补偿矩阵Factor的计算公式为公式四：

$Factor(n,k)=\frac{S_{mo\_sta}(n,k)}{S_{bi\_sta}(n,k)}.$

采用上述方案，在不增加任何硬件成本的情况下实现多探头阵列的相位补偿，提高成像质量,同时在高分辨率成像和节省硬件资源成本等方面有巨大优势，采用本发明进行相位补偿的多探头天线阵列可以有效的对目标进行一维、二维或三维成像。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于多探头阵列成像的相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据多探头阵列的布局，建立坐标系确定每个发射天线和接收天线的坐标位置，用于计算点目标的理论回波；

步骤2：根据等效相位中心近似原理，确定每一对收发天线及其相应的等效相位中心的对应关系，同时计算等效相位中心矩阵的坐标；

步骤3：根据成像区域的位置确定其中心点位置坐标，计算多探头阵列进行单站等效成像时，接收天线接收的回波信号S_{mo_sta}(n,k)，其中n为第n个等效相位中心，k＝2πf/c为发射信号波数；

步骤4：计算采用实际的多探头阵列进行双站成像时，接收天线的回波S_{bi_sta}(n,k)；

步骤5：计算多探头阵列的相位补偿矩阵Factor；

步骤6：使用距离徙动算法对实际目标进行成像处理前，对采样信号乘以多探头阵列的相位补偿矩阵Factor，然后进行成像试验。

2.如权利要求1所述的用于多探头阵列成像的相位补偿方法，其特征在于，所述步骤3中，所述接收天线接收的回波信号S_{mo_sta}(n,k)的计算公式为，公式一：

其中，(x(n),y(n))为第n个等效相位中心位置坐标。

3.如权利要求2所述的用于多探头阵列成像的相位补偿方法，其特征在于，所述步骤4中，所述接收天线的回波S_{bi_sta}(n,k)的计算公式公式二为：

$S_{bi\_sta}(n,k)=e^{-j\·k\·\left(R_T\right(n)+R_R(n\left)\right)},$ 公式三为 $R_T\left(n\right)=\sqrt{R^2+{\left(x_{tr}\right(n)-x_0)}^2+{\left(y_{tr}\right(n)-y_0)}^2},$

$R_R\left(n\right)=\sqrt{R^2+{\left(x_{re}\right(n)-x_0)}^2+{\left(y_{re}\right(n)-y_0)}^2};$

其中，假设(x_tr(n),y_tr(n))为与等效相位中心点(x(n),y(n))对应的发射天线坐标，(x_re(n),y_re(n))为与等效相位中心点对应的接收天线坐标。

4.如权利要求3所述的用于多探头阵列成像的相位补偿方法，其特征在于，所述步骤5中，所述相位补偿矩阵Factor的计算公式为公式四：

$Factor(n,k)=\frac{S_{mo\_sta}\left(n,k\right)}{S_{bi\_sta}\left(n,k\right)}.$