CN108107428B - 用于mimo阵列的相移偏移成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法，包括：接收宽带信号经过目标散射后得到的原始散射回波信号；将所述原始散射回波信号变换到MIMO阵列所在的空间频率域，确定原始空间谱；将所述原始空间谱结合相移偏移因子，确定包括有距离向的总空间谱；以及根据所述总空间谱确定目标的成像函数。同时，本发明还提供了一种用于MIMO阵列的相移偏移成像装置。本发明通过将相移偏移成像方法引入MIMO阵列，缩短了成像时间，加快了成像速度，实现了高质量成像。

Description

用于MIMO阵列的相移偏移成像方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法及装置。

背景技术

雷达成像方法可简单分为时域相干成像算法和频域算法两大类。时域相干成像算法中最简单的是后向投影(back projection，BP)算法，该算法通过利用回波数据对阵列孔径的积分以获取重建图像。其原理简单、易于实现、成像精度高，但耗时巨大，不适合用于实时成像；常用的频域成像算法是距离徙动算法(range migration algorithm，RMA)，该算法在波数域内完成图像的重建。RMA最大的特点是它在波数域内完成对回波数据距离徙动的补偿，并通过使用FFT，能获得很高的运算速度。在用于MIMO(多输入输出)阵列的MIMO-RMA中stolt插值对成像的质量和时间有非常大的影响，是此算法中最耗时的部分。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法及装置，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明的一方面，提供了一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法，包括：

接收宽带信号经过目标散射后得到的原始散射回波信号；

将所述原始散射回波信号变换到MIMO阵列所在的空间频率域，确定原始空间谱；

将所述原始空间谱结合相移偏移因子，确定包括有距离向的总空间谱；以及

根据所述总空间谱确定目标的成像函数。

在本发明的一些实施例中，所述原始散射回波信号的公式为：

其中，所述目标的目标函数为：

指成像范围中的任一点，包括目标对象以及非目标，MIMO阵列的发射天线位于

处，接收天线位于

处，目标为N个位于

的点，每个目标对象的散射系数为σ_i，i＝1，2，3...N，N为正整数，

为狄拉克函数，D指

的集合，k为所述宽带信号的频率所对应的空间波数，MIMO阵列所处平面的距离向z＝0。

在本发明的一些实施例中，在将所述原始散射回波信号变换到空间频率域之前，还包括步骤：忽略幅度衰减项

对目标的成像函数的影响，所述原始散射回波信号转换为简化公式：

U′(x_t，y_t，x_r，y_r，0，k)＝∫∫∫∫∫∫∫exp[-jk_xtx′-jk_yty′-jk_ztz′]

·exp[-jk_xrx-jk_yry-jk_zrz]

·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′

·exp[j(k_xtx_t+k_xrx_r+k_yty_t+k_yry_r)]dx_tdy_tdx_rdy_r

其中，

k_xt，k_yt，k_xr，k_yr分别为x_t，y_t，x_r，y_r所对应的空间波数。

在本发明的一些实施例中，将所述原始散射回波信号变换到空间频率域是通过对所述简化公式进行四维傅里叶变换实现的，所述原始空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，0，k)

＝∫∫∫exp[-jx′(k_xt+k_xr)-jy′(k_yt+k_yr)-jz′(k_zt+k_zr)]。

·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′

在本发明的一些实施例中，将所述原始空间谱结合相移偏移因子，确定总空间谱，具体包括步骤：根据所述空间频率域的坐标关系对所述原始空间谱进行数据重排，并将重复的空间频率域坐标对应的空间谱能量进行叠加，得到第一空间谱；以及将所述第一空间谱结合所述相移偏移因子，确定包括有距离向的总空间谱。

在本发明的一些实施例中，其中；

所述空间频率域的坐标关系指：k_x＝k_xt+k_xr，k_y＝k_yt+k_yr；

所述第一空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，0，k)＝U(k_x，k_y，0，k)

＝∫∫∫exp[-jk_xx′-jk_yy′-jk_zz′]·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′，

其中，

在本发明的一些实施例中，其中：所述相移偏移因子为exp(jk_zz)；所述总空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，z，k)＝U(k_x，k_y，z，k)

＝∫∫∫exp[-jk_xx′-jk_yy′-jk_z(z′-z)]·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′，

＝U(k_x，k_y，0，k)·exp(jk_zz)

其中，Z＝Z_N，z_N为距离向z的N个实数取值。

在本发明的一些实施例中，根据所述总空间谱确定目标的成像函数，具体包括步骤：对所述总空间谱进行波数域积分，确定平均波数域总空间谱；以及对所述平均波数域总空间谱进行逆傅里叶变换，确定目标的成像函数。

在本发明的一些实施例中，其中：

所述平均波数域总空间谱为

所述目标的成像函数为：

本发明的另一方面，还提供了一种用于MIMO阵列的相移偏移成像装置，包括：

存储器，用于存储指令；

处理器，用于根据所述指令，执行前述的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法。

(三)有益效果

本发明的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法及装置，相较于现有技术，至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：

1、接收宽带信号经过目标散射后得到的原始散射回波信号，并将其变换到空间频率域，再结合相移偏移因子，得到包括有距离向的成像函数，通过引入相移偏移算法，简化了处理步骤。如此，将成像质量较好的快速算法——相移偏移算法引入到MIMO阵列中来，相对原始的BP算法，成像时间缩短了很多，相对成像速度较快的MIMO-RMA，成像质量提高了很多。在发射频点数较少的条件下，成像时间甚至要快于MIMO-RMA，实现了实时高质量成像。

2、还根据空间频率域的坐标关系，简化了第一空间谱，减少了自变量，利于后续的成像。

附图说明

图1为本发明实施例的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法的步骤示意图。

图2为本发明实施例的8发8收MIMO线性阵列仿真场景示意图。

图3为本发明实施例的8发8收MIMO线性阵列实例示意图。

图4为本发明实施例的步骤S3的具体步骤示意图。

图5为本发明实施例的步骤S4的具体步骤示意图。

图6A为MIMO线性阵列归一化方位向距离向成像结果示意图。

图6B为距离为R处的目标点P1归一化方位向成像结果示意图。

图6C为距离为R+Δz处的目标点P2和P3归一化方位向成像结果示意图。

图7为本发明实施例的用于MIMO阵列的相移偏移成像装置的结构示意图。

具体实施方式

目前，传统的相移法偏移算法(phase shift migration，PSM)只能用在类似传统SAR等收发同置的阵列中。本发明旨在引入起源于地震成像研究的相移法偏移算法(phaseshift migration，PSM)运用于MIMO阵列。从成像精度来讲，PSM成像精度与BP算法相当，优于RMA，避免了RMA中由于stolt插值所带来的误差。从成像时间来讲，PSM成像时间远快于BP算法，比RMA耗时。但存在一种情况，即在发射宽带信号频点数较少的情况下，PSM算法与RMA在成像时间上相当。因此在发射宽带信号频点数较少的情况下，PSM算法是最佳选择，不仅成像精度高，而且耗时短。即使是在发射频点数较多的情况下，适当牺牲一下成像速度来使成像质量得到很大的提升，也是很有价值的。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本发明的一方面，提供了一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法，图1为本发明实施例的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法的步骤示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、接收宽带信号经过目标散射后得到的原始散射回波信号。

其中，宽带信号是由MIMO阵列的发射阵元发射的，MIMO阵列的接收阵元接收所述原始散射回波信号。

在本发明实施例中，MIMO阵列选择8发8收形式的线性阵列，可以理解的是，在其他实施例中也可以选择其他形式的MIMO阵列。图2为本发明实施例的8发8收MIMO线性阵列仿真场景示意图，图3为本发明实施例的8发8收MIMO线性阵列实例示意图，如图2和图3所示，在该8发8收MIMO线性阵列中，8个接收阵元以间距为dR排列，在第一个和最后一个接收阵元的两端，各有4个发射阵元以间距为dT排列。有两组目标点组成的线性目标以交叉形式排列，每个目标点之间的距离为Δz，目标点P1到MIMO阵列的距离为R，目标点P2和P3到MIMO阵列的距离均为R+Δz。

其中，所述原始散射回波信号的公式为：

所述目标的目标函数为：

指成像范围中的任一点，包括目标对象以及非目标，MIMO阵列的发射天线位于

处，接收天线位于

处，目标为N个位于

的点，每个目标对象的散射系数为σ_i，i＝1，2，3...N，N为正整数，

为狄拉克函数，

D指

的集合，k为所述宽带信号的频率所对应的空间波数。需要注意的是，MIMO阵列所处平面的距离向z＝0。

之后再进行步骤S11、由于幅度衰减项

对目标的成像函数的影响极小，因此忽略其对目标的成像函数的影响，所述原始散射回波信号转换为简化公式：

U′(x_t，y_t，x_r，y_r，0，k)＝∫∫∫∫∫∫∫exp[-jk_xtx′-jk_yty′-jk_ztz′]

·exp[-jk_xrx-jk_yry-jk_zrz]

·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′

·exp[j(k_xtx_t+k_xrx_r+k_yty_t+k_yry_r)]dx_tdy_tdx_rdy_r

其中，

k_xt，k_yt，k_xr，k_yr分别为x_t，y_t，x_r，y_r所对应的空间波数。

S2、将所述原始散射回波信号变换到MIMO阵列所在的空间频率域，确定原始空间谱。

可以理解的是，在本实施例中，将所述原始散射回波信号变换到空间频率域是可以通过对所述简化公式进行四维傅里叶变换实现的，所述原始空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，0，k)

＝∫∫∫exp[-jx′(k_xt+k_xr)-jy′(k_yt+k_yr)-jz′(k_zt+k_zr)]。

·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′

S3、将所述原始空间谱(MIMO阵列二维方向上的原始空间谱)结合相移偏移因子，确定包括有距离向的总空间谱(即MIMO阵列及距离向三维方向上的总空间谱)。图4为本发明实施例的步骤S3的具体步骤示意图，如图4所示，步骤S3可以包括以下子步骤：

S31、根据所述空间频率域的坐标关系对所述原始空间谱进行数据重排，并将重复的空间频率域坐标对应的空间谱能量进行叠加，得到第一空间谱。

所述空间频率域的坐标关系指：

k_x＝k_xt+k_xr，k_y＝k_yt+k_yr，

得到的第一空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，0，k)＝U(k_x，k_y，0，k)

＝∫∫∫exp[-jk_xx′-jk_yy′-jk_zz′]·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′，

其中，

S32、将所述第一空间谱结合所述相移偏移因子，确定包括有距离向的总空间谱。

所述相移偏移因子为exp(jk_zz)；

所述总空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，z，k)＝U(k_x，k_y，z，k)

＝∫∫∫exp[-jk_xx′-jk_yy′-jk_z(z′-z)]·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′，

＝U(k_x，k_y，0，k)·exp(jk_zz)

其中，Z＝Z_N，z_N为距离向z的N个实数取值。

S4、根据所述总空间谱确定目标的成像函数。图5为本发明实施例的步骤S4的具体步骤示意图，如图5所示，该步骤S4可以包括以下子步骤：

S41、对所述总空间谱进行波数域积分，确定平均波数域总空间谱，其公式为所述平均波数域总空间谱为

S42、对所述平均波数域总空间谱进行逆傅里叶变换，最终确定目标的成像函数，其公式为：

图6为MIMO线性阵列方位向成像结果示意图，其中，图6A为MIMO线性阵列归一化方位向距离向成像结果示意图，图6B为距离为R处的目标点P1归一化方位向成像结果示意图，图6C为距离为R+Δz处的目标点P2和P3归一化方位向成像结果示意图。由图可知，图6A的目标成像较为清晰，图6B中的P1点以及图6C中的P2点和P3点的成像结果明显，且无其他目标点的干扰。

可见，本发明的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法通过发射阵元和接收阵元空间频率域的坐标关系，将原始空间谱进行重排以及能量叠加，从而可以准确地将基于类似传统SAR等收发同置阵列的相位偏移算法运用到MIMO阵列中来。

本发明的另一方面，还提供了一种用于MIMO阵列的相移偏移成像装置，图7为本发明实施例的用于MIMO阵列的相移偏移成像装置的结构示意图，如图7所示，该装置包括：

存储器71，用于存储指令；

处理器72，用于根据存储器71中的指令，执行前述的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法。

综上，本发明的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法及装置，将成像质量较好的快速算法——相移偏移算法引入到MIMO阵列中来，相对原始的BP算法，成像时间缩短了很多，相对成像速度较快的MIMO-RMA，成像质量提高了很多。在发射频点数较少的条件下，成像时间甚至要快于MIMO-RMA，实现了实时高质量成像。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法，包括：

接收宽带信号经过目标散射后得到的原始散射回波信号；

将所述原始散射回波信号变换到MIMO阵列所在的空间频率域，确定原始空间谱；

将所述原始空间谱结合相移偏移因子，确定包括有距离向的总空间谱；以及

根据所述总空间谱确定目标的成像函数；

其中，所述原始散射回波信号的公式为：

其中，所述目标的目标函数为：

指成像范围中的任一点，包括目标对象以及非目标，MIMO阵列的发射天线位于

处，接收天线位于

处，目标为N个位于

的点，每个目标对象的散射系数为σ_i，i＝1，2，3…N，N为正整数，

为狄拉克函数，D指

的集合，k为所述宽带信号的频率所对应的空间波数，MIMO阵列所处平面的距离向z＝0。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述原始散射回波信号变换到空间频率域之前，还包括步骤：忽略幅度衰减项

对目标的成像函数的影响，所述原始散射回波信号转换为简化公式：

U′(x_t，y_t，x_r，y_r，0，k)＝∫∫∫∫∫∫∫exp[-jk_xtx′-jk_yty′-jk_ztZ′]·exp[-jk_xrx′-jk_yry′-jk_zrz′]·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′·exp[j(k_xtx_t+k_xrx_r+k_yty_t+k_yry_r)]dx_tdy_tdx_rdy_r

其中，

k_xt，k_yt，k_xr，k_yr分别为x_t，y_t，x_r，y_r所对应的空间波数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，将所述原始散射回波信号变换到空间频率域是通过对所述简化公式进行四维傅里叶变换实现的，所述原始空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，0，k)

＝∫∫∫exp[-jx′(k_xt+k_xr)-jy′(k_yt+k_yr)-jz′(k_zt+k_zr)]

·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述原始空间谱结合相移偏移因子，确定总空间谱，具体包括步骤：

根据所述空间频率域的坐标关系对所述原始空间谱进行数据重排，并将重复的空间频率域坐标对应的空间谱能量进行叠加，得到第一空间谱；以及

将所述第一空间谱结合所述相移偏移因子，确定包括有距离向的总空间谱。

5.根据权利要求4所述的方法，其中；

所述空间频率域的坐标关系指：k_x＝k_xt+k_xr，k_y＝k_yt+k_yr；

所述第一空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，0，k)＝U(k_x，k_y，0，k)

＝∫∫∫exp[-jk_xx′-jk_yy′-jk_zz′]·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′

其中，

6.根据权利要求5所述的方法，其中：

所述相移偏移因子为exp(jk_zz)；

所述总空间谱的公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，z，k)＝U(k_x，k_y，z，k)

＝∫∫∫exp[-jk_xx′-jk_yy′-jk_z(z′-z)]·O(x′，y′，z′)dx′dy′dz′

＝U(k_x，k_y，0，k)·exp(jk_zz)

其中，Z＝Z_N，z_N为距离向z的N个实数取值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，根据所述总空间谱确定目标的成像函数，具体包括步骤：

对所述总空间谱进行波数域积分，确定平均波数域总空间谱；以及

对所述平均波数域总空间谱进行逆傅里叶变换，确定目标的成像函数。

8.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述平均波数域总空间谱为

所述目标的成像函数为：

9.一种用于MIMO阵列的相移偏移成像装置，包括：

存储器，用于存储指令；

处理器，用于根据所述指令，执行如权利要求1至8任一所述的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法。

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