CN108776337A - Mimo-fda探地雷达近目标二维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MIMO‑FDA探地雷达近目标二维成像方法，首先，通过构造多发多收的频率分集阵列发射和接收电磁波信号；其次，将得到的回波信号进行匹配滤波，得到基带回波信号；然后，将处理得到的回波数据表示成矢量形式，并构建一个与之相关的扫描权矢量；最后，通过构造的扫描矢量对回波数据进行扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。本发明利用波束扫描的方法，并结合多发多收的FDA雷达，实现了地下近场目标的二维定位成像。

Description

MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法

技术领域

本发明涉及阵列信号处理技术领域，具体涉及一种MIMO-FDA(Multiple InputMultiple Output-Frequency Diverse Array，多发多收频率分集阵列)探地雷达近目标二维成像方法。

背景技术

频率分集阵列与普通均匀线阵相比，由于其相邻阵元间存在一个远小于基准载频的偏置，这使得它的波束方向图与距离、角度和时间都有关系。这一特性使得它在雷达目标探测领域有着巨大的优势。

探地雷达成像技术在军事和民用领域都有着广泛的应用需求。传统的探地雷达成像技术有合成孔径雷达、相控阵雷达实孔径成像等，它们都是通过发射宽带信号或脉冲压缩信号来获得距离向的高分辨率。然而，传统方法通过逆散射实现地下目标成像定位，需要计算复杂的格林函数和使用泛函方法降低误差，计算方法复杂，并且误差仍然较大，不能有效的实现遮挡的多目标成像定位。

发明内容

本发明针对传统探地雷达在存在遮挡的情况下，无法对地下多目标进行有效成像的问题，提供一种MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，包括步骤如下：

步骤1.构造多发多收的频率分集阵列；

步骤2.利用步骤1构造的频率分集阵列对成像空间进行扫描，得到所有回波信号；

步骤3.对步骤2得到的所有回波信号分别进行匹配滤波，得到基带回波信号；

步骤4.将步骤3得到的所有基带回波数据表示成矢量形式，并构建扫描权矢量；

步骤5.利用步骤4构建的扫描权矢量进行波束扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。

上述步骤1所构造的频率分集阵列的各个阵元既接收自身发出的信号，又接收其他各阵元发出的信号。

上述步骤1中，构造的频率分集阵列的每个阵列的发射频率依次线性增加，则第n个阵元发射信号的载频f_n为：

f_n＝f₀+nΔf

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，Δf为频率分集阵列的初始频率偏置，n＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。

上述步骤2中，第m个阵元接收的回波信号y_m(t)为：

式中，σ_p为目标的散射系数，f_n为第n个阵元发射信号的载频，X_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z_p为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，d为频率分集阵列的阵元间隔，v为电磁波在地下介质中的传播速度，n_m(t)为第m个阵元接收到的高斯白噪声，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。

上述步骤3的具体步骤为：

步骤3.1.各个阵元的接收端利用滤波器对信号进行分离，则第m个阵元接收到的信号经滤波输出后得到由第n个阵元发射信号的回波y_nm(t)为：

步骤3.2.经相干检波变为基带处理，则第m个阵元接收到的信号经相干检波输出后得到由第n个阵元发射信号的回波y_nm(X_p,Z_p)为：

式中，σ_p为目标的散射系数，f₀为频率分集阵列的基准载频，f_n为第n个阵元发射信号的载频，X_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z_p为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，n_nm(t)为第m个阵元接收到第n个阵元发射信号的高斯白噪声，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。

上述步骤4所构建的扫描权矢量w(X,Z)为：

w(X,Z)＝[r₀₀(X,Z)…r_0N-1(X,Z)r₁₀(X,Z)…r_N-1N-1(X,Z)]^T

其中，

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，f_n为第n个阵元发射信号的载频，X为像素点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z为像素点与频率分集阵列的参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数，上标T表示转置。

上述步骤5的扫描输出I(X,Z)为：

I(X,Z)＝|w^H(X,Z)y|

其中，w(X,Z)为构建的扫描权矢量，y为所有的回波数据，上标H表示共轭转置。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)本发明利用MIMO-FDA波束方向图无耦合的特性，通过构造权矢量进行波束扫描，从而直接对地下近目标进行定位成像；

(2)本发明采用多发多收技术，相比于单发单收的FDA雷达，无需改变频率偏置，同时能获得更多的信息；

(3)本发明采用的波束扫描的方法实现二维成像较现有方法计算简单，易于实现。

附图说明

图1为MIMO-FDA探地模型图。

图2为单目标成像结果图。

图3为多目标成像结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，首先，通过构造多发多收的频率分集阵列发射和接收电磁波信号；其次，将得到的回波信号进行匹配滤波，得到基带回波信号；然后，将处理得到的回波数据表示成矢量形式，并构建一个与之相关的扫描权矢量；最后，通过构造的扫描矢量对回波数据进行扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。本发明利用波束扫描的方法，并结合多发多收的FDA雷达，实现了地下近场目标的二维定位成像。其具体实施步骤如下：

步骤1，构造多发多收的频率分集阵列。

在所述基于频率分集阵列的探地雷达中，构造多发多收频率分集阵列的阵列结构模型，如图1所示，f₀为频率分集阵列的基准载频，Δf为频率分集阵列的初始频率偏置，v为电磁波在地下介质中的传播速度，ε为地下介质的介电常数，d为频率分集阵列的阵元间距，N为频率分集阵列的阵元个数。

构造的频率分集阵列的各个阵元不仅接收自身发出的信号，也接收其他各阵元发出的信号。构造的频率分集阵列(MIMO-FDA雷达天线阵列)的每个阵元的发射频率依次线性增加，阵列第n个阵元发射信号的载频f_n表示为：

f_n＝f₀+nΔf n＝0,1,…,N-1

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，Δf为频率分集阵列的初始频率偏置，N为频率分集阵列的阵元个数。

步骤2，利用步骤1构造的频率分集阵列对成像空间进行扫描，得到总的回波信号。

利用步骤1构造的频率分集阵列对成像区域进行扫描，当频率偏置为Δf时，第n个阵元发射的信号为s_n(t)，第m个阵元接收到第n个阵元的发射信号为y_nm(t)，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，t表示时间变量。

所述频率分集阵列发射窄带信号。由于在窄带条件下，信号包络起伏非常缓慢，因此信号的复包络可看成是常数，则第n个阵元发射的信号s_n(t)可近似表示为一个复指数函数：

s_n(t)＝exp{j2πf_nt}

对于一个地下近场观测点p，阵列的法线方向和目标到参考阵元所成线段的夹角为θ_p，目标到参考阵元的距离为R_p。将角度与距离用阵列方向距离X和深度方向距离Z表示为：

X_p＝R_psinθ_p

Z_p＝R_pcosθ_p

目标观测点p即为成像目标点，X_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向(阵列方向)的距离，Z_p为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向(深度方向)的距离，X_p和Z_p在整个成像过程中为固定量，其包含在所接收到的回波信号中。则第m个阵元接收到第n个阵元发射信号的回波时延为：

MIMO-FDA接收全部阵元发出的信号，则第m个阵元接收的回波信号y_m(t)表示为：

式中，f_n为第n个阵元发射信号的载频，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数，X_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向(阵列方向)的距离，Z_p为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向(深度方向)的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，σ_p为目标的散射系数，n_m(t)为第m个阵元接收到的高斯白噪声。

步骤3，将得到的回波信号进行匹配滤波，得到基带回波信号。

各阵元接收端利用滤波器对信号进行分离，则第m个阵元接收到的信号经滤波输出后得到由第n个阵元发射信号的回波：

经相干检波变为基带处理，可得：

式中，σ_p为目标的散射系数，f₀为频率分集阵列的基准载频，f_n为第n个阵元发射信号的载频，t表示时间变量，X_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z_p为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，n_nm(t)为第m个阵元接收到第n个阵元发射信号的高斯白噪声，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。

步骤4，将步骤3得到的所有回波数据表示成矢量形式，并构建扫描权矢量。

将步骤3得到的回波数据表示成矢量形式：

y(X_p,Z_p)＝[y₀₀(X_p,Z_p)…y_0N-1(X_p,Z_p)y₁₀(X_p,Z_p)…y_N-1N-1(X_p,Z_p)]^T

构建扫描权矢量：

w(X,Z)＝r(X,Z)

其中，r(X,Z)的共轭转置表示在无目标的理想地下介质情况下，像素点(X,Z)处的回波幅值。

r(X,Z)＝[r₀₀(X,Z)…r_0N-1(X,Z)r₁₀(X,Z)…r_N-1N-1(X,Z)]^T

其中，

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，f_n为第n个阵元发射信号的载频，X为像素点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z为像素点与频率分集阵列的参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数，上标T表示转置。

步骤5，利用步骤4构建的扫描权矢量进行波束扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。

利用步骤4构建的扫描权矢量进行波束扫描，得到扫描输出：

I(X,Z)＝|w^H(X,Z)y|

式中，w(X,Z)为构建的扫描权矢量，y为所有的回波数据，上标H表示共轭转置。

按上式遍历整个成像空间即可完成该区域内的二维成像。

本发明的效果可由以下仿真结果进一步说明：

1)仿真条件

频率分集阵列天线模型采用如图1所示的均匀线阵，其中阵列阵元数为21，信号基准载频为1GHz，频率偏置为0.02GHz，阵元间距为0.15m，地下背景介质ε＝9，噪声为彼此独立的零均值高斯白噪声，信噪比为10dB，快拍数为128。

2)仿真内容与结果

仿真1，考虑单目标情况，设置一个点目标，坐标位置为(2m,2m)，即目标位于水平方向2m，垂直方向2m处。采用本发明进行单目标成像，图2为频率偏置为0.02GHz时的仿真结果。通过仿真图我们可以看到，能量在目标点位置形成了聚焦，有效确定了目标的位置，实现了定位成像。说明本发明对于地下近场单目标定位成像有效。

仿真2，考虑多目标情况，设置五个点目标，其位置分别位于(1m,2m)，(2m,1m)，(2m,2m)，(2m,3m)，(3m,2m)。采用本发明进行多目标成像，图3为频率偏置为0.02GHz时的仿真结果。通过仿真图我们可以看到，能量在五个目标点位置都形成了聚焦，有效地分辨出了五个目标点，不存在目标点模糊之类的无法区分的情况，实现了多目标的定位成像。理论分析和仿真实验证明了本发明能有效应用于地下近场多目标定位成像。

综上所述，本发明为频率分集阵列应用于探地雷达近目标探测成像提供了可能，仿真实验验证了本发明的有效性。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，具体包括步骤如下：

步骤1.构造多发多收的频率分集阵列；

步骤2.利用步骤1构造的频率分集阵列对成像空间进行扫描，得到所有回波信号；

步骤3.对步骤2得到的所有回波信号分别进行匹配滤波，得到基带回波信号；

步骤4.将步骤3得到的所有基带回波数据表示成矢量形式，并构建扫描权矢量；

步骤5.利用步骤4构建的扫描权矢量进行波束扫描，得到扫描输出，遍历整个成像空间，对水平距离和垂直距离进行逐点计算，即可完成该区域内的二维成像。

2.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤1所构造的频率分集阵列的各个阵元既接收自身发出的信号，又接收其他各阵元发出的信号。

3.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤1中，构造的频率分集阵列的每个阵列的发射频率依次线性增加，则第n个阵元发射信号的载频f_n为：

f_n＝f₀+nΔf

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，Δf为频率分集阵列的初始频率偏置，n＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。

4.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤2中，第m个阵元接收的回波信号y_m(t)为：

式中，σ_p为目标的散射系数，f_n为第n个阵元发射信号的载频，t表示时间变量，X_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z_p为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，d为频率分集阵列的阵元间隔，v为电磁波在地下介质中的传播速度，n_m(t)为第m个阵元接收到的高斯白噪声，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。

5.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤3的具体步骤为：

步骤3.1.各个阵元的接收端利用滤波器对信号进行分离，则第m个阵元接收到的信号经滤波输出后得到由第n个阵元发射信号的回波y_nm(t)为：

步骤3.2.经相干检波变为基带处理，则第m个阵元接收到的信号经相干检波输出后得到由第n个阵元发射信号的回波y_nm(X_p,Z_p)为：

式中，σ_p为目标的散射系数，f₀为频率分集阵列的基准载频，f_n为第n个阵元发射信号的载频，t表示时间变量，X_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z_p为观测目标点与频率分集阵列参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，n_nm(t)为第m个阵元接收到第n个阵元发射信号的高斯白噪声，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数。

6.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤4所构建的扫描权矢量w(X,Z)为：

w(X,Z)＝[r₀₀(X,Z)…r_0N-1(X,Z)r₁₀(X,Z)…r_N-1N-1(X,Z)]^T

其中，

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，f_n为第n个阵元发射信号的载频，X为像素点与频率分集阵列的参考阵元的水平方向即阵列方向的距离，Z为像素点与频率分集阵列的参考阵元的垂直方向即深度方向的距离，v为电磁波在地下介质中的传播速度，d为频率分集阵列的阵元间隔，n＝0,1,…,N-1，m＝0,1,…,N-1，N为频率分集阵列的阵元个数，上标T表示转置。

7.根据权利要求1所述的MIMO-FDA探地雷达近目标二维成像方法，其特征是，步骤5的扫描输出I(X,Z)为：

I(X,Z)＝|w^H(X,Z)y|

其中，w(X,Z)为构建的扫描权矢量，y为所有的回波数据，上标H表示共轭转置。