CN108919260A - 用于mimo阵列的相移偏移成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法及装置，该方法包括：接收宽带信号经目标散射后得到的原始散射回波信号；将原始散射回波信号变换到MIMO阵列所在空间频率域，确定原始空间谱；将相位偏移因子展开得到固定距离相移因子、固定波数因子和傅里叶变换因子；将原始空间谱结合固定距离相移因子与傅里叶变换因子，确定第一空间谱；将第一空间谱结合固定波数相移因子得到第二空间谱；根据第二空间谱确定目标成像函数。本发明通过相移偏移因子合理的近似与展开，加快了MIMO相移偏移成像速度，在高质量成像的前提下，缩短了成像时间，加快了成像速度。

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

MIMO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有MIMO-RMA(range migration algorithm，RMA)、基于MIMO阵列的PSM算法(phase shift migration，PSM)，PSM算法在波数域内完成图像的重建，PSM算法最大的特点是它在方位向进行快速傅里叶变换，在波数域积分实现距离向聚焦，从而能够得到质量很好的成像效果，但由于存在一个维度的积分过程，因此计算速度相比三个维度均采用傅里叶变换操作的MIMO-RMA要慢；虽然RMA运算速度较快，但其中stolt插值对成像的质量和时间有非常大的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要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，以期至少部分地解决上述提及的至少一项技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法，包括以下步骤：

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；

将相位偏移因子展开得到固定距离相移因子、固定波数相移因子和傅里叶变换因子；

将所述原始空间谱结合所述固定距离相移因子与傅里叶变换因子，确定第一空间谱；

将所述第一空间谱结合固定波数相移因子，得到第二空间谱；

根据第二空间谱确定目标的三维成像函数。

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三维成像函数的影响，所述原始散射回波信号转换为简化公式：

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，由此确定的所述原始空间谱的公式为：

在本发明的一些实施例中，利用以下公式将所述相位偏移因子展开，以得到固定距离相移因子、固定波数相移因子和傅里叶变换因子：

其中：H₀＝exp(j·2k_bz)，

k_c为发射宽带信号中心频率所对应的波数，k_b＝k-k_c，z＝z_M，z_M为距离向z的若干个实数等间隔取值，z₀为所述z_M的取值范围内的中间点，H₁为固定距离相移因子，H₂为固定波数相移因子，H₀为宽带信号所对应的傅里叶变换因子。

在本发明的一些实施例中，所述确定第一空间谱的步骤包括：

将所述原始空间谱与固定距离相移因子相乘得到固定距离空间谱；

将固定距离空间谱结合所述傅里叶变换因子对波数维度进行逆傅里叶变换得到第一空间谱。

在本发明的一些实施例中，所述固定距离空间谱的公式为：

所述第一空间谱的公式为：

在本发明的一些实施例中，所述确定第二空间谱的步骤包括：

将第一空间谱与固定波数相移因子相乘得到第二空间谱；

利用空间频率域的坐标关系，对所述第二空间谱进行重排，得到重排后的第二空间谱。

在本发明的一些实施例中，所述第二空间谱公式为：

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；

所述重排后第二空间谱公式为：

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

在本发明的一些实施例中，所述三维成像函数通过将所述重排后的第二空间谱进行二维逆傅里叶变换得到，所述目标的三维成像函数为：

U(x，y，z)＝∫U(k_x，k_y，z)·exp(jk_xx)·exp(jk_yy)dxdy。

作为本发明的另一个方面，提供一种用于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，执行如上所述的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法。

基于上述技术方案，本发明用于MIMO阵列的相移偏移成像方法及装置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，再结合展开后的相移偏移因子，经过傅里叶变换，得到成像函数。通过引入相移偏移算法，简化了处理步骤。如此，在三个维度均采用快速傅里叶变化的处理，加快了成像时间，又延续了相移偏移成像质量高的优点，做到快速高质量成像，避免了MIMO-RMA中stolt插值带来的不精确以及耗时的问题。

2、还根据空间频率域的坐标关系，简化了空间谱，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8发8收MIMO线性阵列实例示意图；

图4为本发明实施例步骤S4的具体步骤示意图；

图5为本发明实施例步骤S5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。本发明旨在介绍一种基于MIMO阵列的快速三维成像算法。在相移偏移成像算法(phase shift migration，PSM)运用于MIMO阵列的基础上，修改了PSM算法最耗时的积分过程并修改了PSM算法最耗时的积分过程，使其三个维度均采用快速傅里叶变换的过程，加快了成像速度。从成像精度来讲，本发明成像精度与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，本发明成像时间远快于BP算法，与RMA相当。

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

作为本发明的一个方面，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，该相移偏移成像方法包括以下步骤：

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该原始散射回波信号。

在本实施例中，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。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，原始散射回波信号的公式为：

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。

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，所述原始散回波信号转换为简化公式：

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。

步骤S2：将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。

具体地，本步骤是通过对前述简化公式进行四维傅里叶变换实现的，由此确定的原始空间谱的公式为：

步骤S3：将相位偏移因子展开得到固定距离相移因子、固定波数相移因子和傅里叶变换因子。

具体地，将相位偏移因子exp(jk_zz)展开如下：

可得到三个子相移因子，即为：

H₀＝exp(j·2k_bz)，

其中，k_c为发射宽带信号中心频率所对应的波数，k_b＝k-k_c，z＝z_M，z_M为距离向z的若干个实数等间隔取值，z₀为所述z_M取值范围内的中间点，H₁为固定距离相移因子，H₂为固定波数相移因子，H₀为宽带信号所对应的傅里叶变换因子。

步骤S4：将原始空间谱结合固定距离相移因子与傅里叶变换因子，确定第一空间谱。

如图4所示，本步骤具体包括：

子步骤S41：将原始空间谱与固定距离相移因子相乘得到固定距离空间谱，得到的固定距离空间谱的公式为：

子步骤S42：将固定距离空间谱结合所述傅里叶变换因子对波数维度进行逆傅里叶变换得到第一空间谱的公式为：

步骤S5：将第一空间谱结合固定波数相移因子得到第二空间谱。

如图5所示，本步骤具体包括：

子步骤S51：将第一空间谱与固定波数相移因子相乘得到第二空间谱的公式为：

子步骤S52：利用空间频率域的坐标关系，对第二空间谱进行重排，得到重排后的第二空间谱。

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

重排后的第二空间谱公式为：

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

利用空间频率域的坐标关系可以简化第二空间谱，减少自变量，利于后续成像。

步骤S6：根据第二空间谱确定目标的三维成像函数，本步骤基于步骤S5得到的重排后的第二空间谱，即为：

U(x，y，z)＝∫U(k_x，k_y，z)·exp(jk_xx)·exp(jk_yy)dxdy。

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，并且利用相位偏移因子的展开，完成了把波数域积分向傅里叶变换的转化，节省了成像时间。

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，用于存储指令；

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

综上，本发明旨在介绍用于MIMO阵列的相移偏移成像算法。在相移偏移成像算法(phase shift migration，PSM)运用于MIMO阵列的基础上，修改了PSM算法最耗时的积分过程，使其三个维度均采用快速傅里叶变换的过程，加快了成像速度。从成像精度来讲，本发明成像精度与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，本发明成像时间远快于BP算法，与RMA相当。

需要说明的是，“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的启示一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

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，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 (10)

1.一种用于MIMO阵列的相移偏移成像方法，包括以下步骤：

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；

将相位偏移因子展开得到固定距离相移因子、固定波数相移因子和傅里叶变换因子；

将原始空间谱结合所述固定距离相移因子与傅里叶变换因子，确定第一空间谱；

将第一空间谱结合固定波数相移因子得到第二空间谱；

根据所述第二空间谱确定目标的三维成像函数。

2.根据权利要求1所述的相移偏移成像方法，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。

3.根据权利要求2所述的相移偏移成像方法，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三维成像函数的影响，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。

4.根据权利要求3所述的相移偏移成像方法，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，由此确定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′。

5.根据权利要求4所述的相移偏移成像方法，其中，利用以下公式将所述相位偏移因子展开，以得到固定距离相移因子、固定波数相移因子和傅里叶变换因子：

其中：H₀＝exp(j·2k_bz)，

k_c为发射宽带信号中心频率所对应的波数，k_b＝k-k_c，Z＝Z_M，Z_M为距离向z的若干个实数等间隔取值，Z₀为所述Z_M的取值范围内的中间点，H₁为固定距离相移因子，H₂为固定波数相移因子，H₀为宽带信号所对应的傅里叶变换因子。

6.根据权利要求5所述的相移偏移成像方法，其中，所述确定第一空间谱的步骤包括：

将所述原始空间谱与固定距离相移因子相乘得到固定距离空间谱；

将固定距离空间谱结合所述傅里叶变换因子对波数维度进行逆傅里叶变换得到第一空间谱。

7.根据权利要求6所述的相移偏移成像方法，其中：

所述固定距离空间谱的公式为：

所述第一空间谱的公式为：

8.根据权利要求7所述的相移偏移成像方法，其中，所述确定第二空间谱的步骤包括：

将第一空间谱与固定波数相移因子相乘得到第二空间谱；

利用空间频率域的坐标关系，对所述第二空间谱进行重排，得到重排后的第二空间谱；

其中，所述第二空间谱公式为：

U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，z)

＝U(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，z₀，z)·H₂(k_xt，k_yt，k_xr，k_yr，z₀，z)；

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；

所述重排后的第二空间谱公式为：

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

9.根据权利要求8所述的相移偏移成像方法，其中，所述三维成像函数通过将所述重排后的第二空间谱进行二维逆傅里叶变换得到，所述目标的三维成像函数为：

U(x，y，z)＝∫U(k_x，k_y，z)·exp(jk_xx)·exp(jk_yy)dxdy。

10.一种用于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9任意一项所述的用于MIMO阵列的相移偏移成像方法。