CN116520321A - 半波长均匀扫描的mimo阵列排布及其合成孔径成像方法 - Google Patents

半波长均匀扫描的mimo阵列排布及其合成孔径成像方法 Download PDF

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CN116520321A CN202211550181.6A CN202211550181A CN116520321A CN 116520321 A CN116520321 A CN 116520321A CN 202211550181 A CN202211550181 A CN 202211550181A CN 116520321 A CN116520321 A CN 116520321A
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Abstract

本发明请求保护一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，属于毫米波MIMO合成孔径雷达成像技术领域。本发明通过可任意配置的MIMO线阵布局方式，并给出了级联方式和三维成像算法。利用MIMO技术和相位中心等效的概念，形成半波长均匀间隔的等效采样点，并结合合成孔径雷达成像技术，通过沿垂直于MIMO线阵方向机械扫描，形成大规模二维面阵，极大降低了天线使用数量、硬件成本。利用MIMO阵列获得目标回波数据和本发明提出的高效三维成像算法，可快速获得目标的高分辨率三维全息图像。该发明可应用与安检、医疗、MIMO‑SAR等成像领域。

Description

半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法
技术领域
本发明属于毫米波MIMO合成孔径雷达成像技术领域，涉及MIMO阵列布局及其级联扫描成像方法。
背景技术
公共安全是人类社会文明的重要标志。面对日益突出的安检需求，如何防止隐藏的武器、炸药等危险物品进入高密集人群公共场所是一个急迫问题。传统金属探测器仅能提供被检人员是否携带有金属物品的能力，无法具体区分金属物品是违禁品，还是硬币、腰带之类的普通物品。X光成像设备穿透力强，能够有效检测各种隐匿危险品，但是X射线的电离性，使得其不适合人体安检。只能扫描行李、背包。其他的一些成像设备如红外、激光雷达均没有毫米波穿透能力强，且容易受到环境因素影响。而毫米波不受环境影响，具有较强的穿透能力且对人体无害，非常适合用于安检成像。
毫米波成像系统目前面临者系统成本和复杂度的问题，这往往由收发天线的数量决定。而成像方位分辨率和空间采样率决定了收发天线的数量。成像的距离分辨率由发射信号的带宽决定，方位分辨率由雷达等效孔径长度决定。前者可以通过调频连续波(FMCW)雷达技术实现，后者可以结合合成孔径雷达(SAR)技术实现。
传统单站采样方案形成大孔径长度时会大大降低采样效率，而多发多收(MIMO)阵列就很好的解决了这一问题。为重构出高分辨率图像，MIMO阵列形成的等效采样间隔在极限情况下为四分之一波长，极限情况是指目标贴近扫描平面。然而实际应用场景下，目标都会距扫描面一定距离，这种情况下半波长的等效采样间隔足以满足高分辨率成像质量，在形成同样孔径长度时，半波长采样间隔需求的收发天线数量将减少一半。半波长的间隔也使得MIMO单元间方便地级联形成大规模MIMO线阵且干扰更少，在合成二维孔径时，只需沿垂直于MIMO阵列方向扫描，这大大提高了扫描效率。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法。本发明的技术方案如下：
一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其包括以下步骤：
步骤101、单个MIMO单元收发天线布局的步骤；及将L组MIMO单元级联的步骤；
步骤102、MIMO阵列合成孔径成像的步骤：其中，与MIMO阵列垂直的方向，通过机械移动MIMO阵列方式来形成等效采样点，每次移动半波长，移动次数由该方向的孔径长度决定。
进一步地，所述步骤101中单个MIMO单元收发天线布局的步骤为：以两个间隔为一倍波长λ的发射天线为一组，一个MIMO单元布置N组发射天线，M个接收天线，总共有2N个发射天线和M个接收天线；其中每组发射天线间隔为2M倍波长，接收天线以2倍波长的间隔均匀分布；发射、接收天线的垂直距离为h，MIMO单元的工作时序为：2N个发射天线依次工作，当每个发射天线工作时，M个接收天线同时接收回波信号，取发射接收天线的中点为等效相位中心，则单个MIMO单元工作时总共可形成2NM个间隔为半波长的等效相位中心，合成的孔径长度为(2NM-1)λ/2。
进一步地，所述步骤101将L组MIMO单元级联的步骤具体为：第偶数个MIMO单元旋转180度，与邻近的前面一个MIMO单元呈中心对称，且相邻两MIMO单元之间间隔为半波长，级联后总共形成2NML个等效相位中心，总孔径长度为(2LNM-1)λ/2。
进一步地，所述步骤10、MIMO阵列合成孔径成像的步骤具体为：
(1)利用设计的MIMO线阵获得回波信号s(xT,xR,yT,yR,k)；发射、接收天线对的坐标分别为(xT,yT,0)和(xR,yR,0)，k表示空间波数；
(2)将目标中心位置作为参考点，相位校正因子通过数值仿真的理论回波和等效相位中心对应的收发分离天线实测回波得到，即其中分子表示收发一体情况下等效相位中心位置的理想回波数据，分母表示等效相位中心对应的收发天线分离情况下测得的回波数据，(x',y')表示等效相位中心位置方位坐标；
(3)将回波信号做多站转单站相位校正，即与校正参数相乘，得到相位校准后的回波数据scor(x',y',k)；
(4)对scor(x',y',k)做二维傅里叶变换得到scor(kx,ky,k)；
(5)对scor(kx,ky,k)中的k域做Stolt插值得到scor(kx,ky,kz)；
(6)对scor(kx,ky,kz)执行逆三维傅里叶变换即得到重建的目标。
进一步地，所述步骤(1)利用设计的MIMO线阵获得回波信号s(xT,xR,yT,yR,k)具体包括：
假设MIMO阵列所在平面为xoy平面，成像目标由无数多个散射点叠加而成，反射率为ρ(x,y,z)，坐标为(x,y,z)，发射、接收天线对的坐标分别为(xT,yT,0)和(xR,yR,0)，用RT、RR分别表示发射、接收天线到目标的距离满足：
则任意发射天线对接收到的回波信号为
其中k＝2πf/c表示波数，f为发射信号频率，c为光速，假设发射接收天线的中点坐标，即等效相位中心位置坐标为(x',y',0)，其中x'＝(xT+xR)/2,y'＝(yT+yR)/2，等效相位中心到目标距离为R，满足
进一步地，所述步骤(2)将目标中心位置作为参考点，通过理论回波和实测回波计算相位校正参数，即利用相位校正因子可以对回波信号做多站转单站相位校正，即与相位校正因子相乘，得到相位校准后的回波scor(x',y',k)，具体包括：
相位校准后的回波，即：
其中
s0(x',y',k)＝e-j2kR
s0(x',y',k)、s0(xT,xR,yT,yR,k)分别表示收发一体情况下等效相位中心位置的理想回波数据和等效相位中心对应的收发天线分离情况下测得的回波数据；将e-j2kR分解为平面波的叠加，即：
其中kx′、ky′分别表示(x',y')对应的傅里叶角频率，是空间波数k的两个分量；同样(x,y)对应的空间傅里叶角频率分别为kx、ky，且满足：
kx＝kx'
ky＝ky'。
进一步地，所述步骤(3)中对回波信号做多站转单站相位校正，得到回波信号scor(x',y',k)后，更改scor(x',y',k)的积分顺序，得到：
用符号和/>分别表示二维傅里叶变换和二维傅里叶逆变换，/>和/>分别表示三维傅里叶变换和三维傅里叶逆变换，部分积分/>为ρ(x,y,z)的三维傅里叶变换，记为/>于是得到：
进一步地，所述步骤(6)对)执行三维傅里叶逆变换即可重构目标，具体包括：
对scor(x,y,k)做二维傅里叶变化得到scor(kx,ky,k)，由于k与kz的关系，使得其在kz域为非均匀的，通过stolt插值将数据从k域插值到kz域得到scor(kx,ky,kz)。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提供了一种可任意配置的MIMO线阵布局方式，其特点在于单个MIMO单元收发天线数量及其分布可根据实际设计情况任意配置，多个MIMO单元间可以方便级联形成大MIMO线阵。基于本文提出的MIMO线阵，提供了针对任意天线分布的目标三维成像方法。该发明的优点在于方便硬件设计人员根据实际情况调整天线布局，降低设计难度，且接收天线2倍波长的间距和发射天线组之间2M倍波长的间距大大降低了收发天线之间的干扰，具有更大的隔离度，同时可快速实现高分辨率成像，可以用于安检、毫米波MIMO合成孔径雷达成像等领域。
针对稀疏布阵技术，国内外众多学者也提出了不同的解决方案。如美国西北太平洋实验室的David M.Sheen等人(Proceedings of SPIE，90780I,2014)和专利CN106707275B分别提出了一种通用的线性稀疏阵列解决方案，两种方案均可总结为按N1:N2:Nc方式稀疏，其中线性稀疏阵列由Nc个重复单元组成，在每个单元内有N1个发射天线和N2个均匀分布接收天线，工作时每个发射天线将分别与2N2个接收天线进行配对依次工作(同一时间仅有一对收发天线工作)，得到2N2等效采样位置，所以整个阵列在理论上将得到2N1N2Nc个采样点。不同之处在于Sheen等人的方案会要求发射天线也为均匀排布，在阵列两端出现漏采样点，而且每个发射天线与左边两边邻近的2N2个接收天线的配对工作，收发天线的间距跨度较大，引入的等效相位中心近似误差也太大；专利CN106707275B将每个单元内的发射天线按1倍波长间隔与接收天线一边对齐，避免了漏采样的问题，但是发射天线全部聚集在一端，使收发天线的间距增大，引入了更大的相位误差。本发明综合考虑了阵列稀疏度和等效相位中心误差的关系，提出了新的MIMO稀疏阵列排布方式，即保证阵列在按半波长均匀等间隔采样的同时，不出现漏采样和重复采样的问题，且收发天线的最大间距适中，相应的等效相位中心误差也较小，在成像算法过程可以进行精确的校准，最终得到更加理想的成像效果。
附图说明
图1为本发明优选实施例的MIMO单元示意图。
图2为本发明优选实施例MIMO单元级联示意图。
图3为具体的实施例，该实施例MIMO单元包含一组发射天线，4个接收天线，即N＝1，M＝4。
图4为具体的实施例，该实施例MIMO单元包含两组发射天线，3个接收天线，即N＝2，M＝3。
图5为利用级联的大规模MIMO线阵扫描三维目标的示意图。
图6为针对实施例1和2，通过仿真得到的成像结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
参见图1，单个MIMO单元内发射天线和接收天线分别处于上下同一水平方向上，三角形表示发射天线，正方形表示接收天线。其中M个接收天线以两倍波长(2λ)等间隔排布在同一水平方向，发射天线以一倍波长(λ)间隔组成一组，图中共有N组发射天线排列在同一水平方向，且发射天线组间间隔为2M倍波长(2Mλ)。第一组接收天线和第一个发射天线的起始位置可以任意放置，发射接收天线的垂直距离可以根据实际情况确定。单个MIMO单元内N组发射天线共2N个，这2N个发射天线按从左到右顺序依次发射信号，当每个发射天线工作时，M个接收天线同时接收信号。取收发天线中间位置作为等效相位中心或称为等效采样点，图中用圆形表示。当所有的发射天线完成工作时，共可得到2NM个间隔为λ/2的等效采样点，总共形成的孔径长度为(2NM-1)λ/2。
参见附图2，将L组MIMO单元级联形成大MIMO线阵，其中第偶数个MIMO单元旋转180度，即与前面那个MIMO单元呈中心对称，且相邻两个MIMO单元间隔为λ/2。不同MIMO单元间按照各自的收发天线工作时序工作，不会相互影响。L组MIMO单元级联共有2LNM个间隔为λ/2的等效相位中心，得到的孔径长度为(2LNM-1)λ/2。
可以根据实际情况选取单个MIMO单元内发射天线组数与接收天线个数，及参数N与M。图3给出了1组发射天线4个接收天线的排布图。图4给出了2组发射天线3个接收天线的排布图。
如图5，在实际应用场景中，为形成大的二维孔径，MIMO阵列方向通过级联方式形成长孔径，级联的MIMO单元个数有该方向实际孔径长度决定。与MIMO阵列垂直的方向通过机械扫描方式合成长孔径，机械每次移动λ/2，假设该方向合成孔径长度为D，则总共需要移动2D/λ次，最终可形成水平垂直间隔均为λ/2的等效MIMO面阵。
本发明所涉及的成像算法步骤如下：
(1)、获取二维面阵中每个发射天线对的回波数据：
(2)、利用仿真软件计算两组数据。1、考虑实际收发天线相对位置，由目标中心产生的理想回波数据2、不考虑收发天线相对位置，通过等效相位中心照射目标中心产生的理想回波数据s0(x',y',k)＝e-j2kR
(3)、利用仿真的两组数据对实际的回波信号做多站转单站的相位校正得到scor(x',y',k)
(4)、对校正后的信号scor(x',y',k)做二维傅里叶变换得到scor(kx,ky,k)。
(5)、对scor(kx,ky,k)做stolt插值得到scor(kx,ky,kz)。
(6)、对scor(kx,ky,kz)执行三维傅里叶逆变换即可重构目标。
下面以两个实施例来进一步对本发明进行说明。
实施例一：
如图3，天线布局为1组发射天线，4个接收天线，单个MIMO单元由8个等效相位中心。发射的线性调频信号频段范围为77-81GHz，按中心频率79GHz计算波长，得到λ＝3.8mm，半波长λ/2＝1.9mm，则单个MIMO单元得到的8个等效采样点形成的扫描长度为13.3mm。假设需要合成300×300mm的二维孔径，则在MIMO阵列方向需要20片MIMO单元级联，总共在该方向形成160个等效采样点。垂直于阵列方向通过移动MIMO阵列形成长孔径，每次移动λ/2＝1.9mm，为形成300mm的孔径，总共需要移动159次，形成的二维面阵总共有160×160＝25600个等效采样点。而整个成像系统所使用的收发天线个数为(2N+M)L＝120。
实施例二：
如图4，天线布局为2组发射天线，3个接收天线，单个MIMO单元由8个等效相位中心。发射的线性调频信号频段范围为77-81GHz，按中心频率79GHz计算波长，得到λ＝3.8mm，半波长λ/2＝1.9mm，则单个MIMO单元得到的12个等效采样点形成的扫描长度为20.9mm。假设需要合成300×300mm的二维孔径，则在MIMO阵列方向需要13片MIMO单元级联，总共在该方向形成156个等效采样点。垂直于阵列方向通过移动MIMO阵列形成长孔径，每次移动λ/2＝1.9mm，为形成300mm的孔径，总共需要移动159次，形成的二维面阵总共有156×160＝24960个等效采样点。而整个成像系统所使用的收发天线个数为(2N+M)L＝91。
两组实施例除了单个MIMO单元内收发天线数量和级联片数不一样外，其余均一样。两组实例均通过建模仿真得到了验证，成像目标为分辨率板。如图6，水平方向与垂直方向均含有4组条纹，每组又包含3个小条纹，条纹的长度均为30mm，条纹的宽度与间隔依次为2mm、4mm、6mm、8mm。利用上述两个实施例中的MIMO阵列排布方式对目标进行扫描得到回波数据，进而利用本发明所涉及的成像算法对分辨率板目标进行重建，图6中的成像结果可以看出2mm的间隔勉强可以区分，4mm以上的间隔均能够清晰地分辨出来，由此可以说明毫米波MIMO阵列及成像算法可以获得高分辨率成像结果，可以应用到安检、医疗成像等领域。
综上，本文发明提供了一种可任意配置的MIMO线阵布局方式，并给出了级联方式和三维成像算法。利用MIMO技术和等效相位中心的概念，形成半波长间隔的等效采样点，并结合合成孔径雷达成像技术，通过沿垂直于MIMO线阵方向机械扫描，形成大规模二维面阵，极大降低了天线使用数量。通过获得目标回波数据，经过6个步骤算法处理，可快速获得高分辨率三维全息图像。该发明可应用与安检、医疗、MIMO-SAR等成像领域。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤101、单个MIMO单元收发天线布局的步骤；及将L组MIMO单元级联的步骤；
步骤102、MIMO阵列合成孔径成像的步骤：其中，与MIMO阵列垂直的方向，通过机械移动MIMO阵列方式来形成等效采样点，每次移动半波长，移动次数由该方向的孔径长度决定。
2.根据权利要求1所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤101中单个MIMO单元收发天线布局的步骤为：以两个间隔为一倍波长λ的发射天线为一组，一个MIMO单元布置N组发射天线，M个接收天线，总共有2N个发射天线和M个接收天线；其中每组发射天线间隔为2M倍波长，接收天线以2倍波长的间隔均匀分布；发射、接收天线的垂直距离为h，MIMO单元的工作时序为：2N个发射天线依次工作，当每个发射天线工作时，M个接收天线同时接收回波信号，取发射接收天线的中点为等效相位中心，则单个MIMO单元工作时总共可形成2NM个间隔为半波长的等效相位中心，合成的孔径长度为(2NM-1)λ/2。
3.根据权利要求2所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤101将L组MIMO单元级联的步骤具体为：第偶数个MIMO单元旋转180度，与邻近的前面一个MIMO单元呈中心对称，且相邻两组之间间隔为半波长，级联后总共形成2NML个等效相位中心，总孔径长度为(2LNM-1)λ/2。
4.根据权利要求1所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤10、MIMO阵列合成孔径成像的步骤具体为：
(1)利用设计的MIMO线阵获得回波信号s(xT,xR,yT,yR,k)；发射、接收天线对的坐标分别为(xT,yT,0)和(xR,yR,0)，k表示空间波数；
(2)将目标中心位置作为参考点，相位校正因子通过数值仿真的理论回波和等效相位中心对应的收发分离天线实测回波得到，即其中分子表示收发一体情况下等效相位中心位置的理想回波数据，分母表示等效相位中心对应的收发天线分离情况下测得的回波数据，(x',y')表示等效相位中心位置方位坐标；
(3)将回波信号做多站转单站相位校正，即与校正参数相乘，得到相位校准后的回波数据scor(x',y',k)；
(4)对scor(x',y',k)做二维傅里叶变换得到scor(kx,ky,k)；
(5)对scor(kx,ky,k)中的k域做Stolt插值得到scor(kx,ky,kz)；
(6)对scor(kx,ky,kz)执行逆三维傅里叶变换即得到重建的目标。
5.根据权利要求4所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤(1)利用设计的MIMO线阵获得回波信号s(xT,xR,yT,yR,k)具体包括：
假设MIMO阵列所在平面为xoy平面，成像目标由无数多个散射点叠加而成，反射率为ρ(x,y,z)，坐标为(x,y,z)，发射、接收天线对的坐标分别为(xT,yT,0)和(xR,yR,0)，用RT、RR分别表示发射、接收天线到目标的距离满足：
则任意发射天线对接收到的回波信号为
其中k＝2πf/c表示波数，f为发射信号频率，c为光速，假设发射接收天线的中点坐标，即等效相位中心位置坐标为(x',y',0)，其中x'＝(xT+xR)/2,y'＝(yT+yR)/2，等效相位中心到目标距离为R，满足
6.根据权利要求5所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤(2)将目标中心位置作为参考点，通过理论回波和实测回波计算相位校正因子，即利用相位校正因子可以对回波信号做多站转单站相位校正，即与相位校正因子相乘，得到相位校准后的回波scor(x',y',k)，具体包括：
相位校准后的回波，即：
其中
s0(x',y',k)＝e-j2kR
s0(x',y',k)、s0(xT,xR,yT,yR,k)分别表示收发一体情况下等效相位中心位置的理想回波数据和等效相位中心对应的收发天线分离情况下测得的回波数据；将e-j2kR分解为平面波的叠加，即：
其中kx′ky′分别表示(x',y')对应的傅里叶角频率，是空间波数k的两个分量；同样(x,y)对应的空间傅里叶角频率分别为kx,ky，且满足：
kx＝kx'
ky＝ky'。
7.根据权利要求6所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，针对步骤(3)中回波信号做多站转单站相位校正，得到回波信号scor(x',y',k)后，更改scor(x',y',k)的积分顺序，得到：
用符号F 2和F2 -1分别表示二维傅里叶变换和二维傅里叶逆变换，F 3和F3 -1分别表示三维傅里叶变换和逆三维傅里叶变换，部分积分为ρ(x,y,z)的三维傅里叶变换，记为/>于是得到：
8.根据权利要求7所述的一种半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法，其特征在于，所述步骤(6)对scor(kx,ky,kz)执行逆三维傅里叶变换即可重构目标，具体包括：
ρ(x,y,z)＝F3 -1[F2 scor(x,y,k)]
对scor(x,y,k)做二维傅里叶变化得到scor(kx,ky,k)，由于k与kz的关系，使得其在kz域为非均匀的，通过stolt插值将数据从k域插值到kz域得到scor(kx,ky,kz)。
CN202211550181.6A 2022-12-05 2022-12-05 半波长均匀扫描的mimo阵列排布及其合成孔径成像方法 Pending CN116520321A (zh)

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