专利名称：一种基于mimo技术的三维成像方法
技术领域：
本发明涉及一种阵列成像方法。
背景技术：
在水下声成像、雷达成像以及医学成像等阵列成像领域，为了获得目标或成像区域的三维坐标信息，需要使用具有三维空间分辨能力的平面阵或柱面阵等阵列(Murino Vand Trucco A, Three-dimensional image generation and processing in underwateracoustic vision, in Proc. IEEE, 2000; 88 (12) :103-1948. )D 为了获得更好的三维成像效果，如何提高成像系统的分辨率一直是研究的热点。三维成像系统的分辨率包括距离分辨率和方位分辨率。距离分辨率由发射信号的带宽决定，可以通过增加信号带宽来提高。方位分辨率则由阵列的有效孔径决定。为了获得足够的方位分辨率，要求阵元数目足够多。为了避免出现空间欠采样而带来的栅瓣，要求阵元间距一般不能超过信号最高频率对应的半 波长。因此，巨大的阵元个数不但会导致成像阵列的尺寸变得太大，也会带来巨大的阵元成本。为了减少三维成像系统中的阵元个数从而降低成本，Turnbull (TurnbullD H and Foster F S，Beam steering with pulsed two dimensional transducerarrays, IEEE Trans. Ultrason.，Ferroelect.，Freq.Contr·，1991;38 (4):320 - 333.Turnbull D H and Foster F S，Simulation of B—scan images from two-dimensionaltransducer arrays: Part 11-Comparison between I inear and two dimensionalphased arrays, Ultrason. Imag. , 1992; 14 (4) : 334 - 353. )Λ Weber (Weber P K，SchmittR MjTylkowski B D and Steck J，Optimization of random sparse 2-D transducerarrays for 3-D electronic beam steering and focusing, in Proc. IEEE Ultroson.Symp.，1994:1503-1506. )、Holm (Holm S，Austeng A,Iranpour K，and Hopperstad JFj Sparse sampling in array processing, in Sampling Theory and Practice, (MarvastiF Ed.), New York:Plenum，2001，ch. 19)和 Austeng (Austeng A, Holm Sj Weber Pj AakvaagN，and Iranpour K，ID and 2D algorithmically optimized sparse arrays,in Proc.IEEE Ultrason. Symp.，1997:1683-1686.)等人提出利用一些优化算法一如随机布阵法、模拟退火法和线性规划法等设计稀疏阵列。这些优化算法能够将三维成像阵列中的阵元去掉一部分，同时保证阵列的方位分辨率几乎保持不变(与原来的密集阵列相比)。除此之夕卜，Sumanaweera (Sumanaweera T Sj Schwartz Jj and Napolitano Dj A spiral 2Dphased array for 3D imaging, in Proc. 1999 IEEE Ultrason. Symp. , Caesars Tahoe, NV,1999:1271-1274.)等人也提出了螺旋布阵的方法，使用相对较少的阵元获得了与原密集阵列类似的方位分辨率。但是，这些经过优化后的稀疏阵只能节省大约一半的阵元个数。高分辨三维成像系统为了获得足够的方位分辨率，通常阵元数目都很巨大。以阵元个数为60X60 = 3600的平面阵为例，与其对应的、经过优化后的稀疏阵阵元个数大约为1800。虽然有所减少，但是这1800个阵元仍然不是小数目，与其配套的硬件设施等仍会导致成像系统的成本过高。此外，经过优化后的稀疏阵列，其阵列尺寸并没有减小，高方位分辨率仍然会带来阵列尺寸过大的问题。由于设计稀疏阵等方法并不能很好地降低三维成像系统的阵元成本，王党卫(Wang D ff, Ma X Y, Chen A L, and Su Y, Two dimensional imaging via a narrowbandMIMO radar system with two perpendicular linear arrays,IEEE Trans. ImageProcess. , 2010; 19 (5) : 1260-1279.)和段广青(Duan G Q, Wang D ff and Ma X Y,Three-dimensional imaging via wideband MIMO radar system, IEEE Lett. Geos, remotesens.，2010 ；7(3) :445-449.)等人研究了由两条相互垂直的线列阵组成的多输入多输出(ΜΙΜ0, Multiple-Input Multiple-Output)雷达的三维成像能力。这两条线列阵一个为M元的发射线列阵，另一个为N元的接收线列阵，其可以等效为具有I个发射阵元和MN个接收阵元的矩形平面阵。这样的MIMO阵列，其节省的阵元数目为MN+1-M-N，与前面所述的稀疏阵列和螺旋阵列相比，大大减少了阵元数目。但是这种阵型的方位分辨率是由这两个互相垂直的线列阵的阵列尺寸决定。要想获得更高的方位分辨率，就不可避免地要加大阵列尺寸或者提高发射信号频率。对于一些内部空间有限的三维成像系统而言(如由水下航行 器搭载的水下三维成像系统)，加大尺寸会导致阵列变得太大而难以安装。提高发射信号频率也会带来栅瓣和更大的吸收损失。因此，这种MIMO阵列虽然能够节省阵元个数，但是却无法减小阵列尺寸。
发明内容
为了克服现有三维成像系统在节省阵元个数和减小阵列尺寸上遇到的困难，本发明提出一种新的基于MIMO技术的三维成像方法。该方法通过设计期望的发射与接收阵列、正交发射波形与接收端处理方法，达到了节省阵元个数并减小阵列尺寸的目的。与矩形阵或稀疏阵相比，本发明中的MMO阵列可节省大量阵元，同时阵列尺寸也缩减为前者的一半。与王党卫和段广清等人的提出的MMO阵列相比，本发明中的MMO阵列的尺寸也仅仅是其一半(前提是两种阵列的方位分辨率相同)。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤I)设计由位于矩形4条边上的4个均匀线列阵组成的MMO阵列，其中一组对边上放置2个发射线列阵，2个发射线列阵的阵元个数和阵元间距都相同，另一组对边上放置2个接收线列阵，2个接收线列阵的阵元个数和阵元间距都相同；2个发射线列阵之间的距离等于I个接收线列阵上的阵元间距乘以阵元个数，2个接收线列阵之间的距离等于I个发射线列阵上的阵元间距乘以阵元个数；2)采用M个正交信号作为发射信号，这些正交信号的自相关函数具有相同的主瓣包络，且最大旁瓣值小于等于主瓣值的0. I倍，同时其互相关函数的最大值小于等于自相关函数最大值的0. I倍；3)M个发射阵元发射M个满足步骤2)中要求的发射信号；4)在接收端采集回波，用M个发射信号对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，获得MN个输出，每个匹配滤波输出为发射信号的自相关函数；5)对匹配滤波输出进行波束形成，通过调节波束形成器的指向使得目标区域被多个波束覆盖，对每个波束的输出进行TOA估计，最后将各个波束下的TOA转化为以x、y和z坐标表示的目标区域的三维图像。本发明的有益效果是本发明的基本原理和实施 方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明与传统三维成像系统中使用的阵列相比(如未经优化的密集阵列和经过优化的稀疏阵列)，本发明中的MIMO阵列不但可以大大节省阵元个数，也可以使成像阵列的尺寸减半。本发明中，通过合理地布阵，M发N收的MMO阵列可以等效为I发MN收的矩形平面阵，且该矩形平面阵的尺寸为MMO阵列的2倍，也就是该矩形平面阵所占据的矩形面积为MMO阵列所占据的矩形面积的4倍。因此该MMO阵列不但大大节省了阵元个数(实际节省了 MN+1-(M+N)个阵元)，也使得阵列尺寸减半。与王党卫等人提出的MMO阵列相比，本发明中的MMO阵列具有同样的节省阵元效果，但是其尺寸却为王所提出的阵列的一半。王党卫等人的利用相互垂直的直线阵(一个线阵发射信号，另一个线阵接收回波)来等效出矩形平面阵，但是该矩形平面阵的尺寸与这种MIMO阵列的相同，即该矩形平面阵和这种MIMO阵列所占据的矩形面积是相等的。而本发明中的MIMO阵列却只需要一半的尺寸即可等效出同样的矩形平面阵，因此可以在获得相等的方位分辨率、节省同样多阵元个数的前提下使得阵列尺寸减半。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图I为具有任意阵型的MMO阵列的坐标系统，其中实心圆为发射阵元，空心圆为接收阵元。图2为两个处于同一直线上的MMO线列阵等效为更大孔径线列阵的示意图，其中图2 (a)为只有2个发射阵元的MIMO阵列(实心圆代表发射阵元，空心圆代表接收阵元)，图2 (b)是其等效的2倍孔径的虚拟阵列(阴影圆代表虚拟接收阵元)。图3为与图2中的MMO阵列同尺寸的单输入多输出(SMO，Single-InputMultiple-Output)阵列,其中在原点处,发射阵元与I个接收阵元的位置重合。图4为两个相互垂直的线列阵等效为矩形平面阵的示意图，其中左侧为MMO阵列，右侧是其等效的虚拟平面阵。图5为本发明所提出的MMO阵列及其等效的虚拟平面阵的示意图，其中左侧为MIMO阵列，右侧是其等效的虚拟平面阵。图6为两个正交多相编码信号的自相关函数及其互相关函数，其中子码个数为256 (为了显示清晰，只画出了两个自相关函数主瓣左右和互相关函数最大值左右各32个点的数值)。图7为本发明中主要步骤的流程。图8为处理回波以获得三维像的流程。图9为阵列尺寸示意图，其中图9 (a)为MMO阵列的尺寸，图9 (b)为等分辨的矩形平面阵的尺寸。
图10为MMO阵列和矩形平面阵的波束图，其中图10 (a)为V=O时的u空间波束图，图 10 (b)为 U=O 时的 V 空间波束图,其中 u = sin( Θ )cos(<i)), v = sin( Θ )sin(<i)),Θ和Φ分别是俯仰角和方位角。图11为仿真的三维地形及三维成像的结果，其中图11 (a)原始的三维地形，图11(b) 图11 (e)为MMO阵列在子码个数分别为16、32、64和128时的三维成像结果，图11Cf)为矩形平面阵的三维成像结果。图12为分别使用MIMO阵列和矩形平面阵进行成像时的均方误差。
具体实施例方式本发明的主要内容有I.利用MMO阵列可以获得虚拟阵元的优点来进行三维成像，大大减少 阵元个数，降低阵元成本。2.根据虚拟阵元与实际阵元的位置关系来设计所需的成像阵列，阵列尺寸减小为同分辨的矩形阵的一半。更具体地说，本发明中的MIMO阵列占用的面积为矩形阵的1/4。3.通过计算机数值仿真给出了具有相同方位分辨率的矩形平面阵和MMO阵列的尺寸与波束图。4.通过计算机数值仿真给出了矩形平面阵列和MMO阵列的三维成像结果。本发明解决现存问题所采用的技术方案是6)设计既能节省阵元个数、又具有更高方位分辨率的MMO阵列。M发N收的MMO阵列可以等效为一个I发MN收的虚拟阵列。虚拟发射阵元位于坐标原点，虚拟接收阵元的坐标为一对实际的发射、接收阵元的坐标之和。根据此，设计出由位于矩形4条边上的4个均匀线列阵组成的MMO阵列。其中一组对边上放置2个发射线列阵(2个发射线列阵的阵元个数和阵元间距都相同)，另一组对边上放置2个接收线列阵(2个接收线列阵的阵元个数和阵元间距都相同)。2个发射线列阵之间的距离等于I个接收线列阵上的阵元间距乘以阵元个数；类似地，2个接收线列阵之间的距离等于I个发射线列阵上的阵元间距乘以阵元个数。如此布置的MIMO阵列，可以等效2倍尺寸的矩形平面阵，既节省了阵元个数，又使得方位分辨率倍增。7)设计好成像阵列后，采用具有良好的自相关和互相关特性的正交信号作为发射信号。这些正交信号的自相关函数具有相同的主瓣包络和很低的旁瓣(最大旁瓣值小于等于主瓣值的O. I倍)，同时其互相关函数的最大值小于等于自相关函数最大值的O. I倍。8)选择好成像阵列和发射信号后，进行三维成像。M个发射阵元发射M个满足步骤2)中要求的信号。由于发射信号之间互相独立，其在传播过程中互不干扰。因此每个接收阵元上采集的回波可以认为是这M种信号经过不同时延和不同衰减之后的时域叠加的结果。9)在接收端，采集好回波后，用M个发射信号对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，可获得MN个输出。由于匹配滤波处理相当于求相关，因此每个匹配滤波器的输出为自相关函数和互相关函数的叠加。由步骤2)可知，互相关函数的值与自相关函数的值相比可以忽略。因此每个匹配滤波输出可以简化为发射信号的自相关函数。10)由于获取三维图像的方法很多，本发明以估计成像区域中多个离散点的三维坐标为例来阐述问题。对匹配滤波器的输出进行波束形成，通过调节波束形成器的指向使得目标区域被多个波束覆盖。对每个波束的输出进行TOA (Time Of Arrival)估计，最后将各个波束下的TOA转化为以X、y和z坐标表示的目标区域的三维图像。以下对本发明的每个步骤作进一步的详细说明步骤I)主要讲的是如何设置发射阵列和接收阵列的参数来设计所需的三维成像阵列，其所涉及的相关理论和具体内容如下假设MIMO阵列的发射阵和接收阵具有任意阵型，分别具有M个发射阵元和N个接收阵元，发射阵和接收阵以原点为中点和参考点。相对于阵列与目标之间的距离而言，该MMO阵列可看作是单基地阵列。具有任意阵型的MMO阵列如图I所示,其中实心圆代表发射阵元，空心圆代表接收阵元。以窄带信号为例，M发N收的MMO阵列的发射导向矢量at(0p)和接收导向矢量 ar(9p)分别可表示为αι(θρ,φρ) = &χρ{-]ω0[τ ρι,φ··,τ^ ]τ}(I)αΤ(θρ,φρ) = Qxp{-(2)其中，θ ρ是第ρ个散射点(该散射点位于阵列的远场范围内)的俯仰角，Φ P是其方位角，JW)是第m个发射阵元到第ρ个散射点的时延，r(n=l,2’…N)是第P个散射点到第η个接收阵元的时延，Otl为窄带信号的中心角频率，[·]Μ$表对向量或矩阵进行转置。MIMO阵列的导向矢可以表示为发射导向适量和接收导向矢量的直积(Li J, Stoica P, Xu L Z, and Roberts ff. On parameter identiflability ofMIMO radar. IEEE Signal Processing Letters, 2007;14 (12):968-971.),即φρ) = αι{θρ,φρ) ατ{θρ,φρ)
=exp{_MK + Of1 + C· · -X1 + r:· · ·，《+ γ:. TrV Cf}(3)其中， 代表直积。ata( Θ p)为丽X I维的列向量，设其第[(m-l)N+n]个值为复
数 a(m-l)N+n (θρ)，则得到aim帶ηφρ4ρ) 二 &χρ[-]ω0(τζη + rrpj](4)对于处于远场中的散射点，对式(4)进行推导，可以得到
{θρ Ap) = exp(_M2r0p ) exp[-‘/ — τζ + τρχη — τζ )]
(5)= exp(-jcoQ 2τζ) Qxp[-jkT (xtm + Xrn)]其中，<是坐标原点到第ρ个散射点的时延，k是波数并满足k = 2π/λ [sin0p，cos0p]T，λ是窄带信号中心频率对应的波长，xtm和xm分别为第m个发射阵元和第η个接收阵元的坐标列向量。根据式(3) 式(5)的导向矢量推导过程可知，M发N收的MMO阵列可以等效为I发MN收的虚拟阵列。虚拟阵列的发射阵元位于坐标原点，接收阵元的坐标为一对发射和接收阵元的坐标之和。用Xt表示虚拟发射阵元的坐标，表示第[(m-l)N+n]个虚拟接收阵元的坐标，其表达式分别为
权利要求
1. 一种基于MMO技术的三维成像方法，其特征在于包括下述步骤 1)设计由位于矩形4条边上的4个均匀线列阵组成的MMO阵列，其中一组对边上放置2个发射线列阵 ，2个发射线列阵的阵元个数和阵元间距都相同，另一组对边上放置2个接收线列阵，2个接收线列阵的阵元个数和阵元间距都相同；2个发射线列阵之间的距离等于I个接收线列阵上的阵元间距乘以阵元个数，2个接收线列阵之间的距离等于I个发射线列阵上的阵元间距乘以阵元个数； 2)采用M个正交信号作为发射信号，这些正交信号的自相关函数具有相同的主瓣包络，且最大旁瓣值小于等于主瓣值的O. I倍，同时其互相关函数的最大值小于等于自相关函数最大值的O. I倍； 3)M个发射阵元发射M个满足步骤2)中要求的发射信号； 4)在接收端采集回波，用M个发射信号对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，获得MN个输出，每个匹配滤波输出为发射信号的自相关函数； 5)对匹配滤波输出进行波束形成，通过调节波束形成器的指向使得目标区域被多个波束覆盖，对每个波束的输出进行TOA估计，最后将各个波束下的TOA转化为以x、y和z坐标表示的目标区域的三维图像。
全文摘要
本发明提供了一种基于MIMO技术的三维成像方法，利用MIMO阵列可以获得虚拟阵元的优点来进行三维成像，大大减少阵元个数，降低阵元成本；根据虚拟阵元与实际阵元的位置关系来设计所需的成像阵列，阵列尺寸减小为同分辨的矩形阵的一半。更具体地说，本发明中的MIMO阵列占用的面积为矩形阵的1/4；通过计算机数值仿真给出了具有相同方位分辨率的矩形平面阵和MIMO阵列的尺寸与波束图；通过计算机数值仿真给出了矩形平面阵列和MIMO阵列的三维成像结果。
文档编号G01S15/89GK102866401SQ20121028431
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者孙超, 刘雄厚, 卓颉, 郭祺丽 申请人:西北工业大学