半波长均匀扫描的MIMO阵列排布及其合成孔径成像方法

本发明属于毫米波mimo合成孔径雷达成像，涉及mimo阵列布局及其级联扫描成像方法。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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：

2、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：

3、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；

4、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。

5、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。

6、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。

7、进一步地，所述步骤10、mimo阵列合成孔径成像的步骤具体为：

8、(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；

9、(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；

10、(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)；

11、(4)对scor(x',y',k)做二维傅里叶变换得到scor(kx,ky,k)；

12、(5)对scor(kx,ky,k)中的k域做stolt插值得到scor(kx,ky,kz)；

13、(6)对scor(kx,ky,kz)执行逆三维傅里叶变换即得到重建的目标。

14、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：

15、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：

16、

17、

18、则任意发射天线对接收到的回波信号为

19、

20、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

21、

22、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：

23、相位校准后的回波，即：

24、

25、其中

26、s0(x',y',k)＝e-j2kr

27、

28、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：

29、

30、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：

31、

32、kx＝kx'

33、ky＝ky'。

34、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：

35、

36、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：

37、

38、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：

39、

40、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)。

41、本发明的优点及有益效果如下：

42、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。

43、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。