一種基于MIMO技術的三維成像方法技術

本發(fā)明專利技術提供了一種基于MIMO技術的三維成像方法，利用MIMO陣列可以獲得虛擬陣元的優(yōu)點來進行三維成像，大大減少陣元個數，降低陣元成本；根據虛擬陣元與實際陣元的位置關系來設計所需的成像陣列，陣列尺寸減小為同分辨的矩形陣的一半。更具體地說，本發(fā)明專利技術中的MIMO陣列占用的面積為矩形陣的1/4；通過計算機數值仿真給出了具有相同方位分辨率的矩形平面陣和MIMO陣列的尺寸與波束圖；通過計算機數值仿真給出了矩形平面陣列和MIMO陣列的三維成像結果。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種陣列成像方法。
技術介紹
在水下聲成像、雷達成像以及醫(yī)學成像等陣列成像領域，為了獲得目標或成像區(qū)域的三維坐標信息，需要使用具有三維空間分辨能力的平面陣或柱面陣等陣列(Murino Vand Trucco A, Three-dimensional image generation and processing in underwateracoustic vision, in Proc. IEEE, 2000; 88 (12) :103-1948. )D 為了獲得更好的三維成像效果，如何提高成像系統的分辨率一直是研究的熱點。三維成像系統的分辨率包括距離分辨率和方位分辨率。距離分辨率由發(fā)射信號的帶寬決定，可以通過增加信號帶寬來提高。方位分辨率則由陣列的有效孔徑決定。為了獲得足夠的方位分辨率，要求陣元數目足夠多。為了避免出現空間欠采樣而帶來的柵瓣，要求陣元間距一般不能超過信號最高頻率對應的半 波長。因此，巨大的陣元個數不但會導致成像陣列的尺寸變得太大，也會帶來巨大的陣元成本。為了減少三維成像系統中的陣元個數從而降低成本，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.)等人提出利用一些優(yōu)化算法一如隨機布陣法、模擬退火法和線性規(guī)劃法等設計稀疏陣列。這些優(yōu)化算法能夠將三維成像陣列中的陣元去掉一部分，同時保證陣列的方位分辨率幾乎保持不變(與原來的密集陣列相比)。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陣的方法，使用相對較少的陣元獲得了與原密集陣列類似的方位分辨率。但是，這些經過優(yōu)化后的稀疏陣只能節(jié)省大約一半的陣元個數。高分辨三維成像系統為了獲得足夠的方位分辨率，通常陣元數目都很巨大。以陣元個數為60X60 = 3600的平面陣為例，與其對應的、經過優(yōu)化后的稀疏陣陣元個數大約為1800。雖然有所減少，但是這1800個陣元仍然不是小數目，與其配套的硬件設施等仍會導致成像系統的成本過高。此外，經過優(yōu)化后的稀疏陣列，其陣列尺寸并沒有減小，高方位分辨率仍然會帶來陣列尺寸過大的問題。由于設計稀疏陣等方法并不能很好地降低三維成像系統的陣元成本，王黨衛(wèi)(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.)和段廣青(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.)等人研究了由兩條相互垂直的線列陣組成的多輸入多輸出(ΜΙΜ0, Multiple-Input Multiple-Output)雷達的三維成像能力。這兩條線列陣一個為M元的發(fā)射線列陣，另一個為N元的接收線列陣，其可以等效為具有I個發(fā)射陣元和MN個接收陣元的矩形平面陣。這樣的MIMO陣列，其節(jié)省的陣元數目為MN+1-M-N，與前面所述的稀疏陣列和螺旋陣列相比，大大減少了陣元數目。但是這種陣型的方位分辨率是由這兩個互相垂直的線列陣的陣列尺寸決定。要想獲得更高的方位分辨率，就不可避免地要加大陣列尺寸或者提高發(fā)射信號頻率。對于一些內部空間有限的三維成像系統而言(如由水下航行 器搭載的水下三維成像系統)，加大尺寸會導致陣列變得太大而難以安裝。提高發(fā)射信號頻率也會帶來柵瓣和更大的吸收損失。因此，這種MIMO陣列雖然能夠節(jié)省陣元個數，但是卻無法減小陣列尺寸。
技術實現思路
為了克服現有三維成像系統在節(jié)省陣元個數和減小陣列尺寸上遇到的困難，本專利技術提出一種新的基于MIMO技術的三維成像方法。該方法通過設計期望的發(fā)射與接收陣列、正交發(fā)射波形與接收端處理方法，達到了節(jié)省陣元個數并減小陣列尺寸的目的。與矩形陣或稀疏陣相比，本專利技術中的MMO陣列可節(jié)省大量陣元，同時陣列尺寸也縮減為前者的一半。與王黨衛(wèi)和段廣清等人的提出的MMO陣列相比，本專利技術中的MMO陣列的尺寸也僅僅是其一半(前提是兩種陣列的方位分辨率相同)。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟I)設計由位于矩形4條邊上的4個均勻線列陣組成的MMO陣列，其中一組對邊上放置2個發(fā)射線列陣，2個發(fā)射線列陣的陣元個數和陣元間距都相同，另一組對邊上放置2個接收線列陣，2個接收線列陣的陣元個數和陣元間距都相同；2個發(fā)射線列陣之間的距離等于本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于MIMO技術的三維成像方法，其特征在于包括下述步驟：1)設計由位于矩形4條邊上的4個均勻線列陣組成的MIMO陣列，其中一組對邊上放置2個發(fā)射線列陣，2個發(fā)射線列陣的陣元個數和陣元間距都相同，另一組對邊上放置2個接收線列陣，2個接收線列陣的陣元個數和陣元間距都相同；2個發(fā)射線列陣之間的距離等于1個接收線列陣上的陣元間距乘以陣元個數，2個接收線列陣之間的距離等于1個發(fā)射線列陣上的陣元間距乘以陣元個數；2)采用M個正交信號作為發(fā)射信號，這些正交信號的自相關函數具有相同的主瓣包絡，且最大旁瓣值小于等于主瓣值的0.1倍，同時其互相關函數的最大值小于等于自相關函數最大值的0.1倍；3)M個發(fā)射陣元發(fā)射M個滿足步驟2）中要求的發(fā)射信號；4)在接收端采集回波，用M個發(fā)射信號對N個接收陣元上的回波分別進行匹配濾波處理，獲得MN個輸出，每個匹配濾波輸出為發(fā)射信號的自相關函數；5)對匹配濾波輸出進行波束形成，通過調節(jié)波束形成器的指向使得目標區(qū)域被多個波束覆蓋，對每個波束的輸出進行TOA估計，最后將各個波束下的TOA轉化為以x、y和z坐標表示的目標區(qū)域的三維圖像。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：孫超，劉雄厚，卓頡，郭祺麗，
申請(專利權)人：西北工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：