一種基於mimo技術的三維成像方法
2023-08-08 08:18:41
專利名稱：一種基於mimo技術的三維成像方法
技術領域：
本發明涉及一種陣列成像方法。
背景技術：
在水下聲成像、雷達成像以及醫學成像等陣列成像領域，為了獲得目標或成像區域的三維坐標信息，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解析度一直是研究的熱點。三維成像系統的解析度包括距離解析度和方位解析度。距離解析度由發射信號的帶寬決定，可以通過增加信號帶寬來提高。方位解析度則由陣列的有效孔徑決定。為了獲得足夠的方位解析度，要求陣元數目足夠多。為了避免出現空間欠採樣而帶來的柵瓣，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化算法一如隨機布陣法、模擬退火法和線性規劃法等設計稀疏陣列。這些優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解析度幾乎保持不變(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解析度。但是，這些經過優化後的稀疏陣只能節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解析度，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、經過優化後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，與其配套的硬體設施等仍會導致成像系統的成本過高。此外，經過優化後的稀疏陣列，其陣列尺寸並沒有減小，高方位解析度仍然會帶來陣列尺寸過大的問題。由於設計稀疏陣等方法並不能很好地降低三維成像系統的陣元成本，王黨衛(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個發射陣元和MN個接收陣元的矩形平面陣。這樣的MIMO陣列，其節省的陣元數目為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解析度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解析度，就不可避免地要加大陣列尺寸或者提高發射信號頻率。對於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陣列雖然能夠節省陣元個數，但是卻無法減小陣列尺寸。
發明內容
為了克服現有三維成像系統在節省陣元個數和減小陣列尺寸上遇到的困難，本發明提出一種新的基於MIMO技術的三維成像方法。該方法通過設計期望的發射與接收陣列、正交發射波形與接收端處理方法，達到了節省陣元個數並減小陣列尺寸的目的。與矩形陣或稀疏陣相比，本發明中的MMO陣列可節省大量陣元，同時陣列尺寸也縮減為前者的一半。與王黨衛和段廣清等人的提出的MMO陣列相比，本發明中的MMO陣列的尺寸也僅僅是其一半(前提是兩種陣列的方位解析度相同)。本發明解決其技術問題所採用的技術方案包括以下步驟I)設計由位於矩形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個發射線列陣，2個發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個發射線列陣之間的距離等於I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於I個發射線列陣上的陣元間距乘以陣元個數；2)採用M個正交信號作為發射信號，這些正交信號的自相關函數具有相同的主瓣包絡，且最大旁瓣值小於等於主瓣值的0. I倍，同時其互相關函數的最大值小於等於自相關函數最大值的0. I倍；3)M個發射陣元發射M個滿足步驟2)中要求的發射信號；4)在接收端採集回波，用M個發射信號對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，通過調節波束形成器的指向使得目標區域被多個波束覆蓋，對每個波束的輸出進行TOA估計，最後將各個波束下的TOA轉化為以x、y和z坐標表示的目標區域的三維圖像。本發明的有益效果是本發明的基本原理和實施 方案經過了計算機數值仿真的驗證，其結果表明與傳統三維成像系統中使用的陣列相比(如未經優化的密集陣列和經過優化的稀疏陣列)，本發明中的MIMO陣列不但可以大大節省陣元個數，也可以使成像陣列的尺寸減半。本發明中，通過合理地布陣，M發N收的MMO陣列可以等效為I發MN收的矩形平面陣，且該矩形平面陣的尺寸為MMO陣列的2倍，也就是該矩形平面陣所佔據的矩形面積為MMO陣列所佔據的矩形面積的4倍。因此該MMO陣列不但大大節省了陣元個數(實際節省了 MN+1-(M+N)個陣元)，也使得陣列尺寸減半。與王黨衛等人提出的MMO陣列相比，本發明中的MMO陣列具有同樣的節省陣元效果，但是其尺寸卻為王所提出的陣列的一半。王黨衛等人的利用相互垂直的直線陣(一個線陣發射信號，另一個線陣接收回波)來等效出矩形平面陣，但是該矩形平面陣的尺寸與這種MIMO陣列的相同，即該矩形平面陣和這種MIMO陣列所佔據的矩形面積是相等的。而本發明中的MIMO陣列卻只需要一半的尺寸即可等效出同樣的矩形平面陣，因此可以在獲得相等的方位解析度、節省同樣多陣元個數的前提下使得陣列尺寸減半。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖I為具有任意陣型的MMO陣列的坐標系統，其中實心圓為發射陣元，空心圓為接收陣元。圖2為兩個處於同一直線上的MMO線列陣等效為更大孔徑線列陣的示意圖，其中圖2 (a)為只有2個發射陣元的MIMO陣列(實心圓代表發射陣元，空心圓代表接收陣元)，圖2 (b)是其等效的2倍孔徑的虛擬陣列(陰影圓代表虛擬接收陣元)。圖3為與圖2中的MMO陣列同尺寸的單輸入多輸出(SMO，Single-InputMultiple-Output)陣列,其中在原點處,發射陣元與I個接收陣元的位置重合。圖4為兩個相互垂直的線列陣等效為矩形平面陣的示意圖，其中左側為MMO陣列，右側是其等效的虛擬平面陣。圖5為本發明所提出的MMO陣列及其等效的虛擬平面陣的示意圖，其中左側為MIMO陣列，右側是其等效的虛擬平面陣。圖6為兩個正交多相編碼信號的自相關函數及其互相關函數，其中子碼個數為256 (為了顯示清晰，只畫出了兩個自相關函數主瓣左右和互相關函數最大值左右各32個點的數值)。圖7為本發明中主要步驟的流程。圖8為處理回波以獲得三維像的流程。圖9為陣列尺寸示意圖，其中圖9 (a)為MMO陣列的尺寸，圖9 (b)為等分辨的矩形平面陣的尺寸。
圖10為MMO陣列和矩形平面陣的波束圖，其中圖10 (a)為V=O時的u空間波束圖，圖 10 (b)為 U=O 時的 V 空間波束圖,其中 u = sin( Θ )cos(<i)), v = sin( Θ )sin(<i)),Θ和Φ分別是俯仰角和方位角。圖11為仿真的三維地形及三維成像的結果，其中圖11 (a)原始的三維地形，圖11(b) 圖11 (e)為MMO陣列在子碼個數分別為16、32、64和128時的三維成像結果，圖11Cf)為矩形平面陣的三維成像結果。圖12為分別使用MIMO陣列和矩形平面陣進行成像時的均方誤差。
具體實施例方式本發明的主要內容有I.利用MMO陣列可以獲得虛擬陣元的優點來進行三維成像，大大減少 陣元個數，降低陣元成本。2.根據虛擬陣元與實際陣元的位置關係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，本發明中的MIMO陣列佔用的面積為矩形陣的1/4。3.通過計算機數值仿真給出了具有相同方位解析度的矩形平面陣和MMO陣列的尺寸與波束圖。4.通過計算機數值仿真給出了矩形平面陣列和MMO陣列的三維成像結果。本發明解決現存問題所採用的技術方案是6)設計既能節省陣元個數、又具有更高方位解析度的MMO陣列。M發N收的MMO陣列可以等效為一個I發MN收的虛擬陣列。虛擬發射陣元位於坐標原點，虛擬接收陣元的坐標為一對實際的發射、接收陣元的坐標之和。根據此，設計出由位於矩形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個發射線列陣(2個發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個發射線列陣之間的距離等於I個接收線列陣上的陣元間距乘以陣元個數；類似地，2個接收線列陣之間的距離等於I個發射線列陣上的陣元間距乘以陣元個數。如此布置的MIMO陣列，可以等效2倍尺寸的矩形平面陣，既節省了陣元個數，又使得方位解析度倍增。7)設計好成像陣列後，採用具有良好的自相關和互相關特性的正交信號作為發射信號。這些正交信號的自相關函數具有相同的主瓣包絡和很低的旁瓣(最大旁瓣值小於等於主瓣值的O. I倍)，同時其互相關函數的最大值小於等於自相關函數最大值的O. I倍。8)選擇好成像陣列和發射信號後，進行三維成像。M個發射陣元發射M個滿足步驟2)中要求的信號。由於發射信號之間互相獨立，其在傳播過程中互不幹擾。因此每個接收陣元上採集的回波可以認為是這M種信號經過不同時延和不同衰減之後的時域疊加的結果。9)在接收端，採集好回波後，用M個發射信號對N個接收陣元上的回波分別進行匹配濾波處理，可獲得MN個輸出。由於匹配濾波處理相當於求相關，因此每個匹配濾波器的輸出為自相關函數和互相關函數的疊加。由步驟2)可知，互相關函數的值與自相關函數的值相比可以忽略。因此每個匹配濾波輸出可以簡化為發射信號的自相關函數。10)由於獲取三維圖像的方法很多，本發明以估計成像區域中多個離散點的三維坐標為例來闡述問題。對匹配濾波器的輸出進行波束形成，通過調節波束形成器的指向使得目標區域被多個波束覆蓋。對每個波束的輸出進行TOA (Time Of Arrival)估計，最後將各個波束下的TOA轉化為以X、y和z坐標表示的目標區域的三維圖像。以下對本發明的每個步驟作進一步的詳細說明步驟I)主要講的是如何設置發射陣列和接收陣列的參數來設計所需的三維成像陣列，其所涉及的相關理論和具體內容如下假設MIMO陣列的發射陣和接收陣具有任意陣型，分別具有M個發射陣元和N個接收陣元，發射陣和接收陣以原點為中點和參考點。相對於陣列與目標之間的距離而言，該MMO陣列可看作是單基地陣列。具有任意陣型的MMO陣列如圖I所示,其中實心圓代表發射陣元，空心圓代表接收陣元。以窄帶信號為例，M發N收的MMO陣列的發射導向矢量at(0p)和接收導向矢量 ar(9p)分別可表示為αι(θρ,φρ) = &χρ{-]ω0[τ ρι,φ··,τ^ ]τ}(I)αΤ(θρ,φρ) = Qxp{-(2)其中，θ ρ是第ρ個散射點(該散射點位於陣列的遠場範圍內)的俯仰角，Φ P是其方位角，JW)是第m個發射陣元到第ρ個散射點的時延，r(n=l,2』…N)是第P個散射點到第η個接收陣元的時延，Otl為窄帶信號的中心角頻率，[·]Μ$表對向量或矩陣進行轉置。MIMO陣列的導向矢可以表示為發射導向適量和接收導向矢量的直積(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， 代表直積。ata( Θ p)為麗X I維的列向量，設其第[(m-l)N+n]個值為復
數 a(m-l)N+n (θρ)，則得到aim帶ηφρ4ρ) 二 &χρ[-]ω0(τζη + rrpj](4)對於處於遠場中的散射點，對式(4)進行推導，可以得到
{θρ Ap) = exp(_M2r0p ) exp[-『/ — τζ + τρχη — τζ )]
(5)= exp(-jcoQ 2τζ) Qxp[-jkT (xtm + Xrn)]其中，<是坐標原點到第ρ個散射點的時延，k是波數並滿足k = 2π/λ [sin0p，cos0p]T，λ是窄帶信號中心頻率對應的波長，xtm和xm分別為第m個發射陣元和第η個接收陣元的坐標列向量。根據式(3) 式(5)的導向矢量推導過程可知，M發N收的MMO陣列可以等效為I發MN收的虛擬陣列。虛擬陣列的發射陣元位於坐標原點，接收陣元的坐標為一對發射和接收陣元的坐標之和。用Xt表示虛擬發射陣元的坐標，表示第[(m-l)N+n]個虛擬接收陣元的坐標，其表達式分別為
權利要求
1. 一種基於MMO技術的三維成像方法，其特徵在於包括下述步驟 1)設計由位於矩形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個發射線列陣 ，2個發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個發射線列陣之間的距離等於I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於I個發射線列陣上的陣元間距乘以陣元個數； 2)採用M個正交信號作為發射信號，這些正交信號的自相關函數具有相同的主瓣包絡，且最大旁瓣值小於等於主瓣值的O. I倍，同時其互相關函數的最大值小於等於自相關函數最大值的O. I倍； 3)M個發射陣元發射M個滿足步驟2)中要求的發射信號； 4)在接收端採集回波，用M個發射信號對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，通過調節波束形成器的指向使得目標區域被多個波束覆蓋，對每個波束的輸出進行TOA估計，最後將各個波束下的TOA轉化為以x、y和z坐標表示的目標區域的三維圖像。
全文摘要
本發明提供了一種基於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係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，本發明中的MIMO陣列佔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解析度的矩形平面陣和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。
文檔編號G01S15/89GK102866401SQ20121028431
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月6日 優先權日2012年8月6日
發明者孫超, 劉雄厚, 卓頡, 郭祺麗 申請人:西北工業大學