[发明专利]一种使用线性调频信号的MIMO阵列扇扫成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列成像方法。

背景技术

在声纳、雷达以及医学等阵列成像技术中，扇扫成像是广泛使用的工作方式之一。典型的扇扫成像系统采用单输入多输出（Single-Input Multiple-Output，SIMO）系统，其中阵列包括一个发射阵元和多阵元的接收线列阵。在发射端，单个发射阵元发射脉冲信号对目标区域进行照射。在接收端，采用多波束系统对回波进行处理，获得多个波束的输出，并通过提取其输出强度以获得目标区域的扇扫图（Sutton J L,Underwater acoustic imaging,Proceedings of the IEEE,1979;67(4):554-566.Bao Z,Xing M D and Wang T,Radar imaging technique,China:Publish House of Electronics Industry,2005.Makovski A,Ultrasonic imaging using arrays,Proceedings of the IEEE,1979;67(4):484-495.）。

这些扇扫成像系统都是在距离维和方位维上二维显示成像结果，据此扇扫成像系统的分辨率可分为距离分辨率和方位分辨率（Soumekh M.Array imaging with beam-steered data.IEEE Trans.Image Process.,1992;1(3):379-390）。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，可以通过增加阵列尺寸或提高发射信号频率来改善。但是更大尺寸的阵列需要更大的安装空间，而信号频率的提高容易导致栅瓣的出现和更严重的介质吸收损失（Van Trees H L.Optimum array processing:part 4 of detection,estimation,and modulation theory.Hoboken:John Wiley & Sons Inc.,2002.）。

为了克服传统扇扫成像方法在提高阵列方位分辨率上存在的缺点，王怀军（Wang H J,Lei W T,Huang C L,and Su Y,MIMO radar imaging model and algorithm,J.Electronics(China),2009;26(5):577-583.）、王党卫（Wang D W,Ma X Y,Chen A L,and Su Y,High-resolution imaging using a wideband MIMO radar system with two distributed arrays,IEEE Trans.Image Process.,2010;19(5):1280-1289.）和Li Jian（Li J,Stoica P,Zheng X.Signal synthesis and receiver design for MIMO radar imaging.IEEE Trans.Signal Process.,2008,56(8):3959–3968.）等人研究了多输入多输出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）阵列的扇扫成像能力，认为MIMO阵列可以比传统SIMO阵列使用更少的阵元来获得所需的方位分辨率。但是，这些MIMO阵列都使用编码类信号作为发射信号，即用多个子码合成一个较长的发射信号。使用编码类信号增加了波形的复杂程度，使得信号在介质中传播时更容易发生畸变。此外，由于每个发射信号由多个子码组成，子码个数越多则成像效果越好，但是这会造成发射信号脉冲宽度太大而导致匹配滤波处理的运算量剧增。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种扇扫成像方法，使用波形更稳健的线性调频（Linear Frequency Modulation，LFM）信号，结合适当的阵型与回波处理流程，以获得更高的方位分辨率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1）设计用于扇扫成像的MIMO阵列，使得MIMO阵列的发射阵和接收阵都为均匀直线阵，两者位于同一条直线上，且几何中点重合；确定发射阵元个数为2，接收阵元个数定为任意自然数N，且发射阵元间距d_t和接收阵元间距d_r满足d_t=Nd_r；