[发明专利]一种基于MIMO阵列和稀疏阵列的扇扫成像方法

摘要

本发明提供了一种基于MIMO阵列和稀疏阵列的扇扫成像方法，设定M发N收的MIMO阵列的参数，使得该MIMO阵列可等效为由单个发射阵元和MN个接收阵元组成的虚拟线列阵；利用稀疏优化算法对该MN元虚拟线列阵进行稀疏优化；利用MIMO阵列进行信号的发射与接收，根据经过稀疏优化的虚拟线列阵来移除对应的匹配滤波器，利用被保留下来的匹配滤波器对回波进行匹配滤波处理，并对匹配滤波输出进行波束形成；最后，对所有的波束输出进行强度提取，获得二维扇扫图。本发明能减少MIMO阵列扇扫成像系统中的匹配滤波器个数并最终降低运算量。

主权项

1.一种基于MIMO阵列和稀疏阵列的扇扫成像方法，其特征在于包括下述步骤：1)设定M发N收的MIMO阵列的参数，使得该MIMO阵列可等效为由单个发射阵元和MN个接收阵元组成的虚拟线列阵；利用稀疏优化算法对该MN元虚拟线列阵进行稀疏优化；2)利用MIMO阵列进行信号的发射与接收，根据经过稀疏优化的虚拟线列阵来移除对应的匹配滤波器，利用被保留下来的匹配滤波器对回波进行匹配滤波处理，并对匹配滤波输出进行波束形成；最后，对所有的波束输出进行强度提取，获得二维扇扫图；所述的步骤1）中，M个发射阵元可同时发射相互独立的信号，用M个发射信号的拷贝对N个接收阵元上的回波进行匹配滤波，总共获得MN个匹配滤波输出，可以等效为1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等于一对实际发射与接收阵元坐标之和，用x^t表示虚拟发射阵元的坐标，表示某个虚拟接收阵元的坐标，其表达式为xt=0x(m-1)N+nr=xtm+xrn,]]>其中，0代表原点的坐标向量，x_tm为第m个发射阵元的坐标，x_rn为第n个接收阵元的坐标，m=1,2,…,M，n=1,2,…,N，设MIMO阵列的发射阵为M元均匀直线阵，接收阵为N元均匀直线阵，两者位于同一条直线上且中点重合，发射直线阵的阵元间距d_t和接收直线阵的阵元间距d_r满足d_t＝Nd_r，此时，与MIMO阵列等效的虚拟阵列是MN元均匀直线阵，且阵元间距等于d_r；对MN元的均匀直线阵进行优化，获得一个非均匀分布的稀疏直线阵，且该稀疏直线阵具有与原MN元均匀直线阵类似的方位分辨率；获得最优稀疏直线阵的步骤为：a)设定初始值和迭代次数，根据所期望的稀疏率，给定稀疏直线阵中剩余的阵元个数；b)根据稀疏直线阵中的阵元个数，随机地产生一个稀疏直线阵，并对该稀疏直线阵进行判断；若满足目标函数，将该稀疏直线阵保留；否则，按照设定的概率接受该稀疏直线阵为新的阵列；c)经过多次迭代后，当保留的稀疏直线阵波束图的主瓣宽度不超过期望的主瓣宽度，同时其最大旁瓣级不高于期望的最大旁瓣级时，则认为该稀疏直线阵是最优的，此外，接下来的多次迭代过程中目标函数值也不改变，则停止迭代；否则，继续重复步骤b)直至获得最优的稀疏阵列；所述的步骤2）中MIMO阵列中第m个发射信号其中，f₀为载波频率，t代表时间项，为发射信号的复包络，rect()为矩形窗，L为子码个数，T₀为单个子码长度，为第m个发射信号中第l个子码初相位；假设稀疏优化后虚拟直线阵中保留下来的虚拟接收阵元坐标其中，n₀代表虚拟稀疏直线阵中保留下来的虚拟阵元的编号，x_tm'和x_rn'分别为与该虚拟阵元对应的发射阵元和接收阵元坐标，m'和n'分别与m和n有相同的意义，可知MIMO阵列中第n'个接收阵元上的第m'个匹配滤波器需要保留，其匹配滤波输出对应着虚拟稀疏直线阵中的第n₀个虚拟阵元；对与第m'个发射信号对应的匹配滤波器的冲击响应函数h_m'(t)＝[s_m'(T-t)]^c中的N₀个匹配滤波输出进行波束形成，第q个波束输出其中，为加权值。