基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法

申请号 CN201610014699.6 申请日 2016-01-11 公开(公告)号 CN105676219A 公开(公告)日 2016-06-15
申请人 桂林电子科技大学; 发明人 欧阳缮; 刘威亚; 刘庆华; 谢跃雷; 晋良念; 周丽军; 顾坤良; 尚朝阳;
摘要 本 发明 公开一种基于 正交 相位 调制的MIMO雷达三维成像方法,首先根据发射阵元个数构造出相应组数的正交相位编码序列;然后将接收到的回波 信号 进行相关滤波,实现不同发射阵元对应的回波信号的分离;接着划分整个三维成像区域,依次遍历成像区域的每个 像素 点得到该像素点对应的所有收发阵元的时延间隔点对应的幅度值;最后整个三维成像空间像素点的坐标信息和所求幅度值即可组成三维矩阵,对三维矩阵按照成像区域的实际大小比例画图,就可得到三维空间目标信息。本发明能够实现同时发射同时接 收获 取三维目标信息的探地雷达三维目标成像。
权利要求

1.基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤1,根据三维成像区域的大小设计满足要求的平面阵列,并指定平面阵列的发射阵元和接收阵元;每个接收阵元的输出端各接有数量与发射阵元的个数相同的匹配滤波器,每个匹配滤波器对应于一个发射阵元;
步骤2,根据发射阵元个数构造出相应组数的正交相位编码序列,每个发射阵元对应一组正交相位编码序列;
步骤3,接收阵元接收回波信号,并将接收到的回波信号送入到匹配滤波器进行相关滤波,由此实现不同发射阵元对应的回波信号的分离;
步骤4,划分整个三维成像区域,依次遍历成像区域的每个像素点的收发阵元的时延间隔点处对应的回波信号的幅度值;依次累加求和该像素点对应的所有收发阵元的时延间隔点对应的回波信号的幅度值;
步骤5,整个三维成像空间像素点的坐标信息和所求幅度值即可组成三维矩阵,对三维矩阵按照成像区域的实际大小比例画图,就可得到三维空间目标信息。
2.根据权利要求1所述基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法,其特征是,步骤2中,根据发射阵元个数构造相应组数的正交相位编码序列的过程如下,
步骤2.1,设定编码长度N和编码相位的相数M;
步骤2.2,随机产生T组编码矩阵{sl(n)},每组编码矩阵的行数为L,列数为N,元素为sl(n),其中
sl(n)=exp[jψl(n)]
其中, M为编码相位的相数;n=1,2,…,N,N为编
码长度;l=1,2,…,L,L为发射阵元个数;
步骤2.3,针对每一组编码矩阵,以行为单位,计算该组编码矩阵的每一行的自相关旁瓣能量A(l)及每两行的互相关能量B(p,q),并据此计算该组编码矩阵的目标函数值W:
其中,λ1为自相关加权系数,λ2为互相关加权系数,0<λ1<1,0<λ2<1,λ1+λ2=1;l=1,
2,…,L;p=1,2,…,L;q,=1,2,…,L;
步骤2.4,将目标函数值最小的那组编码矩阵进行保留,并根据遗传算法将其余T-1组编码矩阵进行交叉变异,由此形成新的T组的编码矩阵;
步骤2.5,重复步骤2.3-2.4,直至目标函数值小于预设目标阈值迭代次数达到预设迭代阈值时,则将本次迭代所保留的那组目标函数值最小的编码矩阵的每一行各作为一个发射阵元的发射信号。
3.根据权利要求2所述基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法,其特征是,步骤
2.2中,随机产生的编码矩阵的组数T大于发射阵元个数L,即T>L。
4.根据权利要求2所述基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法,其特征是,步骤
2.3中,自相关加权系数l1大于互相关加权系数λ2,即λ1>λ2。
5.根据权利要求4所述基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法,其特征是,步骤
2.3中,自相关加权系数λ1为0.7,互相关加权系数λ2为0.3。

说明书全文

基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法

技术领域

[0001] 本发明涉及探地雷达成像技术领域,具体涉及一种基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法。

背景技术

[0002] 探地雷达是利用发射电磁波,获取地下浅表层未知目标信息的雷达系统。由于利用高分辨三维成像算法可以获知三维空间中不同面的隐藏目标大小,位置等信息,因而被广泛应用在打击反恐、医学诊断、灾害救援、安全防卫等方面。
[0003] MIMO雷达是多输入多输出的雷达,根据布置多个发射天线和接收天线,并且发射信号之间彼此正交,接收天线的不同阵元根据目标散射回波进行不同的匹配滤波,实现对不同信号的分离。与传统的相控阵雷达相比,MIMO雷达可以显著改善参数可辨识性、有更好的分辨率,更高的灵敏度,受到国内外关注。然而,由于MIMO雷达的数据获取方式与传统的合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)不同,使得常规的雷达成像方法难以直接应用在MIMO雷达成像中。如合成孔径成像算法中的距离多普勒(range Doppler,RD)算法、距离偏移(range migration,RM)算法都是基于收发同置的均匀空间采样,这些均难以直接处理多收发的回波信号。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的是现有三维成像算法难以直接处理多收发的回波信号的问题,提供一种基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法,其能够实现同时发射同时接收获取三维目标信息的探地雷达三维目标成像。
[0005] 为解决上述问题,本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006] 一种基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法,包括以下步骤:
[0007] 步骤1,根据三维成像区域的大小设计满足要求的平面阵列,并指定平面阵列的发射阵元和接收阵元;每个接收阵元的输出端各接有数量与发射阵元的个数相同的匹配滤波器,每个匹配滤波器对应于一个发射阵元;
[0008] 步骤2,根据发射阵元个数构造出相应组数的正交相位编码序列,每个发射阵元对应一组正交相位编码序列;
[0009] 步骤3,接收阵元接收回波信号,并将接收到的回波信号送入到匹配滤波器进行相关滤波,由此实现不同发射阵元对应的回波信号的分离;
[0010] 步骤4,划分整个三维成像区域,依次遍历成像区域的每个像素点的收发阵元的时延间隔点处对应的回波信号的幅度值;依次累加求和该像素点对应的所有收发阵元的时延间隔点对应的回波信号的幅度值;
[0011] 步骤5,整个三维成像空间像素点的坐标信息和所求幅度值即可组成三维矩阵,对三维矩阵按照成像区域的实际大小比例画图,就可得到三维空间目标信息。
[0012] 上述步骤2中,根据发射阵元个数L构造相应组数的正交相位编码序列的过程如下,
[0013] 步骤2.1,设定编码长度N和编码相位的相数M;
[0014] 步骤2.2,随机产生T组编码矩阵{sl(n)},每组编码矩阵的行数为L,列数为N,元素为sl(n),其中
[0015] sl(n)=exp[jψl(n)]
[0016] 其中, M为编码相位的相数;n=1,2,…,N,N为编码长度;l=1,2,…,L,L为发射阵元个数;
[0017] 步骤2.3,针对每一组编码矩阵,以行为单位,计算该组编码矩阵的每一行的自相关旁瓣能量A(l)及每两行的互相关能量B(p,q),并据此计算该组编码矩阵的目标函数值W:
[0018]
[0019] 其中,λ1为自相关加权系数,λ2为互相关加权系数,0<λ1<1,0<λ2<1,λ1+λ2=1;l=1,2,…,L;p=1,2,…,L;q,=1,2,…,L;
[0020] 步骤2.4,将目标函数值W最小的那组编码矩阵进行保留,并根据遗传算法将其余T-1组编码矩阵进行交叉变异,由此形成新的T组的编码矩阵;
[0021] 步骤2.5,重复步骤2.3-2.4,直至目标函数值W小于预设目标阈值迭代次数达到预设迭代阈值时,则将本次迭代所保留的那组目标函数值W最小的编码矩阵的每一行各作为一个发射阵元的发射信号。
[0022] 上述步骤2.2中,随机产生的编码矩阵的组数T应大于发射阵元的个数L。
[0023] 上述步骤2.3中,自相关加权系数λ1大于互相关加权系数λ2。
[0024] 上述步骤2.3中,自相关加权系数λ1为0.7,互相关加权系数λ2为0.3。
[0025] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:
[0026] (1)节省收发阵元。根据MIMO雷达具有M个发射阵元和N个接收阵元的特点,理论上可以得到MN个不同的目标回波信号。这就比常规阵元获取同等数据量的条件下,节省了MN-(M+N)个阵元。
[0027] (2)降低接收信号抗噪性。由于接收端采用相关接收,噪声信号与发射信号之间无相关性,所以经过相关之后,只有经过目标反射的发射信号及抑制的噪声信号。附图说明
[0028] 图1为MIMO阵列布阵方式示意图,其中白色圆圈表示发射阵元,黑色圆圈表示接收阵元。
[0029] 图2为虚拟相位中心形成示意图,其中白色圆圈表示发射阵元,黑色圆圈表示接收阵元,灰色圆圈表示产生的虚拟阵元。
[0030] 图3为各信号的自相关函数图。
[0031] 图4为各信号之间的互相关函数图。
[0032] 图5为接收阵元处相关接收框图
[0033] 图6为多目标三维成像图;其中(a)是三维多目标BP成像结果,(b)是深度向0.2m处成像切片图,(c)是深度向0.3m处成像切片图,(d)是深度向0.6m处成像切片图。

具体实施方式

[0034] 基于正交相位调制的MIMO雷达三维成像方法,包括步骤如下:
[0035] 第一步,设计平面MIMO阵列,如图1所示。
[0036] 根据以下原则设计平面MIMO阵列:(1)节省收发阵元;(2)发射阵元尽量少;(3)发射阵元间隔大,既可以避免发射信号的能量重叠,又可以减少耦合干扰;(4)收发阵元的对称性,对各方向的目标均具有同样的成像能
[0037] 图1设计平面MIMO阵列的优势是:(1)尽可能大范围获取三维空间不同点处的回波信号。(2)节省收发阵元个数。(3)形成虚拟相位中心,降低接收天线阵列的栅瓣现象。
[0038] 虚拟相位中心的形成,如图2所示。
[0039] 发射阵元到目标距离RT,根据菲涅尔近似有:
[0040]
[0041] 同理,接收阵元到目标距离RR,根据菲涅尔近似有:
[0042]
[0043] 其中, Rv为形成的虚拟阵元到目标距离,d为发射阵元到虚拟阵元距离,δ为收发阵元所在平线和虚拟阵元与目标所在水平线的夹,λ为发射信号的波长;则
[0044] RT+RR≈2RV
[0045] 即收发分置阵元等效为在收发阵元中间位置有一收发同置阵元。
[0046] 第二步,指定平面阵列具体的发射阵元和接收阵元。按照发射阵元个数寻求包含相同数目的一组正交相位编码序列。其中要求各自发射阵元发射信号的自相关函数类似于冲击函数,而两两发射信号之间的互相关函数接近0。各发射信号之间的互相关函数的强弱直接影响接收阵元的回波信号。
[0047] 具体相位编码序列产生过程如下:
[0048] 2.1L组发射波形阵元的第l个发射信号用{sl(n),l=1,2,…L}表示。每个信号序列长度(即码元数)为N,采用M相相位编码,sl(n)的相位用ψl(n)表示。sl(n)的表达式为:
[0049] sl(n)=exp[jψl(n)]
[0050] 其中n=1,2,…,N。ψl(n)为编码相位, 二相编码矩阵中,ψl(n)只可取0或π。相位组合{ψl(1),ψl(2),…,ψl(N)}决定了对应的相位编码矩阵{sl(1),sl(2),…,sl(N)}的正交特性。sl(n)的自相关函数用R(ψl,k)表示,sp(n)与sq(n)的互相关函数用C(ψp,ψq,k)表示,其中-N
[0051] 2.2根据信号的自相关函数旁瓣能量和互相关函数能量构造目标函数W,优化最小化W来求得编码序列。目标函数表示为:
[0052]
[0053] 其中λ1,λ2是目标函数的加权系数,0<λ1<1,0<λ2<1且λ1+λ2=1,一般λ1>λ2,可以达到抑制自相关旁瓣能量的目的。只要给定L,M,N及具体的加权系数可以采用遗传优化算法优化目标函数。
[0054] 2.3随机产生T组相位编码矩阵,其中每一组都包含L个信号组,每一信号组码元长度都是N,M相编码。根据遗传算法,把随机产生的T组编码序列作为初始值,计算出这T组里每个码组信号的适应函数值(把构建的目标函数作为适应值函数),如果此值满足预先设置的结束条件,则结束。否则,重新对这T组信号进行优化,保留适应函数值小的信号组,交叉变异适应函数值大的其他函数组,作为新的初始值,再去判断是否满足循环结束条件,直至满足为止。在已满足的T组信号里选择使目标函数E最小的一组编码序列作为最终的编码序列。随机产生的编码矩阵的组数T可以根据需求进行任意设定,但为了得到较好的优化效果,随机产生的编码矩阵的组数T应远大于发射阵元个数L,即T>>L。
[0055] 初始化L=4,M=4,N=120及加权系数λ1=0.7,λ2=0.3,根据上述过程产生相位编码序列。即发射信号有四组,四相位编码,每组编码长度120码元,已产生的各信号自相关函数,互相关函数分别如图3和4所示。
[0056] 第三步,在每个接收端分别连接L个匹配滤波器,通过接收端的数据依次与所有的发射阵元信号做相关滤波的方式,实现分离不同发射阵元对应的回波信号的目的。即MIMO雷达同时发射同时接收方式可以获取远多于实际接收阵元个数的数据。相关接收过程如图5。
[0057] 由于在每一个接收端匹配滤波后,除了有有用新号的自相关信号还接收到其他发射信号的互相关信号,第j个接收阵元经匹配滤波分离后的来自发射阵元l的信号表示为:
[0058] rlj(n)=bl(n-(tlq(n)+τjq(n)))+∑m=1,…L,m≠lblm(n-(τmq(n)+τjq(n)))[0059] 其中,接收阵元数目用J表示,j=1,2,…,J。bl(n)是发射阵元l对应的自相关函数,blm(n)表示发射阵元l与其他发射阵元信号m之间的互相关函数。τlq(n)是发射阵元l到散射点q的距离对应的采样间隔点数。由于噪声与发射信号没有相关性,所以在相关接收的过程中噪声就被减弱。
[0060] 第四步,由于MIMO雷达数据的获取方式和传统的合成孔径雷达不同,使得常规的雷达成像方法难以直接应用在MIMO雷达成像中。如合成孔径成像算法中的距离多普勒算法、距离偏移算法都是基于收发同置的均匀空间采样,难以直接处理多收发的回波信号。而且一般现有的三维距离偏移成像算法是基于远场近似的。
[0061] 但是根据回波时域幅度信息的后向投影(back projection,BP)算法却可以处理不同阵列空间布置的回波信号,根据普通二维BP成像算法推导出应用于不同布阵方式的三维BP成像算法。
[0062] 划分整个三维成像区域E×F×H,依次遍历每个像素点(xe,yf,zh),其中e=1,…,E f=1,…,F h=1,…,H。根据回波信号rlj(n),计算每一个像素点的幅度值I(e,f,h)。
[0063]
[0064] 表示第l个发射阵元经过散射点(xe,yf,zh)到达第j个接收阵元的时延。
[0065] 第五步,根据每个像素点(xe,yf,zh)求得对应点处的像素值I(e,f,h),整个三维成像空间像素点即可组成三维矩阵,对三维矩阵按照成像区域的实际大小比例画图,就可得到三维空间目标信息。
[0066] 对于1m×1m×1m的均匀细沙介质,点目标位置分别设置在(0.2,0.8,0.6),(0.6,0.2,0.3),(0.2,0.8,0.2),(0.5,0.5,0.2)处,根据步骤一到步骤五,三维成像结果如图6,其中(a)是三维多目标BP成像结果,(b)是深度向0.2m处成像切片图,(c)是深度向0.3m处成像切片图,(d)是深度向0.6m处成像切片图。
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