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一種用于大孔徑mimo陣列的低運(yùn)算量混和波束形成方法

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一種用于大孔徑mimo陣列的低運(yùn)算量混和波束形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種陣列成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output:ΜΙΜ0)陣列通過(guò)使用正交發(fā)射 波形與匹配濾波處理獲得大量的虛擬陣元。這些虛擬陣元可以組成大孔徑虛擬陣列,從而 保證在成像應(yīng)用中ΜΜ0陣列利用較少的物理陣元即可獲得期望的角度分辨率(劉雄厚,孫 超,卓頡等.一陣用于高分辨扇掃成像的ΜΜ0陣列.航空學(xué)報(bào),2014; 35(9): 2540-2550. LIU X H,SUN C,ZHU0 J,et al.Devising ΜΙΜΟ arrays for underwater 3-D short-range imaging.in Proc MTS/IEEE OCEANS'12.Hampton Roads,USA,2012:1-7.)〇
[0003] 然而,ΜΙΜ0陣列的大孔徑會(huì)帶來(lái)兩個(gè)弊端:一是需要使用大量匹配濾波器(潘浩, 孫超,劉雄厚的等.基于稀疏陣列技術(shù)的ΜΜ0聲吶低運(yùn)算量二維成像.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014;32(4) :586-592.);二是當(dāng)信號(hào)帶寬一定時(shí),較大陣列孔徑會(huì)導(dǎo)致窄帶處理?xiàng)l件不再 成立(R.A.Gabel,R.R.Kurth.Hybrid time-delay/phase-shift digital beamforming for uniform collinear arrays.Journal of the Acoustical Society of America, 1984,75(6) :1837-1847.),從而需要采用寬帶處理方式以避免強(qiáng)度損失和分辨力下降。由 以上兩點(diǎn)可知,ΜΙΜ0陣列的大孔徑不但面臨著大量匹配濾波器的巨大運(yùn)算量,也面臨著寬 帶處理的巨大運(yùn)算量,從而阻礙ΜΜ0陣列在實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種低運(yùn)算量混合波束形成方法,能夠降 低大孔徑Μ頂0陣列成像處理的運(yùn)算量。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0006] 1 )Μ頂0陣列由Μ元發(fā)射直線(xiàn)陣和Ν元接收直線(xiàn)陣組成,發(fā)射直線(xiàn)陣和接收直線(xiàn)陣均 位于X軸上,且發(fā)射直線(xiàn)陣孔徑和接收直線(xiàn)陣孔徑分別表示為L(zhǎng) t和Lr,MIM0陣列的孔徑LMIM0 = Lt+Lr;接收直線(xiàn)陣孔徑
其中,c為信號(hào)傳播速度,B〇為信號(hào)的有效帶寬, 為波束指向角到陣列法線(xiàn)夾的最大角度;
[0007] Μ元發(fā)射直線(xiàn)陣發(fā)射Μ個(gè)正交信號(hào)sm(t),m=l,2,…,M,其中,t表示時(shí)間;利用移邊 帶波束形成對(duì)該Μ個(gè)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行延遲求和;當(dāng)?shù)刃Оl(fā)射波束形成的主瓣指向0 q角度時(shí),第 m個(gè)發(fā)射信號(hào)上的時(shí)延
?中,Xt,m為第m個(gè)發(fā)射陣元的X坐標(biāo);
[0008] 第q個(gè)等效發(fā)射波束形成的輸出其中,??Χ?為 m=i
第m個(gè)發(fā)射信號(hào)sm(t)經(jīng)過(guò)頻帶搬移后的結(jié)果,
^第!!!個(gè)發(fā)射信 號(hào)上的復(fù)加權(quán),bm為第m個(gè)發(fā)射信號(hào)上的幅度加權(quán),fD為用于頻帶搬移的參考信號(hào)的中心頻 率;
[0009] 2)將目標(biāo)建模為P個(gè)理想的離散點(diǎn),第p個(gè)散射點(diǎn)到所有發(fā)射和接收陣元的角度相 同,p=l, 2,···,P;第η個(gè)接收陣元上的接收信號(hào).
其中,σΡ為第Ρ個(gè)散射點(diǎn)的散射強(qiáng)度,為第Ρ個(gè)散射點(diǎn)到第η個(gè)接收陣元的時(shí)延,n(t)為噪 聲項(xiàng);
[0010] 使用相移波束形成器對(duì)N元接收直線(xiàn)陣上的回波進(jìn)行處理,第η個(gè)陣元上的復(fù)加權(quán)
其中,bn是第η個(gè)接收陣元上的幅度加權(quán),為信號(hào) 中心頻率,xr,n是第η個(gè)接收陣元的X坐標(biāo);接收波束形成的主瓣指向與等效發(fā)射波束形成的 主瓣指向一一對(duì)應(yīng);
[0011]對(duì)接收直線(xiàn)陣上的回波進(jìn)行移邊帶處理,得到頻帶搬移后的回波,回波 在頻帶搬移時(shí)所用的參考信號(hào)頻率也為fD,第q個(gè)接收波束形成的輸出 乃=上
[0012] 利用等效發(fā)射波束形成輸出對(duì)接收波束形成輸出進(jìn)行匹配濾波,得到最終的輸出
^代表時(shí)域卷積。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:與傳統(tǒng)ΜΜ0陣列成像處理流程(即先匹配濾波再波束形成) 相比,本發(fā)明所提處理流程可以在保持大孔徑ΜΜ0陣列高分辨成像性能的前提下,使得回 波在線(xiàn)處理運(yùn)算量顯著降低。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是陣列坐標(biāo)示意圖;
[0015] 圖2是本發(fā)明中主要步驟的流程圖;
[0016] 圖3(a)是目標(biāo)的角度距離分布圖,圖3(b)是傳統(tǒng)處理流程(使用相移波束形成)的 成像結(jié)果圖,圖3(c)是傳統(tǒng)處理流程(使用移邊帶波束形成)的成像結(jié)果圖,圖3(d)是本發(fā) 明所提處理流程的成像結(jié)果圖;
[0017] 圖4是傳統(tǒng)處理流程(分別使用相移波束形成和移邊帶波束形成)和本發(fā)明所提處 理流程的回波在線(xiàn)處理時(shí)間的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明,本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施 例。
[0019] 本發(fā)明包括離線(xiàn)處理和在線(xiàn)處理兩部分。離線(xiàn)處理在獲得期望的mMO陣列有效孔 徑的前提下使得接收陣列孔徑足夠小以進(jìn)行相移波束形成;同時(shí)在發(fā)射陣列上運(yùn)用移邊帶 波束形成對(duì)各發(fā)射波形進(jìn)行延遲求和(即等效發(fā)射波束形成)。在線(xiàn)處理首先對(duì)接收陣列上 的回波直接運(yùn)用相移波束形成;接著,利用離線(xiàn)處理中移邊帶波束形成的輸出對(duì)相移波束 形成的輸出進(jìn)行匹配濾波;最后,提取匹配濾波輸出的強(qiáng)度,獲得目標(biāo)的成像結(jié)果。
[0020] 本發(fā)明的主要內(nèi)容有:
[0021] 1.采用發(fā)射直線(xiàn)陣和接收直線(xiàn)陣構(gòu)成mMO陣列。利用離線(xiàn)處理對(duì)mMO陣列的陣型 進(jìn)行優(yōu)化,在獲得期望的ΜΜ0陣列有效孔徑的前提下配置發(fā)射陣與接收陣,使得接收直線(xiàn) 陣孔徑足夠小;此外,利用離線(xiàn)處理在發(fā)射直線(xiàn)陣上運(yùn)用移邊帶波束形成,在不同波束指向 角上對(duì)各發(fā)射波形進(jìn)行延遲求和(即等效發(fā)射波束形成),獲得多個(gè)角度上的輸出。
[0022] 2.在離線(xiàn)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行在線(xiàn)處理。首先對(duì)優(yōu)化后的接收直線(xiàn)陣上回波直接運(yùn) 用相移波束形成,同時(shí)波束指向角與離線(xiàn)處理中的等效發(fā)射波束形成指向角保持一致;接 著,利用離線(xiàn)處理中移邊帶波束形成的輸出對(duì)相移波束形成的輸出進(jìn)行匹配濾波;最后,提 取匹配濾波輸出的強(qiáng)度,獲得目標(biāo)的強(qiáng)度像。
[0023] 3.通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真給出了使用已有處理方法和本發(fā)明中方法的成像結(jié)果及 運(yùn)算時(shí)間,以此證明了本發(fā)明所提方法可以保證Μ頂0陣列在獲得期望成像分辨率的同時(shí)顯 著降低運(yùn)算量。
[0024]本發(fā)明采用的技術(shù)方案可分為以下2個(gè)步驟:
[0025] 1)離線(xiàn)優(yōu)化ΜΜ0陣列中接收直線(xiàn)陣的孔徑,在獲得期望的ΜΗ?陣列有效孔徑的前 提下保證接收直線(xiàn)陣孔徑足夠小(接收陣列孔徑只要小到可直接運(yùn)用相移波束形成處理即 可,見(jiàn)式(2));此外,利用離線(xiàn)處理在發(fā)射直線(xiàn)陣上運(yùn)用移邊帶波束形成,在不同波束指向 角上對(duì)各發(fā)射波形進(jìn)行延遲求和(即等效發(fā)射波束形成),獲得多個(gè)角度上的輸出。
[0026] 2)在離線(xiàn)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行在線(xiàn)處理。首先對(duì)優(yōu)化后的接收直線(xiàn)陣上回波直接運(yùn) 用相移波束形成,同時(shí)波束指向角與離線(xiàn)處理中的等效發(fā)射波束形成指向角保持一致;接 著,利用離線(xiàn)處理中移邊帶波束形成的輸出對(duì)相移波束形成輸出進(jìn)行匹配濾波;最后,提取 匹配濾波輸出的強(qiáng)度,獲得目標(biāo)的強(qiáng)度像。
[0027]下面對(duì)本發(fā)明的每個(gè)步驟作詳細(xì)說(shuō)明:
[0028]步驟1)為離線(xiàn)處理,其相關(guān)理論和具體內(nèi)容如下:
[0029] Μ頂0陣列由Μ元發(fā)射直線(xiàn)陣和Ν元接收直線(xiàn)陣組成。發(fā)射直線(xiàn)陣和接收直線(xiàn)陣均位 于X軸上,且發(fā)射直線(xiàn)陣孔徑和接收直線(xiàn)陣孔徑分別表示為L(zhǎng)t和Lr,其中下標(biāo)t表示發(fā)射,下 標(biāo)r表示接收。相應(yīng)的陣列坐標(biāo)示意圖如圖1所示。
[0030] Μ頂0陣列的孔徑LMIMQ等于發(fā)射與接收聯(lián)合孔徑,即:
[0031] LMiM〇 = Lt+Lr (1)
[0032] 在獲得期望的ΜΜ0陣列有效孔徑LMIMQ的前提下,對(duì)接收直線(xiàn)陣的孔徑Lr進(jìn)行限制, 使其滿(mǎn)足:
[0033]
(2)
[0034]其中,c為信號(hào)傳播速度,Bo為信號(hào)的有效帶寬,0Q為波束指向角到陣列法線(xiàn)夾的最 大角度。當(dāng)接收直線(xiàn)陣孔徑滿(mǎn)足式(2)時(shí),可直接對(duì)其回波使用相移波束形成。
[0035] Μ元發(fā)射直線(xiàn)陣發(fā)射Μ個(gè)正交信號(hào),可表示為sm(t)(m=l,2,…,M),其中斜體t表示 時(shí)間。利用移邊帶波束形成對(duì)該Μ個(gè)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行延遲求和(等效發(fā)射波束形成),其中時(shí)延 量根據(jù)發(fā)射陣元之間的陣元間距和波束指向求得。當(dāng)?shù)刃Оl(fā)射波束形成的主瓣指向9q( q = 1,2,…,Q)這一角度時(shí),第m個(gè)發(fā)射信號(hào)上的時(shí)延可表不為:
[0036]
(3)
[0037] 其中,Xt,m為第m個(gè)發(fā)射陣元的X坐標(biāo)(由于發(fā)射直線(xiàn)陣位于X軸上,其y坐標(biāo)為0)。
[0038] 因此,第q個(gè)等效發(fā)射波束形成的輸出可表示為:
[0039]
(4)
[0040] 其中,為第m個(gè)發(fā)射信號(hào)sm(t)經(jīng)過(guò)頻帶搬移后的結(jié)果,
[0041]
(5)
[0042]為第m個(gè)發(fā)射信號(hào)上的復(fù)加權(quán),bm為第m個(gè)發(fā)射信號(hào)上的幅度加權(quán),fD為用于頻帶搬 移的參考信號(hào)的中心頻率,[]^代表求共輒。
[0043]步驟2)主要涉及在線(xiàn)處理,即成像處理流程,其涉及的相關(guān)理論和具體內(nèi)容如下:
[0044] 為了便于仿
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