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