[发明专利]一种基于MIMO技术的高分辨扇扫成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列成像方法。

背景技术

在水下声成像、雷达成像以及医学成像等阵列成像领域，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由一个发射阵元和一条接收线阵组成。发射阵元发射单个脉冲就可以照射一片区域。接收线列阵对回波进行多波束形成，提取各个波束的输出强度，即可获得该区域的二维散射强度图。（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.）。

对于典型的扇扫成像系统而言，其成像质量的好坏直接由分辨率决定。这包括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，可以通过增加孔径来提高。但是更大的孔径会带来更大的尺寸，使得阵列难以被一些内部空间有限的成像系统容纳。除了增加阵列孔径外，提高发射信号频率也可以提高方位分辨率。但是更高的频率会导致栅瓣的出现（Van Trees H L.Optimum array processing:part 4of detection,estimation,and modulation theory.Hoboken:John Wiley & Sons Inc.,2002.）。此外，传播过程中的吸收损失也会因此而变大，导致成像系统作用距离变短（如在水下扇扫成像系统中的应用）。

为了减少阵元个数并获得高方位分辨率，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.）和王党卫（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.）等人研究了多输入多输出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）雷达的扇扫成像能力，认为MIMO雷达可以比单输入多输出（SIMO，Single-Input Multiple-Output）雷达使用更少的阵元来获得所需的方位分辨率。但是这些研究主要针对安装在地面上的雷达成像系统。其关注的是如何使用少量的阵元来设计MIMO阵列，以及如何使用MIMO阵列进行高分辨成像，并没有将控制成像阵列的尺寸作为考虑因素。

对于很多扇扫成像系统而言，其用于安装发射阵和接收阵的内部空间是有限的。面临的问题是如何在这有限的空间下布置发射阵和接收阵，并结合适当的处理方法来获得更高的方位分辨率。如前所述，传统的SIMO阵列在提高方位分辨率上面临诸多限制，MIMO阵列的研究者也没有将控制阵列尺寸作为考虑因素。

发明内容

为了克服现有扇扫成像系统在提高方位分辨率上遇到的困难，本发明提出一种新的基于MIMO技术的扇扫成像方法。通过选择合适的阵型、发射信号与处理方法，本发明中的MIMO阵列可以在与SIMO阵列同尺寸的前提下（即二者所占用成像系统的内部空间是相同的），获得2倍于后者的方位分辨率。

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)采用MIMO阵列作为成像阵列，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两个均匀直线阵的中垂线重合，发射阵元的间距d_t等于接收阵元的间距d_r乘以接收阵元个数N；所述的发射阵元的个数为2个；

所述的发射直线阵和接收直线阵也可以互相平行，但是要保证两者之间的距离远远小于成像系统的最小工作距离，最大不超过发射线列阵的尺寸大小。