一种基于平面MIMO阵列的雷达系统及三维成像方法

技术领域

本发明涉及雷达成像技术领域，尤其涉及一种基于平面MIMO阵列的雷达系统及三维成像方法、计算机可读存储介质、计算机设备。

背景技术

现有的高分辨率雷达成像技术，主要包括转台逆合成孔径雷达(InverseSynthetic Aperture Radar,ISAR)成像和基于导轨扫描合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar,SAR)成像。转台ISAR通过发射宽带信号和目标旋转，进行高分辨率二维成像。导轨扫描SAR则通过雷达沿精密导轨做机械扫描发射宽带信号以合成成像孔径，进行高分辨率二维成像。由于需要精密的机械传动结构，雷达成像技术硬件成本高昂，数据获取速度慢，极大地影响了测量效率，不适用于快速成像的场合。

多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)雷达是同时利用多个发射天线阵元和接收天线阵元实现发射和接收分集波形，再进行集中处理的一种雷达体制，可以利用少量物理阵元等效大量虚拟阵元，合成大的虚拟孔径，缩短数据采集时间，提高测量的效率。MIMO阵列避免了机械传动结构，效率高，成像快速，由此使得有大数据量要求的三维成像成为了可能。同传统的目标二维雷达像相比，目标三维雷达像可提供复杂目标局部散射中心的空间三维位置及其散射强度信息，使数据更具有完备性。

目前，现有技术有通过分析不同高度上的MIMO阵列合成的两组虚拟孔径所成两幅二维雷达像的干涉相位与目标散射中心高度之间的关系，获得三维干涉成像结果。但这种方法在高度向上的成像结果是通过相位干涉产生的估计值，并不存在分辨力，在同一距离和方位、不同高度上存在散射中心时，并不能很好地分辨出来。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种基于平面MIMO阵列的近场便携雷达测量系统及三维成像方法，以实现对低可探测目标进行快速的三维成像，使成像数据更加具有完备性，更便于散射诊断和RCS评估。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于平面MIMO阵列的雷达系统，包括：

平面MIMO阵列、支架、发射机、接收机和控制器；其中，

所述平面MIMO阵列包括多个发射阵元、多个接收阵元和多个微波开关，各所述发射阵元和所述接收阵元间隔分布，构成等效均匀矩阵阵列，各所述微波开关对应地与所述发射阵元、所述接收阵元连接，用于切换电磁波传播的通道；

所述支架用于支撑所述平面MIMO阵列，使待测目标位于所述雷达系统近场测量的目标区域内；

所述发射机用于对步进频率波进行功率放大，并发射给各所述发射阵元；

所述接收机用于对各所述接收阵元接收的信号进行低噪放和混频，并完成中频放大和I/Q正极通道接收，获取对应的回波数据；

所述控制器与所述发射机、所述接收机以及各所述微波开关连接，用于生成相应的控制指令并发送，利用各所述微波开关控制不同通道按时间顺序依次开启，在每一次通道开启期间执行扫频处理，以及采集回波数据和通道位置信息，遍历所有通道，分别对定标体、背景及待测目标进行近场测量，并完成矢量背景对消及定标处理，对处理后的待测目标回波数据相位校正并成像，最终求得待测目标的三维成像结果。

优选地，所述平面MIMO阵列包括4M个所述发射阵元、(2N+1)

所述平面MIMO阵列中，4M个所述发射阵元均匀分设在所述平面MIMO阵列的四角，每一角设有M个所述发射阵元，(2N+1)

优选地，所述雷达系统的距离向的分辨力为：

所述雷达系统的方位向和高度向的分辨力为：

其中，ρ表示方位向和高度向的分辨力，Δθ

优选地，所述平面MIMO阵列包括M个所述发射阵元、M个所述接收阵元，其中，M为不小于10的整数，总合成的虚拟阵元数量为M

所述平面MIMO阵列中，M个所述发射阵元和M个所述接收阵元分别沿两条十字交叉的斜线对称排列。

本发明还提供了一种基于平面MIMO阵列的雷达系统三维成像方法，采用如上述任一项所述的基于平面MIMO阵列的雷达系统实现，包括如下步骤：

S101、根据待测目标的尺寸以及测量频率，设置雷达系统，确定所述雷达系统的测量参数；

S102、通过各微波开关控制平面MIMO阵列，分别对定标体、背景及待测目标进行近场测量，近场测量时平面MIMO阵列按时间顺序依次切换各通道，并在每一次切换通道后，进行一次扫频，获取相应的回波数据和当前开启的通道的位置信息；

S103、利用背景及待测目标对应的回波数据进行矢量背景对消处理，利用定标体对应的回波数据对待测目标对应的回波数据的幅度和相位进行定标处理，得到处理后的待测目标回波数据；

S104、将处理后的待测目标回波数据中，每一次切换通道并扫频得到的回波数据乘上加权因子，沿频率维度进行逆傅里叶变换，得到各通道的一维距离像；

S105、根据平面MIMO阵列各通道与待测目标的参考中心位置之间的关系，划分成像区域并选择初始像素点，根据各通道的位置信息，确定积分路径，对通道的一维距离像进行插值运算，插值后乘上相位参数进行相位校正；

S106、利用校正后的数据进行三维成像，将所有通道成像进行加和，得到待测目标近场三维成像结果。

优选地，所述步骤S105中，积分路径表达式为：

其中，R

优选地，所述步骤S105中，插值运算包括sinc插值、线性插值、最近点插值。

优选地，所述步骤S106中，将所有通道成像进行加和，得到待测目标近场三维成像结果，表达式为：

其中，p

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述基于平面MIMO阵列的雷达系统三维成像方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述基于平面MIMO阵列的雷达系统三维成像方法的步骤。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于平面MIMO阵列的雷达系统及三维成像方法、计算机可读存储介质、计算机设备，本发明利用平面MIMO阵列中的天线阵元依次切换电磁波传播通道并进行扫频测量，将各通道的成像结果综合得到三维微波图像，可满足低可探测目标的出厂检测以及使用维护阶段的电磁散射特性现场诊断；本发明的优点包括：(1)扫描速度快，通过微波开关电切换平面MIMO阵列扫描通道，可对低可探测目标实现快速成像；(2)不需要机械传动结构，减少了设备传动带来的误差，降低了测量操作过程中对现场测量环境的要求；(3)提高了数据测量的完备性，三维成像结果相对于二维成像结果增加了高度维的信息，可以对散射源进行更加精确的分析。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于平面MIMO阵列的雷达系统结构示意图；

图2是本发明实施例中一种平面MIMO阵列的一个维度分布示意图；

图3是本发明实施例中基于平面MIMO阵列的近场双站成像的积分路径示意图；

图4是本发明实施例中一种数据的存储结构示意图；

图5(a)是本发明实施例中一种基于平面MIMO阵列结构示意图，图5(b)是本发明实施例中另一种基于平面MIMO阵列结构示意图；

图6是本发明实施例中一种基于平面MIMO阵列的雷达系统三维成像方法的成像处理部分流程示意图。

图中：1：发射阵元；2：接收阵元；3：支架；4：接收机；5：控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于平面MIMO阵列的雷达系统，包括平面MIMO阵列、支架3、发射机、接收机4和控制器5。具体的，其中：

平面MIMO阵列包括多个发射阵元1、多个接收阵元2和多个微波开关，各发射阵元1和接收阵元2间隔分布，构成等效均匀矩阵阵列，各微波开关对应地与发射阵元1、接收阵元2连接，用于切换电磁波传播的通道。构成等效均匀矩阵阵列的平面MIMO阵列可采用现有技术，具体内容不再赘述。

支架3用于支撑平面MIMO阵列，使待测目标位于该雷达系统近场测量的目标区域内。

发射机用于对步进频率波进行功率放大，并发射给各发射阵元1。发射阵元1向待测目标发射电磁波，接收阵元2接收反馈的电磁波。

接收机4用于对各接收阵元2接收的信号进行低噪放和混频，并完成中频放大和I/Q正极通道接收，获取对应的回波数据。

控制器5与发射机、接收机4以及各微波开关连接，用于生成相应的控制指令并发送，利用各微波开关控制不同通道按时间顺序依次开启，在每一次通道开启期间执行扫频处理，以及采集回波数据和通道位置信息，遍历所有通道，分别对定标体、背景及待测目标进行近场测量，并完成矢量背景对消及定标处理，对处理后的待测目标回波数据相位校正并成像，最终求得待测目标的三维成像结果；其中，通道位置信息包括该通道对应的发射阵元1的坐标、接收阵元2的坐标。

如图1所示，优选地，平面MIMO阵列包括4M个发射阵元1、(2N+1)

对于其中一个维度，平面MIMO阵列合成的虚拟阵元数量为2M×(2N+1)个，总合成的虚拟阵元数量为4M×(2N+1)

其中，Δr

平面MIMO阵列中，4M个发射阵元1均匀分设在平面MIMO阵列的四角，每一角设有M个发射阵元1，(2N+1)

如图1所示，这种平面MIMO阵列是常见的等效均匀矩阵阵列之一，可以获得平面内均匀分布的虚拟孔径，提高主副瓣比，同时具有较长的合成孔径，可以获得较高的方位向和高度向的分辨力。

对于平面MIMO阵列的一个维度，假设发射阵元1的数目为N

在阵元数量更多时，为了提升孔径利用率，可以进一步提高发射阵元与接收阵元的间隔数。这样的拓扑结构能使其虚拟阵元满足周期、均匀分布且无阵元重叠的要求。

进一步地，雷达系统的距离向的分辨力为：

该平面MIMO阵列的尺寸与该雷达系统的方位向和高度向的分辨力的关系为：

其中，ρ表示方位向和高度向的分辨力，Δθ

针对基于MIMO体制的近场成像情况，构建成像模型。以步进频率波为例，在多个散射中心的情况时，接收到的回波信号可以表示为：

其中，(u

如图3所示，设阵列坐标系下，圆圈表示的发射阵元1坐标为(u

经过变形，有：

对于一散射中心，(x,y,z)为常数，固定发射阵元位置(u

为简化计算，可将积分路径L的表达式依泰勒级数展开取前两项近似得到：

利用如图1所示的等效均匀矩形阵列结构进行成像测量，可以看出，其积分路径为(四角上的)四个发射单元(每个发射单元包括M个发射阵元1)固定组成的三维双曲线方程。

在满足远场测量条件时，即R

在RCS测量中，一般需要满足远场条件，即：

对于一个1m左右的目标，在10GHz进行测量时，要求雷达到目标的距离应大于66m，如果阵列大小为1m，并不能在该距离进行高分辨力成像测量，方向维和高度维的分辨率为1m，并不能对目标的各散射中心进行分辨，所以需要在近距离条件下进行测量。

在阵列大小和结构一定的情况下，可以通过改变天线阵列中心到目标区域的距离来达到控制距离分辨率的目的。距离越近，方位向和高度向的分辨率越高，但是测量距离也受到天线的主瓣宽度和阵元间距的限制。测量距离的选择需要确保目标整个被天线的主瓣包裹，以确保所有的散射中心都能被照射到，成像结果才是准确的。而且，在距离越近的时候，由于阵列的结构是一定的，所以对于目标来讲，阵元间距是逐渐变稀疏的，这会导致成像区域大小的缩减。所以，需要根据实际情况，综合考虑选择合适的测量距离，一般来讲，考虑的先后顺序为天线主瓣宽度、阵元间距、分辨率。由于在利用不同类型、不同尺寸的平面MIMO阵列进行回波数据采集时，得到的每个通道的位置信息是不同的，这也是有别于传统的均匀采样成像方法的地方，所以有必要在数据采集的同时记录每一次采集数据的通道位置信息，一种数据存储文件的结构如图4所示，其在文件的开始，[conditions](条件)部分记录测量时间、测量地点、测量目标、起始工作频率、终止工作频率、工作频率步长、雷达到参考中心距离、发射阵元数目、接收阵元数目、发射阵元位置、接收阵元位置等信息，之后在[channel](通道)部分记录每一次测量所用的发射阵元和接收阵元的位置，最后在[data](数据)部分记录每一次测量的回波结果信息。

平面MIMO阵列也可采用其他形式的阵元排列构成等效均匀矩阵阵列。如图5(a)所示，一些实施方式中，平面MIMO阵列包括M个发射阵元1、M个接收阵元2，其中，M为不小于10的整数，总合成的虚拟阵元数量为M

如图5(b)所示，一些实施方式中，平面MIMO阵列包括2N个发射阵元1、2N个接收阵元2，其中，N为不小于5的整数；平面MIMO阵列中，N个发射阵元1、N个接收阵元2、N个发射阵元1、N个接收阵元2分别沿正方形的四条直角边对称排列，两条相对的直角边上分别均匀、对称地分布着发射阵元1，另两条相对的直角边上分别均匀、对称地分布着接收阵元2。

本发明还提供了一种基于平面MIMO阵列的雷达系统三维成像方法，采用如上述任一实施方式所述的基于平面MIMO阵列的雷达系统实现，具体包括如下步骤：

S101、根据待测目标的尺寸以及测量频率，设置雷达系统，确定所述雷达系统的测量参数；

S102、通过各微波开关控制平面MIMO阵列，分别对定标体、背景及待测目标进行近场测量，近场测量时平面MIMO阵列按时间顺序依次切换各通道，并在每一次切换通道后，进行一次扫频，获取相应的回波数据和当前开启的通道的位置信息；

S103、利用背景及待测目标对应的回波数据进行矢量背景对消处理，利用定标体对应的回波数据对待测目标对应的回波数据的幅度和相位进行定标处理，得到处理后的待测目标回波数据；

S104、将处理后的待测目标回波数据中，每一次切换通道并扫频得到的回波数据乘上加权因子，沿频率维度进行逆傅里叶变换，得到各通道的一维距离像；

S105、根据平面MIMO阵列各通道与待测目标的参考中心位置之间的关系，划分成像区域并选择初始像素点，根据各通道的位置信息，确定积分路径，对通道的一维距离像进行插值运算，插值后乘上相位参数进行相位校正；

S106、利用校正后的数据进行三维成像，将所有通道成像进行加和，得到待测目标近场三维成像结果。

本发明提供的三维成像方法扫描速度快，通过微波开关电切换扫描通道，可对低可探测目标实现快速成像；不需要机械传动结构，减少了设备传动带来的误差，降低了测量操作过程中对现场测量环境的要求；提高了数据测量的完备性，三维成像结果相对于二维成像增加了高度维的信息，可以对散射源进行更加精确的分析。

优选地，步骤S103中利用背景及待测目标对应的回波数据进行矢量背景对消处理，利用定标体对应的回波数据对待测目标对应的回波数据的幅度和相位进行定标处理时，有：

其中，s'

优选地，如图6所示，步骤S104至步骤S106旨在对预处理后的数据(也即s

其中，u、v表示阵列坐标系中的虚拟阵元坐标；

为了使回波信号的表达式形式更符合傅里叶变换的形式，令k＝2f/c＝2/λ为波数，则回波信号可以变为：

由三维傅里叶逆变换，得：

Γ(x,y,z)表示了散射中心在目标坐标系中的目标散射分布函数；

再现目标图像的估值可以表示为：

在目标图像的估值

将k和L进行离散化，k在频带范围内进行离散，L在积分路径变化范围内进行离散，其是以目标参考中心作为0点的，为使公式形式符合傅里叶变换的形式，便于进行IFFT，故设置取值范围为：

其中，B为波数带宽，B＝k

将上述两式代入目标图像的估计式，有：

令

其中，C表示常数，该常数可利用定标过程进行补偿，p

步骤S105中，积分路径表达式为：

其中，R

步骤S105中，考虑到在积分过程中，成像区域每一点的积分路径并不是正好落在离散的L

进一步地，步骤S105插值后乘上相位参数进行相位校正，表达式为：

步骤S106中，将所有通道成像进行加和，得到待测目标近场三维成像结果，表达式为：

其中，p

特别地，在本发明一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一实施方式中所述基于平面MIMO阵列的雷达系统三维成像方法的步骤。

在本发明另一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施方式中所述基于平面MIMO阵列的雷达系统三维成像方法的步骤。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述基于平面MIMO阵列的雷达系统三维成像方法实施例的流程，在此不再重复说明。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。