一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置及其成像方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置，包括N×N毫米波接收機面陣與同步發射機，所述N×N毫米波接收機面陣由N個毫米波接收機組成，所述同步發射機由M個發射天線組成；其中，所述M個發射天線分布設置于所述N×N毫米波接收機面陣的周緣且相互處于同一平面中。本發明專利技術有益效果在于，提出了一種新型毫米波人體探測方法既基于MIMO體制的近程三維成像方法，這種成像方法具有高分辨率、實時性好等特點。

【技術實現步驟摘要】
一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置及其成像方法
本專利技術涉及雷達成像、圖像處理領域，具體涉及了一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置以及成像方法。
技術介紹
近些年，國內外都競相利用毫米波技術檢查人體隱匿物，各種毫米波探測方法層出不窮，近程毫米波主動成像還屬于起步階段，國內市場上還沒有成熟產品，探測原理主要包括合成孔徑三維掃描探測系統和焦平面探測系統等等，但目前人體近程毫米波探測系統很少涉及MIMO體制的探測方法。MIMO體制雷達是近年來雷達領域中發展起來的一種新興體制雷達，它在發射端和接收端均采用多天線結構，各個發射天線同時輻射相互正交的信號波形，接收端的每個天線接收所有發射信號并在后端進行信號分選，從而得到了遠多于實際收、發陣元數目的觀測通道和自由度?？臻g并存的多觀測通道使得MIMO雷達能夠實時采集攜帶有目標不同幅度、時延或相位的回波信息，這種并行多通道獲取信息的能力正是MIMO雷達的根本優勢所在。除了并行多通道，MIMO雷達所得觀測通道遠多于實際物理陣元數目，這相當于存在有許多的虛擬陣元，虛擬陣元可以擴展原有物理接收陣列的天線孔徑，最終得到大孔徑的等效陣列，因而MIMO雷達有實孔徑雷達難以相比的高方位分辨能力。利用單次“快拍”數據進行成像時無需時間積累，提高探測的實時性。MIMO雷達概念模型分為(如圖1所示)發射端和接收端，發射端具備多發射天線、正交發射信號、全向輻射等特點，接收端的特征分為多接收天線、信號分選和聯合信號處理。因此，是否可將MIMO雷達技術與毫米波成像技術相結合，這樣既可充分發揮MIMO雷達的實時性又同時兼備毫米波成像系統小體積、高方向性、抗干擾等特點，從而實現在復雜環境下對靜止目標、動態目標和非合作目標實現高分辨率的實時成像。
技術實現思路
鑒于現有技術的不足，本專利技術旨在于提供一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置及其成像方法，通過毫米波接收機面陣與多個發射天線的組成，可同時輻射相互正交的信號波形，接收端的每個天線接收所有發射信號并在后端進行信號分選，從而得到了遠多于實際收、發陣元數目的觀測通道和自由度，使空間并存的多觀測通道使得MIMO雷達能夠實時采集攜帶有目標不同幅度、時延或相位的回波信息。為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案如下：一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置，包括N×N毫米波接收機面陣與同步發射機，所述N×N毫米波接收機面陣由N個毫米波接收機組成，所述同步發射機由M個發射天線組成；其中，所述M個發射天線分布設置于所述N×N毫米波接收機面陣的周緣且相互處于同一平面中。本專利技術通過以下方法實現：一種利用上述基于MIMO體制的近程三維成像裝置實現成像的方法，所述方法包括以下步驟：S1對兩個方位維即x,y方向進行傅立葉變換，并找到合適的濾波函數并匹配濾波；S2計算發現相空間三個維度發生改變后，通過stolt插值矯正相空間并均勻采樣；S3采樣后進行相空間融合處理，最后通過逆傅立葉運算得到目標點的三維圖像；根據上述步驟，即定義被測目標的坐標為(x,y,z),發射天線單元的坐標為(xt，yt，zt)，接受天線單元的坐標為(xr，yr，zr)，對于單個點目標成像，混頻之后的步進頻雷達回波信號可以表示為其中，發射天線到目標的距離接收天線到目標的距離發射信號的頻率f＝(n-1)Δf，n＝1，2........，N，g(x，y，z)為目標散射系數，也即需要恢復的目標圖像，對(1)式x，y方位維做傅里葉變換之后得到：其中，，kr＝2π(f0+f)/C式(2)中的積分運算可以利用駐定相位原理進行求解，在駐定相位點，相位的一階偏微分等于零，具體計算過程如下：在駐相點解方程(3)，得到：駐相點解方程(4)，得到：其中(z-zr)＞0將式(4)和式(5)式代入中，可得：然后，將三元泰勒定理用于上述方程(7)中，可得方程為：其中：zr＝-R0，R0為場景中心到陣列中心的距離；式(8)中，前三項分別與目標的位置x，y，z成線性關系，所以可以通過三維逆傅里葉變換進行圖像重構，最后兩項表示距離走動的常數項；將式(9)代入(2)式中可得：根據(9)式，可以得到匹配濾波函數：匹配濾波之后的信號如下所示：假設有m個發射單元，則第m個單元對應的波散關系為：根據上述波散關系，將每一發射陣元對應的回波數據通過Stolt變換映射到目標三維(kx,ky,kz)空間譜域，由此可以得到M塊空間譜域填充結果，進而組成一個大的空間譜域支撐區分布，最后經三維空間逆傅立葉變換獲得目標圖像。需要說明的是，其中g(x，y，z)是目標的后向散射系數，因此，利用三維逆傅里葉變換可以得到目標在距離維、方位維和高度維的散射圖像。g(x，y，z)＝IFFT3D[sF(kr，kx，ky)]本專利技術有益效果在于：1、空間并存的多觀測通道使得MIMO雷達能夠實時采集攜帶有目標不同幅度、時延或相位的回波信息，這種并行多通道獲取信息的能力提高了信號的實時性處理；2、將MIMO體制與毫米波技術相融合并用于近程人體探測，融合了MIMO和毫米波的雙重優點，不但性能得到提高，而且體制新穎，充實了毫米波近程探測方法；3、本專利技術一種近距離毫米波三維全息成像方法，在三維域中測得回波信號，根據重構的目標散射強度信號進行三維全息成像，實現了對目標物較好的三維全息圖像。附圖說明圖1為MIMO雷達概念模型示意圖；圖2為本專利技術的成像裝置的結構示意圖；圖3為本專利技術的成像方法的流程示意圖；圖4為本專利技術在Matlab運算下的系統結構圖；圖5為使用本專利技術進行人形點目標測試物的成像結果圖；圖6為圖5中另一種角度觀察示意圖；圖7為圖5中另一種角度觀察示意圖。具體實施方式以下將結合附圖對本專利技術作進一步的描述，需要說明的是，本實施例以本技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本專利技術的保護范圍并不限于本實施例。如圖2所示，本專利技術為一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置，包括N×N毫米波接收機面陣與同步發射機，所述N×N毫米波接收機面陣由N個毫米波接收機組成，所述同步發射機由M個發射天線組成；其中，所述M個發射天線分布設置于所述N×N毫米波接收機面陣的周緣且相互處于同一平面中?？赏ㄟ^以下步驟實現本專利技術的成像方法：如圖3所示，一種利用上述基于MIMO體制的近程三維成像裝置實現成像的方法，所述方法包括以下步驟：S1對兩個方位維即x,y方向進行傅立葉變換，并找到合適的濾波函數并匹配濾波；S2計算發現相空間三個維度發生改變后，通過stolt插值矯正相空間并均勻采樣；S3采樣后進行相空間融合處理，最后通過逆傅立葉運算得到目標點的三維圖像；根據上述步驟，即定義被測目標的坐標為(x,y,z),發射天線單元的坐標為(xt，yt，zt)，接受天線單元的坐標為(xr，yr，zr)，對于單個點目標成像，混頻之后的步進頻雷達回波信號可以表示為其中，發射天線到目標的距離接收天線到目標的距離發射信號的頻率f＝(n-1)Δf，n＝1，2........，N，g(x，y，z)為目標散射系數，也即需要恢復的目標圖像，對(1)式x，y方位維做傅里葉變換之后得到：其中，，kr＝2π(f0+f)/c式(2)中的積分運算可以利用駐定相位原理進行求解，在駐定相位點，相位的一階偏微分等于零，具體計算過程如下：在駐相本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置，其特征在于，包括N×N毫米波接收機面陣與同步發射機，所述N×N毫米波接收機面陣由N個毫米波接收機組成，所述同步發射機由M個發射天線組成；其中，所述M個發射天線分布設置于所述N×N毫米波接收機面陣的周緣且相互處于同一平面中。

【技術特征摘要】
1.一種基于MIMO體制的近程三維成像裝置，其特征在于，包括N×N毫米波接收機面陣與同步發射機，所述N×N毫米波接收機面陣由N個毫米波接收機組成，所述同步發射機由M個發射天線組成；其中，所述M個發射天線分布設置于所述N×N毫米波接收機面陣的周緣且相互處于同一平面中；所述基于MIMO體制的近程三維成像裝置實現成像的方法包括以下步驟：S1對兩個方位維即x,y方向進行傅立葉變換，并找到合適的濾波函數并匹配濾波；S2計算發現相空間三個維度發生改變后，通過stolt插值矯正相空間并均勻采樣；S3采樣后進行相空間融合處理，最后通過逆傅立葉運算得到目標點的三維圖像；根據上述步驟，即定義被測目標的坐標為(x,y,z),發射天線單元的坐標為(xt，yt，zt)，接受天線單元的坐標為(xr，yr，zr)，對于單個點目標成像，混頻之后的步進頻雷達回波信號表示為：其中，發射天線到目標的距離接收天線到目標的距離第n個發射信號的步進頻率f＝(n-1)Δf，n＝1，2........，N，g(x，y，z)為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：崔曉熙，姜濟群，桑偉，谷薔，于海輝，
申請(專利權)人：公安部第一研究所，北京中盾安民分析技術有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11