一种用于高分辨扇扫成像的MIMO阵列

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252014V01．35No．92540-2550ISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn一种用于高分辨扇扫成像的MIMO阵列刘雄厚，孙超*，卓颉，马茜，潘浩西北工业大学声学工程研究所，陕西西安710072摘要：为了提高扇扫成像系统的方位分辨率，设计了一种具有高方位分辨率的多输人多输出(MIMO)阵列。首先，建立了同时适用于窄带和宽带

2、信号的MIMO阵列与虚拟阵列之间的等效模型。在分析匹配滤波输出成分的基础上，证明了当发射信号具有良好相关特性时，MIMO阵列的匹配滤波输出可等效为单输入多输出(S1M0)阵列上经过脉冲压缩后的回波。接着，根据这一等效关系，获得了与MIMO阵列等效的虚拟阵列中虚拟发射阵元与虚拟接收阵元坐标解析解。最后，在约束阵列物理尺寸为固定值的前提下，利用该解析解设计出一种由2个发射阵元和一条接收均匀线阵列(ULA)组成的MIMO阵列。理论推导和仿真结果表明：所设计的MIMO阵列可以在恒定的物理尺寸和虚拟阵列为均匀直线

3、阵的前提下，获得优于其他MIMO阵列和SIMO阵列的方位分辨率。关键词：成像技术；扇扫成像；高分辨；MIMO阵列；阵列处理；阵列设计中图分类号：V243．2；TP702文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)09—2540—11在雷达、声纳和超声成像领域，扇扫成像是广泛使用的工作方式之一。传统的扇扫成像系统大多采用单输人多输出(SIM0)阵列，其分辨率分为距离分辨率和方位分辨率[1’2]。距离分辨率由发射信号带宽决定，可通过增加信号带宽来提高。方位分辨率则由阵列有效孔径决定，可通过增加阵列

4、尺寸或提高发射信号频率来改善。但是，当成像系统的内部空间有限时(如安装在空中无人机上的雷达成像系统和安装在水下航行器上的声纳成像系统)，增加尺寸容易带来阵列难以安装的问题。提高发射信号频率会使得阵元间距过大(相对于半波长)而导致栅瓣的出现[1。2]，也会使吸收损失增大而导致扇扫成像系统的作用距离变短。为了克服传统扇扫成像系统在提高方位分辨率时存在的缺点，采用多输入多输出(MIMO)技术为可行方式之一[3-8]。MIM0阵列的多个发射阵元同时发射相互独立的信号，在进行目标参数估计时获得更多的自由度和虚拟阵

5、元[3氐9

6、。在阵列成像领域，由于可获得大量虚拟阵元，使用MIM0阵列可达到节省阵元个数[1”15]、简化系统硬件复杂度的目的[16。2⋯。但是，已有的虚拟阵元理论并不完善。尽管文献r4-]给出了虚拟接收阵元的解析解，但并未指出虚拟发射阵元的位置，且该模型仅适用于目标参数估计问题。在进行目标参数估计时，需要获取回波的协方差矩阵，因此文献[4]中的模型要求发射信号相互独立即可。与目标参数估计不同的是，在MIMO阵列的成像流程中，为了获得各个角度上的回波，需要对匹配滤波输出进行波束形成[1“12’1922]

7、。因此发射信号仅仅满足独立性是不够的，其自相关与互相关特性必须满足文献[21]收稿日期：2013．06．24；退修日期：2013-12-03；录用日期：2014—04—04；网络出版时间：2014-04-0910：25网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／107527／S1000-6893．2014．0039．htmI基金项目：国家自然科学基金(11104222)；西北工业大学博士论文创新基金(CX201101)*通讯作者．Tel．：029—88495114E—mail：csun

8、@nwpu．edu．cn翱糟格武IL’uXH，SunC．ZhuoJ，etal．AnMIMOarrayforhigh-resolutionsector-scanimaging(J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSin#ca．2014．35(9)：2540-2550．裁雄厚，孙趣．事颤．等．一种用f高分辨扇扫盛像的MIMO唪确!J]i航空学报．2014．35(9)：2540—2550．刘雄厚等：一种用于高分辨扇扫成像的MIMO阵列中的要求[21

9、，而这一点在有关MIMO阵列成像

10、的文献里并未作深入说明[740]。此外，文献[4]利用阵列导向矢量推导虚拟阵元坐标的解析解，这仅仅对窄带信号有效，而不适用于宽带信号。而现有利用MIMO阵列进行扇扫成像的研究中，关注的核心是发射信号和接收滤波器的设计[7]、新的成像方法的运用[8’17’221以及阵元个数的减少和硬件系统的简化等[1”12’2122]，并未将控制成像阵列的物理尺寸作为考虑因素。现实中，很多扇扫成像系统的内部空间是有限的，其面临的问题是如何突破系统内部空间对阵