一种用于高分辨扇扫成像的MIMO阵列.pdf

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1、航空学报Sep．252014Vo1．35No92540-2550ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．cahkxb@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入多输出(MIMO)阵列。首先，建立了同时适用于窄带和宽

2、带信号的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人多输出(SIMO)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

3、为均匀直线阵的前提下，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，扇扫成像是广术为可行方式之一L3．8j。MIM0阵列的多个发射泛使用的工作方式之一。传统的扇扫成像系统大阵元同时发射相互独立的信号，在进行目标参数多采用单输入多输出(sIMO)阵列，其分辨率分估计时获得更多的自由度和虚拟

4、阵元l3。在为距离分辨率和方位分辨率l_】]。距离分辨率由阵列成像领域，由于可获得大量虚拟阵元，使用发射信号带宽决定，可通过增加信号带宽来提高。MIMO阵列可达到节省阵元个数_】]、简化系统方位分辨率则由阵列有效孔径决定，可通过增加硬件复杂度的目的_1。。。。阵列尺寸或提高发射信号频率来改善。但是，当但是，已有的虚拟阵元理论并不完善。尽管成像系统的内部空间有限时(如安装在空中无人文献E4]给出了虚拟接收阵元的解析解，但并未指机上的雷达成像系统和安装在水下航行器上的声出虚拟发射阵元的位置，且该模型

5、仅适用于目标纳成像系统)，增加尺寸容易带来阵列难以安装的参数估计问题。在进行目标参数估计时，需要获问题。提高发射信号频率会使得阵元间距过大取回波的协方差矩阵，因此文献[4]中的模型要求(相对于半波长)而导致栅瓣的出现_】。]，也会使吸发射信号相互独立即可。与目标参数估计不同的收损失增大而导致扇扫成像系统的作用距离是，在MIMO阵列的成像流程中，为了获得各个变短。角度上的回波，需要对匹配滤波输出进行波束形为了克服传统扇扫成像系统在提高方位分辨成_1”’1922]。因此发射信号仅仅满足独立性是不率时

6、存在的缺点，采用多输入多输出(MIMO)技够的，其自相关与互相关特性必须满足文献i-21]收稿日期：2013—06—24；退修Et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．cnki．net／kcms／detail／107527／Sl000．6893．2014．0039html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Te1．：029—88495114E

7、-mail：csun@nwpu．edu．on；

8、角榕武lL_uXH，SunC，ZhuoJteta1．AnMIMOarrayforhigh-resolutionsector-scanimaging[J2．ActaAeronauticaetAstronauticaSin#ca，2014·35(9)：2540-2550勃雄厚·静超，卓颤，等．一种用于高分辨赢扫战像的MIMO阵矾J]．航空学报．2014．35(9)：254O一255o．刘雄厚等：一种用于高分辨扇扫成像的MIMO阵列中的要求[2，而这一点

9、在有关MIMO阵列成像模信号_7胡等。以正交多相编码信号为例，其由的文献里并未作深入说明_2ol。此外，文献I-4]利多个子码即连续波(CW)脉冲组成，这些子码的用阵列导向矢量推导虚拟阵元坐标的解析解，这初相位是(O，2丌]内的随机值。MIMO阵列中第仅仅对窄带信号有效，而不适用于宽带信号。而m个发射信号的表达式为现有利用MIMO阵列进行扇扫成像的研究中，关s()一s()exp(j∞o)(1)注的核心是发射信号和接收滤波器的设计]、新式中：。一2fo为载波角频率，为载波频率；的成像方法的运用。以