近距三维成像稀疏MIMO阵列设计

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2024.03.014

摘要/Abstract

摘要：

针对MIMO阵列雷达在近场条件下的成像应用，围绕稀疏阵列的设计方法展开研究。从雷达近距离成像模型开始，推导了基于后向投影（back projection,BP）成像算法的稀疏MIMO阵列设计数学模型，在此基础上给出了以点扩展函数（point spread function,PSF）为准则的阵列设计方法，同时分析了阵列的旁瓣抑制性能。最后，给出了两种稀疏MIMO阵列，同时进行多目标成像验证。从仿真结果可知，设计的稀疏MIMO阵列能够满足近距三维成像的需求，为下一步的实际应用奠定了基础。

关键词: 多进多出, 稀疏阵列, 点扩展函数, 三维成像, 阵列设计, 旁瓣抑制

Abstract:

For the imaging application based on the MIMO array in near-field condition， the sparse array design method is researched. Starting from the radar imaging model in near field， the mathematic model of the sparse MIMO array design method based on the back projection （BP） imaging method is deduced， the theoretical expression of the point spread function （PSF） is derived and the suppression performance of side lobe is analyzed. Two sparse array design methods are given for multiple targets imaging verification at the same time. It can be seen from the simulation results that the designed sparse MIMO array can meet the needs of near field imaging and provide a foundation for real application.

Key words: multiple-input multiple-output（MIMO）, sparse array, point spread function（PSF）, three-dimensional imaging, array design, sidelobe suppression

中图分类号:

TN95

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图/表 14

图1 成像引信工作场景示意图

Fig. 1 Diagram of imaging fuse working scene

图2 稀疏MIMO阵列成像的几何模型

Fig. 2 Imaging geometric model of the sparse MIMO array

图3 稀疏MIMO阵列点扩展函数

Fig. 3 PSF of the sparse MIMO array

图4 基于PSF的阵列设计步骤

Fig. 4 Step of array design based on the PSF

表1 圆面内稀疏布阵天线坐标位置 (mm)

Table 1 Coordinate position of the sparse array antenna in circular surface

天线阵列		稀疏阵列阵元位置坐标
发射阵列	（36，45）	（22，44）	（59，48）	（13，59）	（27，1）	（28，74）	（0，6）	（56，0）
接收阵列	（0，31）	（31，35）	（36，82）	（37，45）	（41，21）	（42，0）	（65，52）	（71，68）

图5 发射和接收阵列结构及方向图

Fig. 5 Diagram of the structure and beamforming of the transmitter and receiver

图6 阵列结构及方向图

Fig. 6 Structure and beamforming of the transmit and receive

表2 圆环上稀疏布阵天线坐标位置 (mm)

Table 2 Coordinate position of sparse array antenna on ring

天线阵列		稀疏阵列阵元位置坐标
发射阵列	（54，24）	（51，40）	（28，54）	（10，48）	（0，31）	（11，4）	（29，0）	（42，4）
接收阵列	（77，44）	（66，68）	（3，62）	（10，11）	（44，1）	（68，12）	（0，58）	（25，0）

图7 发射和接收阵列结构及方向图

Fig. 7 Diagram of the structure and beamforming of the transmitter and receiver

图8 阵列结构及方向图

Fig. 8 Structure and beamforming of the transmit and receive

图9 3个相距1.14°的点目标测角结果

Fig. 9 Angle measurement result of three point target away from 1.14°

图10 模拟船模型

Fig. 10 Model of simulated ship

图11 基于稀疏MIMO阵的成像结果

Fig. 11 Imaging result based on the sparse MIMO array

图12 基于均匀MIMO阵的成像结果

Fig. 12 Imaging result based on the uniform MIMO array

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