多视角MIMO穿墙三维实时成像技术研究

Nowadays, the multi-view Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) three-dimension through-wall imaging radar as a new radar technology has been widely used in the civil and military applications. After the multichannel data are collected from different locations using the snapshot method, the multiple single-view images are fused to form a high resolution three dimension image. Firstly, we study the virtual aperture for the irregularly arranged sparse array and obtain the MIMO radar array optimized configuration, reducing the element shadowing for effective aperture and improving the sidelobe levels of the image. Secondly, the traditional 3-D image method in frequency domain is derived from the monostatic mode and can’t be used in MIMO directly, a new high accuracy and fast image method in frequency domain for MIMO is proposed. Thirdly a non-uniform image registration method to correct for the shifts occurred during imaging is studied to ensure the geometrical alignment of the sensed images. After registering the sensed images, a pixel-based image fusion method is proposed to reduce clutter and enhance target detection. Lastly, in order to validate the effectiveness of the methods we proposed, an experimental UWB 2-D MIMO sparse array platform is established, and some experiments on multi-view detection will be carried out. The experimental results will be shown and given some advice for the improvement of the optimized configuration of the MIMO sparse array and the imaging algorithm. These work will push forward the progress of the utilization of UWB 3-D imaging in reality.

多视角多输入多输出三维穿墙成像雷达基于二维MIMO天线稀疏阵列，通过“单次快拍”快速获取墙后目标的三维图像，同时利用多角度观测获得目标更完整的散射信息，有利于后续目标检测和识别，在民用和军用领域具有重要应用价值。本项目针对多视角MIMO穿墙三维实时成像技术的难点和关键问题开展研究：针对常规规则二维天线阵存在阵元投影遮蔽而导致的高栅瓣问题，提出典型构型的非规则二维MIMO阵列优化方法和拓扑结构；针对MIMO中现有时域三维成像算法实时性差，常规频域算法基于球面波前的单站模型，无法直接用于椭球面波前的MIMO模式，提出基于适用于MIMO的高精度频域快速成像方法；针对实际应用中不同视角下雷达的相对位置未知，提出高精度的三维图像配准方法和相应的图像融合算法，以提高图像融合质量并获得更完整的目标信息；搭建实验平台，开展原理性实验验证，为多视角MIMO三维成像技术迈向实际应用奠定理论和技术基础。

超宽带MIMO阵列雷达系统通过使用大孔径、稀疏排列的MIMO实孔径天线阵列收发超宽带脉冲信号能够对探测区域内的目标进行非入侵式的高分辨率跟踪成像。近年来，因其在反恐斗争、城区巷战和灾害救援等领域的广泛应用而备受国内外关注。本项目开展了多视角MIMO穿墙三维实时成像技术研究工作，包括非规则二维MIMO天线阵列拓扑结构优化方法研究、三维快速成像算法研究以及多视角图像融合研究：.（1）提出了一种用于设计4M发4N二维超宽带MIMO面阵拓扑结构的优化方法，分析、总结了二维MIMO平面阵列结构的两条优化原则，设计了两个MIMO面阵，仿真和实验结果证明了这两个面阵相比阵元数目相等但结构不同的另两个阵列具有更好的旁瓣抑制能力，进而验证了所提出的面阵结构优化方法的正确性。.（2）提出了一种基于二维超宽带MIMO面阵列的快速三维成像算法，能够应用在MIMO阵列系统中，修正了MIMO-RMA在空间采样率上的缺陷，以解决实际MIMO阵列中发射孔径或接收孔径出现稀疏排列的情况，仿真和实验结果验证了该成像算法的准确性以及良好的计算效率。.（3）针对实际应用中不同视角下雷达的相对位置未知，提出圆周多视角和平面多视角成像方法，同时提出了高精度的三维图像配准方法和有效的图像融合算法，以提高图像融合质量并获得目标更多的信息。.（4）在理论基础上，项目组搭建了一套4发8收的三维成像雷达，进一步验证项目研究的方法有效性，本项目的成果为迈向实际应用奠定理论和技术基础。