[发明专利]一种基于MIMO技术的三维成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列成像方法。 

背景技术

在水下声成像、雷达成像以及医学成像等阵列成像领域，为了获得目标或成像区域的三维坐标信息，需要使用具有三维空间分辨能力的平面阵或柱面阵等阵列（Murino V and Trucco A,Three-dimensional image generation and processing in underwater acoustic vision,in Proc.IEEE,2000;88(12):103-1948.）。为了获得更好的三维成像效果，如何提高成像系统的分辨率一直是研究的热点。三维成像系统的分辨率包括距离分辨率和方位分辨率。距离分辨率由发射信号的带宽决定，可以通过增加信号带宽来提高。方位分辨率则由阵列的有效孔径决定。为了获得足够的方位分辨率，要求阵元数目足够多。为了避免出现空间欠采样而带来的栅瓣，要求阵元间距一般不能超过信号最高频率对应的半波长。因此，巨大的阵元个数不但会导致成像阵列的尺寸变得太大，也会带来巨大的阵元成本。 

为了减少三维成像系统中的阵元个数从而降低成本，Turnbull（Turnbull D H and Foster F S,Beam steering with pulsed two dimensional transducer arrays，IEEE Trans.Ultrason.,Ferroelect.,Freq.Contr.,1991;38(4):320–333.Turnbull D H and Foster F S,Simulation of B-scan images from two-dimensional transducer arrays:Part II-Comparison between linear and two dimensional phased arrays,Ultrason.Imag.,1992;14(4):334–353.）、Weber（Weber P K,Schmitt R M,Tylkowski B D and Steck J,Optimization of random sparse 2-D transducer arrays for 3-D electronic beam steering and focusing,in Proc.IEEE Ultroson.Symp.,1994:1503-1506.）、Holm（Holm S,Austeng A,Iranpour K,and Hopperstad J F,Sparse sampling in array processing,in Sampling Theory and Practice,(Marvasti F Ed.),New York:Plenum,2001,ch.19）和Austeng（Austeng A,Holm S,Weber P,Aakvaag N,and Iranpour K,1D and 2D algorithmically optimized sparse arrays,in Proc.IEEE Ultrason.Symp.,1997:1683-1686.）等人提出利用一些优化算法—如随机布阵法、模拟退火法和线性规划法等设计稀疏阵列。这些优化算法能够将三维成像阵列中的阵元去掉一部分，同时保证阵列的方位分辨率几乎保持不变（与原来的密集阵列相比）。除此之外，Sumanaweera（Sumanaweera T S,Schwartz J,and Napolitano D,A spiral 2D  phased array for 3D imaging,in Proc.1999 IEEE Ultrason.Symp.,Caesars Tahoe,NV，1999:1271-1274.）等人也提出了螺旋布阵的方法，使用相对较少的阵元获得了与原密集阵列类似的方位分辨率。 

但是，这些经过优化后的稀疏阵只能节省大约一半的阵元个数。高分辨三维成像系统为了获得足够的方位分辨率，通常阵元数目都很巨大。以阵元个数为60×60＝3600的平面阵为例，与其对应的、经过优化后的稀疏阵阵元个数大约为1800。虽然有所减少，但是这1800个阵元仍然不是小数目，与其配套的硬件设施等仍会导致成像系统的成本过高。此外，经过优化后的稀疏阵列，其阵列尺寸并没有减小，高方位分辨率仍然会带来阵列尺寸过大的问题。