基于子阵划分的二维穿墙MIMO阵列设计

穿墙三维成像中,不同的阵列构架会直接影响阵列性能及其适用环境。利用等效阵列原理设计二维多输入多输出(MIMO)阵列,在具体分析一维STVA阵列具有最短物理尺寸的原理上,提出了利用子阵划分的方法解决等效阵列到MIMO阵列的去卷积问题。针对去卷积后得到多种MIMO阵列构型的择优问题,提出了综合尺寸的概念,利用子阵划分后的部分信息衡量去卷积后MIMO阵列的物理尺寸,最后将这种方法推广至二维MIMO阵列,设计出适用于穿墙成像的二维UWB-MIMO阵列,利用仿真实验验证了其在穿墙三维成像中的优异性能。     

便携式超宽带穿墙成像雷达阵列模式性能研究

受限于便携性要求,超宽带穿墙成像雷达可用的天线数量有限,因而面临着如何充分利用有限的天线获取最优成像性能的难题。文中主要比对研究了UWB、TWIR在3种不同天线阵列配置模式下的性能。论述了3种不同的阵列配置模式,分析比对了在3种模式下UWB、TWIR的方位向分辨率和干涉区域,并通过仿真实验进行了验证分析,给出了合理等效孔径和虚拟阵元密度下的最佳阵列性能配置参考。     

基于空间特征的MIMO穿墙雷达墙杂波抑制

在穿墙成像中,墙体反射波相对于目标回波具有很强的能量,因此对目标的成像及检测造成严重干扰。传统的空域滤波方法基于单发单收阵列体制,利用墙体空间特征不变性有效地抑制墙体杂波。随着MIMO技术越来越多的应用于穿墙雷达,墙体空间特征发生变化,该方法不再适用于MIMO穿墙雷达回波。为解决这一问题,该文分析了MIMO穿墙雷达回波中墙体与目标回波的空间特征,参数化建模结果表明,墙体回波的空间特征与天线阵列的位置无关且具有对称性,而目标回波不具有该特性。根据两者的这一差异,该文提出对称消去法来消除墙体回波。仿真结果表明该方法能够有效地消除墙体杂波,且能够保留目标的全部信息。     

应用于太赫兹成像的弧形多收多发阵列的设计方法

提出了基于等效阵列概念的弧形多收多发(MIMO)阵列的设计方法,依照该方法设计了一种50发60收的弧形MIMO阵列,并在太赫兹波段进行仿真分析。结果表明,所设计的弧形MIMO阵列的成像分辨率接近于理论极限;该弧形MIMO阵列与包含3000个收发同置天线的等效阵列相比,点扩展函数的主瓣宽度一致、旁瓣波峰波谷的位置一一对应,其等效性得到了验证;与传统直线MIMO阵列相比,弧形MIMO阵列的成像范围较大,其旁栅伪影得到明显抑制,这有利于获得更好的曲面目标侧面成像效果。     

稀疏阵列L 型MIMO 雷达运动目标三维成像方法

针对L型多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)雷达对空中运动目标三维成像天线数目较多问题,提出了发射阵列采用稀疏布阵的L型MIMO雷达三维成像方法。该文首先分析了MIMO雷达发射阵列的稀疏布阵方式,其次结合压缩感知理论具体阐述了基于稀疏阵列的三维成像方法。该方法在大幅减少L型MI-MO雷达发射天线的条件下,实现了对运动目标的单次快拍三维成像,不仅有效避免了目标机动带来的运动补偿难题,同时又降低了系统的硬件复杂度,便于工程应用。最后利用仿真实验验证了本文方法的有效性和可行性。     

基于跨航向稀疏阵列的机载下视MIMO 3D-SAR三维成像算法

基于阵列天线的SAR 3维成像技术是实现SAR 3维高分辨成像的重要方式之一。该文通过沿飞行平台跨航向稀疏地布置多个收发天线阵列单元,构造了跨航向稀疏下视阵列天线构型的MIMO(多发多收)机载3D-SAR,并分析了跨航向稀疏下视阵列MIMO机载3D-SAR的成像几何、3维回波信号模型,提出了适用于跨航向稀疏下视阵列MIMO机载3D-SAR的3维成像算法,最后通过仿真实验验证了算法的有效性并对结果进行了分析。     

基于压缩感知的稀疏阵列MIMO雷达成像方法

针对MIMO雷达对空目标单次快拍成像时天线数目较多问题,该文提出了一种稀疏阵列MIMO雷达的成像方法。首先分析了MIMO雷达天线的稀疏布阵方式,其次结合压缩感知理论具体阐述了稀疏阵列MIMO雷达的成像方法。该方法不仅能够对运动目标实现单次快拍成像,避免了目标机动带来的运动补偿难题,同时又能够大幅减少MIMO雷达的天线规模,便于工程实现。最后利用仿真实验验证了所提方法的有效性。     

UWB MIMO近场成像雷达稀疏阵列设计方法研究

传统方法设计近场高分辨成像雷达的阵列时,往往需要大量且分布密集的阵元,这样的设计会带来巨大的开销和制作工艺要求高等问题。为了避免上述问题,本论文将MIMO与UWB相结合,提出了一种基于等效相位中心原理设计UWB MIMO近场成像雷达稀疏阵列的方法,并对等效相位中心近似带来的误差做了补偿。然后通过数值仿真工具(FDTD)进行仿真,考察了设计的阵列的波束方向图,并分别对单个点目标和分布式目标进行成像,仿真结果验证了该阵列设计方法的有效性和应用于近场高分辨成像的可行性。     

一种新的MIMO线阵穿墙成像模型及其环境参数估计

通过估计墙体厚度及介电常数等环境参数来进行补偿成像是近年来穿墙雷达成像研究领域的热点。为解决传统穿墙成像模型中天线需要严格平行于墙体的限制,以及现有的环境参数估计算法计算效率低,稳健性较差的问题,该文建立了一种新的多发多收(MIMO)体制穿墙雷达成像模型以适应阵列与墙体位置关系未知的情况,同时根据该模型下墙体前后沿回波路径模型,提出一种仅依赖于墙体回波时延的环境参数估计算法,稳健性高并且运算复杂度低。时域有限差分(FDTD)仿真数据验证了成像模型和环境参数估计算法的有效性。     

联合感知矩阵优化的穿墙MIMO阵列稀疏成像方法

采用压缩感知理论的穿墙稀疏成像恢复算法需要感知矩阵满足有限等距性质(RIP),最直接的验证方法是判定感知矩阵的相干系数是否较小。针对现有的穿墙多输入多输出(MIMO)阵列稀疏成像方法没有验证感知矩阵是否满足RIP 性质而容易出现重构失败并导致成像模糊的问题,提出一种联合感知矩阵优化的穿墙MIMO阵列稀疏成像方法。该方法首先依据配置指标将阵元配置为两端发中间收和分时复用的模式,既能使感知矩阵的相干系数最小,又能获得均匀而不冗余的等效虚拟阵元;然后,从中选取部分能够满足感知矩阵相干系数最小的虚拟阵元组合,使用可分离逼近结构稀疏恢复算法充分考虑扩展目标信号的结构稀疏先验信息对其进行稀疏成像重构;最后,选取成像性能指标较好的一组作为成像结果。仿真和实验结果表明,该方法降低了运算量和虚拟阵元间的干扰,节约了硬件成本,提高了算法的稀疏重构性能,获得了高分辨的穿墙扩展目标成像。     

基于协同阵的超宽带MIMO成像阵列优化设计方法

在多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）雷达成像系统中,天线阵列配置是系统设计的一个关键问题,影响到成像质量、参数估计和目标检测等。阵列的拓扑结构、阵元数量及发射信号的形式等都会影响阵列设计的结果,合理的阵列设计有利于简化系统结构并降低信号处理的复杂度。与传统窄带分析有所不同,在超宽带条件下天线阵列表现出一些新的性质,可以用于实现阵列的稀疏化。本文推导了超宽带多输入多输出阵列角分辨率和旁瓣、栅瓣水平的计算式,提出了一种针对步进频率信号体制的超宽带多输入多输出阵列优化设计方法,仿真数据处理结果验证了本文方法的有效性。      

用于超宽带高分辨率成像的二维稀疏MIMO面阵拓扑结构研究

分析并总结了超宽带二维多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)面阵拓扑结构设计的两条原则——等效孔径的均匀性与无明显遮蔽性, 并根据这两条原则提出了一种用于超宽带近距离高分辨率成像的新型面阵拓扑结构.与尺寸、阵元数相同的MIMO面阵相比, 该新型面阵结构在仿真获取的方向图中具有更好的聚焦效果和旁瓣抑制能力.并且, 不同距离下的聚焦结果显示, 该面阵的峰值旁瓣水平均要低于另两个阵列2 dB以上.对复杂目标成像的实验结果进一步证明了该阵列良好的成像性能.结合其等效阵元数量较少的特点, 文中提出的这种新型MIMO面阵拓扑结构为高效、实时的超宽带近距离高分辨率成像应用提供了可能.     

Miniaturized six-ring elliptical monopole-based MIMO antenna for ultrawideband applications

This paper proposes a miniature two-element Multiple Input Multiple Output (MIMO) antenna dedicated to UWB applications. The proposed MIMO design has a very low profile of 30 × 20 × 1.6 mm³. The proposed antenna is carefully designed and optimized using HFSS simulation software. As a proof of concept, the proposed design is realized and experimentally tested for MIMO applications. The proposed structure, printed on an FR4 substrate, comprises two symmetrical elliptical conductive patches on the upper side and a modified ground plane on the lower one. Each radiating element includes six elliptical rings. The modified ground plane consists of a T-shaped strip and two semielliptical slots etched opposite the feed line. All the parameters of the design are carefully optimized to achieve an ultrawide bandwidth antenna spanning from (136.08%) 3.1 to 16.3 GHz. The results are discussed and analyzed in terms of bandwidth, gain, efficiency, radiation pattern, diversity gain, envelope correlation coefficient (ECC), total active reflection coefficient (TARC), and mean effective gain (MEG). All simulated results are found to be in good accordance with experiments. The design reveals attractive features for UWB applications. A good isolation (17 dB) between the two radiators is achieved despite the close proximity using the suggested ground plane geometry.     

超宽带穿墙雷达天线阵列配置分析及运动人体跟踪成像算法

近场区域的非接触式穿墙条件下运动人体的实时跟踪成像探测是超宽带雷达在火灾救援、安全保卫、城市巷战以及人身安全等方面的一个重要应用。该文基于超宽带短脉冲穿墙雷达,推导分析一种MIMO阵列排列方式,并在修正的Kirchhoff算法基础上引出简单适用的成像步骤应用于慢速运动人体的跟踪探测中,给出5 Hz的图像更新速率从而实现实时成像。仿真结果验证了新的MIMO阵列排列方式的有效性,并为穿墙雷达系统研制提供了依据。实验结果说明该文提出的成像步骤具有可行性,能够有效地实现墙后运动人体的实时成像,跟踪滤波处理后,可以获得较为理想的目标运动轨迹。     

MIMO技术在超宽带通信中的应用

多带UWB通信技术是目前超宽带通信技术中较为热的研究领域,本文引入了一种基于干扰抑制OFDM系统的UWB系统[4],在此基础至上和MIMO技术结合起来,引入一种实际可行的自适应调制算法,算法通过建立各子信道的能量增量表,来实现信息比特和功率的最优分配[1].通过仿真试验可以发现,这种MIMO系统的结合可以改善系统的BER.     

基于二维最小相位相干因子的MIMO穿墙雷达成像方法

讨论了基于因式分解的穿墙雷达多输入多输出阵列配置方法,在此基础上提出了基于二维最小相位相干因子(2D Minimum Phase Coherence Factor,2D MPCF）加权的成像方法。2D MPCF综合了相位相干因子和距离向相位相干因子的优点,在方位向和距离向均有良好的栅瓣和旁瓣杂波抑制效果。仿真实验结果验证了所提成像方法不仅可以有效抑制杂波干扰,而且提高了成像结果分辨率。     

UWB脉冲信号的时域波束形成方法

分析了超宽带（Ultra Wideband）脉冲信号阵列空时处理的一般原理,比较了它和传统正弦阵列的差别,给出了一种高精度的时域波束形成方法。精确的可变时延电路实现是时域波束形成的主要问题,采用数字延迟线和FIR延迟补偿滤波器相结合的办法实现UWB信号波束形成的数字化处理。设计了因果稳定的高精度的具有分数时延补偿特性的FIR滤波器,解决了UWB信号在小样本采样时时间量化对波束形成器性能影响的问题,相对于频域处理,在有效提高阵列方向图性能同时具有设计简单,运算量小等优点。     

基于多速率滤波器组的UWB脉冲波束形成方法

在UWB脉冲信号的角度分集接收中,通常的空时处理中通道时延不易精确地控制。该文提出一种适合UWB脉冲信号的基于多速率滤波器组的波束形成方法,避开了时域处理中延迟控制的问题,同时实现了大带宽范围内的均匀一致的频率不变阵列响应。本文具体分析了进行多速率滤波的方式,其优点是滤波器设计简单,运算量与子带数目无关,同时UWB脉冲信号处理的不连续性使得其可以采用比较简单的时域插值算法。仿真实验结果证明了该文方法的可行性和有效性。     

An efficient FPGA-based implementation of UWB radar system for through-wall imaging

The work presented in this paper aims to develop a low-cost ultra-wideband (UWB) radar system that has the capability to image through the wall of a human target. The proposed radar system relies heavily on a field-programmable gate array (FPGA) platform. The Xilinx FPGA Kintex-7 (KC705) board is employed to integrate the main functionalities of the radar system, such as the generation and acquisition of a UWB signal. The generated signal is a monocycle signal, which has an ultra-wide bandwidth. Due to the UWB nature of this signal, the radar system achieves better penetration ability, as well as high imaging resolution. However, the major challenge of a UWB radar system lies in the stage of digitization, as it requires a high sampling rate analog-to-digital converter (ADC). In fact, such a chip is very expensive. Hence, to reach a high sampling resolution using a low-cost and low-speed ADC, an efficient sampling strategy is implemented. In contrast to other UWB sampling methods, which require a hardware delay line chip, the new sampling scheme depends only on the FPGA firmware to realize a combination of real-time and equivalent-time sampling, which provides better jitter performance. Finally, to demonstrate the imaging capability, experimental tests are conducted in an indoor environment while human targets are located in different places. The measurement results revealed that the proposed radar system has the ability to provide 2D images that accurately determine the location of the target.     

Design of novel compact eight-element lotus shaped UWB-MIMO antenna with triple-notch characteristics on hollow substrate

The design of novel compact two-element and eight-element lotus shaped multiple-input-multiple-output (MIMO) antenna system employing pattern diversity with enhanced isolation characteristics is presented. The proposed two-element antenna system is arranged rotationally on a square-hollow substrate resulting in an eight-element MIMO antenna system employing pattern diversity. The developed eight-element MIMO antenna system resonates in the frequency range 3.1 to 14.6 GHz housing the complete UWB band with triple band-notch characteristics at 3.7–4.5 GHz (C-band satellite down link [3.7–4.2 GHz]), 5.1–5.9 GHz (WLAN) and 6.8–8.25 GHz (X-band satellite down link (7.25–7.75 GHz) and up link (7.9–8.4 GHz)) bands. The antenna system gives element-to-element isolation of more than 25 dB in the majority of the operating band with a peak gain of 6.8 dBi and a maximum 90% efficiency. The important MIMO metrics like ECC (envelope correlation coefficient), DG (diversity gain), total active reflection coefficient (TARC), channel capacity losses (CCL) and MEG (mean effective gain) are presented for both two-element and eight-element to estimate the performance the proposed antennas in multi-antenna environments. The both two- and eight-element designs are fabricated and the measured results of those are well agreed with simulation results.