CN103698761A - 一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像方法及系统。所述方法包括：将收发天线分置；于Δt时间间隔在m×n天线坐标矩阵扫描域内间隔移动收发天线，得到m×n组电磁回波数据；分别以收发天线坐标为椭圆焦点、目标体反射回波路径长度为椭圆长轴，构造出m×n个椭圆并分别求出各个椭圆半短轴；以椭圆半长轴为X轴和Y轴的椭球赤道半径，以椭圆半短轴为Z轴的椭球极半径，构造出m×n个椭球组成椭球集；构造与椭球集的各椭球相切的包络面，选取包络最大Z轴方向切点的包络面，在所述包络最大Z轴方向切点的包络面中，以所有的任意4个相邻切点的几何中心组成的包络面作为目标体边界实现成像过程。本发明具有强抗噪性，能提高成像速度和精确度，满足实时性应用要求。

Description

一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达成像技术领域，具体涉及一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像方法及系统。
背景技术
目前，雷达二维成像技术理论框架已趋于成熟，然而二维成像仅能还原目标体横截面形状，无法对其整体进行成像与重建，导致雷达系统对物体辨识度较低。因此，雷达三维成像技术成为了近几年国内外学者研究的热点与难点。与二维成像不同，三维成像需要考虑目标体的距离-方位-俯仰三个参数。在数据处理方面，增加了表征高度的坐标轴来进行目标体重建，必须将其扩展至面阵天线或合成孔径雷达等效阵面，以采集多个水平面上的回波信息。
已有的雷达三维成像技术主要是通过回波信号的能量叠加原理，对整个成像域进行目标位置还原。但是，此类方法由于计算量过大，不利于实时成像的应用。同时，对于目标体边界形状的还原精确度不高，因此成像辨识度也受到了一定的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像方法及系统。本发明根据回波路径通过构造目标体边界点与雷达天线之间的几何关系，重建目标体边界，其中的数学算法过程简单、计算复杂度低、无任何放大噪声的数学式，具有较强的抗噪性，从而实现实时性应用。另外，结合收发分置天线尤其是一发多收天线进行发射与回波接收过程，能提高成像的速度以及成像的精确度，更利于应用在实时成像中。
本发明的技术方案如下所述。
一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像方法，所述方法包括：
将收发天线分置；
于Δt时间间隔在m×n天线坐标矩阵扫描域内间隔移动收发天线，得到m×n组电磁回波数据；
分别以收发天线坐标为椭圆焦点、从发射天线至目标体后反射回接收天线的电磁波路径长度的1/2为椭圆半长轴，在目标体与收发天线构成的二维平面上的构造出m×n个椭圆并分别求出各个椭圆半短轴；
分别将收发天线坐标视为X轴方向的椭球焦点，以所述椭圆半长轴为X轴方向的椭球赤道半径，以所述椭圆半短轴为Y轴方向的椭球赤道半径，同时以所述椭圆半短轴为Z轴方向的椭球极半径，构造出m×n个椭球组成椭球集；
构造与椭球集的各椭球相切的包络面，选取包络最大Z轴方向切点的包络面，在所述包络最大Z轴方向切点的包络面中，以所有的任意4个相邻切点的几何中心组成的包络面作为目标体边界，实现成像过程；
其中：m＝1,2,3,…；n＝1,2,3,…。
一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像系统，所述系统包括：
分置的收发天线；
于Δt时间间隔在m×n天线坐标矩阵扫描域内间隔移动收发天线，得到m×n组电磁回波数据的装置；
分别以收发天线坐标为椭圆焦点、从发射天线至目标体后反射回接收天线的电磁波路径长度的1/2为椭圆半长轴，在目标体与收发天线构成的二维平面上的构造出m×n个椭圆并分别求出各个椭圆半短轴的装置；
分别将收发天线坐标视为X轴方向的椭球焦点，以所述椭圆半长轴为X轴方向的椭球赤道半径，以所述椭圆半短轴为Y轴方向的椭球赤道半径，同时以所述椭圆半短轴为Z轴方向的椭球极半径，构造出m×n个椭球组成椭球集的装置；
构造与椭球集的各椭球相切的包络面，选取包络最大Z轴方向切点的包络面，在所述包络最大Z轴方向切点的包络面中，以所有的任意4个相邻切点的几何中心组成的包络面作为目标体边界，实现成像过程的装置。
附图说明
图1描述了收发天线与目标体的电磁波路径的几何关系。
图2A、图2B描述了本发明所构造椭球与目标体的几何关系。
图3、图4是本发明的FDTD仿真三维成像效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
发射与接收天线坐标分别为FT(XT,YT,0)和FR(XR,YR,0)，电磁波经过发射天线传播至目标体后反射回到接收天线处。设电磁波在目标体边界点C(x,y,z)反射，那么电磁波路径是FT(XT,YT,0)→C(x,y,z)→FR(XR,YR,0)，即从发射天线至目标体后反射回接收天线的电磁波路径长度可表示成R＝|FTC|+|CFR|，如图1所示。将发射天线与接收天线坐标FT(XT,YT,0)和FR(XR,YR,0)视为椭圆的两个焦点坐标，其焦距为|XT-XR|。以FTCFR为参考平面，构造出焦点坐标为FT(XT,YT,0)和FR(XR,YR,0)、长轴为R＝|FTC|+|CFR|的椭圆,根据椭圆方程式求出椭圆的短轴为 2 ( R / 2 ) 2 - ( | X T - X R | / 2 ) 2 .
以上述椭圆的半长轴R/2为X轴方向的椭球赤道半径，以上述椭圆半短轴
Figure BDA0000432034470000032
为Y轴方向的椭球赤道半径，同时也以上述椭圆半短轴为Z轴方向的椭球极半径，构造出的椭球表达式为：
[ x - ( X T + | X T - X R | / 2 ) ] 2 ( R / 2 ) 2 + ( y - Y T ) 2 ( R / 2 ) 2 - ( | X T - X R | / 2 ) 2 + z 2 ( R / 2 ) 2 - ( | X T - X R | / 2 ) 2 = 1 ;
通过上述的构造方法，在每个Δt时间间隔都可构造出一个椭球。设在Δtij所构造的椭球为
Figure BDA0000432034470000034
那么经过总时间T＝{Δtij,i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n}后，得到的椭球集为：
∂ E = { ∂ E ij , i = 1,2,3 , . . . , m ; j = 1,2,3 , . . . n }
∂ E ij = { ( x ij , y ij , z ij ) | [ x ij - ( X Tij + | X Tij - X Rij | / 2 ) ] 2 ( R ij / 2 ) 2 + ( y ij - Y Tij ) 2 ( R ij / 2 ) 2 - ( | X Tij - X Rij | / 2 ) 2 + z ij 2 ( R ij / 2 ) 2 - ( | X Tij - X Rij | / 2 ) 2 = 1 }
其中：i＝1,2,…,m;j＝1,2,…,n，m和n分别为天线移动位置的行列数。
构造与椭球集的各椭球相切的包络面，选取包络最大Z轴方向切点的包络面，在所述包络最大Z轴方向切点的包络面中，以所有的任意4个相邻切点的几何中心组成的包络面作为目标体边界，实现成像过程。

Claims (6)

1.一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像方法，所述方法包括：
将收发天线分置；
于Δt时间间隔在m×n天线坐标矩阵扫描域内间隔移动收发天线，得到m×n组电磁回波数据；
分别以收发天线坐标为椭圆焦点、从发射天线至目标体后反射回接收天线的电磁波路径长度的1/2为椭圆半长轴，在目标体与收发天线构成的二维平面上的构造出m×n个椭圆并分别求出各个椭圆半短轴；
分别将收发天线坐标视为X轴方向的椭球焦点，以所述椭圆半长轴为X轴方向的椭球赤道半径，以所述椭圆半短轴为Y轴方向的椭球赤道半径，同时以所述椭圆半短轴为Z轴方向的椭球极半径，构造出m×n个椭球组成椭球集；
构造与椭球集的各椭球相切的包络面，选取包络最大Z轴方向切点的包络面，在所述包络最大Z轴方向切点的包络面中，以所有的任意4个相邻切点的几何中心组成的包络面作为目标体边界，实现成像过程；
其中：m＝1,2,3,…；n＝1,2,3,…。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述收发天线是一发多收天线。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述收发天线是阵列面天线。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述阵列面天线按Δt时间间隔顺序扫描获取目标体电磁回波数据或同时获取目标体电磁回波数据。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的方法，其中所述电磁回波数据中的载波频率是500MHz～7.5GHz。
6.一种基于椭球切点包络面的雷达三维成像系统，所述系统包括：
分置的收发天线；
于Δt时间间隔在m×n天线坐标矩阵扫描域内间隔移动收发天线，得到m×n组电磁回波数据的装置；
分别以收发天线坐标为椭圆焦点、从发射天线至目标体后反射回接收天线的电磁波路径长度的1/2为椭圆半长轴，在目标体与收发天线构成的二维平面上的构造出m×n个椭圆并分别求出各个椭圆半短轴的装置；
分别将收发天线坐标视为X轴方向的椭球焦点，以所述椭圆半长轴为X轴方向的椭球赤道半径，以所述椭圆半短轴为Y轴方向的椭球赤道半径，同时以所述椭圆半短轴为Z轴方向的椭球极半径，构造出m×n个椭球组成椭球集的装置；
构造与椭球集的各椭球相切的包络面，选取包络最大Z轴方向切点的包络面，在所述包络最大Z轴方向切点的包络面中，以所有的任意4个相邻切点的几何中心组成的包络面作为目标体边界，实现成像过程的装置；
其中：m＝1,2,3,…；n＝1,2,3,…。
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