CN104808200A - 一种超宽带雷达成像方位向栅瓣的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其步骤为：(1)、采用超宽带雷达成像方法进行成像，并计算每个成像点的扩展相干因子ECF；(2)、利用步骤(1)得到的扩展相干因子ECF对原始成像结果进行加权，以抑制图像方位向栅瓣。本发明具有原理简单、操作方便、抑制效果好等优点。

Description

一种超宽带雷达成像方位向栅瓣的抑制方法

技术领域

本发明主要涉及到超宽带雷达成像领域，特指一种超宽带雷达成像方位向栅瓣的抑制方法。

背景技术

超宽带(Ultra-Wideband，UWB)成像雷达具有穿透性好、分辨率高等优点，已经广泛应用于穿墙隐蔽目标探测、隐蔽物体检测、医疗成像等领域。综合考虑雷达系统便携性、成本以及数据处理能力，UWB成像雷达往往采用低阵元密度的稀疏阵列，进而面临因空间采样率不足引入的方位向栅瓣问题，致使成像质量下降。

文献R.E.Davidsen,J.A.Jensen and S.W.Smith,Two-dimensional random arrays for realtime volumetric imaging,Ultrasonic Imaging,Vol.16,143-163,1994提出通过阵列配置设计随机或非周期阵列避免方位向栅瓣，但是该方法会抬高方位向旁瓣水平。

文献R.J.Burkholder and K.E.Browne,Coherence factor enhancement of through-wall radarimages.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,Vol.9,842-845,2010采用相干因子(Coherence Factor，CF)加权校正雷达后向投影(Back Projection，BP)成像来抑制方位向栅瓣。UWB成像雷达有限的孔径尺寸，限制了方位向栅瓣在孔径域的差异，因此CF加权对方位向栅瓣抑制有限。

文献J.Camacho,M.Parrilla and C.Fritsch,Phase coherence imaging,IEEE Transcactions onUltrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,Vol.56,958-974,2009基于孔径域数据中目标处的相位一致性要好于方位向栅瓣处的相位一致性，提出了相位相干因子(Phase CoherenceFactor，PCF)加权抑制方位向栅瓣，但是PCF对相位稳定性要求很高。此外，与CF类似，PCF性能也受到UWB成像雷达有限孔径尺寸的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：本发明提供一种原理简单、操作方便、抑制效果好的超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，以解决现有技术存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其步骤为：

(1)、采用超宽带雷达成像方法进行成像，并计算每个成像点的扩展相干因子ECF；

(2)、利用步骤(1)得到的扩展相干因子ECF对原始成像结果进行加权，以抑制图像方位向栅瓣。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤(2)的具体流程为：

(2.1)、将每个成像点的单频点单通道图像数据SFSC相干求和，完成成像；

(2.2)、将计算得到的每个成像点的扩展相干因子ECF值作为加权系数与所述成像结果相乘以实现方位向栅瓣抑制。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤(1)的具体流程为：

(1.1)依据超宽带雷达天线阵列和波形参数，利用雷达接收回波，计算超宽带雷达全部单频点单通道图像数据SFSC；

(1.2)将全部单频点单通道图像数据SFSC相干求和，完成雷达成像；

(1.3)利用全部单频点单通道图像数据SFSC，计算每个成像点的扩展相干因子ECF。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤(1.1)的具体流程为：

(1.1.1)获取超宽带雷达的天线阵列和发射步进频连续波SFCW的参数；

假定超宽带雷达采用具有M个收发通道的天线阵列，发射包含一系列离散频点的步进频连续波信号s(t)；设s(t)的起始频率为f_l，终止频率为f_h，频率步进增量为Δf，共有K个离散频点；那么，第m个通道接收到目标点P散射的第k个频点信号为：

S_m(k)＝exp{-j2πf_kτ_m(x_p,y_p)}

其中，f_k表示第k个离散频点，τ_m(x_p,y_p)为目标点P与第m个通道之间传播时延；j为虚数单元。

(1.1.2)依据成像几何，计算每个成像点沿每个收发通道的传播时延；在每个收发通道的每个频点回波上对每个成像点进行时延补偿，得到单频点单通道图像数据；

(1.1.3)对成像平面上任一成像点q(x_q,y_q)，第m个通道k个频点的SFSC图像数据为：

α_m,k(x_q,y_q)＝S_m(k)·exp{-j2πf_kτ_m(x_q,y_q)}

＝exp{-j2πf_k[τ_m(x_p,y_p)-τ_m(x_q,y_q)]}

其中τ_m(x_q,y_q)为成像点q与第m个通道之间的传播时延。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤(1.3)中，根据得到单频点单通道图像数据SFSC，计算每个成像点的扩展相干因子ECF；即，利用M个通道和K个离散频点得到单频点单通道图像数据SFSC，计算每个成像点的扩展相干因子ECF；所述成像点q(x_q,y_q)的扩展相干因子ECF值计算公式如下：

$\mathrm{ECF}(x_q,y_q)={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q)\right|}^2/\left(\mathrm{MK}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q)\right|}^2\right).$

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤(1.2)中，在主瓣区域，所有的单频点单通道图像数据SFSC都是相干的，对应的扩展相干因子ECF等于1；在栅瓣区域，单频点单通道图像数据SFSC并非全部相干，对应的扩展相干因子ECF小于1。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤(1.2)中，将全部MK个单频点单通道图像数据SFSC相干求和，完成成像；所述成像点q(x_q,y_q)的像素值计算公式如下：

$I(x_q,y_q)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q).$

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，原理简单、操作方便，通过计算成像点的ECF值，对成像结果进行加权，能有效地抑制成像中的方位向栅瓣，改善成像质量。

附图说明

图1是雷达成像的几何示意图。

图2是本发明方法的流程示意图。

图3是在具体应用实例中原始成像结果的示意图。

图4是在具体应用实例中CF加权的成像结果示意图。

图5是在具体应用实例中ECF加权的成像结果示意图。

图6是在具体应用实例中三种成像方法的方位向投影对比示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的超宽带雷达成像方位向栅瓣的抑制方法，采用扩展相干因子ECF(ExtendedCoherence Factor，ECF)加权来抑制方位向栅瓣；其基本原理为：首先，根据雷达天线阵列和发射波形参数，计算全部的单频点单通道图像数据SFSC(Single Frequency Single Channel，SFSC)；然后，相干求和全部单频点单通道图像数据SFSC，完成成像，并利用全部单频点单通道图像数据SFSC计算每个成像点的扩展相干因子ECF；最后，对成像结果进行扩展相干因子ECF加权，达到抑制图像方位向栅瓣，改善成像质量的目的。

在具体应用时，参见图1和图2，本发明的详细流程为：

S1：获取超宽带雷达的天线阵列和发射SFCW(Stepped Frequency Continuous Wave，SFCW)的参数。

假定超宽带雷达采用具有M个收发通道的天线阵列，发射的SFCW信号s(t)的起始频率为f_l，终止频率为f_h，频率步进增量为Δf，共有K个离散频点。那么，第m个通道接收到目标点P散射的第k个频点信号可以表示为：

S_m(k)＝exp{-j2πf_kτ_m(x_p,y_p)}

其中，f_k表示第k个离散频点，τ_m(x_p,y_p)为目标点P与第m个通道之间传播时延，j为虚数单元。

如本实施例中，可以设置多输入多输出MIMO(Multi-Input Multi-Output，MIMO)阵列长度L为3m，包含6个天线单元。两个发射天线置于两端，其余为接收天线，置于中间，因此总收发通道数M为8，如图1所示。下表1给出了发射SFCW信号的参数。

表1SFCW信号的参数

fl	Δf	fh	K
				0.5GHz	2MHz	1.7GHz	601

S2：依据成像几何，计算每个成像点沿每个收发通道的传播时延。在每个收发通道的每个频点回波上对每个成像点进行时延补偿，得到SFSC图像数据。

即，对成像平面上任一成像点q(x_q,y_q)，其第m个通道k个频点的SFSC图像数据可表示为：

α_m,k(x_q,y_q)＝S_m(k)·exp{-j2πf_kτ_m(x_q,y_q)}

＝exp{-j2πf_k[τ_m(x_p,y_p)-τ_m(x_q,y_q)]}

其中τ_m(x_q,y_q)为成像点q与第m个通道之间的传播时延。

S3：根据S2得到SFSC图像数据，计算每个成像点的ECF。

即，利用M个通道和K个离散频点得到SFSC图像数据，计算每个成像点的ECF。成像点q(x_q,y_q)的ECF值计算公式如下：

$\mathrm{ECF}(x_q,y_q)={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q)\right|}^2/\left(\mathrm{MK}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q)\right|}^2\right).$

在主瓣区域，所有的SFSC数据都是相干的，对应的ECF值等于1；在栅瓣区域，SFSC数据并非全部相干，因此ECF值小于1。

S4：对每个成像点的SFSC图像数据相干求和，完成成像。计算公式如下：

$I(x_q,y_q)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q).$

S5：将计算得到的每个成像点的ECF值作为加权系数，与S4中得到的成像结果相乘，实现方位向栅瓣抑制。

如图3所示，为原始成像的结果，明显可见其存在较高的方位向栅瓣。如图4所示，为对原始成像CF加权抑制的结果，可以看到方位向栅瓣得到了一定程度的抑制，但抑制效果有限。如图5所示，为采用本发明方法进行ECF加权抑制方位向栅瓣的结果，可以看到明显取得了很好的抑制结果。如图6所示，为上述图3、图4和图5中三种成像结果方位向投影对比的示意图，可以看出原始成像结果方位向栅瓣水平达到了-18dB左右，采用CF加权抑制后，方位向栅瓣水平降到了-30dB左右，而采用本发明方法ECF进行抑制，方位向栅瓣则降到了-45dB左右。

通过上述仿真实验，验证了本发明能够有效地抑制超宽带雷达成像中的方位向栅瓣，极大地改善了成像质量。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其特征在于，其步骤为：

(1)、采用超宽带雷达成像方法进行成像，并计算每个成像点的扩展相干因子ECF；

(2)、利用步骤(1)得到的扩展相干因子ECF对原始成像结果进行加权，以抑制图像方位向栅瓣。

2.根据权利要求1所述的超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体流程为：

(2.1)、将每个成像点的单频点单通道图像数据SFSC相干求和，完成成像；

(2.2)、将计算得到的每个成像点的扩展相干因子ECF值作为加权系数与所述成像结果相乘以实现方位向栅瓣抑制。

3.根据权利要求1或2所述的超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体流程为：

(1.1)依据超宽带雷达天线阵列和波形参数，利用雷达接收回波，计算超宽带雷达全部单频点单通道图像数据SFSC；

(1.2)将全部单频点单通道图像数据SFSC相干求和，完成雷达成像；

(1.3)利用全部单频点单通道图像数据SFSC，计算每个成像点的扩展相干因子ECF。

4.根据权利要求3所述的超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤(1.1)的具体流程为：

(1.1.1)获取超宽带雷达的天线阵列和发射步进频连续波SFCW的参数；

假定超宽带雷达采用具有M个收发通道的天线阵列，发射包含一系列离散频点的步进频连续波信号s(t)；设s(t)的起始频率为f_l，终止频率为f_h，频率步进增量为Δf，共有K个离散频点；那么，第m个通道接收到目标点P散射的第k个频点信号为：

S_m(k)＝exp{-j2πf_kτ_m(x_p,y_p)}

其中，f_k表示第k个离散频点，τ_m(x_p,y_p)为目标点P与第m个通道之间传播时延；j为虚数单元；

(1.1.2)依据成像几何，计算每个成像点沿每个收发通道的传播时延；在每个收发通道的每个频点回波上对每个成像点进行时延补偿，得到单频点单通道图像数据；

(1.1.3)对成像平面上任一成像点q(x_q,y_q)，第m个通道k个频点的SFSC图像数据为：

α_m,k(x_q,y_q)＝S_m(k)·exp{-j2πf_kτ_m(x_q,y_q)}

＝exp{-j2πf_k[τ_m(x_p,y_p)-τ_m(x_q,y_q)]}

其中τ_m(x_q,y_q)为成像点q与第m个通道之间的传播时延。

5.根据权利要求4所述的超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤(1.3)中，根据得到单频点单通道图像数据SFSC，计算每个成像点的扩展相干因子ECF；即，利用M个通道和K个离散频点得到单频点单通道图像数据SFSC，计算每个成像点的扩展相干因子ECF；所述成像点q(x_q,y_q)的扩展相干因子ECF值计算公式如下：

$\mathrm{ECF}(x_q,y_q)={\left|\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q)\right|}^2/\left(\mathrm{MK}\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q)\right|}^2\right).$

6.根据权利要求5所述的超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤(1.2)中，在主瓣区域，所有的单频点单通道图像数据SFSC都是相干的，对应的扩展相干因子ECF等于1；在栅瓣区域，单频点单通道图像数据SFSC并非全部相干，对应的扩展相干因子ECF小于1。

7.根据权利要求6所述的超宽带雷达成像方位向栅瓣抑制方法，其特征在于，所述步骤(1.2)中，将全部M×K个单频点单通道图像数据SFSC相干求和，完成成像；所述成像点q(x_q,y_q)的像素值计算公式如下：

$I(x_q,y_q)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{m,k}(x_q,y_q).$