CN104965203B - 一种目标透视雷达成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种目标透视雷达成像方法，用于介质中的目标进行近场成像。该方法采用步进频连续波雷达作为目标透视雷达，结合电磁场相参和合成孔径技术获得介质的单频点三维成像结果；然后利用补偿相位值对单频点三维成像结果进行补偿，利用熵值表达有序性的特点，从补偿结果中找到熵值最小者，认为是最为逼近真实的三维成像结果。再从所述最为逼近真实的介质三维成像结果中找到熵值最小的二维切片，认为是最为逼近介质中真实目标深度的切片。本发明能够应用在近场条件下，实现了对小目标的探测和高分辨成像。

Description

一种目标透视雷达成像方法

技术领域

本发明涉及一种目标透视雷达成像技术领域。

背景技术

探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)是一种以电磁波为探测手段，从地上对地下地层分布及地底埋藏物进行探测的无损探测技术，广泛应用于探雷、探矿、路基、隧道、地下涵道、管网无损检测及考古等多个军事和民用领域。合成孔径成像是一种主动式微波相参成像技术，具备空间分辨率高、能全天时全天候工作的特点，是军事侦察、地形测绘、探地、穿墙成像等领域的常用技术之一。

探墙雷达(Wall Penetrating Radar,WPR)是一种利用电磁波从墙外部探测墙内隐藏目标的技术，属于探地雷达的衍生技术，广泛应用于对墙体内线缆、钢筋、管道等规则目标以及窃听器等不规则物体的探测和识别。目前，对目标进行精确定位和高分辨成像成为探墙雷达技术发展的一大热点。

步进频连续波雷达是一种通过发射一连串载频线性跳变的连续波，将不同频点回波信号做相参处理实现高分辨的技术，具有发射功率低、瞬时带宽窄、信号工作带宽宽等特点，其设备相对简单、重量较轻、测距和测速精度高，广泛应用在周边监测、探地等领域。但是在近场条件下，由于天线不能简单的等效为一个相位中心，因此不能采用信号相参方式，对于近场条件下复杂的回波信号无能为力。

但是，步进频连续波雷达通常应用在远场条件下，即目标与天线距离较远，步进频连续波雷达基于远场假设，即将天线简单的等效为一个相位中心，从而可以采用信号相参的方式进行数据处理，实现高分辨。然而在实际应用中，探墙雷达的探头一般距离墙面很近，而且墙面的厚度一定，这使得目标处于天线的辐射近场区，天线不能简单的等效为一个相位中心，因此不能沿用远场的处理方法。同时，由于墙内埋藏的目标不仅仅是简单的管状物或者条状物，而是形状复杂、尺寸更小的小目标，所以在满足探测深度要求的同时需要实现高分辨率成像；再者，考虑到在实际使用时，需要将安装有一定质量探头的手持端放在墙面上一段时间，因此实时成像需要快速的成像方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种目标透视雷达成像方法，能够应用在近场条件下，实现了对小目标的探测和高分辨成像。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种目标透视雷达成像方法，用于介质中的目标进行近场成像，该方法包括如下步骤：

步骤一、采用步进频连续波雷达作为目标透视雷达，构建目标透视雷达的收发天线在自由空气中的电磁场分布并预存；

步骤二、利用合成孔径成像技术，对目标透视雷达实际扫描获得的二维平面探测数据进行单频点成像，获得介质的单频点三维成像结果；所述合成孔径成像的处理过程中的相参操作是利用预存的所述自由空气中的电磁场分布与所述二维平面探测数据进行相参；

步骤三、生成一系列补偿相位值，对步骤二的单频点三维成像结果进行补偿，然后利用熵值表达有序性的特点，从补偿结果中找到熵值最小者，认为是最为逼近真实的三维成像结果；

步骤四、从所述最为逼近真实的介质三维成像结果中找到熵值最小的二维切片，认为是最为逼近介质中真实目标深度的切片，即目标成像结果。

优选地，所述步骤一具体为：

对目标透视雷达的收发天线口面进行近场扫描，然后利用获得的目标透视雷达收发天线的二维口面场扫描数据计算发射天线和接收天线在空气中的波前数据；将发射天线波前数据和接收天线波前数据按方位向x、俯仰向y、距离向z、步进频率f对应相乘，获得收发天线在自由空气中的电磁场分布。

优选地，发射天线在空气中的波前数据的计算方式为：首先将发射天线的二维口面场扫描数据A^T(x,y；f)沿x方向和y方向做傅里叶变换，再乘以距离向因子exp(jk_zz)，其中z即为距离向坐标，k_z为距离向傅里叶频率，最后输出发射天线在空气中的波前数据E^T(x,y,z；f)；f为步进频连续波雷达的步进频率；

接收天线在空气中的波前数据的计算方式为：首先将接收天线的二维口面场扫描数据A^R(x,y；f)沿x方向和y方向做傅里叶变换，再乘以距离向因子exp(jk_zz)，最后输出接收天线在空气中的波前数据E^R(x,y,z；f)。

优选地，所述步骤二具体为：

步骤201：实际探测时，对被探测介质进行二维平面扫描，获得步进频连续波扫描数据；

步骤202：对步骤201获得的步进频连续波扫描数据沿俯仰-方位向做二维傅里叶变换；

步骤203：将步骤一预存的所述电磁场分布的数据沿俯仰-方位向做傅里叶变换；

步骤204：取步骤202与步骤203的结果在距离向上分别相乘；相乘操作时，需要先固定距离向坐标，然后在对应频点、对应方位向傅里叶频率坐标和俯仰向傅里叶频率坐标分别相乘；

步骤205：将步骤204结果沿俯仰-方位向做二维逆傅里叶变换，变换的结果即是介质的单频点三维成像结果。

优选地，所述步骤三具体包括：

步骤301：对步进频参数做时频对应，生成多频补偿相位时间因子序列，序列的长度为1/Δf，因子之间的间隔为1/B；其中，Δf为跳频间隔，B为步进频带宽；

步骤302：取步骤301中的一个多频补偿相位时间因子，记为t₀，t₀与步进频率f相乘，输出θ＝2πf·t₀为不同频点的线性补偿相位值；

步骤303：取步骤302的结果对步骤二得到的所有单频点三维成像结果进行补偿；

步骤304：将步骤303的结果沿频率维度相干叠加，获得三维成像结果；

步骤305：计算步骤304结果的三维熵值；

步骤306：对步骤301中获得的每一个多频补偿相位时间因子执行步骤302～步骤305，然后提取三维熵值最小的三维成像结果，即为最为逼近真实的三维成像结果。

优选地，所述步骤四具体包括：

步骤401：针对步骤三获得的最为逼近真实的三维成像结果，计算其沿着距离向的二维切片图像的熵值；

步骤402：输出熵值最小的二维切片图像的距离向坐标，此距离向坐标即为目标成像深度；在此距离向坐标上的俯仰-方位平面的成像结果即为目标深度二维切片图像。

有益效果：

(1)现有技术中，步进频连续波雷达基于远场假设可以采用信号相参的方式进行数据处理，但是在近场条件下，由于天线不能简单的等效为一个相位中心，因此不能采用信号相参方式。所以需要重新使用电磁场理论计算天线进场电磁分布，因此本发明在成像过程中加入了电磁场相参的步骤。这种方法兼顾了步进频连续波雷达的优势，克服了步进频连续波雷达在近场条件下不适用的缺点；

(2)本发明将合成孔径成像技术应用于探地领域，将合成孔径成像技术的优点和电磁场相参技术结合，应用在成像处理过程，获得了高分辨成像结果。

(3)本发明预先存储目标透视雷达收发天线在自由空气中的电磁场分布，使用时直接调用，只要目标透视雷达类型不发生变化，则无需再次计算，缩短成像处理时间，提高了设备使用效率。

(4)本发明使用最小熵原则搜索未知的墙体参数，准确的补偿了由于墙体参数位置造成的叠加误差，实现了墙面多频三维自聚焦相参成像；最后通过最小熵原则评估不同深度二维切片的熵值，精确给出了目标埋藏深度的最优成像结果。熵的计算简单，大大节约了从扫描墙面数据到成像的时间，进一步提高了设备的使用效率。

附图说明

图1为天线二维扫描意图。

图2为成像方法流程图。

图3为圆柱体埋藏示意图。(a)为俯视图，(b)为侧视图。

图4为天线口面示意图。

图5为圆柱目标深度切片成像结果。

具体实施方式

本发明提供了一种目标透视雷达成像方法，适用于诸如探墙雷达这样的近场环境。该方法采用步进频连续波雷达，利用电磁场相参的技术代替远场信号相参的技术，结合空间二维合成孔径技术实现了对小目标的探测和高分辨成像；此外，本发明使用了一种快速计算方法，大大节约了从扫描墙面数据到成像的时间，提高了设备的使用效率。

下面给出一个对均匀水泥介质中埋藏圆柱体的场景进行成像的实例。雷达参数见表格1，目标和介质的物理关系见图3。图上标明了圆柱体的长度为50mm，直径为3mm，埋藏深度为40mm，埋藏位置为水泥正中央位置，天线距离墙表面10mm。

表1

图2为本发明目标透视雷达成像方法的流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤一：采用步进频连续波雷达作为探墙雷达，构建探墙雷达的收发天线在自由空气中的电磁场分布并预存。具体来说，本步骤包括如下子步骤101～104。

子步骤101：预先对探墙雷达的收发天线口面进行近场扫描，获得探墙雷达收发天线的二维口面场扫描数据。如图4所示，灰色区域即为天线口面，x方向为方位向，y方向为俯仰向。同过近场扫描的方式可以获得收发天线口面的近场数据，接收天线和发射天线的二维口面场扫描数据分别记做A^R(x,y；f)和A^T(x,y；f)；其中，f为步进频连续波雷达的步进频率。

子步骤102：计算发射天线在空气中的波前数据：首先将发射天线的二维口面场扫描数据A^T(x,y；f)沿x方向和y方向做傅里叶变换，再乘以距离向因子exp(jk_zz)，其中z即为距离向坐标，k_z为距离向傅里叶频率，最后输出E^T(x,y,z；f)即为发射天线在空气中的波前数据。

子步骤103：计算接收天线在空气中的波前数据：首先将接收天线的二维口面场扫描数据A^R(x,y；f)沿x方向和y方向做傅里叶变换，再乘以距离向因子exp(jk_zz)，最后输出E^R(x,y,z；f)即为接收天线在空气中的波前数据；

子步骤104：将发射天线波前数据和接收天线波前数据按x坐标、y坐标、z坐标、步进频率对应相乘，获得收发天线在自由空气中的电磁场分布，记做E(x,y,z；f)。

步骤二：利用合成孔径成像技术，对目标透视雷达实际扫描获得的二维平面探测数据进行单频点成像，获得介质的单频点三维成像结果。所述合成孔径成像的处理过程中的相参操作是利用预存的所述自由空气中的电磁场分布与所述二维平面探测数据进行相参。具体来说，本步骤包括如下子步骤201～205。

子步骤201：实际探测时，对被探测介质进行二维平面扫描，获得步进频连续波扫描数据。如图1所示，x方向即为方位向，y方向即为俯仰向。天线在距离墙面一定高度上沿着x方向和y方向均匀采样，回波数据记做S21(x,y；f)。

子步骤202：对子步骤201获得的步进频连续波扫描数据沿俯仰-方位向做二维傅里叶变换。即将步骤201中的S21(x,y；f)沿x方向和y方向做傅里叶变换，输出结果记做S21_fft(k_x,k_y；f)，其中k_x即为方位向傅里叶频率，k_y即为俯仰向傅里叶频率。

子步骤203：将步骤一预存的电磁场分布数据E(x,y,z；f)沿俯仰-方位坐标做傅里叶变换，变换结果记做E_fft(k_x,k_y；z,f)。

子步骤204：取子步骤202结果与子步骤203结果在距离向上分别相乘。需说明的是，S21_fft(k_x,k_y；f)与E_fft(k_x,k_y；z,f)相乘，需要先固定z坐标，然后在对应频点、对应k_x坐标和k_y坐标分别相乘。

子步骤205：将子步骤204结果沿俯仰-方位向做二维逆傅里叶变换，变换的结果记做BP(x,y,z；f)；此结果即是墙内单频点三维成像结果。

步骤三：生成一系列补偿相位值，对步骤二的单频点三维成像结果进行补偿，以弥补目标所在介质参数未知造成的误差，利用熵值表达有序性的特点，从补偿结果中找到熵值最小者，认为是最为逼近真实的三维成像结果。

本步骤是多频自聚焦过程，包括如下子步骤301～306。

子步骤301：输入跳频间隔Δf，步进频带宽B，对步进频参数做时频对应，生成多频补偿相位时间因子序列，序列长度为1/Δf，因子之间的间隔为1/B；

子步骤302：取子步骤301中的一个多频补偿相位时间因子，记为t₀，t₀与步进频率f相乘，输出θ＝2πf·t₀为不同频点的线性补偿相位值。

子步骤303：取子步骤302的结果对步骤二得到的所有单频点三维成像进行补偿，记BP_Com(x,y,z；f)＝BP(x,y,z；f)·exp(θ)为输出补偿后的单频点成像结果；

子步骤304：将子步骤303的结果沿频率维度相干叠加，获得三维成像结果

子步骤305：计算子步骤304结果的三维熵值；

子步骤306：对子步骤301中每一个多频补偿相位时间因子执行子步骤302～子步骤305，然后提取三维熵值最小的三维成像结果BP_best(x,y,z)，即为最为逼近真实的三维成像结果。

步骤四、从所述最为逼近真实的介质三维成像结果中找到熵值最小的二维切片，认为是最为逼近介质中真实目标深度的切片，即目标成像结果。

本步骤是目标成像深度自动搜索过程，输出多频自聚焦结果在目标成像深度的二维切片图像。包括如下子步骤401～402。

子步骤401：计算步骤三输出结果BP_best(x,y,z)沿着距离向的二维切片图像的熵值，记做E(z)；

子步骤402：从所有二维切片图像的熵值中提取最小者，其对应的距离向坐标z_best即为目标成像深度；则在此距离向坐标z_best上的俯仰-方位平面成像结果BP_best(x,y,z_best)即为目标深度二维切片图像，如图5所示。

可见，本发明在成像过程中加入了电磁场相参的步骤，使用电磁场理论计算天线进场电磁分布，从而使得步进频连续波雷达可以应用在近场条件下。同时利用电磁场相参的技术代替远场信号相参的技术，结合空间二维合成孔径技术实现了对小目标的探测和高分辨成像；此外，本发明使用了基于熵的快速计算方法，大大节约了从扫描墙面数据到成像的时间，提高了设备的使用效率。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种目标透视雷达成像方法，用于介质中的目标进行近场成像，其特征在于，该方法包括：

步骤一、采用步进频连续波雷达作为目标透视雷达，构建目标透视雷达的收发天线在自由空气中的电磁场分布并预存；

步骤二、利用合成孔径成像技术，对目标透视雷达实际扫描获得的二维平面探测数据进行单频点成像，获得介质的单频点三维成像结果；所述合成孔径成像的处理过程中的相参操作是利用预存的所述自由空气中的电磁场分布与所述二维平面探测数据进行相参；

步骤三、生成一系列补偿相位值，对步骤二的单频点三维成像结果进行补偿，然后利用熵值表达有序性的特点，从补偿结果中找到熵值最小者，认为是最为逼近真实的介质三维成像结果；

步骤四、从所述最为逼近真实的介质三维成像结果中找到熵值最小的二维切片，认为是最为逼近介质中真实目标深度的切片，即目标成像结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：

对目标透视雷达的收发天线口面进行近场扫描，然后利用获得的目标透视雷达收发天线的二维口面场扫描数据计算发射天线和接收天线在空气中的波前数据；将发射天线波前数据和接收天线波前数据按方位向x、俯仰向y、距离向z、步进频率f对应相乘，获得收发天线在自由空气中的电磁场分布。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，发射天线在空气中的波前数据的计算方式为：首先将发射天线的二维口面场扫描数据A^T(x,y；f)沿x方向和y方向做傅里叶变换，再乘以距离向因子exp(jk_zz)，其中z即为距离向坐标，k_z为距离向傅里叶频率，最后输出发射天线在空气中的波前数据E^T(x,y,z；f)；f为步进频连续波雷达的步进频率；

接收天线在空气中的波前数据的计算方式为：首先将接收天线的二维口面场扫描数据A^R(x,y；f)沿x方向和y方向做傅里叶变换，再乘以距离向因子exp(jk_zz)，最后输出接收天线在空气中的波前数据E^R(x,y,z；f)。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

步骤201：实际探测时，对被探测介质进行二维平面扫描，获得步进频连续波扫描数据；

步骤202：对步骤201获得的步进频连续波扫描数据沿俯仰-方位向做二维傅里叶变换；

步骤203：将步骤一预存的所述电磁场分布的数据沿俯仰-方位向做傅里叶变换；

步骤204：取步骤202与步骤203的结果在距离向上分别相乘；相乘操作时，需要先固定距离向坐标，然后在对应频点、对应方位向傅里叶频率坐标和俯仰向傅里叶频率坐标分别相乘；

步骤205：将步骤204结果沿俯仰-方位向做二维逆傅里叶变换，变换的结果即是介质的单频点三维成像结果。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：

步骤301：对步进频参数做时频对应，生成多频补偿相位时间因子序列，序列的长度为1/Δf，因子之间的间隔为1/B；其中，Δf为跳频间隔，B为步进频带宽；

步骤302：取步骤301中的一个多频补偿相位时间因子，记为t₀，t₀与步进频率f相乘，输出θ＝2πf·t₀为不同频点的线性补偿相位值；

步骤303：取步骤302的结果对步骤二得到的所有单频点三维成像结果进行补偿；

步骤304：将步骤303的结果沿频率维度相干叠加，获得三维成像结果；

步骤305：计算步骤304结果的三维熵值；

步骤306：对步骤301中获得的每一个多频补偿相位时间因子执行步骤302～步骤305，然后提取三维熵值最小的三维成像结果，即为最为逼近真实的三维成像结果。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：

步骤401：针对步骤三获得的最为逼近真实的三维成像结果，计算其沿着距离向的二维切片图像的熵值；

步骤402：输出熵值最小的二维切片图像的距离向坐标，此距离向坐标即为目标成像深度；在此距离向坐标上的俯仰-方位平面的成像结果即为目标深度二维切片图像。