CN108363055B - 一种雷达前视成像区域分割方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种雷达前视成像区域分割方法，应用于雷达成像技术领域，通过对回波成像在方位向进行预分割，并计算预分割全局能量泛函，找出预分割全局能量泛函最小值对应的方位单元，根据该方位单元确定成像边界；本发明提出的方法，根据回波强度方位渐变和突变变化规律，实现的回波成像中心区域的有效分割，为雷达成像区域划分处理奠定基础。

Description

一种雷达前视成像区域分割方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，特别涉及一种雷达成像区域分割技术。

背景技术

雷达前视成像能力，有利于飞行员对远方地形的判断和识别以及平台的自主导航，提高平台的侦察、监视、定位和识别能力，可以实现空投地点的准确定位，对于自主着陆、自主导航及前视侦察等领域具有重要的意义。

目前，在雷达对地面成像的过程中，主要是通过发射大带宽信号和脉冲压缩技术获得距离向高分辨，利用雷达平台相对地面目标的方位向运动引起的多普勒频率变化提高方位向分辨率，如合成孔径雷达(SAR)，多普勒波束锐化(DBS)技术等，而当天线波束前视时，成像区地面目标回波多普勒频率梯度几乎为零，方位分辨率急速下降，再加上前视固有的多普勒模糊现象，从而形成传统SAR或DBS成像的前视盲区。

针对雷达前视成像，特别是其中如何提高方位分辨率的问题，文献《机载雷达单脉冲前视成像算法》(《中国图象图形学》2010，15(3)：P462-469)采用单脉冲技术进行前视成像，该技术基于单脉冲测角原理，适用于强点目标，而对于复杂地貌情况，由于存在多散射中心，将会出现严重的角闪烁现象；文献“A new Sector Imaging Radar for EnhancedVision–SIREV”(SPIE Conference on Enhanced and Synthetic Vision,1999,pp.39-47,Florida)，采用阵列天线形成孔径，实现前视成像，但由于平台的尺寸限制了天线孔径的拓展，致使方位分辨率提高受限；文献“Maximum A Posteriori–Based AngularSuperresolution for Scanning Radar Imaging”(IEEE Transactions on Aerospaceand Electronic Systems,2014,50(3):2389-2398.)，将实波束扫描雷达方位回波数据建模为天线方向图和目标散射系数卷积的基础上，通过反卷积的手段很好地实现了前视方位向超分辨成像，然而实际中由于平台运动的影响，并非所有区域都可以通过天线方向图与目标散射系数的卷积模型来简单描述。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种雷达前视成像区域分割方法，能够有效分割出前视区域和侧视区域。

本发明采用的技术方案为：一种雷达前视成像区域分割方法，首先获取扫描天线雷达回波，并进行距离向脉冲压缩，获得脉压后的回波强度；以零度扫描角为界将回波分为左边区域和右边区域，然后选取左边区域和右边区域中采样点数较多的部分做为待处理区域，对待处理区域执行以下过程：

针对某一方位单元对回波数据进行预分割；其次根据当前待处理区域中脉压后的回波强度计算每一距离单元的预分割能量泛函，并将各泛函累加求和，得到对应方位单元的预分割全局能量泛函；根据预分割全局能量泛函最小的方位单元确定当前待处理区域分割区域；

根据得到的待处理区域的分割区域及其与未处理的采样点数较少区域的关系，得到超分辨成像区域。

进一步地，所述根据某一方位单元对回波数据进行预分割，具体为：对某一方位单元，以该方位单元对应的回波数据为临界，将该方位单元对应的回波数据预分割为第一子区域与第二子区域；

所述第一子区域的方位左边界为方位单元1对应的回波数据，方位右边界为方位单元p-1对应的回波数据；所述第二子区域的方位左边界为方位单元p对应的回波数据，方位右边界为方位单元M₀对应的回波数据。

更进一步地，所述M₀的取值为当前待处理区域的采样点数。

更进一步地，其特征在于，所述当前待处理区域为以零度扫描角为界划分的左右区域中采样点数较多的区域，具体为：

若左边区域采样点数大于或等于右边区域采样点数，则待处理区域为左边区域；

若左边区域采样点数小于右边区域采样点数，则待处理区域为右边区域，并将待处理区域的方位单元均减去左边区域采样点数。

进一步地，所述计算每一距离单元的预分割能量泛函，并将各泛函累加求和，得到对应方位单元的预分割全局能量泛函；具体为：

A1、对某一距离单元，计算预分割后第三区域与第四区域各自的回波强度累计分布函数；A2、根据第三区域的回波强度累计分布函数，计算得到第三区域以及第三区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离；

A3、根据第四区域的回波强度累计分布函数，计算得到第四区域以及第四区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离；

A4、根据第三区域以及第三区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离，以及第四区域以及第四区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离，计算该距离单元的预分割能量泛函；

A5、根据将所有距离单元的预分割能量泛函累加求和，得到对应方位单元的预分割全局能量泛函。

更进一步地，所述第三区域为在当前距离单元下，其方位左边界为方位单元p对应的回波数据，方位右边界为方位单元M₀对应的回波数据；所述第四区域为在当前距离单元下，其方位左边界为方位单元1对应的回波数据，方位右边界为方位单元p-1对应的回波数据。

本发明的有益效果：本发明的一种雷达前视成像区域分割方法，通过对回波成像在方位向进行预分割，通过计算预分割全局能量泛函，找出预分割全局能量泛函最小值对应的方位单元，根据该方位单元确定成像边界；本发明的方法获得的回波成像中心区域确定结果，能够有效分割出回波的前视区域和侧视区域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的方案示意图；

图2为本发明实施例提供的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的左半部分数据各个方位单元的预分割全局能量泛函图；

图4为本发明实施例提供的本发明实施后回波成像中心区域分割的结果。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释；以下为便于理解采用的是左右对称的回波为例进行说明；对称的情形处理左边区域即可，右边区域根据左边区域结果对称到右边部分得出；实际中非对称的情况也可以采用本申请的方法进行计算，选取采样点数较多的一部分进行处理，再对称到另一部分区域即可。

本申请实施例的扫描雷达的系统参数如表1所示。

表1雷达系统仿真参数

如图1所示为本发明的方案示意图；本发明的技术方案为：一种雷达前视成像区域分割方法，首先获取扫描天线雷达回波，并进行距离向脉冲压缩，获得脉压后的回波强度；然后根据某一方位单元对回波数据进行预分割；其次计算每一距离单元的预分割能量泛函，并将各泛函累加求和，得到对应方位单元的预分割全局能量泛函；最后将预分割全局能量泛函最小的方位单元确定为成像区域分割边界。

如图2所示为详细的方法流程图，具体包括：

首先获取扫描天线雷达回波，并进行距离向脉冲压缩，获得脉压后的回波强度I(x,y)x∈[1,M]代表其方位单元，M表示方位向采样点数；y∈[1,N]代表其距离单元，N表示距离向采样点数。

M表达式表示为：

其中，

为雷达扫描角度范围，为左半部分扫描角度偏离零度最大值，

为右半部分扫描角度偏离零度最大值，ω为雷达天线扫描速度，PRF为脉冲重复频率。雷达实际工作中，若

则处理[1,M/2]内回波即可。若

则选取采样点较多的一边进行处理。具体来说，当

则处理扫描范围[1,M_L]范围内回波，其中

同理若

则相应处理[M_L+1,M]内回波，此时为后续处理方便，可将待处理区域采样点均减去M_L，即认为待处理区域的采样点数仍是从1开始。为后续描述方便，引入符号M₀，表示待处理区域内的采样点数；且满足

同时，初始化方位单元p＝n+1，其中n为局部方位单元数，通常由分割边界精度Δα决定，定义为：

本实施例中采用表1所示的参数得到的回波强度I(x,y)为：

其中，x∈[1,120]，y∈[1,800]；

由于本仿真中扫描范围对称，以下步骤以扫描角度在

内的回波为例进行说明，取M₀＝400，即只处理区域内的回波强度采样点。同时初始化方位单元p＝n+1，并取n＝10。

然后根据某一方位单元对回波数据进行预分割；具体的：针对某一方位单元x＝p，以该方位单元为临界实施预分割，将回波数据预分割为区域和区域

两部分，并初始化距离单元w＝1。

其次计算每一距离单元的预分割能量泛函，并将各泛函累加求和，得到对应方位单元的预分割全局能量泛函；具体的：

A1、针对某一距离单元y＝w，计算预分割后区域Ω_cw＝{(x,y)|y＝w,p≤x≤400}的回波强度累积分布函数，公式如下：

其中，Area{Ω}表示某一区域Ω内包含的回波强度采样点个数。V_m表示各回波强度采样点I(x,y)中的最大值，δ表示计算累积分布函数时回波强度的统计间隔，取为

同理，计算预分割后区域Ω_ew＝{(x,y)|y＝w,1≤x＜p}的回波强度累积分布函数F_ew。初始化方位采样点g₁＝p，g₂＝1。

A2、针对方位单元x＝p的预分割结果，以及选择的距离单元y＝w，确定区域Ω_cw＝{(x,y)|y＝w,p≤x≤400}内的某一局部区域Ω_cl＝{(x,y)|y＝w,g₁≤x＜g₁+10}。

计算区域Ω_cw和该区域内的某一局部区域Ω_cl的线性wasserstein距离，公式如下：

其中，F_cl代表局部区域Ω_cl的回波强度累积分布函数。

对于局部区域Ω_cl，若g₁≤(400-10)；则执行g₁＝g₁+1，继续进行区域Ω_cw和该区域内的某一局部区域Ω_cl的线性wasserstein距离的计算；否则执行步骤A3；

A3、针对方位单元x＝p的预分割结果，以及选择的距离单元y＝w，计算区域Ω_ew＝{(x,y)|y＝w,1≤x＜p}和该区域内的某一局部区域Ω_el＝{(x,y)|y＝w,g₂≤x＜g₂+10}的线性wasserstein距离W(F_ew,F_el)

其中，F_el代表局部区域Ω_el的回波强度累积分布函数。

对于局部区域Ω_el，若g₂≤(p-10)；则执行g₂＝g₂+1，继续进行区域Ω_ew和该区域内的某一局部区域Ω_el的线性wasserstein距离的计算；否则执行步骤A4；

A4、根据第三区域以及第三区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离，以及第四区域以及第四区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离，计算该距离单元；确定预分割距离向能量泛函：

A5、针对方位单元x＝p的预分割结果，以及选择的距离单元y＝w，判断是否满足条件w＞(120-1)，即判断是否已获得所有距离单元的预分割距离向能量泛函。若w≤(120-1)，则执行w＝w+1，返回步骤A1继续进行其他距离单元的预分割距离向能量泛函的计算；若是，则将所有预分割距离向能量泛函累加求和，获得预分割全局能量泛函：

预分割全局能量泛函用来度量步骤S2回波成像预分割的效果。预分割全局能量泛函越小，预分割中对于中心区域和边缘区域的平衡就越好，分割效果也就越好。

最后针对方位单元x＝p的预分割结果，判断是否满足条件p＞(400-10)，即判断是否已获得所有方位单元的预分割全局能量泛函。若p≤(400-10)，则令p＝p+1并继续进行其他方位单元的预分割全局能量泛函的计算；否则比较所有方位单元的预分割全局能量泛函，并确定预分割全局能量泛函最小值对应的方位单元，如图3所示为本实施例计算得到的扫描角度在内的回波数据各方位单元的预分割全局能量泛函图，可知x＝318时对应的预分割全局能量泛函最小。

由于本实施例中处理的是左半部分(扫描角度在

内的回波)，因此根据式(10)计算出左半部分的分割区域大小为

将左边区域的分割区域对称到右边，输出前视超分辨成像区域θ＝[-θ_L,θ_L]，即

θ＝[-3.1°,3.1°] (11)

从而根据本发明的方法确定了雷达前视成像区域；本实施方案获得的雷达回波成像中心区域分割的结果如图4所示。由图4可以看出，利用本发明方法获得的回波成像中心区域确定结果，能够有效分割出回波回波的前视区域和侧视区域。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种雷达前视成像区域分割方法，其特征在于，首先获取扫描天线雷达回波，并进行距离向脉冲压缩，获得脉压后的回波强度；然后以零度扫描角为界将回波分为左右两个区域，再选取出左右两区域中采样点数较多的区域作为待处理区域，并对待处理区域执行以下过程：

针对某一方位单元对回波数据进行预分割；其次根据当前待处理区域中脉压后的回波强度计算每一距离单元的预分割能量泛函，并将各泛函累加求和，得到对应方位单元的预分割全局能量泛函；根据预分割全局能量泛函最小的方位单元确定当前待处理区域分割区域；

根据得到的待处理区域的分割区域及其与未处理的采样点数较少区域的关系，得到超分辨成像区域；

所述根据某一方位单元对回波数据进行预分割，具体为：对某一方位单元，以该方位单元对应的回波数据为临界，将该方位单元对应的回波数据预分割为第一子区域与第二子区域；

所述第一子区域的方位左边界为方位单元1对应的回波数据，方位右边界为方位单元p-1对应的回波数据；所述第二子区域的方位左边界为方位单元p对应的回波数据，方位右边界为方位单元M₀对应的回波数据。

2.根据权利要求1所述的一种雷达前视成像区域分割方法，其特征在于，所述M₀的取值为当前待处理区域的采样点数。

3.根据权利要求2所述的一种雷达前视成像区域分割方法，其特征在于，所述当前待处理区域为以零度扫描角为界划分的左右区域中采样点数较多的区域，具体为：

若左边区域采样点数大于或等于右边区域采样点数，则待处理区域为左边区域；

若左边区域采样点数小于右边区域采样点数，则待处理区域为右边区域，并将待处理区域的方位单元均减去左边区域采样点数。

4.根据权利要求2所述的一种雷达前视成像区域分割方法，其特征在于，所述计算每一距离单元的预分割能量泛函，并将各泛函累加求和，得到对应方位单元的预分割全局能量泛函；具体为：

A1、对某一距离单元，计算预分割后第三区域与第四区域各自的回波强度累计分布函数；A2、根据第三区域的回波强度累计分布函数，计算得到第三区域以及第三区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离；

A3、根据第四区域的回波强度累计分布函数，计算得到第四区域以及第四区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离；

A4、根据第三区域以及第三区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离，以及第四区域以及第四区域内的某一局部区域的线性wasserstein距离，计算该距离单元的预分割能量泛函；

A5、根据将所有距离单元的预分割能量泛函累加求和，得到对应方位单元的预分割全局能量泛函。

5.根据权利要求4所述的一种雷达前视成像区域分割方法，其特征在于，所述第三区域为在当前距离单元下，其方位左边界为方位单元p对应的回波数据，方位右边界为方位单元M₀对应的回波数据；所述第四区域为在当前距离单元下，其方位左边界为方位单元1对应的回波数据，方位右边界为方位单元p-1对应的回波数据。

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