CN109557541A - 一种全息穿透成像雷达极坐标数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种全息穿透成像雷达极坐标数据处理方法。技术方案是：将待探测区域按照极坐标系划分，在每个坐标点处利用全息穿透成像雷达发射信号并采集回波数据；对回波数据进行空间域滤波处理；对空间域滤波后的回波数据进行傅里叶变换处理；对傅里叶变换结果沿半径方向和角度方向分别进行积分处理得到空间波数谱；对空间波数谱进行滤波和逆傅里叶变换处理得到成像结果。本发明计算量小，后续的成像精度高。

Description

一种全息穿透成像雷达极坐标数据处理方法

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，特别涉及一种全息穿透成像雷达极坐标数据处理方法。

背景技术

全息成像是一种利用二维平面上采集到的相干回波数据来生成目标图像的技术手段。对埋藏在介质中的目标实施全息成像、进而实现目标探测的雷达称为HPIR(Holographic Penetrating Imaging Radar,全息穿透成像雷达)。HPIR在二维平面网格上移动，在每个格点发射相干电磁波，穿透介质对埋藏的目标进行探测。目标反射的回波被采集、量化和存储，然后通过算法进行处理，从而重建目标图像。HPIR成像技术使获取的信息变得更加直观，降低了判读的难度，有利于对埋藏目标的检测和识别，从而提升HPIR的探测性能，扩大了其应用范围，具有广阔应用前景。

实现HPIR成像，主要包括两个步骤：一是采集回波数据，即按照一定的规则和坐标系在待探测区域内划分出采样点，在划分的每个采样点处利用HPIR发射信号，并接收回波，从而获取具有一定空间位置关系的雷达回波数据；二是成像处理，即将上述采集到的雷达回波数据，采用合适的成像算法形成目标图像。传统的HPIR成像技术通常是针对直角坐标系下采集的、呈矩形均匀分布的回波数据，采用的成像算法包括后向投影(BackProjection，BP)，逆时偏移(Reverse Time Migration，RTM)，距离偏移(Range Migration，RM)等。

然而在一些应用中，由于场地条件或者特殊的应用需求，HPIR获取的数据并不满足矩形均匀分布的要求，例如文献“Shiping Zhu,Jian Wang,Yi Su,et al.A circularsurvey for 3D Ground Penetrating Radar to map hidden cylinders[C].Proceedingsof 7th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar”回波数据获取是在极坐标下进行的。现有处理极坐标下采集的数据的方法通常是利用插值，将极坐标下采集到的数据插值为直角坐标下的数据，然后利用传统的成像算法进行处理。然而上述插值过程不可避免的会引入误差，这对成像结果的精确性造成了严重影响。此外，插值本身的计算量也很大，从最简单的临近点插值算法，线性插值，再到较复杂的三次样条插值，虽然插值效果有所改进，但插值过程所需要的时间也成倍的增长，难以满足HPIR探测的实时性要求。因此需要针对极坐标下采集的数据提出专门的、高效的成像算法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种全息穿透成像雷达极坐标数据处理方法，这种方法计算量小，后续的成像精度高。

本发明技术方案是：

将待探测区域按照极坐标系划分，在每个坐标点处利用HPIR发射信号并采集回波数据。采集数据过程中半径方向和角度方向分别等间隔采样，本发明称该采集方式为极坐标采样。设r表示半径方向，θ表示角度方向，半径方向的采样间隔为Δr，共获得M个均匀采样点；角度方向的采样间隔Δθ，共获得N个均匀采样点，采样间隔的取值由HPIR的参数决定，因此，回波数据是一个M×N的矩阵，下面为了表述方便，将回波数据记为s(r,θ)。

包括以下步骤：利用HPIR对待探测区域进行极坐标采样获取回波数据；对回波数据进行空间域滤波处理；对空间域滤波后的回波数据进行傅里叶变换处理；对傅里叶变换结果沿半径方向和角度方向分别进行积分处理得到空间波数谱；对空间波数谱进行匹配滤波和逆傅里叶变换处理得到成像结果。

本发明的有益效果是：通过一系列滤波、变换和积分等步骤可以直接从极坐标数据得到空间波数谱，从而避免了插值带来的误差和时间消耗，改善了成像精度，提高了计算效率；并且处理过程简单，充分利用了快速傅里叶变换算法，可以方便地整合到现有HPIR成像处理系统中。

附图说明

图1是本发明一种全息穿透成像雷达极坐标数据处理方法的处理流程图；

图2(a)是本发明观测场景示意图，图2(b)是本发明极坐标采样获取回波数据示意图；

图3是仿真实验成像结果图，其中，图3(a)是仿真目标分布图，图3(b)是极坐标采样得到的回波数据，图3(c)是利用传统方法处理得到的仿真实验成像结果，图3(d)是利用本发明所提方法处理得到的仿真实验成像结果。

图4(a)埋藏目标实物图，图4(b)是利用本发明所提方法处理得到的实测实验成像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1是一种全息穿透成像雷达极坐标数据处理方法的处理流程图。整个流程分为五大步。

第一步，极坐标数据采样

利用HPIR对待探测区域继续极坐标采样获取回波数据，记为s(r,θ)。

第二步，空间域滤波处理

将回波数据s(r,θ)进行空间域滤波，得到空间域滤波后的回波数据s_R(r,θ)：

s_R(r,θ)＝r·s(r,θ)

第三步，傅里叶变换处理

将空间域滤波后的回波数据s_R(r,θ)按变量r进行傅里叶变换，得到傅里叶变换结果为：

S_R(k_r,θ)＝∫s_R(r,θ)exp(-2πjk_rr)dr

其中，k_r是变量r的傅里叶变换变量，特别的，上式可用快速傅里叶变换(FFT)实现。

第四步，积分处理

将上述傅里叶变换结果S_R(k_r,θ)沿半径方向和角度方向分别进行积分，得到空间波数谱为：

S(k_x,k_y)＝∫∫S_R(k_r,θ)δ(k_r-k_xcosθ-k_ysinθ)dk_rdθ

其中，k_x和k_y是空间波数，分别对应于空间横向位置坐标变量x和空间横向位置坐标变量y的傅里叶变换，δ(·)是冲激函数。

第五步，滤波与逆傅里叶变换处理

将空间波数谱进行匹配滤波，然后进行逆傅里叶变换，得到成像结果为：

I(x,y)＝∫∫S(k_x,k_y)exp(jk_zz₀)exp[j(k_xx+k_yy)]dk_xdk_y

其中， ω是发射信号频率，ε是介质介电常数，z₀是成像聚焦深度。

图2(a)是本发明观测场景示意图，极坐标系原点位于O处(Z＝0)，r表示极坐标系半径方向，θ表示极坐标系角度方向，目标位于均匀介质内部P点(Z<0)，HPIR收发天线位于Q点，并在r和θ方向扫描移动。图2(b)是本发明极坐标采样获取回波数据示意图，通过HPIR收发天线在r和θ方向扫描移动，半径方向的采样间隔为Δr；角度方向的采样间隔Δθ，可获得M个半径方向，N个角度方向的回波数据，两个采样间隔的取值根据实际情况确定。

利用计算机仿真验证本发明的成像效果。待探测区域为半径为0.3m的圆形区域，九个目标设置在距离介质表面0.1m的位置，介质的相对介电常数取为4。

图3是仿真实验成像结果图。图3(a)是仿真目标分布图，均匀分布了9个点目标，水平和垂直间距均为0.1m。图3(b)是极坐标采样得到的回波数据，由于回波数据不够直观，难以直接得到关于目标分布的信息。图3(c)是利用现有方法(即先差值再成像处理)得到的仿真实验成像结果，处理耗时0.83s，由于三次样条插值引入了误差，导致点目标具有较高的旁瓣水平，影响了目标的识别。图3(d)是利用本发明所提方法处理得到的仿真实验成像结果，处理耗时仅0.08s，不但得到了清晰的目标图像，而且处理效率提高10倍。从而证明了本发明所提方法的精确性与高效性。

为了验证本发明的实用性，利用HPIR采集了实测数据进行处理。目标为埋藏在介质下的金属导线，距离地面约0.05m。

图4(a)埋藏目标实物图，图4(b)是利用本发明所提方法处理得到的实测实验成像结果。实验中，半径方向采样间隔Δr为5mm，采样点数M取值为40，角度方向的采样间隔Δθ为5°，采样点数N取值为72。从图中可以清晰地识别出有两条交叉的金属线，与图4(a)所示目标实物图保持一致，从而证明了本发明所提成像方法在实际应用中的有效性。

值得进一步说明的是，本发明通过一系列滤波、变换和积分三个步骤可以直接从极坐标数据得到空间波数谱，从而避免了插值带来的误差和时间消耗，改善了成像精度，提高了计算效率。其中，上述这三个处理步骤是缺一不可，并且是通过发明人的认真研究，详细推导和计算才得到的。下面详细说明其中的理论精妙所在。

通常，全息穿透成像雷达在极坐标系下采样后，首先经过插值变换到直角坐标系下得到回波信号s(x,y)，回波信号s(x,y)通过傅里叶变换得到空间波数谱S(k_x,k_y)，如下式所示：

S(k_x,k_y)＝∫∫s(x,y)exp[-2πj(k_xx+k_yy)]dxdy

上述过程因为需要插值，所以计算量大，同时插值误差会影响成像质量。

而利用本发明提供的极坐标采样时，获取的回波数据为s(r,θ)，其中，r表示半径方向，θ表示角度方向，已知极坐标与直角坐标之间关系为：

x＝r cosθ

y＝r sinθ

代入上述S(k_x,k_y)表达式可得：

S(k_x,k_y)＝∫∫r·s(r,θ)exp[-2πrj(k_xcosθ+k_ycosθ)]drdθ

已知半径方向波数可表示为k_r＝k_xcosθ+k_ysinθ，代入上述S(k_x,k_y)表达式可得

S(k_x,k_y)＝∫[∫r·s(r,θ)exp(-2πjk_rr)dr]dθ

令s_R(r,θ)＝r·s(r,θ)，则上式中括号内的一次积分表达式可以表示为：

S_R(k_r,θ)＝∫∫s_R(r,θ)exp(-2πjk_rr)dr

则空间波数谱可表示为：

此处，利用Delta函数的性质：

自变量为0时，函数值为1；自变量非0时，函数值为0。

可推导出空间波数谱下述的二维积分式为：

S(k_x,k_y)＝∫∫S_R(k_r,θ)δ(k_r-k_xcosθ-k_ysinθ)dk_rdθ

其中，δ()表示Delta函数。

利用上述的二维积分式，可从极坐标采样回波数据s(r,θ)出发，无需插值，仅通过滤波(即用s_R(r,θ)＝r·s(r,θ)处理)、变换(即回波数据s_R(r,θ)按变量r进行傅里叶变换)和积分等步骤便可得到空间波数谱，从而避免了插值带来的误差和时间消耗。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定，任何在本发明精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种全息穿透成像雷达极坐标数据处理方法，其特征在于，将待探测区域按照极坐标系划分，在每个坐标点处利用全息穿透成像雷达发射信号并采集回波数据；采集数据过程中半径方向和角度方向分别等间隔采样，采样间隔的取值由全息穿透成像雷达的参数决定；

对回波数据进行空间域滤波处理；对空间域滤波后的回波数据进行傅里叶变换处理；对傅里叶变换结果沿半径方向和角度方向分别进行积分处理得到空间波数谱；对空间波数谱进行匹配滤波和逆傅里叶变换处理得到成像结果。