CN109856634A - 一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，包括以下步骤：S1、设定极坐标成像距离单元和方位角角度单元，并根据角度和距离的划分构建极坐标成像网格矩阵，S2、通过目标散射回波进行极坐标后向投影成像；S3、对极坐标成像图像进行单元均值恒虚警检测，得到二值图像；S4、用二值图像对成像图像进行掩膜，得到掩膜图像；S5、提取掩膜图像像素连通区域的质心并按照质心的距离值对质心进行聚类；S6、比较各个聚类中连通区域质心的像素值大小。本发明利用极坐标后投影成像中主瓣和栅瓣位于同一距离的特点，并通过对极坐标成像图像进行单元平均恒虚警检测和方位向投影聚类，实现了主瓣和栅瓣的有效分离，具有计算简单灵活和效率高的特点。

Description

一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法

技术领域

本发明涉及到阵列成像技术领域，尤其涉及一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法。

背景技术

超宽带成像雷达具有良好的穿透能力、优良的分辨性能，在灾害生命探测救援、反恐维稳穿墙探测以及可疑物品检测等领域有着广泛的应用。然而，为了满足这些应用领域对雷达便携性的要求，超宽带成像雷达往往采用孔径大小有限且阵元数量有限的稀疏阵列，成像质量受限于稀疏阵列引入的方位栅瓣的干扰。

常见的成像方法均是在笛卡尔坐标系下，栅瓣和主瓣的位置位于椭圆弧线上(如图2所示)，难以利用栅瓣和主瓣的位置关系来区分栅瓣和主瓣；基于CF加权的栅瓣抑制方法，仅仅是将栅瓣抑制到一定水平，并不能真正去除栅瓣；若后续的目标检测处理不当，依旧无法排除栅瓣的干扰。

鉴于此，研究一种实现主瓣和栅瓣分离的超宽带成像的方法是本技术领域人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，该方法利用极坐标成像中的栅瓣能量低于主瓣能量的特点，对成像图像进行单元平均恒虚警检测和掩膜聚类，实现了栅瓣的去除，计算灵活，有效避免了栅瓣对成像质量的干扰，从而提高成像图像的质量，有利于超宽带成像雷达对目标的探测，抑制虚假目标。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在极坐标中，设定成像距离单元的距离范围[R_min，R_max]和距离间隔d_R，以及成像方位角角度单元的角度范围[θ_min，θ_max]和角度间隔d_θ，并根据极坐标成像距离单元和成像方位角角度单元的划分构建成像网络矩阵G；

S2、基于K个收发通道的目标散射回波，对所述步骤S1中的网络矩阵G上的极坐标进行后向投影成像，得到极坐标成像图像P；

S3、对所述步骤S2中极坐标成像图像P进行单元平均恒虚警检测，得到检测结果的二值图像W；

S4、通过所述步骤S3中的二值图像W对所述步骤S2中极坐标成像图像P进行掩膜操作，得到极坐标成像图像P的掩膜图像Q；

S5、提取所述步骤S4中掩膜图像Q像素连通区域的质心，并通过K-means聚类方法对所述掩膜图像Q连通区域的质心坐标中的距离值进行聚类，得到多个连通区域质心距离值的聚类；

S6、分别对所述步骤S5中的每一个聚类中的连通区域像素值大小进行比较，选择像素值最大的连通区域作为主瓣区域，余下的连通区域作为栅瓣区域予以删除。

优选地，所述步骤S1中成像方位角角度单元的角度范围满足条件-90°≤θ_min＜θ_max≤90°。

优选地，所述步骤S2中的散射回波为雷达回波。

优选地，所述步骤S2中极坐标成像图像P的计算公式可表示为：

式(1)中，m表示极坐标成像图像P中方位角角度单元的像素点坐标索引，n表示极坐标成像图像P中距离单元的像素点坐标索引，s(k,t)表示雷达回波，t表示雷达回波的传播时间，(Tx_k，Ty_k)表示第k个通道中发射天线的坐标，(Rx_k，Ry_k)表示第k个通道中接收天线的坐标，θ_m表示网格矩阵G中第m个角度单元的角度值，R_n表示网格矩阵G中第n个距离单元的距离值，j表示虚数单位。

优选地，所述步骤S4中对极坐标成像图像P进行掩膜操作，掩膜操作公式可表示为：

Q(m,n)＝W(m,n)×P(m,n) (2)

式(2)中，W(m,n)表示点(m,n)的极坐标二值图像像素，P(m,n)表示点(m,n)的极坐标成像图像像素。

与现有技术比较，本发明的超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，利用极坐标后投影成像中主瓣和栅瓣位于同一距离，且栅瓣能量低于主瓣能量的特点，并通过对极坐标成像图像进行单元平均恒虚警检测和方位向投影聚类，实现了主瓣和栅瓣的有效分离，具有计算简单灵活和效率高的特点。

附图说明

图1是本发明一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法流程图，

图2是本发明仿真实验中笛卡尔坐标后向投影成像结果示意图，

图3是本发明仿真实验中极坐标后向投影成像结果，

图4为本发明仿真实验中极坐标后向投影成像检测结果示意图，

图5为本发明仿真实验中笛卡尔坐标后向投影成像掩膜结果示意图，

图6为本发明仿真实验中的栅瓣去除结果示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在极坐标中，设定成像距离单元的距离范围[R_min，R_max]和距离间隔d_R，以及成像方位角角度单元的角度范围[θ_min，θ_max]和角度间隔d_θ，并根据极坐标成像距离单元和成像方位角角度单元的划分构建成像网络矩阵G；

S2、基于K个收发通道的目标散射回波，对所述步骤S1中的网络矩阵G上的极坐标进行后向投影成像，得到极坐标成像图像P；

S3、对所述步骤S2中极坐标成像图像P进行单元平均恒虚警检测，得到检测结果的二值图像W；

S4、通过所述步骤S3中的二值图像W对所述步骤S2中极坐标成像图像P进行掩膜操作，得到极坐标成像图像P的掩膜图像Q；

S5、提取所述步骤S4中掩膜图像Q像素连通区域的质心，并通过K-means聚类方法对所述掩膜图像Q连通区域的质心坐标中的距离值进行聚类，得到多个连通区域质心距离值的聚类；

S6、分别对所述步骤S5中的每一个聚类中的连通区域像素值大小进行比较，选择像素值最大的连通区域作为主瓣区域，余下的连通区域作为栅瓣区域予以删除。

本实施例中，利用极坐标后投影成像中主瓣和栅瓣位于同一距离，且栅瓣能量低于主瓣能量的特点，并通过对极坐标成像图像P进行单元平均恒虚警检测和方位向投影聚类，实现了主瓣与栅瓣的有效分离，排除了栅瓣对成像质量的影响，具有计算简单灵活和效率高的特点。

如图1所示，所述步骤S1中成像方位角角度单元的角度范围满足条件-90°≤θ_min＜θ_max≤90°。

如图1所示，所述步骤S2中的散射回波为雷达回波。

如图1所示，所述步骤S2中极坐标成像图像P的计算公式可表示为：

式(1)中，m表示极坐标成像图像P中方位角角度单元的像素点坐标索引，n表示极坐标成像图像P中距离单元的像素点坐标索引，s(k,t)表示雷达回波，t表示雷达回波的传播时间，(Tx_k，Ty_k)表示第k个通道中发射天线的坐标，(Rx_k，Ry_k)表示第k个通道中接收天线的坐标，θ_m表示网格矩阵G中第m个角度单元的角度值，R_n表示网格矩阵G中第n个距离单元的距离值，j表示虚数单位。

如图1所示，所述步骤S4中对极坐标成像图像P进行掩膜操作，掩膜操作公式可表示为：

Q(m,n)＝W(m,n)×P(m,n) (2)

式(2)中，W(m,n)表示点(m,n)的极坐标二值图像像素，P(m,n)表示点(m,n)的极坐标成像图像像素。

为了更好的理解本发明的工作原理和技术效果，下面结合一个仿真实验予以说明。

首先，设定超宽带稀疏阵的参数，具体如表1所示：

表1超宽带稀疏阵列的参数

超宽带信号起始频率	超宽带信号带宽	稀疏阵列长度	稀疏阵列阵元间距
				1GHz	400MHz	2m	0.5m

S1、在极坐标中，设定成像距离单元的距离范围为[0，10]，其距离间隔d_R＝0.01，以及成像方位角角度单元的角度范围为[-60°，60°]，其角度间隔d_θ＝0.02°，并根据极坐标成像距离单元和成像方位角角度单元的划分构建成像网络矩阵G；

S2、基于K(K＝8)个收发通道的目标散射回波，对所述网络矩阵G上的极坐标进行后向投影成像，得到极坐标成像图像P，从图3中可以看出，极坐标后向投影成像中同样存在栅瓣，且栅瓣的能量比目标主瓣的能量低。但与图2中笛卡尔坐标后向投影成像结果不同的是，极坐标后向投影成像中目标和栅瓣均位于同一距离上；

S3、对所述极坐标成像图像P进行单元平均恒虚警检测，得到检测结果的二值图像W，从图4中可以看出，栅瓣极易被认定为目标，引起虚警；

S4、通过所述二值图像W对所述极坐标成像图像P进行掩膜操作，得到极坐标成像图像P的掩膜图像Q；

S5、提取所述掩膜图像Q像素连通区域的质心，并通过K-means聚类方法对所述掩膜图像Q连通区域的质心坐标中的距离值进行聚类，得到两个连通区域质心距离值的聚类，如图5所示，图中的星号标记分别表示掩膜图像中六个连通区域的质心，即可将六个连通区域聚为两类；

S6、分别对所述两个聚类中的连通区域像素值大小进行比较，选择像素值最大的连通区域作为主瓣区域，余下的连通区域作为栅瓣区域予以删除，从图6中可以看出，通过对极坐标后投影成像进行恒虚警检测和掩膜聚类，能够有效去除栅瓣，实现主瓣与栅瓣的有效分离，提升成像的质量。

以上对本发明所提供的一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、在极坐标中，设定成像距离单元的距离范围[R_min，R_max]和距离间隔d_R，以及成像方位角角度单元的角度范围[θ_min，θ_max]和角度间隔d_θ，并根据成像距离单元和成像方位角角度单元的划分构建成像网络矩阵G；

S2、基于K个收发通道的目标散射回波，对所述步骤S1中的网络矩阵G上的极坐标进行后向投影成像，得到极坐标成像图像P；

S3、对所述步骤S2中极坐标成像图像P进行单元平均恒虚警检测，得到检测结果的二值图像W；

S4、通过所述步骤S3中的二值图像W对所述步骤S2中极坐标成像图像P进行掩膜操作，得到极坐标成像图像P的掩膜图像Q；

S5、提取所述步骤S4中掩膜图像Q像素连通区域的质心，并通过K-means聚类方法对所述掩膜图像Q连通区域的质心坐标中的距离值进行聚类，得到多个连通区域质心距离值的聚类；

S6、分别对所述步骤S5中的每一个聚类中的连通区域像素值大小进行比较，选择像素值最大的连通区域作为主瓣区域，余下的连通区域作为栅瓣区域予以删除。

2.如权利要求1所述的超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，其特征在于，所述步骤S1中成像方位角角度单元的角度范围满足条件-90°≤θ_min＜θ_max≤90°。

3.如权利要求2所述的超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，其特征在于，所述步骤S2中的散射回波为雷达回波。

4.如权利要求3所述的超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，其特征在于，所述步骤S2中极坐标成像图像P的计算公式可表示为：

式(1)中，m表示极坐标成像图像P中方位角角度单元的像素点坐标索引，n表示极坐标成像图像P中距离单元的像素点坐标索引，s(k,t)表示雷达回波，t表示雷达回波的传播时间，(Tx_k，Ty_k)表示第k个通道中发射天线的坐标，(Rx_k，Ry_k)表示第k个通道中接收天线的坐标，θ_m表示网格矩阵G中第m个角度单元的角度值，R_n表示网格矩阵G中第n个距离单元的距离值，j表示虚数单位。

5.如权利要求4所述的超宽带稀疏阵列极坐标成像下的栅瓣去除方法，其特征在于，所述步骤S4中对极坐标成像图像P进行掩膜操作，掩膜操作公式可表示为：

Q(m,n)＝W(m,n)×P(m,n) (2)

式(2)中，W(m,n)表示点(m,n)的极坐标二值图像像素，P(m,n)表示点(m,n)的极坐标成像图像像素。