CN109884628B - 基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法。该方法包括：获取初始回波向量；初始回波向量作解线频调脉压处理；分离初始差频域回波向量；构造差频域参考信号矩阵；二维成像与三维重构。本发明的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法基于解线频调脉压技术，针对采用线性调频信号的雷达关联成像，解析出三维成像区域不同距离单元内的差频域回波向量，根据分离出的差频域回波向量及对应的差频域参考信号矩阵分别重构出不同距离单元的目标信息，能够解决了三维目标高分辨成像中参考信号矩阵规模庞大的问题，加快成像速度，有效提高了回波信号信噪比和目标重构精度。

Description

基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法

技术领域

本发明涉及三维成像技术领域，具体涉及一种基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法。

背景技术

随着社会的发展，雷达高分辨率成像在确保国家战略安全和促进国民经济发展方面扮演着越来越重要的角色。在现有的雷达成像技术中，光学雷达可前视成像，波长短、分辨率高和成像速度快，但是依赖于目标辐射，对烟、尘、雾和障碍物等穿透能力差，易受环境因素影响；微波雷达可主动探测，穿透能力强，但是由于微波频率低、波长长和角分辨率低，且由于成像原理的限制，需要成像积累时间，无法实现前视高帧频和高分辨成像；合成孔径雷达(SAR)和逆合成孔径雷达(ISAR)成像虽然能够通过合成孔径获得横向上的高分辨率，但是二者都依赖于雷达与目标的相对运动，无法前视成像；实孔径阵列雷达与相控阵雷达由于需要使用的阵元数量多，结构复杂，建设与维护成本高昂；微波关联成像技术能够实现前视、凝视条件下的高分辨成像，其通过构造时间不相关和空间相互正交的阵列信号作为发射信号，然后通过计算推演得到目标所在区域的探测信号，并通过探测信号与目标回波信号之间的关联处理获得目标信息，但是微波关联成像技术需要在发射端构造较大规模的天线阵列，且难以实现有效实时的波束指向调控。

雷达关联成像可通过阵列编码孔径对电磁波束实时调制，实现复杂多样的空间波调制。具体地，通过阵列编码孔径对电磁波束进行实时编码调制，从而形成时-空二维随机分布的辐射场，最后利用探测回波和辐射场参考信号矩阵通过矩阵方程求解的方式实现高分辨、前视和凝视成像，弥补了合成孔径高分辨成像依赖目标运动的不足。目前，雷达关联三维成像方法主要分为两种，一种需要对整个三维成像区域进行精细网格剖分，然后再构造庞大的参考信号矩阵，而雷达关联成像的计算难度取决于参考信号矩阵的规模大小，故该方法对成像计算能力要求极高；另一种方法首先将整个三维成像区域分成若干三维成像单元，然后采用机械扫描或电子扫描的方式分别对所有三维成像单元进行分块扫描，该方法可以一定程度上降低参考信号矩阵规模和计算难度，但是在多次扫描过程中，会引入更加复杂的噪声，在低信噪比条件下较难实现高精度成像。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，该方法能够在低信噪比条件下，对三维目标实现高分辨成像。

为此，本发明公开了一种基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法。该方法包括：

获取初始回波向量：馈源发射线性调频信号，所述线性调频信号经编码孔径天线阵列的发射阵元发射，再经三维成像区域散射，所述编码孔径天线阵列的接收阵元接收经所述三维成像区域散射后的回波信号，以获得所述初始回波向量和初始参考信号矩阵；

所述初始回波向量作解线频调脉压处理：对所述初始回波向量进行解线频调脉压处理，以获取所述初始回波向量所对应的初始差频域回波向量；

分离所述初始差频域回波向量：根据所述初始差频域回波向量，提取和分离初始差频域回波中不同尖峰位置处的回波，根据所述回波构造所述不同尖峰位置对应的不同距离单元的差频域回波向量；

构造差频域参考信号矩阵：对所述初始参考信号矩阵作所述解线频调脉压处理，以获取初始差频域参考信号矩阵，根据所述初始差频域参考信号矩阵，分别构造与所述差频域回波向量所对应的差频域参考信号矩阵；

二维成像与三维重构：根据所述差频域回波向量和所述差频域参考信号矩阵，对存在目标散射信息的不同距离单元进行二维成像，将所有二维成像信息组合，以得到完整的三维重构信息。

进一步地，在所述基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中，经所述编码孔径天线阵列的所述发射阵元发射的信号S₁(t)为：

其中，T_p为脉冲信号宽度，A_i为第i个发射阵元处的信号幅度，f_c为电磁波的中心频率，γ＝2πf_c/c为调频率，c为光速，π为圆周率，j为虚数单位，为t时刻、所述第i个发射阵元处加载的编码相位，为矩形窗函数，

进一步地，在所述基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中，所述接收阵元接收到的经所述三维成像区域散射后的所述回波信号为所述初始回波向量，所述初始回波向量Sr(t)为：

其中，β_k为将所述三维成像区域剖分成K个网格单元后的第k个网格单元处的目标散射系数，t_i,k为经过第i个发射阵元和所述第k个网格单元、最后到所述接收阵元处的时间延迟，t_i，k＝r_i，k/c，r_i，k为与t_i，k对应的距离延迟。

进一步地，在所述基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中，所述初始参考信号矩阵S为：

其中，矩阵元素S(t_n,k)为：

进一步地，在所述基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中，解线频调脉压的参考信号S_ref(t)为：

进一步地，在所述基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中，所述初始回波向量进行所述解线频调脉压处理后的输出Sr_if(t)为：

其中，为S_ref(t)的共轭函数，

进一步地，在所述基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中，所述初始差频域回波向量FSr_if(f)由Sr_if(t)作傅里叶变换得到：

进一步地，在所述基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中，所述初始差频域参考信号矩阵通过所述初始参考信号矩阵作解线频调脉压处理和傅里叶变换得到。

进一步地，在所述基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中，所述初始差频域参考信号矩阵的矩阵元素FS_if(f,k)为：

其中，

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，基于解线频调脉压技术，针对采用线性调频信号的雷达关联成像，解析出三维成像区域不同距离单元内的差频域回波向量，然后针对包含目标信息的距离单元构建解线频调脉压处理后的差频域参考信号矩阵，最后根据分离出的差频域回波向量及对应的差频域参考信号矩阵分别重构出不同距离单元的目标信息，以得到完成的三维重构信息，能够解决了三维目标高分辨成像中参考信号矩阵规模庞大的问题，加快成像速度，有效提高了回波信号信噪比和目标重构精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法的流程图；

图2为本发明一个实施例提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法的结构原理示意图；

图3为本发明一个实施例提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法中差频域回波向量分离原理示意图；

图4为距离1.5m处的成像目标在不同信噪比下利用本发明实施例提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法和现有的时域方法的成像结果比较图；

图5为距离2m处的成像目标在不同信噪比下利用本发明实施例提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法和现有的时域方法的成像结果比较图；

图6为距离2.5m处的成像目标在不同信噪比下利用本发明实施例提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法和现有的时域方法的成像结果比较图；

图7为距离3m处的成像目标在不同信噪比下利用本发明实施例提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法和现有的时域方法的成像结果比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

如附图1所示，本发明实施例提供了一种基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，该方法包括以下步骤：

获取初始回波向量：馈源发射线性调频信号，线性调频信号经编码孔径天线阵列的发射阵元发射，再经三维成像区域散射，编码孔径天线阵列的接收阵元接收经三维成像区域散射后的回波信号，以获得初始回波向量和初始参考信号矩阵；

初始回波向量作解线频调脉压处理：对初始回波向量进行解线频调脉压处理，以获取初始回波向量所对应的初始差频域回波向量；

分离初始差频域回波向量：根据初始差频域回波向量，提取和分离初始差频域回波中不同尖峰位置处的回波，根据回波构造不同尖峰位置对应的不同距离单元的差频域回波向量；

构造差频域参考信号矩阵：对初始参考信号矩阵作解线频调脉压处理，以获取初始差频域参考信号矩阵，根据初始差频域参考信号矩阵，分别构造与差频域回波向量所对应的差频域参考信号矩阵；

二维成像与三维重构：根据差频域回波向量和差频域参考信号矩阵，对存在目标散射信息的不同距离单元进行二维成像，将所有二维成像信息组合，以得到完整的三维重构信息。

其中，经编码孔径天线阵列的发射阵元发射的信号S₁(t)为：

上述公式1中，T_p为脉冲信号宽度，A_i为第i个发射阵元处的信号幅度，f_c为电磁波的中心频率，γ＝2πf_c/c为调频率，c为光速，π为圆周率，j为虚数单位，为t时刻、第i个发射阵元处加载的编码相位，为矩形窗函数，

接收阵元接收到的经三维成像区域散射后的回波信号为初始回波向量，初始回波向量Sr(t)为：

上述公式3中，β_k为将三维成像区域剖分成K个网格单元后的第k个网格单元处的目标散射系数，t_i,k为经过第i个发射阵元和第k个网格单元、最后到接收阵元处的时间延迟，t_i，k＝r_i，k/c，r_i，k为与t_i，k对应的距离延迟。

初始参考信号矩阵S为：

上述公式4中，矩阵元素S(t_n,k)为：

解线频调脉压的参考信号S_ref(t)为：

初始回波向量进行解线频调脉压处理后的输出Sr_if(t)为：

上述公式7中，为S_ref(t)的共轭函数，

初始差频域回波向量FSr_if(f)由Sr_if(t)作傅里叶变换得到：

初始差频域参考信号矩阵通过初始参考信号矩阵作解线频调脉压和傅里叶变换得到。

具体地，初始差频域参考信号矩阵的矩阵元素FS_if(f,k)为：

上述公式9中，

以下结合具体实施例对本发明提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法进行具体说明。

如附图2所示，图中：A表示馈源，B表示编码孔径天线阵列，C表示三维成像区域，x轴为经过编码孔径天线阵列竖直方向中心平分线的轴线，y轴为经过编码孔径天线阵列水平方向中心平分线的轴线，坐标中心o在编码孔径天线阵列中心位置，z轴为经过馈源和编码孔径天线阵列的中心的轴线。为便于阐述，将三维成像区域表示成不同距离的a、b、c和d四个二维成像平面，但在实际应用中，三维成像区域并不限于四个二维成像平面，三维成像区域可以划分为多个二维成像平面，二维成像平面的数量可以根据实际情况进行设置。

利用本发明提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法的具体步骤如下：

1)获取初始回波向量和初始参考信号矩阵。

馈源A发射线性调频信号，信号照射到编码孔径天线阵列B上为平面波，即初始相位相同，设定编码孔径天线阵列B含有1个接收阵元和I个发射阵元，如附图2所示，接收阵元位于编码孔径天线阵列B中心，以实心圆表示，发射阵元以阵列形式排布在编码孔径天线阵列B上，以方形框表示，其中实心方框和空心方框分别表示信号通过该发射阵元后加载π和0的相位。综上，线性调频信号经过编码孔径天线阵列B的发射阵元后的信号S₁(t)表示为：

其中，T_p为脉冲信号宽度，A_i为第i个发射阵元处的信号幅度，f_c为电磁波的中心频率，γ＝2πf_c/c为调频率，c为光速，π为圆周率，j为虚数单位，为t时刻、第i个发射阵元处加载的编码相位，为矩形窗函数，

其中，编码孔径天线阵列B可以采用1比特离散调相方式、幅度调制方式、高比特位深度调制方式或连续调制方式，为了方便阐述，本具体实施例的编码孔径天线阵列B采用1比特离散调相方式。

而后，将三维成像区域C剖分为K个网格单元，则信号S₁(t)经三维成像区域C散射后被接收阵元接收探测到的回波信号Sr(t)表示为：

其中，β_k为将三维成像区域剖分成K个网格单元后的第k个网格单元处的目标散射系数，t_i,k为经过第i个发射阵元和第k个网格单元、最后到接收阵元处的时间延迟，t_i，k＝r_i，k/c，r_i，k为与t_i，k对应的距离延迟。

回波信号Sr(t)也为初始回波向量。

将公式3离散化，可以得到雷达关联三维成像的数学模型，具体为：

Sr＝S·β

其中，S为初始参考信号矩阵，表示为：

初始参考信号矩阵S中的矩阵元素S(t_n,k)表示为：

2)对初始回波向量做解线频调脉压处理，获取初始差频域回波向量。

进一步地，设定参考距离为零，可得解线频调脉压的参考信号S_ref(t)为：

则对初始回波向量进行解线频调脉压处理后的输出Sr_if(t)为：

其中，为S_ref(t)的共轭函数，

通过对Sr_if(t)作傅里叶变换可得到差频信号，差频信号在频域的表达式即为初始差频域回波向量，初始差频域回波向量FSr_if(f)表示为：

根据上述公式8可知，初始差频域回波向量为宽度很窄的sinc函数，其峰值位于f＝-γt_i，k处，同一距离单元内的目标信息会聚集在同一峰值处，因此在a、b、c和d四个分散的距离单元，初始差频域回波将会出现四个尖峰。

3)分离初始差频域回波向量，获取差频域回波向量。

将经过解线频调脉压处理后的初始回波向量定义为FSr，如附图3所示，经过解线频调脉压处理后的回波会出现四个明显尖峰，分别提取四个尖峰位置处的回波，构造出四个新的差频域回波向量FSr_a，FSr_b，FSr_c和FSr_d。

4)构造差频域参考信号矩阵。

已知四个二维成像平面存在目标信息，根据公式4、公式5、和公式6分别构造出四个二维成像平面所对应的时域参考信号矩阵S_a、S_b、S_c和S_d，以及差频域参考信号矩阵FS_a、FS_b、FS_c和FS_d。

具体地，通过对初始参考信号矩阵逐列进行解线频调脉压处理，以获得初始差频域参考信号矩阵。

以初始参考信号矩阵第k列信号S(t,k)为例，其初始差频域参考信号矩阵FS_if(f,k)表示为：

其中，

由于初始参考信号矩阵和初始回波向量行数相同，如附图3所示，分别抽取FSr_a、FSr_b、FSr_c和FSr_d对应行的初始差频域参考信号，形成最终成像所需的差频域参考信号矩阵FS_a、FS_b、FS_c和FS_d。其中，附图3中，K_a、K_b、K_c和K_d分别为二维成像平面a、b、c和d对应的网格单元数。

5)进行二维成像与三维重构。

经过解线频调脉压处理后的雷达关联三维成像的数学模型可以表示为：

FSr_x＝FS_x·β

其中，FSr_x和FS_x分别为二维成像平面x所对应的差频域回波向量和差频域参考信号矩阵，N_x和K_x为对应的采样时间和网格单元数目。

根据公式12，采用FSr_a、FSr_b、FSr_c和FSr_d，以及FS_a、FS_b、FS_c和FS_d可分别重构出二维成像平面a、b、c和d处的目标散射系数，然后将所有二维目标信息组合即可得到完整的三维重构信息。

以下通过具体实施例对本发明提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法和现有的时域方法进行比较。

实验参数控制如下：编码孔径天线阵列规模为25×25，尺寸为0.5m×0.5m；单个二维成像平面划分为30×30个网格，单个网格单元的尺寸为2.5mm×2.5mm；线性调频信号的带宽为20GHz，载频为340GHz，脉冲宽度为100ns；在距离1.5m 2m，2.5m，3m处分别放置形状如‘T’、‘C’、‘A’、‘I’的原始目标。

分别采用本发明提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法和现有的时域方法进行雷达关联成像，对不同信噪比的回波信号进行处理，结果分别如附图4至附图7所示，其中，附图中a～e表示时域方法的成像结果图，f～j表示基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法的成像结果图。可以发现在-30db信噪比下，时域方法已经无法重构出目标，本发明提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法仍然能够精确地重构出目标。此外，当采样时间数目相同，即参考信号矩阵行数相同时，假定为1200次，则本发明提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法的参考信号矩阵规模仅为1200×900，而时域方法中在已知存在目标信息的成像平面的前提下，因为有N个二维成像平面，参考信号的矩阵规模还要达到1200×900×N。

可见，本发明实施例提供的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，基于解线频调脉压技术，针对采用线性调频信号的雷达关联成像，解析出三维成像区域不同距离单元内的差频域回波向量，然后针对包含目标信息的距离单元构建解线频调脉压处理后的差频域参考信号矩阵，最后根据分离出的差频域回波向量及对应的差频域参考信号矩阵分别重构出不同距离单元的目标信息，以得到完成的三维重构信息，能够解决了三维目标高分辨成像中参考信号矩阵规模庞大的问题，加快了成像速度，有效提高了回波信号信噪比和目标重构精度。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，所述方法包括：

获取初始回波向量：馈源发射线性调频信号，所述线性调频信号经编码孔径天线阵列的发射阵元发射，再经三维成像区域散射，所述编码孔径天线阵列的接收阵元接收经所述三维成像区域散射后的回波信号，以获得所述初始回波向量和初始参考信号矩阵；

所述初始回波向量作解线频调脉压处理：对所述初始回波向量进行所述解线频调脉压处理，以获取所述初始回波向量所对应的初始差频域回波向量；

分离所述初始差频域回波向量：根据所述初始差频域回波向量，提取和分离初始差频域回波中不同尖峰位置处的回波，根据所述回波构造所述不同尖峰位置对应的不同距离单元的差频域回波向量；

构造差频域参考信号矩阵：对所述初始参考信号矩阵作所述解线频调脉压处理，以获取初始差频域参考信号矩阵，根据所述初始差频域参考信号矩阵，分别构造与所述差频域回波向量所对应的差频域参考信号矩阵；

二维成像与三维重构：根据所述差频域回波向量和所述差频域参考信号矩阵，对存在目标散射信息的不同距离单元进行二维成像，将所有二维成像信息组合，以得到完整的三维重构信息。

2.根据权利要求1所述的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，经所述编码孔径天线阵列的所述发射阵元发射的信号S₁(t)为：

其中，I表示发射阵元的数目，T_p为脉冲信号宽度，A_i为第i个发射阵元处的信号幅度，f_c为电磁波的中心频率，γ＝2πf_c/c为调频率，c为光速，π为圆周率，j为虚数单位,为t时刻、所述第i个发射阵元处加载的编码相位，为矩形窗函数，

3.根据权利要求2所述的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，所述接收阵元接收到的经所述三维成像区域散射后的所述回波信号为所述初始回波向量，所述初始回波向量Sr(t)为：

其中，β_k为将所述三维成像区域剖分成K个网格单元后的第k个网格单元处的目标散射系数，t_i,k为经过第i个发射阵元和所述第k个网格单元、最后到所述接收阵元处的时间延迟，t_i，k＝r_i，k/c，r_i，k为与t_i，k对应的距离延迟。

4.根据权利要求3所述的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，所述初始参考信号矩阵S为：

其中，S(t_n,k)表示所述初始参考信号矩阵S的矩阵元素，矩阵元素S(t_n,k)为：

5.根据权利要求4所述的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，解线频调脉压的参考信号S_ref(t)为：

6.根据权利要求5所述的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，所述初始回波向量进行所述解线频调脉压处理后的输出Sr_if(t)为：

其中，为S_ref(t)的共轭函数，

7.根据权利要求6所述的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，所述初始差频域回波向量FSr_if(f)由Sr_if(t)作傅里叶变换得到：

8.根据权利要求7所述的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，所述初始差频域参考信号矩阵通过所述初始参考信号矩阵作解线频调脉压处理和傅里叶变换得到。

9.根据权利要求8所述的基于解线频调脉压的雷达关联三维成像方法，其特征在于，所述初始差频域参考信号矩阵的矩阵元素FS_if(f,k)为：

其中，