CN110837126A - 一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法，包括如下步骤：根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵；同时循环选取各阵元集合方阵中的发射阵元作为第一发射阵元；为各第一发射阵元分别依次分配所述目标频点矩阵中的各频点，以作为第一发射阵元的发射频点；其中，同一时刻不同阵元集合方阵中的第一发射阵元的发射频点不同；利用第一发射阵元根据分配的发射频点发射信号；利用接收阵元接收所述信号。本发明中的信号收发方法，在保证获得足够的用于成像的回波数据的前提下，能够减少阵元数量，降低柱面阵列雷达装置系统的复杂度和探测数据的获取时间。

Description

一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法及装置

技术领域

本发明涉及相控阵雷达天线技术领域，特别涉及一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法及装置。

背景技术

为了保护公众安全，防范各种威胁，对公共场所特别是火车站、机场、客运站等来往人员安检必不可少。众多安检器中，微波成像是利用最为广泛。但是传统的安检器无法做到全方位探测，因而国内外研究机构把目光转向了柱面阵列雷达成像。

现有的柱面阵列雷达有两种工作方式，一种是利用收发天线在曲面内进行机械扫描；这种方法虽然阵元数量少，系统简单，但数据采集时间长，难以满足实际需求。另一种是利用实孔径或实孔径和合成孔径相结合的方式获取数据，但这种方法需耗费大量天线阵元且系统复杂度高。因此现有的柱面阵列雷达成像装置在进行信号收发时，时间较长，因此探测数据的获取时间较长，成像效率较低。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法及装置，用于解决现有技术中数据采集时间长的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例采用了如下技术方案：一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法，包括如下步骤：

根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵；

同时循环选取各阵元集合方阵中的发射阵元作为第一发射阵元；

为各所述第一发射阵元分别依次分配所述目标频点矩阵中的各频点，以作为第一发射阵元的发射频点；其中，同一时刻不同阵元集合方阵中的第一发射阵元的发射频点不同；

利用第一发射阵元根据分配的发射频点发射信号；

利用接收阵元接收所述信号。

可选的，所述根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵，具体包括：

根据最小工作频率、最大工作频率，利用第一计算公式计算获得频点差值；

根据所述最小工作频率以及所述频点差值利用第二计算公式计算获得所述目标频点矩阵中的频点元素，以获得目标频点矩阵。

可选的，在获得所述频点元素后，还包括：利用所述频点元素构建获得第一频点矩阵；

利用若干所述第一频点矩阵构建获得目标频点矩阵。

可选的，所述第一计算公式为：

其中，Δf为频点差值；

N_A×M_A为阵元集合方阵的个数；

Q为正整数；

f_min为最小工作频率；

f_max为最大工作频率。

可选的，所述第二计算公式为：

其中，

为第i_f个频点元素；

Q为正整数，Q大于或等于阵元集合方阵的个数；

f_min为最小工作频率；

i_f为正整数；

可选的，接收所述信号的接收阵元与发射所述信号的第一发射阵元位于相同的阵元集合方阵。

可选的，各所述阵元集合方阵中分别设置有若干发射阵元和若干接收阵元。

可选的，所述最小工作频率f_min的范围为：f_min≥1GHz；所述最大工作频率f_max的范围为：f_max≤10THz。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发装置，包括：

获取模块，用于根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵；

选取模块，用于同时循环选取各阵元集合方阵中的发射阵元作为第一发射阵元；

分配模块，用于为各所述第一发射阵元分别依次分配所述目标频点矩阵中的各频点，以作为第一发射阵元的发射频点；其中，同一时刻不同阵元集合方阵中的第一发射阵元的发射频点不同；

发发射模块，用于利用第一发射阵元根据分配的发射频点发射信号；

接收模块，用于利用接收阵元接收所述信号。

可选的，所述获取模块具体用于：

根据最小工作频率、最大工作频率，利用第一计算公式计算获得频点差值；

根据所述最小工作频率以及所述频点差值利用第二计算公式计算获得所述目标频点矩阵中的频点元素，以获得目标频点矩阵。

可选的，所述获取模块还用于：

利用所述频点元素构建获得第一频点矩阵；

利用若干所述第一频点矩阵构建获得目标频点矩阵。

本发明实施例的有益效果在于：通过循环选取各阵元集合方阵中的一个发射阵元来作为当前工作的第一发射阵元，并在选定了第一发射阵元后，将各频点依次匹配给该第一发射阵元，并利用与第一发射阵元所在的阵元集合方阵中的接收阵元接收信号，由此能够保证在获得足够的用于成像的回波数据的前提下，能够减少阵元数量，降低柱面阵列雷达装置系统的复杂度和探测数据的获取时间，提高了柱面阵列三维成像的处理精度，使得柱面阵列雷达实用性更高。

附图说明

图1为本发明实施例用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法的流程图；

图2为本发明实施例用于柱面阵列雷达成像的信号收发装置的结构框图；

图3为本发明实施例中柱面阵列雷达中的阵元集合方阵示意图；

图4为本发明实施例中的柱面阵列雷达的示意图；

图5为本发明实施例中柱面阵列雷达的几何示意图；

图6为本发明实施例中部分阵元集合方阵中的阵元布局图；

图7为本发明实施例中阵元集合方阵的具体结构示意图；

图8为本发明实施例中多频点正交发射多通道信号接收的流程图；

图9为本发明实施例中三维成像流程图；

图10为本发明实施例中监测区域网的进行划分的立体示意图；

图11为图10的俯视图。

具体实施方式

此处参考附图描述本申请的各种方案以及特征。

应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本申请的范围和精神内的其他修改。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与上面给出的对本申请的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本申请的原理。

通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。

还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。

当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。

此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。

本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本申请的相同或不同实施例中的一个或多个。

本发明实施例提供一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵；

本步骤中，在具体实施过程中具体包括：根据最小工作频率、最大工作频率，利用第一计算公式计算获得频点差值；

根据所述最小工作频率以及所述频点差值利用第二计算公式计算获得所述目标频点矩阵中的频点元素，以获得目标频点矩阵。

步骤二、同时循环选取各阵元集合方阵中的发射阵元作为第一发射阵元；

本实施中，各所述阵元集合方阵中分别设置有若干发射阵元和若干接收阵元。

步骤三、为各所述第一发射阵元分别依次分配所述目标频点矩阵中的各频点，以作为第一发射阵元的发射频点；其中，同一时刻不同阵元集合方阵中的第一发射阵元的发射频点不同；

步骤四、利用第一发射阵元根据分配的发射频点发射信号；

步骤五、利用接收阵元接收所述信号。

本实施例中，在获得所述频点元素后，还包括：利用所述频点元素构建获得第一频点矩阵；利用若干所述第一频点矩阵构建获得目标频点矩阵。

本实施例中，具体的所述第一计算公式为：

Q≥N_A*M_A；其中，Δf为频点差值；N_A×M_A为阵元集合方阵的个数；Q为正整数；f_min为最小工作频率；f_max为最大工作频率。

本实施例中，所述第二计算公式为：

i_f≤Q；其中

为第i_f个频点元素；Q为正整数，Q大于或等于阵元集合方阵的个数；f_min为最小工作频率；i_f为正整数；其中，所述最小工作频率f_min的范围为：f_min≥1GHz；所述最大工作频率f_max的范围为：f_max≤10THz。

本实施例中，在具体实施过程中，接收所述发射信号的接收阵元与发射所述发射信号的第一发射阵元位于相同的阵元集合方阵。

通过循环选取各阵元集合方阵中的一个发射阵元来作为当前工作的第一发射阵元，并在选定了第一发射阵元后，将各频点依次匹配给该第一发射阵元，并利用与第一发射阵元所在的阵元集合方阵中的接收阵元接收信号，由此能够保证在获得足够的用于成像的回波数据的前提下，能够减少阵元数量，降低柱面阵列雷达装置系统的复杂度和探测数据的获取时间，提高了柱面阵列三维成像的处理精度，使得柱面阵列雷达实用性更高。

本发明又一实施例提供一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发装置，如图2所示，包括：

获取模块1，用于根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵；

选取模块2，用于同时循环选取各阵元集合方阵中的发射阵元作为第一发射阵元；

本实施例中各阵元集合方阵中设置有若干发射阵元和若干接收阵元。

分配模块3，用于为各所述第一发射阵元分别依次分配所述目标频点矩阵中的各频点，以作为第一发射阵元的发射频点；其中，同一时刻不同阵元集合方阵中的第一发射阵元的发射频点不同；

发发射模块4，用于利用第一发射阵元根据分配的发射频点发射信号；

接收模块5，用于利用接收阵元接收所述信号。

本实施例中，所述获取模块具体用于：

根据最小工作频率、最大工作频率，利用第一计算公式计算获得频点差值；根据所述最小工作频率以及所述频点差值利用第二计算公式计算获得所述目标频点矩阵中的频点元素，以获得目标频点矩阵。本实施例中第一计算公式为第一计算公式为：

Q≥N_A*M_A；其中，Δf为频点差值；N_A×M_A为阵元集合方阵的个数；Q为正整数；f_min为最小工作频率；f_max为最大工作频率。具体的，所述第二计算公式为：i_f≤Q；其中f_if为第i_f个频点元素；Q为正整数，Q大于或等于阵元集合方阵的个数；f_min为最小工作频率；i_f为正整数；所述最小工作频率f_min的范围为：f_min≥1GHz；所述最大工作频率f_max的范围为：f_max≤10THz。

本实施例中，所述获取模块还用于：利用所述频点元素构建获得第一频点矩阵；利用若干所述第一频点矩阵构建获得目标频点矩阵。

本实施例中，接收模块在利用利用接收阵元接收所述信号时，接收所述信号的接收阵元与发射所述信号的第一发射阵元位于相同的阵元集合方阵。

本发明实施例在利用上述的信号收发方法来采集回波信号之前，还包括对柱面阵列天线中的阵元位置进行布局，以获取若干阵元集合方阵。获取若干阵元集合方阵的步骤如下：

步骤一，对柱面雷达进行区域划分，获得若干阵元集合区域；

步骤二，对各所述阵元集合区域进行区域划分获得若干阵元区域；

步骤三，确定各所述阵元集合区域中位于首行和尾行的阵元区域为发射阵元区域；

步骤四，确定各所述阵元集合区域中位于首列和尾列的、除了所述发射阵元区域之外的阵元区域为接收阵元区域；

步骤五，在所述发射阵元区域处设置发射阵元；

步骤六，在所述接收阵元区域处设置与所述发射阵元对应的接收阵元，以获得若干阵元集合方阵。

本实施例中，所述对柱面阵列雷达进行区域划分，获得若干阵元集合区域，具体包括：确定柱面阵列雷达的高度；按照预定的第一高度间距沿着所述柱面阵列雷达的高度方向对柱面阵列雷达的柱面进行区域划分，获得若干个第一区域；按照预定的第一弧长沿第一区域的周长方向对所述第一区域进行区域划分，获得若干个阵元集合区域。

本实施例中，所述对各所述阵元集合区域进行区域划分获得若干阵元区域，具体包括：确定各所述阵元集合区域的高度和弧长；按照预定的第一份数确定第二高度间距；按照预定的第二份数确定第二弧长间距；按照所述第二高度间距沿着所述柱面阵列雷达的高度方向对阵元集合区域进行区域划分，获得若干第二区域；按照所述第二弧长间距沿所述第二区域的弧长方向对各所述第二区域进行区域划分，获得若干阵元区域。

进一步的，作为一种具体的实施方式，对柱面阵列天线中的阵元位置进行布局、以获得若干阵元集合方阵的过程为：

步骤S1：阵元布局；根据柱面阵列雷达装置的大小，划分子阵，获取所有子阵所构成的子阵集方阵A，每个阵元集合方阵中布置阵元，获取每个阵元集合方阵的反射阵元矩阵。

步骤S1具体包括如下：

步骤S11：划分子阵；根据图3所示，将柱面阵列雷达划分成若干阵元集合区域

(即子阵)，具体包括：

步骤S111：柱面阵列雷达高度划分；如图4所示，根据柱面阵列雷达的实际大小H₀，将柱面阵列雷达在z轴上，分成N_A(N_A＞1，N_A为正整数)份，则在y轴上的高度间距为h₀，

步骤S112：柱面阵列雷达角度划分；以z轴为中心，xy平面等分成M_A(M_A＞1，M_A为正整数)份，每份的角度间距为θ₀。θ₀所对应的弧长即为第一弧长。

步骤S113：在步骤S111和步骤S112将柱面分成Sub＝N_A×M_A份等大的阵元集合区域(子阵)后，每份阵元集合区域的高度为h₀，水平角度间距为θ₀，用所有子阵构建一个N_A×M_A的方阵，如图3所示，每一个小方格表示一个阵元集合区域用字母A表示，A_ij表示方阵中第i行第j列所对应的阵元集合区域(也可称为Cell)，

表示第k_A＝(i-1)N_A+M_A个阵元集合区域；

步骤S12：阵元布局；将步骤S11中的获取的每一个阵元集合区域Cell，按照步骤S1中的划分方式将各阵元集合区域划分成N_S*M_S个阵元区域，每个阵元集合区域中的阵元区域之间的间距满足采样定理，相应的阵元区域中放置阵元，具体步骤如下：

步骤S121：阵元集合区域高度划分；根据阵元集合区域的实际高度h₀，利用公式(1)，将步骤S12中的每个阵元集合区域在z轴上，分成N_S(N_S＞1，N_S为正整数)份，则在z轴上的高度间距为Δh₀,

高度间距Δh₀，需满足采样定理：

其中表示Z方向最小波数支持带宽，

满足公式(3)，f_max表示柱面阵列雷达装置的最大工作频率，如图4和图5所示，O(0,0,0)表示柱面整列中间层阵元圆平面圆心，

表示柱面整列最上层阵元圆平面圆心，

表示柱面整列最上层阵元圆平面圆心，O'(0,0,z_Cell)表示所测阵元所处层的平面圆心，φ表示PO₂与xy平面的夹角，θ表示PO₂在xy平面上的投影与x轴夹角；

步骤S122：子阵角度划分；以z轴为中心，根据公式(4)将xy平面等分成M_S(M_S＞1，M_S为正整数)份，每份的角度间距为Δθ₀，角度间距Δθ₀所对应的弧长即为第二弧长间距。

角度间距Δθ₀需满足公式(5)，

其中

b＝Rr，c表示光速，如图5所示，R表示等效相位中心到目标点P的距离，是一个系统参数，P点可以表示成P(r_p,θ_p,z_p)或P(x_P,y_P,z_P)，r_p表示P点到z轴的距离，z_p表示P点到Oxy平面的距离；r表示目标点到原点的距离。

本实施例中，较佳的N_S和M_S最佳选取为|M_S-N_S|＝0，例如M_S＝100个，N_S最优选择为N_S＝100。

步骤S123：获取阵元集合方阵；如图6所示，步骤S121和步骤S122将每个阵元集合区域分成N_S×M_S份等大的阵元区域，每个阵元区域的高度为Δh₀，水平角度间距为Δθ₀，将每个阵元集合区域构成的阵元集方阵用Cell(即

)表示，Cell是一个N_S行M_S列的阵元集合方阵，阵元方格

(阵元区域)表示阵元集Cell中第i_c(i_c≤N_S i_c为正整数)行第j_c(j_c≤M_S,j_c为正整数)列元素(即阵元)；

步骤S124：阵元布局；如图7所示，在Cell(即

)中的第一行、最后一行、第一列、最后一列阵元方格中布置阵元，Cell第一行阵元(j_c≤M_S,j_c为正整数)和最后一行阵元

用于发射信号，Cell第一列阵元(2≤i_c≤N_S-1i_c为正整数)和最后一列阵元

用于接收信号，其它阵元方格不放置阵元，图7中标有“T”，表示该阵元用于发射阵元，标有“R”，表示该阵元用于接收阵元，其余阵元方格不用放置阵元，每个子阵(阵元集方阵)布置的阵元总数为2M_S+2N_S-4。

步骤S125：获取发射阵元矩阵；将步骤S124中的发射阵元构建1行2M_S列的行矩阵

具体表达式如公式(6)，

表示Trans矩阵第k_T(k_T≤2M_s,k为正整数)个元素(阵元)，发射阵元的标号如图7所示；

步骤S126：获取接收阵元矩阵；将步骤S124中的接收阵元构建1行2(N_S-2)列的行矩阵具体表达式如公式(7)，

表示Rece矩阵第k_R(k_R≤2(N_s-2),k_R为正整数)个元素(阵元)；

本实施中采用上述的方式进行天线阵元布局之后，就可以获得若干阵元集合方阵。利用本申请中的这种结构的阵元集合方阵，能够减少阵元的布置数量，即布置的阵元个数为(2M_s+2N_s-4)*N_A*M_A。而采用传统方式，柱面阵列雷达需要布置的阵元的个数为N_S*M_S*N_A*M_A，由此可见，本发明实施例中的天线阵元的布局方法能够大大减少了阵元的布置数量，节约了成本，同时能够提高数据采集的效率。

本实施例中在完成柱面阵列天线的阵元位置布局，获得若干阵元集合方阵之后，就可以利用该柱面阵列天线进行信号的收发，在具体实施过程中，信号的收发包括如下步骤：

步骤S2：频点设置，获取频点矩阵；将工作频段设置成多个频点，获取频点矩阵，具体如下：

步骤S21：频点设置；根据柱面阵列雷达最小工作频率f_min(f_min≥1GHz)和最大工作频率f_max(f_max≤10THz)设置Q(Q≥N*M，Q为正整数)个等差分布的频点，利用公式(8)，计算Δf，将计算结果带入公式(9)，求出

用

中所有元素构建一个Q×1的列矩阵

步骤S22：获取频点矩阵Freq；利用步骤S21中F矩阵构建频点矩阵，Freq矩阵大小为2Q×1，

(i_freq≤2Q，i_freq为正整数)表示频点矩阵Freq中第i_freq个元素(频点)，Freq表达式如下所示，

步骤S3：收发方式和策略；选取不同子阵集中的发射阵元，匹配阵元发射频点，发射、接收信号，流程图如图8所示；具体如下：

步骤S31：选取工作阵元；选取阵元集合方阵A_ij中Trans的第k_T个阵元作为本次发射的发射阵元(即第一发射阵元)，其它发射阵元不工作，k_T从1开始循环，循环选择发射阵元，直至k_T＝2M_s才结束循环，每选一个阵元执行一次步骤S33，阵元发射不同频点的信号；

步骤S32：发射信号的频点匹配；根据阵元以及循环次数选取频点；工作的阵元所发射频点从频点矩阵Freq中选择；

根据步骤S31中选取A_ij中发射阵元，选取频点矩阵Freq中的元素

对应的频点满足公式(11),

i_freq＝(i-1)*M_S+j+circulation-1 (11)

其中i和j表示子阵A对应的子阵A_ij，circulation表示循环次数，circulation初始值为1，每次循环circulation＝circulation+1，直至循环到circulation＞Q，也就是每个阵元循环发射每个频点，同一时刻不同阵元发射的频点不同，不同时刻同一阵元发射的频点不同，保证每个阵元都发射所有不同大小的频点，而且仅发射一次；

步骤S33：阵元发射、接收信号；具体如下：

步骤S331：阵元发射信号；根据步骤S31选取A_ij中

发射阵元、步骤S32选取的频点

发射信号，信号表达式如下：

S_T(A,Trans,Freq)＝σ(x,y,z)e^-j2πft (12)

其中A表示子阵，Trans表示发射阵元，Freq表示频点矩阵，σ(x,y,z)表示P散射点的后向散射特性，f表示选取的阵元集合方阵A中阵元Trank发射的频点，选取方式，t表示信号传播的时间；

步骤S332：接收阵元接收信号，接收阵元只接收本阵元集合方阵中的发射阵元发射的发射信号，阵元接收的信号表达式为公式(13)，

S(A,Trans,Rece,Freq)＝∫∫∫_Vσ(x,y,z)e^-j2πfτdxdydz (13)

V表示柱面阵列雷达观测区域，τ表示时间延迟，其表达式为公式(14)，

图5中左边小方格阴影区表示一个阵元集合方阵，阵元集合方阵中含有发射阵元和接收阵元，发射阵元的空间位置坐标为为Trans(R₀,θ_T,z_T)或表示成Trans(x_T,y_T,z_T)，接收阵元的空间位置坐标为Rece(R₀,θ_R,z_R)或表示成Rece(x_R,y_R,z_R)，P点(即目标像素点)的空间位置坐标为P(r,θ,z)或表示成P(x,y,z)，R_T表示发射阵元与P点的距离，R_R表示接收阵元与P的距离，如下所示；

接收阵元接收的信号可以写成公式(17)：

其中

表示波数，(A,Trans,Rece,K_ω)表示子阵、发射阵元、接收阵元、发射频点；

在上述实施例的基础上，在完成信号的收发之后，还包括进行三维成像，具体包括：

步骤一、对监测区域进行区域划分，获得若干三维像素点；

步骤二、获取各所述三维像素点的若干回波数据；

步骤三、获取与各所述回波数据对应的滤波函数；

步骤四、根据各所述三维像素点的若干回波数据以及与各所述回波数据对应的滤波函数计算获得各三维像素点的散射强度；

步骤五、根据各所述像素点的散射强度以及各像素点的坐标进行三维成像，获得所述监测区域的三维复图像。

其中，所述获取各所述三维像素点的回波数据，具体包括：依次选取所述若干三维像素点中的一个三维像素点作为目标三维像素点；同时循环选取各阵元集合方阵中的一个发射阵元作为第一发射阵元；为各所述第一发射阵元分别依次分配目标频点矩阵中的各频点，以作为第一发射阵元的发射频点；利用第一发射阵元根据分配的所述发射频点朝向所述目标三维像素点的位置发射信号；利用接收阵元接收所述目标三维像素点反射的信号，获得与目标三维像素点对应的若干回波数据。其中，回波数据的表达式为：

其中，A表示阵元集合方阵；Trans表示阵元集合方阵A中的发射阵元；Rece表示阵元集合方阵A中的接收阵元；θ_T表示发射阵元的空间位置坐标中的方位角；θ_R表示接收阵元的空间位置坐标中的方位角；R₀表示柱面阵列的底面半径；；x表示目标三维像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；y表示目标三维像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；z表示目标三维像素点的空间位置坐标中的z轴的坐标；K_ω表示波数；f表示发射频点；c表示光速。

本实施中，获取与各所述回波数据对应的滤波函数，具体包括：根据与各所述回波数据对应的目标三维像素点的空间位置、发射阵元的空间位置、接收阵元的空间位置以及发射频点计算获得滤波函数；所述滤波函数的表达式为：

其中，A表示阵元集合方阵；Trans表示阵元集合方阵A中的发射阵元；Rece表示阵元集合方阵A中的接收阵元；I_m表示第m个像素点；R_TI表示发射阵元与目标三维像素点之间的距离；R_RI表示接收阵元与目标三维像素点之间的距离；K_ω表示波数；f表示发射频点；c表示光速；

本实施中，在具体实施过程中，根据各所述三维像素点的若干回波数据以及与各所述回波数据对应的滤波函数计算获得各三维像素点的散射强度，具体包括：利用与各所述三维像素点的若干回波数据以及与各所述回波数据对应滤波函数计算获得与各所述三维像素点的若干匹配信号；对各所述匹配信号进行逆傅里叶变换，获得与各匹配信号对应的距离向压缩信号；获取各所述距离向压缩信号的峰值；对各所述距离向压缩信号的峰值进行筛选，获得若干第一压缩信号的峰值；将各所述第一压缩信号峰值进行相干叠加，获得各三维像素点的散射强度。

本实施中，对各所述距离向压缩信号的峰值进行筛选，获得若干第一压缩信号的峰值，具体包括：根据方位向合成孔径范围确定方位向筛选条件；根据高程向合成孔径范围确定高程向筛选条件；利用所述方位向筛选条件和所述高程筛选条件对各所述距离向压缩信号的峰值进行筛选，获得若干第一压缩信号的峰值；

本实施例中，所述方位向筛选条件为：

其中，θ_T表示发射阵元的空间位置坐标中的方位角；θ_R表示接收阵元的空间位置坐标中的方位角；u_m表示第m个像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；v_m表示第m个像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；θ_A表示合成孔径方位向范围，是系统参数。

本实施中，所述高程向筛选条件为：

其中，u_m表示第m个像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；v_m表示第m个像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；w_m表示第m个像素点的空间位置坐标中的z轴的坐标；R₀表示柱面阵列的底面半径；；z_T表示发射阵元的空间位置坐标中的z轴的坐标；z_R表示接收阵元的空间位置坐标中的z轴的坐标；θ_H表示合成孔径高程向范围，是系统参数。

本实施中，所述根据各所述三维像素点的散射强度以及各三维像素点的坐标进行三维成像，获得所述监测区域的三维复原像，具体包括：根据各所述三维像素点的散射强度以及各所述三维像素点的坐标构建成像矩阵；利用所述成像矩阵绘制柱面雷达的三维复图像。其中，所述成像矩阵的表达式为：Tar_Sca＝[u_m v_m w_m σ_sum(I_m)]；其中，Tar_Sca表示成像矩阵；u_m表示第m个像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；v_m表示第m个像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；w_m表示第m个像素点的空间位置坐标中的z轴的坐标σ_sum(I_m)表示第m个像素点的散射强度。

结合上述实施例，本实施例中作为上述实施例三维成像的进一步方案，三维成像过程包括：

步骤S4：三维成像。具体根据步骤S332接收的信号，应用共焦投影、BP等三维成像算法就可以实现三维成像，三维成像的步骤流程图如图9所示，具体如下：

步骤S41：监测区域网格化分，具体如下：

步骤S411：监测区域网格化分；计算监测区域的空间坐标和点数；把监测区域等角度、等距离、等高度划分网格。如图10和图11所示，图10中表示划分网格三维示意图，图11表示二维划分网格二维示意图(即图10的俯视图)，黑点表示三维像素点位置，网格坐标用I(u,v,w)表示，u表示x轴坐标，v表示y轴坐标，w表示z轴坐标，每一个网格称为一个三维像素点，距离方向等分成M_U，角度方向上等分成M_V，高度方向上等分成份M_W，共有M＝M_UM_VM_W个像素点，第m(0≤m≤M)个像素点I_m(即目标像素点)的坐标表示为(u_m,v_m,w_m)；

步骤S412：三维像素点散射强度初始化；令所有三维像素点的散射强度σ_sum(I_m)(σ_sum(I_m)表示像素点I_m的散射强度)为0，即σ_sum(I_m)＝0；

步骤S42：计算匹配滤波函数(即每个接收阵元接收的回波信号对应一个滤波函数)；循环选取的阵元集合方阵发射阵元

接收阵元

以及像素点I_m，根据选取的阵元集合方阵

发射阵元

接收阵元

及像素点I_m，计算匹配滤波函数

具体如下：

步骤S421：系统初始化；对像素点、阵元集合方阵

发射阵元Trans以及接收阵元Rece进行初始化操作，具体如下：

步骤S4211：像素点初始化；选取第一个像素点，即令m＝1，得到I_m＝I₁；

步骤S4212：阵元集合方阵初始化；选取第一个阵元集合方阵，即令k_A＝1，得到

步骤S4213：发射阵元初始化；选取第一个发射阵元，即令k_T＝1，得到

步骤S4214：接收阵元初始化；选取第一个接收阵元，即令k_R＝1，得到Trans，系统初始化结束，执行步骤S423；

步骤S422：循环选取；主要有像素点I循环、阵元集合方阵A循环、发射阵元Trans循环以及接收阵元Rece循环，具体如下：

步骤S4221：接收阵元Rece循环；若k_R≤2(N_S-2)，需将接收阵元循环到下一个(k_R＝k_R+1)，执行步骤S423；反之则执行步骤S4222；

步骤S4222：发射阵元Trans循环；若k_T≤2M_S，需将发射阵元循环到下一个(k_T＝k_T+1)，且对接收阵元进行初始化操作，最后执行步骤S423；反之则执行步骤S4223；

步骤S4223：阵元集合方阵A循环；若k_A≤Sub，需将阵元集合方阵循环到下一个(k_A＝k_A+1)，且对发射阵元Trans和接收阵元Rece进行初始化操作，再执行步骤S423；反之则执行步骤S4224；

步骤S4224：保存像素点I_m的散射强度；

步骤S4225：像素点I循环；若m≤M，首先需将像素点循环到下一个(I_m＝I_m+1)，然后选取σ_sum中第I_m元素，对阵元集合方阵A、发射阵元Trans和接收阵元Rece进行初始化操作，最后执行步骤S423；反之则表示已经计算完成所有像素点I_m的散射强度σ_sum(I_m)，执行步骤S48实现三维成像；

步骤S423：计算匹配滤波函数；根据选取的阵元集合方阵、发射阵元、接收阵元以及像素点计算匹配滤波函数，所述滤波函数的表达式为：

其中：

其中，A表示阵元集合方阵；Trans表示阵元集合方阵A中的发射阵元；Rece表示阵元集合方阵A中的接收阵元；R₀表示柱面阵列的底面半径；I_m表示第m个像素点；R_TI表示发射阵元与目标三维像素点之间的距离；R_RI表示接收阵元与目标三维像素点之间的距离；K_ω表示波数；f表示发射频点；c表示光速。

步骤S43：将匹配滤波函数

与回波数据S(A,Trans,Rece,K_ω)相乘，得到匹配信号

具体如下：

步骤S44：匹配信号逆傅里叶变换；将匹配信号进行逆傅里叶变换，得到距离向压缩信号

具体如下：

步骤S45：取距离向压缩信号的峰值；距离向压缩信号

是一个sinc函数，且距离向压缩信号的峰值

位于距离向压缩信号第一个采样点处，具体如下；

|_first表示距离向压缩信号

第一个采样点；

步骤S46：距离向压缩信号峰值处理；根据方位向合成孔径和高程向合成孔径范围，对距离向压缩信号的峰值

进行处理，具体如下：

步骤S461：计算方位向筛选条件；方位向筛选条件如下所示，

angle(u_m+v_mi)函数用来求解复数u_m+v_mi在不同象限中的相角；θ_A表示合成孔径方位向范围，是系统参数；

步骤S462：计算高程向筛选条件；高程向筛选条件如下所示，

θ_H表示合成孔径高程向范围，是系统参数；

步骤S463：距离向压缩信号的峰值处理；根据方位向筛选条件和高程向筛选条件，令不符合条件的距离向压缩信号的峰值

等于0，具体如下：

true表示满足方位向筛选条件、高程向筛选条件的距离向压缩信号的峰值；false表示只满足其中一个筛选条件，或都不满足筛选条件；

步骤S47：相干叠加；根据像素点I_m、方位向筛选条件、距离向筛选条件，将距离向压缩信号的峰值进行相干叠加σ_sum(I_m)，计算像素点I_m的散射强度：

Sub表示阵元集合方阵的个数，k_A表示第k_A个阵元集合方阵；2M_S表示一个阵元集合方阵中发射阵元的个数，k_T表示k_A阵元集合方阵中第k_T个发射阵元；2(N_s-2)表示一个阵元集合方阵中接收阵元的个数，k_R表示k_A阵元集合方阵中第k_R个接收阵元；

步骤S48：三维复图像；根据像素点I_m的坐标和计算像素点I_m的对应的散射强度σ_sum(I_m)(步骤S4224)，构建Tar_Sca＝[u_m v_m w_m σ_sum(I_m)]矩阵，其中第一列表示像素点I_m的x横坐标，第二列表示像素点I_m的y坐标，第三列表示像素点I_m的z坐标，第四列表示像素点I_m的散射强度，利用Tar_Sca矩阵绘出柱面阵列雷达三维复图像。

本实施例中的柱面阵列雷达成像方法，能够实现360°全方位探测，并且所采用的阵元相对较少，降低成本，还能减少数据量，提高了成像效率。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵；

同时循环选取各阵元集合方阵中的发射阵元作为第一发射阵元；

为各所述第一发射阵元分别依次分配所述目标频点矩阵中的各频点，以作为第一发射阵元的发射频点；其中，同一时刻不同阵元集合方阵中的第一发射阵元的发射频点不同；

利用第一发射阵元根据分配的发射频点发射信号；

利用接收阵元接收所述信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵，具体包括：

根据最小工作频率、最大工作频率，利用第一计算公式计算获得频点差值；

根据所述最小工作频率以及所述频点差值利用第二计算公式计算获得所述目标频点矩阵中的频点元素，以获得目标频点矩阵。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在获得所述频点元素后，还包括：利用所述频点元素构建获得第一频点矩阵；

利用若干所述第一频点矩阵构建获得目标频点矩阵。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一计算公式为：

其中，Δf为频点差值；

N_A×M_A为阵元集合方阵的个数；

Q为正整数；

f_min为最小工作频率；

f_max为最大工作频率。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二计算公式为：

其中，为第i_f个频点元素；

Q为正整数，Q大于或等于阵元集合方阵的个数；

f_min为最小工作频率；

i_f为正整数。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，接收所述信号的接收阵元与发射所述信号的第一发射阵元位于相同的阵元集合方阵。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各所述阵元集合方阵中分别设置有若干发射阵元和若干接收阵元。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述最小工作频率f_min的范围为：f_min≥1GHz；所述最大工作频率f_max的范围为：f_max≤10THz。

9.一种用于柱面阵列雷达成像的信号收发装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于根据柱面阵列雷达的最小工作频率和最大工作频率获取目标频点矩阵；

选取模块，用于同时循环选取各阵元集合方阵中的发射阵元作为第一发射阵元；

分配模块，用于为各所述第一发射阵元分别依次分配所述目标频点矩阵中的各频点，以作为第一发射阵元的发射频点；其中，同一时刻不同阵元集合方阵中的第一发射阵元的发射频点不同；

发发射模块，用于利用第一发射阵元根据分配的发射频点发射信号；

接收模块，用于利用接收阵元接收所述信号。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述获取模块具体用于：

根据最小工作频率、最大工作频率，利用第一计算公式计算获得频点差值；

根据所述最小工作频率以及所述频点差值利用第二计算公式计算获得所述目标频点矩阵中的频点元素，以获得目标频点矩阵。

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