CN110837128B - 一种柱面阵列雷达的成像方法 - Google Patents

一种柱面阵列雷达的成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柱面阵列雷达的成像方法。包括如下步骤：对监测区域进行区域划分，获得若干三维像素点；获取各所述三维像素点的若干回波数据；获取与各所述回波数据对应的滤波函数；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；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。本发明通过获取各像素点的回波数据然后获取相应的滤波函数，由此能够准确的获得监测区域的三维复图像，提高了成像的处理精度。

Description

一种柱面阵列雷达的成像方法
技术领域
本发明涉及三维成像技术领域，特别涉及一种柱面阵列雷达的成像方法。
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柱面阵列雷达的成像方法，用于解决现有技术中成像不够精确的问题。
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：一种柱面阵列雷达的成像方法，包括如下步骤：
对监测区域进行区域划分，获得若干三维像素点；
获取各所述三维像素点的若干回波数据；
获取与各所述回波数据对应的滤波函数；
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；
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图像。
可选的，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。
可选的，所述回波数据的表达式为：
Figure BDA0002289495090000021
Figure BDA0002289495090000022
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；
θT表示发射阵元的空间位置坐标中的方位角；
θR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；
Kω表示波数；
f表示发射频点；
c表示光速。
可选的，所述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：
Figure BDA0002289495090000031
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；
Im表示第m个三维像素点，即目标三维像素点；
RTI表示发射阵元与目标三维像素点之间的距离；
RRI表示接收阵元与目标三维像素点之间的距离；
Kω表示波数；
f表示发射频点；
c表示光速。
可选的，，所述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。
可选的，所述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；
可选的，所述方位向筛选条件为：
Figure BDA0002289495090000041
其中，θT表示发射阵元的空间位置坐标中的方位角；
θR表示接收阵元的空间位置坐标中的方位角；
um表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；
vm表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；
θA表示合成孔径方位向范围，是系统参数。
可选的，所述高程向筛选条件为：
Figure BDA0002289495090000042
其中，um表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；
vm表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；
wm表示第m个三维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；
zT表示发射阵元的空间位置坐标中的z轴的坐标；
zR表示接收阵元的空间位置坐标中的z轴的坐标；
θH表示合成孔径高程向范围，是系统参数。
可选的，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。
可选的，所述成像矩阵表达式为：Tar_Sca＝[um vm wm σsum(Im)]；
其中，Tar_Sca表示成像矩阵；
um表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；
vm表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；
wm表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的z轴的坐标；
σsum(Im)表示第m三维个像素点的散射强度。
本发明实施例的有益效果在于：本发明通过获取各三维像素点的回波数据然后获取相应的滤波函数，由此能够准确的获得监测区域的三维复图像，提高了成像的处理精度。
附图说明
图1为本发明实施例柱面阵列雷达的成像方法的流程图；
图2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3为本发明实施例中的柱面阵列雷达的示意图；
图4为本发明实施例中柱面阵列雷达的几何示意图；
图5为本发明实施例中部分阵元集合方阵中的阵元布局图；
图6为本发明实施例中阵元集合方阵的具体结构示意图；
图7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8为本发明实施例中三维成像流程图；
图9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10为图9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柱面阵列雷达的成像方法，如图1所示，包括如下步骤：
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图像。
本发明实施例通过获取各三维像素点的回波数据然后获取相应的滤波函数，由此能够准确的获得监测区域的三维复图像，提高了成像的处理精度。
本发明实施例，在获取各所述三维像素点的回波数据时，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。
本实施中，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。
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：
Figure BDA0002289495090000081
其中，θT表示发射阵元的空间位置坐标中的方位角；θR表示接收阵元的空间位置坐标中的方位角；um表示第m个像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；vm表示第m个像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；θA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：
Figure BDA0002289495090000082
其中，um表示第m 个像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；vm表示第m个像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；wm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；zT表示发射阵元的空间位置坐标中的 z轴的坐标；zR表示接收阵元的空间位置坐标中的z轴的坐标；θH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＝[um vm wm σsum(Im)]；其中，Tar_Sca表示成像矩阵；um表示第m个像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；vm表示第m 个像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；wm表示第m个像素点的空间位置坐标中的z轴的坐标σsum(Im)表示第m个像素点的散射强度。
本发明又一实施例提供一种成像方法，在上述实施例的基础上，在对监测区域进行区域划分之前，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，在上述实施例的基础上，作为一种具体的实施方式，对柱面阵列天线中的阵元位置布局、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，划分阵元集合方阵(子阵)，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：划分阵元集合方阵；根据图2所示，将柱面阵列雷达划分成若干阵元集合区域
Figure BDA0002289495090000101
(即子阵)，具体包括：
步骤S111：柱面阵列雷达高度划分；如图3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NA(NA＞1，NA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MA (MA＞1，MA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＝NA×MA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，用所有阵元集合方阵构建一个NA×MA的方阵，如图2所示，每一个小方格表示一个阵元集合区域用字母A表示，Aij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)，
Figure BDA0002289495090000102
表示第kA＝(i-1)NA+MA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NS*MS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NS(NS＞1， NS为正整数)份，则在z轴上的高度间距为Δh0,
Figure BDA0002289495090000103
高度间距Δh0，需满足采样定理：
Figure BDA0002289495090000104
Figure BDA0002289495090000111
其中
Figure BDA0002289495090000112
表示Z方向最小波数支持带宽，
Figure BDA0002289495090000113
满足公式(3)，fmax表示柱面阵列雷达装置的最大工作频率，如图3和图4示，O(0,0,0)表示柱面整列中间层阵元圆平面圆心，
Figure BDA0002289495090000114
表示柱面整列最上层阵元圆平面圆心，
Figure BDA0002289495090000115
表示柱面整列最上层阵元圆平面圆心，O'(0,0,zCell)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：阵元集合方阵角度划分；以z轴为中心，根据公式(4)将xy 平面等分成MS(MS＞1，MS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。
Figure BDA0002289495090000116
角度间距Δθ0需满足公式(5)，
Figure BDA0002289495090000117
其中
Figure BDA0002289495090000118
b＝Rr，c表示光速，如图4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(rp,θp,zp) 或P(xP,yP,zP)，rp表示P点到z轴的距离，zp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NS和MS最佳选取为|MS-NS|＝0，例如MS＝100 个，NS最优选择为NS＝100。
步骤S123：获取阵元集合方阵；如图5示，步骤S121和步骤S122将每个阵元集合区域分成NS×MS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
Figure BDA0002289495090000121
)表示，Cell是一个NS行MS列的阵元集合方阵，阵元方格
Figure BDA0002289495090000122
(阵元区域)表示阵元集集合方阵Cell中第ic(ic≤NS ic为正整数)行第jc (jc≤MS,jc为正整数)列元素(即阵元)；
步骤S124：阵元布局；如图6所示，在Cell中(即
Figure BDA0002289495090000123
)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
Figure BDA0002289495090000124
(jc≤MS,jc为正整数)和最后一行阵元
Figure BDA0002289495090000125
用于发射信号，Cell第一列阵元
Figure BDA0002289495090000126
(2≤ic≤NS-1ic为正整数)和最后一列阵元
Figure BDA0002289495090000127
用于接收信号，其它阵元方格不放置阵元，图6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，每个阵元集合方阵(子阵)布置的阵元总数为2MS+2NS-4。
骤S125：获取发射阵元矩阵；将步骤S124中的发射阵元构建1行2MS列的行矩阵
Figure BDA0002289495090000128
具体表达式如公式(6)，
Figure BDA0002289495090000129
表示 Trans矩阵第kT(kT≤2Ms,k为正整数)个元素(阵元)，发射阵元的标号如图4所示；
Figure BDA00022894950900001210
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(NS-2)列的行矩阵
Figure BDA00022894950900001211
具体表达式如公式(7)，
Figure BDA00022894950900001212
表示Rece矩阵第kR(kR≤2(Ns-2),kR为正整数)个元素(阵元)；
Figure BDA00022894950900001213
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(2Ms+2Ns-4)*NA*MA。而采用传统方式，柱面阵列雷达需要布置的阵元的个数为NS*MS*NA*MA，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。
在完成天线阵元的布局，获得若干阵元集合方阵之后，就可以利用该柱面阵列天线(即利用阵元集合方阵中的发射阵元和接收阵元)进行信号的收发来获得回波信号，具体获得回波信号的步骤如下：
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，以获得回波数据。
本步骤中，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。
具体的，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。其中，所述第一计算公式为：
Figure BDA0002289495090000131
Q≥NA*MA；其中，Δf为频点差值；NA×MA为阵元集合方阵的个数；Q为正整数；fmin为最小工作频率；fmax为最大工作频率。第二计算公式为：
Figure BDA0002289495090000147
if≤Q；其中
Figure BDA0002289495090000148
为第if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。最小工作频率 fmin的范围为：fmin≥1GHz。所述最大工作频率fmax的范围为：fmax≤10THz。
具体的，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。
本实施例在上述实施例的基础上，作为一种具体的实施方式，获取回波信号具体过程为：
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fmin (fmin≥1GHz)和最大工作频率fmax(fmax≤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)(即第一计算公式)，计算Δf，将计算结果带入公式(9)，求出
Figure BDA0002289495090000146
Figure BDA0002289495090000141
Figure BDA0002289495090000144
用
Figure BDA0002289495090000145
中所有元素构建一个Q×1的列矩阵
Figure BDA0002289495090000142
(即第一频点矩阵)；
步骤S22：获取目标频点矩阵Freq；利用步骤S21中F矩阵构建目标频点矩阵Freq，Freq矩阵大小为2Q×1，
Figure BDA0002289495090000143
(ifreq≤2Q，ifreq为正整数)表示频点矩阵Freq中第ifreq个元素(频点)，Freq表达式如下所示，
Figure BDA0002289495090000151
步骤S3：收发方式和策略；选取不同阵元集合方阵中的发射阵元，匹配阵元发射频点，发射、接收信号，流程图如图7所示；具体如下：
步骤S31：选取工作阵元；选取阵元集合方阵Aij中Trans的第kT个阵元
Figure BDA0002289495090000152
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，kT从1开始循环，循环选择发射阵元，直至kT＝2Ms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目标频点矩阵Freq中选择；
根据步骤S31中选取Aij中
Figure BDA0002289495090000156
发射阵元，选取目标频点矩阵Freq中的元素
Figure BDA0002289495090000153
对应的频点满足公式(11),
ifreq＝(i-1)*MS+j+circulation-1 (11)
其中i和j表示阵元集合方阵A对应的阵元集合方阵Aij，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Aij中
Figure BDA0002289495090000154
发射阵元、步骤S32选取的频点
Figure BDA0002289495090000155
发射信号，信号表达式如下：
ST(A,Trans,Freq)＝σ(x,y,z)e-j2πft (12)
其中A表示阵元集合方阵，Trans表示发射阵元，Freq表示目标频点矩阵，σ(x,y,z)表示P目标像素点的后向散射特性，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：接收阵元接收信号以获得回波信号。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)，
Figure BDA0002289495090000161
图4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,θT,zT)或表示成Trans(xT,yT,zT)，接收阵元的空间位置坐标为Rece(R0,θR,zR)或表示成Rece(xR,yR,zR)，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)，RT表示发射阵元与P点的距离，RR表示接收阵元与P的距离，如下所示；
Figure BDA0002289495090000162
Figure BDA0002289495090000163
接收阵元接收的信号可以写成公式(17)：
Figure BDA0002289495090000164
Figure BDA0002289495090000171
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；θT表示发射阵元的空间位置坐标中的方位角；θR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；Kω表示波数；f表示发射频点；c表示光速。
本实施例中通过采用上述的信号收方式来获得回波信号，能够减少数据的采集时间，为后续快速成像提供了基础。
本发明实施例在上述实施例的基础上，在获得了回波信号之后就可以进行三维成像，具体的包括如下步骤：
步骤S4：三维成像；根据接收阵元接收的回波信号，应用共焦投影、 BP等三维成像算法实现三维成像，步骤流程图如图8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9和图10所示，图9中表示划分网格三维示意图，图10表示二维划分网格二维示意图(即图9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MU，角度方向上等分成MV，高度方向上等分成份MW，共有M＝MUMVMW个像素点，第m(0≤m≤M)个像素点Im(即目标像素点)的坐标表示为(um,vm,wm)；
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σsum(Im)(σsum(Im)表示像素点Im的散射强度)为0，即σsum(Im)＝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
Figure BDA0002289495090000172
发射阵元
Figure BDA0002289495090000173
接收阵元
Figure BDA0002289495090000174
以及像素点Im，根据选取的阵元集合方阵
Figure BDA0002289495090000175
发射阵元
Figure BDA0002289495090000176
接收阵元
Figure BDA0002289495090000181
及像素点Im，计算匹配滤波函数
Figure BDA0002289495090000182
具体如下：
步骤S421：系统初始化；对像素点、阵元集合方阵
Figure BDA0002289495090000183
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Im＝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 kA＝1，得到
Figure BDA0002289495090000184
步骤S4213：发射阵元初始化；选取第一个发射阵元，即令kT＝1，得到
Figure BDA0002289495090000185
步骤S4214：接收阵元初始化；选取第一个接收阵元，即令kR＝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kR≤2(NS-2)，需将接收阵元循环到下一个(kR＝kR+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kT≤2MS，需将发射阵元循环到下一个(kT＝kT+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kA≤Sub，需将阵元集合方阵循环到下一个(kA＝kA+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Im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(Im＝Im+1)，然后选取σsum中第Im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Im的散射强度σsum(Im)，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：
Figure BDA0002289495090000191
其中：
Figure BDA0002289495090000192
Figure BDA0002289495090000193
Figure BDA0002289495090000194
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；Im表示第m个像素点；RTI表示发射阵元与目标三维像素点之间的距离；RRI表示接收阵元与目标三维像素点之间的距离；R0表示柱面阵列的底面半径；Kω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
Figure BDA0002289495090000195
与回波数据 S(A,Trans,Rece,Kω)相乘，得到匹配信号
Figure BDA0002289495090000196
具体如下：
Figure BDA0002289495090000197
步骤S44：匹配信号逆傅里叶变换；将匹配信号
Figure BDA0002289495090000198
进行逆傅里叶变换，得到距离向压缩信号
Figure BDA00022894950900001911
具体如下：
Figure BDA00022894950900001910
步骤S45：取距离向压缩信号的峰值；距离向压缩信号
Figure BDA00022894950900001911
是一个sinc函数，且距离向压缩信号的峰值
Figure BDA0002289495090000201
位于距离向压缩信号第一个采样点处，具体如下；
Figure BDA0002289495090000202
|first表示距离向压缩信号
Figure BDA0002289495090000203
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
Figure BDA0002289495090000204
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，
Figure BDA0002289495090000205
angle(um+vmi)函数用来求解复数um+vmi在不同象限中的相角；θA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，
Figure BDA0002289495090000206
θH表示合成孔径高程向范围，是系统参数；R0表示柱面阵列的底面半径。
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
Figure BDA0002289495090000207
等于0，具体如下：
Figure BDA0002289495090000208
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Im、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σsum(Im)，计算像素点Im的散射强度：
Figure BDA0002289495090000211
Sub表示阵元集合方阵的个数，kA表示第kA个阵元集合方阵；2MS表示一个阵元集合方阵中发射阵元的个数，kT表示kA阵元集合方阵中第kT个发射阵元；2(Ns-2)表示一个阵元集合方阵中接收阵元的个数，kR表示kA阵元集合方阵中第kR个接收阵元；
步骤S48：三维复图像；根据像素点Im的坐标和计算像素点Im的对应的散射强度σsum(Im)(步骤S4224)，构建 Tar_Sca＝[um vm wm σsum(Im)]矩阵，其中第一列表示像素点Im的x横坐标，第二列表示像素点Im的y坐标，第三列表示像素点Im的z坐标，第四列表示像素点Im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 (9)

1.一种柱面阵列雷达的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
对监测区域进行区域划分，获得若干三维像素点；
获取各所述三维像素点的若干回波数据；
获取与各所述回波数据对应的滤波函数；
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；其中，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；
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。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述回波数据的表达式为：
Figure FDA0003125051020000021
Figure FDA0003125051020000022
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；
θT表示发射阵元的空间位置坐标中的方位角；
θR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；
Kω表示波数；
f表示发射频点；
c表示光速。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述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：
Figure FDA0003125051020000023
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；
Im表示第m个三维像素点，即目标三维像素点；
RTI表示发射阵元与目标三维像素点之间的距离；
RRI表示接收阵元与目标三维像素点之间的距离；
Kω表示波数；
f表示发射频点；
c表示光速。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述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。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方位向筛选条件为：
Figure FDA0003125051020000031
其中，θT表示发射阵元的空间位置坐标中的极角；
θR表示接收阵元的空间位置坐标中的方位角；
um表示第m个像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；
vm表示第m个像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；
angle(um+vmi)函数用来求解复数um+vmi在不同象限中的相角；
θA表示合成孔径方位向范围，是系统参数。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述高程向筛选条件为：
Figure FDA0003125051020000032
其中，m表示第m个像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；
vm表示第m个像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；
wm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；
zT表示发射阵元的空间位置坐标中的z轴的坐标；
zR表示接收阵元的空间位置坐标中的z轴的坐标；
θH表示合成孔径高程向范围，是系统参数。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述成像矩阵的表达式为：Tar_Sca＝[um vmwm σsum(Im)]；
其中，Tar_Sca表示成像矩阵；
um表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的x轴的坐标；
vm表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的y轴的坐标；
wm表示第m个三维像素点的空间位置坐标中的z轴的坐标
σsum(Im)表示第m三维个像素点的散射强度。
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