CN111175744B - 一种雷达图像快速生成与缩放方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一种雷达图像快速生成与缩放方法，属于雷达信号处理领域，具体涉及采用快速坐标变换方法生成雷达图像，并采用直接处理转换矩阵的方法完成雷达图像的快速缩放。通过雷达回波信号与雷达图像的映射，建立雷达回波数据与雷达图像的转换关系；根据转换关系，结合雷达探测机理，反向求解雷达图像映射表，减小雷达图像生成的计算量，实现雷达回波数据到雷达图像的快速转换；建立雷达图像映射表的快速缩放方法，实现雷达图像的局部细节放大以及整幅图像的预览，进一步减小计算量的同时，不丢失局部细节信息。

Description

一种雷达图像快速生成与缩放方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，具体涉及采用快速坐标变换方法生成雷达图像，并采用直接处理转换矩阵的方法完成雷达图像的快速缩放。

背景技术

传统导航雷达P显界面一般采用二值化的显示方法，适用于探测海上反射面积较大、雷达回波信号较强的目标，当雷达回波信号强度大于某一阈值时，该位置映射到显示界面上的像素点置1，反之置0。通过阈值将图像二值化，可以很大程度上减小P显界面生成的计算量。这种方式适用于导航任务。

对于海上溢油探测任务而言，溢油区域的雷达回波信号为弱信号，仅靠二值化图像无法实现从雷达回波信号中提取出溢油区域。因此，需保留雷达信号的强度信息，从而最大程度保留雷达信号中包含的信息，为后续溢油信号检测提供基础。为实现这一目的，需对采集到的所有雷达信号进行坐标转换。这一过程将消耗大量的计算资源，对计算机要求过高，耗时太长。因此，需要一种能快速将雷达信号转换为雷达图像的方法。

发明内容

本发明公开的一种雷达图像快速生成与缩放方法要解决的技术问题是实现对雷达信号的快速坐标转换与缩放，降低雷达图像生成过程中对计算资源的消耗。本发明公开的一种雷达图像快速生成与缩放方法，通过雷达回波信号与雷达图像的映射，建立雷达回波数据与雷达图像的转换关系；根据转换关系，结合雷达探测机理，反向求解雷达图像映射表，减小雷达图像生成的计算量，实现雷达回波数据到雷达图像的快速转换；建立雷达图像映射表的快速缩放方法，实现雷达图像的局部细节放大以及整幅图像的预览，进一步减小计算量的同时，不丢失局部细节信息。

具体技术方案是:

一种雷达图像快速生成与缩放方法，包括下列步骤：

步骤一：通过雷达回波信号与雷达图像的映射，建立雷达回波数据与雷达图像的转换关系。

雷达回波数据为接收到的雷达波经采集卡采集后，得到的在一个角度下不同距离处的雷达回波信号强度数据。若雷达旋转一圈发射雷达波束M次，每个雷达回波采集N个点，则雷达旋转一圈采集到的雷达回波数据为M×N的矩阵。其中，行代表角度，列代表距离，即雷达回波数据为极坐标形式，需转换为直角坐标系下。以雷达为直角坐标系的原点，船艏方向为Y_r轴，建立右手直角坐标系O_r-X_rY_r，则雷达回波数据中m行n列的数据在雷达直角坐标系下的坐标(x_r,y_r)为：

其中，dL为两个采样点之间的空间距离。若不考虑真实物理空间中的距离，仅转换为图像坐标系中的像素坐标，则(1)中dL＝1，转换到数字图像坐标系o-rc下的坐标(row,col)为：

步骤二：根据转换关系，结合雷达探测机理，反向求解雷达图像映射表，减小雷达图像生成的计算量，实现雷达回波数据到雷达图像的快速转换。

步骤一中，建立了雷达回波数据与物理空间坐标的对应关系，以及雷达回波数据与数字图像坐标系的映射关系，实现将雷达回波数据转换到直角坐标系下。

步骤2.1：反向求解图像坐标系下每个点与雷达回波数据的对应关系；

(3)式中，n∈[0,N]。根据(row,col)坐标与N的取值的关系，(4)式中m的取值可表示为分段函数：

根据(3)、(5)，可求得图像坐标系下像素点(row,col)对应的雷达回波数据点(m,n)。

(3)、(5)得出的像素点(row,col)对应的雷达回波数据点的坐标(m,n)为小数，可采用取整或线性插值的方法，最终得出像素点(row,col)的值。为获得更高质量的图像，在垂直于雷达波的方向上进行线性插值。记图像坐标系下像素点(row,col)的值为A(row,col)，雷达回波数据点(m,n)的值为R(m,n)，二者转换关系为得：

k＝1-(m-floor(m)) (6)

A(row,col)＝k·R(floor(m),floor(n))+(1-k)·R(floor(m)+1,floor(n)) (7)

其中，floor()表示向下取整，数学表达式如(8)所示，j₀为整数：

floor(j)＝j₀,j₀≤j＜j₀+1 (8)

步骤2.2：建立雷达图像映射表，减小雷达图像生成的计算量，实现雷达回波数据到雷达图像的快速转换；

根据式(3)、(5)、(6)、(7)，生成雷达图像的计算量较大，不利与雷达图像的快速生成。为加快雷达回波数据到雷达图像的转换速度，根据式(3)、(5)、(6)计算出转换数表，之后通过查表的方式，即可完成雷达图像的生成。

首先定义转换数表基本映射单元的数据结构：

其中，m、n为(3)、(5)式计算结果向下取整，k为(6)式中的系数k。初始化时，根据雷达回波数据矩阵的尺寸M×N，生成转换数表，数表大小为[(2N-1)×(N2-1；)]之后，根据(3)、(5)、(6)式，计算数表中每个基本映射单元的值。

根据式(7)，得到根据转换数表基本映射单元计算图像坐标系下像素点(row,col)的值A(row,col)的计算方法为：

A(row,col)＝R(ConvData.m,ConvData.n)·ConvData.k

+R(ConvData.m+1,ConvData.n)·(1-ConvData.k) (10)

该方法生成图像过程中，各个像素点的计算相互独立，因此可采用并行计算、GPU加速的方法，进一步加快计算速度。

步骤三：建立雷达图像映射表的快速缩放方法，实现雷达图像的局部细节放大以及整幅图像的预览。

步骤二中，转换数表大小为[(2N-1)×(2N-1)，]即生成的雷达图像尺寸为[(2N-1)×(2N-1)]。由于屏幕分辨率有限，或者仅对局部图像感兴趣，需要对生成的图像进行缩放、裁剪。

在生成[(2N-1)×(2N-1)]尺寸的图像时，需遍历[(2N-1)×(2N-1)]大小的转换数表，并进行(2N-1)×(2N-1)次转换计算；之后再经过感兴趣区域裁剪、图像缩放。在该过程中，感兴趣区域裁剪、图像缩放算法丢弃的像素点值的计算对最后用于显示的图像没有意义。因此，本发明采用直接裁剪、缩放转换数表，然后生成雷达图像的方法，减少不必要的计算，加快图像生成速度。

记裁剪的感兴趣区域转换数表的左上角坐标点为P_begin(r₁,c₁)，右下角坐标点为P_end(r₂,c₂)，则感兴趣区域尺寸为[(r₂-r₁+1)×(c₂-c₁+1)]，缩放后图像尺寸为[H×W]，得：

目标图像中的任一点P(h,w)与感兴趣区域(ROI)中对应的点为P(r,c)，则存在如下对应关系：

式(11)中，h、w为非负整数，r、c为非负小数。对(11)进行变换，得：

采用二次线性插值方法，计算P(h,w)的值。记(12)中r、c向下取整后的值为r_o、c_o，即：

二次线性插值系数u、v为：

则经二次线性插值后，P(h,w)的值可表示为：

P(h,w)＝(P(r_o,c_o)·v+P(r_o,c_o+1)·(1-v))·u

+(P(r_o+1,c_o)·v+P(r_o+1,c_o+1)·(1-v))·(1-u) (15)

当令u＝1,v＝1时，则(15)由二次线性插值变为近邻取样，即P(h,w)＝P(r_o,c_o)，此时图像裁剪缩放的计算量最小，但得到的图像质量比二次线性插值的图像质量略差，可根据实际需求进行选择。

本发明达到的技术效果：

本发明公开的一种雷达图像快速生成与缩放方法，直接对雷达图像映射表进行裁剪、缩放，实现对雷达图像的快速裁剪、缩放，避免了不必要的计算，从而快速完成雷达图像概要显示、局部放大显示等任务。

附图说明

图1雷达图像生成示意图；

图中，由雷达采集到的数据生成雷达图像，生成图像过程中，结合雷达探测的机理，采用垂直于雷达回波方向线性插值的方式，填补空白区域。

图2雷达图像快速缩放原理示意图；

图中，雷达图像快速缩放的原理图，实际过程中，将直接根据坐标变换矩阵进行快速缩放，避免不必要的计算量。

具体实施方式

下面将结合图1至图2对本发明方法进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为，本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内能够对其进行修改和润色。

步骤一：通过雷达回波信号与雷达图像的映射，建立雷达回波数据与雷达图像的转换关系。

雷达回波数据为接收到的雷达波经采集卡采集后，得到的在一个角度下不同距离处的雷达回波信号强度数据。若雷达旋转一圈发射雷达波束M次，每个雷达回波采集N个点，则雷达旋转一圈采集到的雷达回波数据为M×N的矩阵。其中，行代表角度，列代表距离，即雷达回波数据为极坐标形式，需转换为直角坐标系下。以雷达为直角坐标系的原点，船艏方向为Y_r轴，建立右手直角坐标系O_r-X_rY_r，则雷达回波数据中m行n列的数据在雷达直角坐标系下的坐标(x_r,y_r)为：

其中，dL为两个采样点之间的空间距离。若不考虑真实物理空间中的距离，仅转换为图像坐标系中的像素坐标，则(1)中dL＝1，转换到数字图像坐标系o-rc下的坐标(row,col)为：

步骤二：根据转换关系，结合雷达探测机理，反向求解雷达图像映射表，减小雷达图像生成的计算量，实现雷达回波数据到雷达图像的快速转换。

步骤一中，建立了雷达回波数据与物理空间坐标的对应关系，以及雷达回波数据与数字图像坐标系的映射关系，实现将雷达回波数据转换到直角坐标系下。

步骤2.1：反向求解图像坐标系下每个点与雷达回波数据的对应关系；

(3)式中，n∈[0,N]。根据(row,col)坐标与N的取值的关系，(4)式中m的取值可表示为分段函数：

根据(3)、(5)，可求得图像坐标系下像素点(row,col)对应的雷达回波数据点(m,n)。

(3)、(5)得出的像素点(row,col)对应的雷达回波数据点的坐标(m,n)为小数，可采用取整或线性插值的方法，最终得出像素点(row,col)的值。为获得更高质量的图像，在垂直于雷达波的方向上进行线性插值。记图像坐标系下像素点(row,col)的值为A(row,col)，雷达回波数据点(m,n)的值为R(m,n)，二者转换关系为得：

k＝1-(m-floor(m)) (21)

A(row,col)＝k·R(floor(m),floor(n))+(1-k)·R(floor(m)+1,floor(n)) (22)

其中，floor()表示向下取整，数学表达式如(8)所示，j₀为整数：

floor(j)＝j₀,j₀≤j＜j₀+1 (23)

步骤2.2：建立雷达图像映射表，减小雷达图像生成的计算量，实现雷达回波数据到雷达图像的快速转换；

根据式(3)、(5)、(6)、(7)，生成雷达图像的计算量较大，不利与雷达图像的快速生成。为加快雷达回波数据到雷达图像的转换速度，根据式(3)、(5)、(6)计算出转换数表，之后通过查表的方式，即可完成雷达图像的生成。

首先定义转换数表基本映射单元的数据结构：

其中，m、n为(3)、(5)式计算结果向下取整，k为(6)式中的系数k。初始化时，根据雷达回波数据矩阵的尺寸M×N，生成转换数表，数表大小为[(2N-1)×(N2-1；)]之后，根据(3)、(5)、(6)式，计算数表中每个基本映射单元的值。

根据式(7)，得到根据转换数表基本映射单元计算图像坐标系下像素点(row,col)的值A(row,col)的计算方法为：

A(row,col)＝R(ConvData.m,ConvData.n)·ConvData.k

+R(ConvData.m+1,ConvData.n)·(1-ConvData.k) (25)

该方法生成图像过程中，各个像素点的计算相互独立，因此可采用并行计算、GPU加速的方法，进一步加快计算速度。

步骤三：建立雷达图像映射表的快速缩放方法，实现雷达图像的局部细节放大以及整幅图像的预览。

步骤二中，转换数表大小为[(2N-1)×(2N-1)，]即生成的雷达图像尺寸为[(2N-1)×(2N-1)]。由于屏幕分辨率有限，或者仅对局部图像感兴趣，需要对生成的图像进行缩放、裁剪。

在生成[(2N-1)×(2N-1)]尺寸的图像时，需遍历[(2N-1)×(2N-1)]大小的转换数表，并进行(2N-1)×(2N-1)次转换计算；之后再经过感兴趣区域裁剪、图像缩放。在该过程中，感兴趣区域裁剪、图像缩放算法丢弃的像素点值的计算对最后用于显示的图像没有意义。因此，本发明采用直接裁剪、缩放转换数表，然后生成雷达图像的方法，减少不必要的计算，加快图像生成速度。

记裁剪的感兴趣区域转换数表的左上角坐标点为P_begin(r₁,c₁)，右下角坐标点为P_end(r₂,c₂)，则感兴趣区域尺寸为[(r₂-r₁+1)×(c₂-c₁+1)]，缩放后图像尺寸为[H×W]，得：

目标图像中的任一点P(h,w)与感兴趣区域(ROI)中对应的点为P(r,c)，则存在如下对应关系：

式(11)中，h、w为非负整数，r、c为非负小数。对(11)进行变换，得：

采用二次线性插值方法，计算P(h,w)的值。记(12)中r、c向下取整后的值为r_o、c_o，即：

二次线性插值系数u、v为：

则经二次线性插值后，P(h,w)的值可表示为：

P(h,w)＝(P(r_o,c_o)·v+P(r_o,c_o+1)·(1-v))·u

+(P(r_o+1,c_o)·v+P(r_o+1,c_o+1)·(1-v))·(1-u) (30)

当令u＝1,v＝1时，则(15)由二次线性插值变为近邻取样，即P(h,w)＝P(r_o,c_o)，此时图像裁剪缩放的计算量最小，但得到的图像质量比二次线性插值的图像质量略差，可根据实际需求进行选择。

Claims (1)

1.一种雷达图像快速生成与缩放方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过雷达回波信号与雷达图像的映射，建立雷达回波数据与雷达图像的转换关系；

雷达回波数据为接收到的雷达波经采集卡采集后，得到的在一个角度下不同距离处的雷达回波信号强度数据；若雷达旋转一圈发射雷达波束M次，每个雷达回波采集N个点，则雷达旋转一圈采集到的雷达回波数据为M×N的矩阵；其中，行代表角度，列代表距离，即雷达回波数据为极坐标形式，需转换为直角坐标系下；以雷达为直角坐标系的原点，船艏方向为Y_r轴，建立右手直角坐标系O_r-X_rY_r，则雷达回波数据中m行n列的数据在雷达直角坐标系下的坐标(x_r,y_r)为：

其中，dL为两个采样点之间的空间距离；若不考虑真实物理空间中的距离，仅转换为图像坐标系中的像素坐标，则(1)中dL＝1，转换到数字图像坐标系o-rc下的坐标(row,col)为：

步骤二：根据转换关系，结合雷达探测机理，反向求解雷达图像映射表，减小雷达图像生成的计算量，实现雷达回波数据到雷达图像的快速转换；

步骤一中，建立了雷达回波数据与物理空间坐标的对应关系，以及雷达回波数据与数字图像坐标系的映射关系，实现将雷达回波数据转换到直角坐标系下；

步骤2.1：反向求解图像坐标系下每个点与雷达回波数据的对应关系；

(3)式中，n∈[0,N]；根据(row,col)坐标与N的取值的关系，(4)式中m的取值可表示为分段函数：

根据(3)、(5)，可求得图像坐标系下像素点(row,col)对应的雷达回波数据点(m,n)；

(3)、(5)得出的像素点(row,col)对应的雷达回波数据点的坐标(m,n)为小数，可采用取整或线性插值的方法，最终得出像素点(row,col)的值；为获得更高质量的图像，在垂直于雷达波的方向上进行线性插值；记图像坐标系下像素点(row,col)的值为A(row,col)，雷达回波数据点(m,n)的值为R(m,n)，二者转换关系为得：

k＝1-(m-floor(m)) (6)

A(row,col)＝k·R(floor(m),floor(n))+(1-k)·R(floor(m)+1,floor(n)) (7)

其中，floor()表示向下取整，数学表达式如(8)所示，j₀为整数：

floor(j)＝j₀,j₀≤j＜j₀+1 (8)

步骤2.2：建立雷达图像映射表，减小雷达图像生成的计算量，实现雷达回波数据到雷达图像的快速转换；

根据式(3)、(5)、(6)、(7)，生成雷达图像的计算量较大，不利于雷达图像的快速生成；为加快雷达回波数据到雷达图像的转换速度，根据式(3)、(5)、(6)计算出转换数表，之后通过查表的方式，即可完成雷达图像的生成；

首先定义转换数表基本映射单元的数据结构：

其中，m、n为(3)、(5)式计算结果向下取整，k为(6)式中的系数k；初始化时，根据雷达回波数据矩阵的尺寸M x N，生成转换数表，数表大小为[(2N-1)x(2N-1)]；之后，根据(3)、(5)、(6)式，计算数表中每个基本映射单元的值；

根据式(7)，得到根据转换数表基本映射单元计算图像坐标系下像素点(row,col)的值A(row,col)的计算方法为：

步骤三：建立雷达图像映射表的快速缩放方法，实现雷达图像的局部细节放大以及整幅图像的预览；

步骤二中，转换数表大小为[(2N-1)×(2N-1)，即生成的雷达图像尺寸为[(2N-1)×(2N-1)]；由于屏幕分辨率有限，或者仅对局部图像感兴趣，需要对生成的图像进行缩放、裁剪；

在生成[(2N-1)×(2N-1)]尺寸的图像时，需遍历[(2N-1)×(2N-1)]大小的转换数表，并进行(2N-1)×(2N-1)次转换计算；之后再经过感兴趣区域裁剪、图像缩放；在该过程中，感兴趣区域裁剪、图像缩放算法丢弃的像素点值的计算对最后用于显示的图像没有意义；因此，采用直接裁剪、缩放转换数表，然后生成雷达图像的方法，加快图像生成速度；

记裁剪的感兴趣区域转换数表的左上角坐标点为P_begin(r₁,c₁)，右下角坐标点为P_end(r₂,c₂)，则感兴趣区域尺寸为[(r₂-r₁+1)×(c₂-c₁+1)]，缩放后图像尺寸为[H×W]，得：

目标图像中的任一点P(h,w)与感兴趣区域(ROI)中对应的点为P(r,c)，则存在如下对应关系：

式(11)中，h、w为非负整数，r、c为非负小数；对(11)进行变换，得：

采用二次线性插值方法，计算P(h,w)的值；记(12)中r、c向下取整后的值为r_o、c_o，即：

二次线性插值系数u、v为：

则经二次线性插值后，P(h,w)的值可表示为：

当令u＝1,v＝1时，则(15)由二次线性插值变为近邻取样，即P(h,w)＝P(r_o,c_o)，此时图像裁剪缩放的计算量最小，但得到的图像质量比二次线性插值的图像质量略差，可根据实际需求进行选择。