CN114527462B

CN114527462B - 全息穿透成像雷达杂波抑制方法、装置、系统及介质

Info

Publication number: CN114527462B
Application number: CN202210426551.9A
Authority: CN
Inventors: 粟毅; 陈诚; 刘涛; 何志华; 宋晓骥; 黄春琳; 金光虎
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2042-04-22
Also published as: CN114527462A

Abstract

本发明提供一种全息穿透成像雷达杂波抑制方法、装置、系统及介质，获取全息穿透成像雷达回波数据及其背景对消处理后的回波数据；对全息穿透成像雷达回波数据进行奇异值技术处理；将所述全息穿透成像雷达回波数据奇异值技术处理后得到的回波矩阵作为降噪自编码器的输入，将全息穿透成像雷达回波数据背景对消处理后的回波数据作为降噪自编码器的输出，对降噪自编码器进行训练，得到训练好的降噪自编码器；将待测区域的全息穿透成像雷达回波数据进行奇异值技术处理，将处理得到的回波矩阵输入到训练好的降噪自编码器中，得到杂波抑制后的目标回波矩阵。本发明相对于奇异值分解技术，能够更有效抑制雷达回波中的杂波，改善成像质量。

Description

全息穿透成像雷达杂波抑制方法、装置、系统及介质

技术领域

本发明属于全息穿透成像雷达信号处理技术领域，特别涉及一种全息穿透成像雷达杂波抑制方法、装置、系统及介质。

背景技术

全息穿透成像雷达是一种在二维平面对待测介质发射电磁波进行扫描并获取回波数据的无损探测手段，利用全息成像技术可以根据回波数据还原介质内部的电磁特性参数分布情况并重构介质内部结构或是埋藏目标的高分辨图像，在安全检查、生物医学、建筑探伤等领域具有广阔的应用前景及较大的发展潜力。

全息穿透成像雷达需穿透介质，在获取目标反射的同时，多种形式杂波混入接收信号，包括收发天线间的直接耦合波、介质表面反射回波以及介质内的腔隙、颗粒等杂散物体的散射波等，从而对成像结果造成干扰，严重影响目标解译。因此，研究全息穿透成像雷达杂波抑制方法，改善成像质量，对进一步提高全息穿透成像雷达的实用性具有重要意义。

目前，奇异值分解是一种较适用于全息穿透成像雷达的杂波抑制技术，该技术将雷达回波矩阵分解成杂波子空间与目标子空间，通过估计杂波子空间并将其去除、仅保留目标子空间对应的回波矩阵，达到杂波抑制的目的。然而，奇异值分解技术并不能准确估计出杂波子空间，导致处理后的回波中仍有大量杂波残留。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种全息穿透成像雷达杂波抑制方法、装置、系统及介质，其是一种奇异值分解—降噪自编码器联合杂波抑制方案，能够进一步抑制奇异值分解技术处理后图像中残留的杂波。

为实现上述技术目的，本发明提出的技术方案为：

一方面，本发明提供一种全息穿透成像雷达杂波抑制方法，包括：

获取多组目标隐藏在介质后的全息穿透成像雷达回波数据及其背景对消处理后的回波数据；

对所述全息穿透成像雷达回波数据进行奇异值技术处理，得到处理后的回波矩阵；

将所述全息穿透成像雷达回波数据奇异值技术处理后得到的回波矩阵作为降噪自编码器的输入，将所述全息穿透成像雷达回波数据背景对消处理后的回波数据作为降噪自编码器的输出，通过最小化损失函数来对降噪自编码器进行训练，得到训练好的降噪自编码器；

将待测区域的全息穿透成像雷达回波数据进行奇异值技术处理，将奇异值技术处理得到的回波矩阵输入到训练好的降噪自编码器中，得到杂波抑制后的目标回波矩阵。

另一方面，本发明提供一种全息穿透成像雷达信号处理方法，包括：

采用上述任一种全息穿透成像雷达杂波抑制方法得到杂波抑制后的目标回波矩阵；

利用全息成像算法处理杂波抑制后的目标回波矩阵，获得目标图像。

另一方面，本发明提供一种全息穿透成像雷达杂波抑制装置，包括：

第一模块，用于获取多组目标隐藏在介质后的全息穿透成像雷达回波数据及其背景对消处理后的回波数据；

第二模块，用于对所述全息穿透成像雷达回波数据进行奇异值技术处理，得到处理后的回波矩阵；

第三模块，用于将所述全息穿透成像雷达回波数据奇异值技术处理后得到的回波矩阵作为降噪自编码器的输入，将所述全息穿透成像雷达回波数据背景对消处理后的回波数据作为降噪自编码器的输出，通过最小化损失函数来对降噪自编码器进行训练，得到训练好的降噪自编码器；

第四模块，用于将待测区域的全息穿透成像雷达回波数据进行奇异值技术处理，将奇异值技术处理得到的回波矩阵输入到训练好的降噪自编码器中，得到杂波抑制后的目标回波矩阵。

另一方面，本发明提供一种全息穿透成像雷达信号处理装置，包括：

第五模块，用于利用全息成像算法处理杂波抑制后的目标回波矩阵，获得目标图像。

另一方面，本发明提供一种计算机系统，包括存储器和处理器，存储器存储计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

再一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

将待测区域的全息穿透成像雷达回波数据进行奇异值技术处理，将奇异值技术处理得到的回波矩阵输入到训练好的降噪自编码器中，得到杂波抑制后的目标回波矩阵；

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明相对于奇异值分解技术，能够更有效抑制雷达回波中的杂波，改善成像质量。

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示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的流程图；

图2是本发明一实施例构建的降噪自编码器示意图；

图3是本发明一实施例的所用目标实物图；

图4是本发明一实施例的杂波抑制前全息穿透成像雷达成像结果图；

图5是利用奇异值分解技术处理后的成像结果图；

图6是本发明一实施例中采用本发明提供的息穿透成像雷达杂波抑制方法进行杂波抑制处理后的成像结果图；

图7为本发明一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述来清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1，在一实施例中，提供一种全息穿透成像雷达杂波抑制方法，包括：

获取多组目标隐藏在介质后的全息穿透成像雷达回波数据；

获取所述全息穿透成像雷达回波数据背景对消处理后的回波数据；

在一实施例中，获取

组目标隐藏在介质后的全息穿透成像雷达回波数据D=[D ₁,D ₂,D ₃,...,D _k]及其背景对消处理后的回波数据Y=[Y ₁,Y ₂,Y ₃,...,Y _k]。

设雷达回波数据

为

阶（假设

）的矩阵，对其进行奇异值分解，

其中全息穿透成像雷达回波数据D _i为M×N阶的矩阵，i=1,2，...,k；U=[u ₁,u ₂,...,u _M]为M阶左奇异酉矩阵，由

的特征向量组成，V=[v ₁,v ₂,...,v _N]为N阶右奇异酉矩阵，由

的特征向量组成，S=diag(s ₁,s ₂,...s _M)为M×N阶奇异值对角矩阵，对角元素s _i由

特征值λ _i的平方和按照降序排列组成，即s ₁≥s ₂≥...≥s _M，H表示共轭转置。

令

，奇异值技术处理后的回波矩阵为：

对获取到的k组目标隐藏在介质后的全息穿透成像雷达回波数据均进行上述奇异值技术处理，得到X=[X ₁,X ₂,X ₃,...,X _k]。

在一实施例中，构建如图2所示降噪自编码器，其中编码器部分由5个卷积层和5个线性整流单元组成，解码器部分由5个转置卷积层和5个线性整流单元组成。

将所述全息穿透成像雷达回波数据奇异值技术处理后得到的回波矩阵X=[X ₁,X ₂,X ₃,...,X _k]作为降噪自编码器的输入，将所述全息穿透成像雷达回波数据背景对消处理后的回波数据Y=[Y ₁,Y ₂,Y ₃,...,Y _k]作为降噪自编码器的输出，通过最小化损失函数来对降噪自编码器进行训练，训练得到编码器权重W和解码器权重D，即得到训练好的降噪自编码器。

在一实施例中，所构建的损失函数定义如下：

其中X _i表示全息穿透成像雷达回波数据D _i奇异值技术处理后得到的回波矩阵，Y _i表示全息穿透成像雷达回波数据D _i背景对消处理后的回波数据。

降噪自编码器训练完成后，录取待测区域的全息穿透成像雷达回波数据

，使用上述奇异值分解技术对其进行处理得到

，将

输入到训练好的降噪自编码器中，得到杂波抑制后的目标回波矩阵

为

其中

表示激活函数。

激活函数的类型不限，本领域技术人员可以根据情况合理选择，不失一般性，在本发明一实施例中所采用的激活函数为线性整流函数（ReLU），其定义为

在一实施例中，提供一种全息穿透成像雷达信号处理方法，包括：

获取多组目标隐藏在介质后的全息穿透成像雷达回波数据；

上述全息穿透成像雷达信号处理方法中的各步骤的实现方法，可以采用前述全息穿透成像雷达杂波抑制方法中各实施例中对应步骤中相同的方法实现，在此不再赘述。

为验证本发明所提出的全息穿透成像雷达杂波抑制方法的有效性，本发明进行了试验。

本实施例中采用的介质为一块1cm厚石膏板与一块2cm厚松木板堆叠而成的复合墙面，将目标置于介质底面，从介质表面往下看无法直接观察到目标，通过雷达系统从介质上方扫描获取回波数据。图3是本实施例所用目标实物图，目标为两块圆形金属片，其直径分别为3cm和4cm，摆放位置关系如图3中所示。图4是杂波抑制前全息穿透成像雷达成像结果，可以看出，成像结果中存在大量强杂波，几乎无法辨识目标。图5是利用现有的奇异值分解技术处理后的成像结果，可以看出，尽管目标形态更加明显，但成像结果中仍残留大量杂波，严重影响目标解译。图6是利用本发明提出的全息穿透成像雷达杂波抑制方法处理后的成像结果。可以看出，成像结果中杂波几乎被完全抑制，且信号中的目标非常清晰，可以明显从成像结果中判断出目标形态及位置，杂波抑制效果显著，验证了本发明所提方法的有效性。

在一实施例中，提供一种全息穿透成像雷达杂波抑制装置，包括：

上述各模块功能的实现方法，可以采用前述各实施例中相同的方法实现，在此不再赘述。

在一实施例中，本发明提供一种全息穿透成像雷达信号处理装置，包括：

在本实施例中，提供了一种计算机系统，该计算机系统可以是服务器，其内部结构图可以如图7所示。该计算机系统包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机系统的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机系统的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机系统的数据库用于存储样本数据。该计算机系统的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述实施例中全息穿透成像雷达杂波抑制方法的步骤。

本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机系统的限定，具体的计算机系统可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置

在一个实施例中，提供了一种计算机系统，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中全息穿透成像雷达杂波抑制方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中全息穿透成像雷达杂波抑制方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机系统，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述实施例中全息穿透成像雷达信号处理方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中全息穿透成像雷达信号处理方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。