一種基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法。本發(fā)明擴(kuò)展了現(xiàn)有雷達(dá)成像的波恩近似模型，在模型中加入目標(biāo)的各向異性特性與目標(biāo)對不同頻段信號的作用效果不同的特性；該模型與實際信號模型更加接近，增強(qiáng)了雷達(dá)成像效果，為實現(xiàn)高分辨雷達(dá)成像奠定了模型基礎(chǔ)；并提出了利用目標(biāo)廣義反射率的三種稀疏特性將雷達(dá)成像系統(tǒng)劃分為子孔徑或子頻帶進(jìn)行近似計算；提出根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)特性將成像區(qū)域劃分為一系列子成像區(qū)域，大大加速了成像速度；進(jìn)一步提出利用對偶變換將傳統(tǒng)的雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為基于物理機(jī)制的圖像處理問題；本發(fā)明既保證了雷達(dá)成像精度又加快了雷達(dá)成像速度，有效解決了無法進(jìn)行大尺度高分辨雷達(dá)實時成像的技術(shù)難題。
【專利說明】
一種基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及雷達(dá)成像技術(shù)，具體涉及一種基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速 成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，雷達(dá)成像系統(tǒng)如今已被廣泛應(yīng)用于地理科學(xué)、醫(yī)學(xué)及 其他各種軍事與民用場景。由于雷達(dá)成像系統(tǒng)采用的是高頻電磁波，其具有較強(qiáng)的非金屬 穿透能力，可以實現(xiàn)對隱藏目標(biāo)的有效探測。例如:在夜晚，針對敵方軍事基地進(jìn)行遙感成 像，可以及時洞察敵軍的軍事行動;在反恐行動及人質(zhì)解救過程中，對墻后非合作目標(biāo)進(jìn)行 高分辨成像，可以為制定營救方法提供有力參考;在飛機(jī)場與火車站等公共場所，快速無害 地對旅客行李進(jìn)行安全掃描，可以確保人民群眾的生命與財產(chǎn)安全不受侵害。
[0003] 目前雷達(dá)成像模型多采用爆炸元模型和波恩近似模型，這兩種模型在一定程度上 都忽略了回波信號的幅度衰減，成像目標(biāo)的各向異性特性，不同頻段電磁波與成像目標(biāo)的 作用效果不同，以及目標(biāo)之間的多次散射作用。由上述分析可知，目前的雷達(dá)成像模型與實 際成像系統(tǒng)存在較大偏差，因而為高分辨雷達(dá)成像的實現(xiàn)設(shè)置了無法逾越的障礙。提高建 模精度是實現(xiàn)高分辨雷達(dá)成像的根本途徑。
[0004] 雷達(dá)成像過程是典型的電磁逆問題，其病態(tài)性和高計算復(fù)雜度一直是科學(xué)研究的 焦點(diǎn)。目前求解電磁逆問題的方法主要有兩類：1、偏移方法:偏移方法是基于爆炸元模型， 其假設(shè)目標(biāo)是由一系列孤立的點(diǎn)構(gòu)成，一般采用后向投影算法或時間反轉(zhuǎn)算法實現(xiàn)。其典 型算法如距離多普勒。偏移方法局限于窄頻帶與小視角的遠(yuǎn)場成像系統(tǒng)。2、層析方法:基于 波恩近似模型，其假設(shè)目標(biāo)是弱散射物質(zhì)。雖然層析方法的成像精度高于偏移方法，但是層 析方法的計算復(fù)雜度要遠(yuǎn)高于偏移方法。
[0005] 綜上分析可知：上述兩種求解方法均存在計算量大，僅適用于較低頻段與較小目 標(biāo)尺寸的缺點(diǎn)，面對大尺度高分辨率成像問題則兩種方法均無能為力。目前雷達(dá)成像過程 由于受限于上述兩種過于簡單的成像模型，致使成像結(jié)果中大量鬼影的存在，其為后處理 過程中目標(biāo)識別與分類帶來了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。
[0006] 因此，如何在現(xiàn)有雷達(dá)硬件體制條件下，提出更高精確的雷達(dá)成像模型并提高雷 達(dá)成像效率，實現(xiàn)大尺度高分辨雷達(dá)實時成像是本領(lǐng)域技術(shù)人員所急需解決的極具挑戰(zhàn) 性的關(guān)鍵技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決上述關(guān)鍵技術(shù)難題，本發(fā)明提出了一種基于廣義反射率模型的高分辨雷 達(dá)快速成像方法。
[0008] 本發(fā)明的基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法，包括以下步驟：
[0009] 1)建立雷達(dá)成像系統(tǒng)，獲取雷達(dá)散射數(shù)據(jù)：
[0010]雷達(dá)成像系統(tǒng)包括T個發(fā)射機(jī)，R個接收機(jī)，發(fā)射信號的頻率個數(shù)為F，發(fā)射機(jī)依次 向目標(biāo)成像區(qū)域發(fā)射信號，并由全部接收機(jī)接收回波信號，則當(dāng)?shù)趖個發(fā)射機(jī)發(fā)射信號后， 各個接收機(jī)處接收到的回波信號依次為yF,t= [yF,t,i; y F,t,2;…y F,t,R]，其中，T和R分別為 2 2的自然數(shù)4 = 1，2，~，1^為2 2的自然數(shù)；
[0011] 2)建立廣義反射率模型：
[0012] 廣義反射率模型是建立在傳統(tǒng)的波恩近似模型基礎(chǔ)上，并包含成像目標(biāo)的各向異 性特性與頻率特性，即不同角度發(fā)射機(jī)下成像目標(biāo)的反射率不同，不同工作頻率下成像目 標(biāo)的反射率不同的特性；
[0013] 3)數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)整合：
[0014] a)接收機(jī)接收頻域回波信號；
[0015] b)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)性特征，依據(jù)廣義反射率模型，將雷達(dá)成像系統(tǒng)劃分 為K個子孔徑或子頻帶，并將目標(biāo)成像區(qū)域劃分為B個子成像區(qū)域，根據(jù)上述劃分結(jié)果，對頻 域回波信號進(jìn)行組合整理，得到關(guān)于第b個子成像區(qū)域與第k個子孔徑或子頻帶的回波數(shù)據(jù) 函數(shù)y(k,b)，其中，k=l，2,…，K，b = l，2，···，B，根據(jù)自由空間并矢格林函數(shù)構(gòu)造雷達(dá)成像系 統(tǒng)函數(shù)A(k,b)，則廣義反射率X(k,b)滿足方程（1):
[0016] y(k，b)=A(k，b)x(k，b)+n(k，b) (1)
[0017]其中，n(k,b)表示模型誤差，則雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為求解方程（1)中未知數(shù)x( k,b)的 逆問題；
[0018] c)在方程（1)兩邊分別乘以系統(tǒng)函數(shù)A(k,b)的共輒轉(zhuǎn)置矩陣4^^)，即對方程（1)進(jìn) 行對偶變換得到方程(2):
[0019]
(2)
[0020]其中，B(fc,fc:)二是表不圖像處理的系統(tǒng)函數(shù)，2細(xì)）=4(fc力:):y(fe力)是表不 后向投影成像結(jié)果，是模型誤差，上述對偶變換將傳統(tǒng)的雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為基于物 理機(jī)制的雷達(dá)圖像處理問題；
[0021] 4)對子成像區(qū)域進(jìn)行并行成像：
[0022] 基于廣義反射率模型，針對方程(2)根據(jù)梯度迭代算法對各個子成像區(qū)域進(jìn)行并 行成像，第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的第m次迭代得到廣義反射率^^. &)滿 足方程(3):
[0023]
(3)
[0024] 其中 的第k個子孔徑或子頻帶的第m 次迭代的步長 第b個子成像區(qū)域下的第k個子 孔徑或子頻帶的第m次迭代的梯度函數(shù)；
[0025] 利用廣義反射率模型將第b個子成像區(qū)域下的所有K個子孔徑的成像結(jié)果Χ(μ)進(jìn) 行圖像融合，得到第b個子成像區(qū)域的成像結(jié)果x (b):
[0026]
(4)
[0027]其中，N表示Χ(Μ)的元素個數(shù)，η代表第η個元素，n=l，2,…，N，p和q是范數(shù)指數(shù)；
[0028] 5)圖像融合：
[0029] 將B個子成像區(qū)域的成像結(jié)果x(b)進(jìn)行圖像融合可得到一幅完整目標(biāo)成像區(qū)域的 高分辨雷達(dá)成像圖像X。
[0030] 其中，在步驟1)中，本發(fā)明的雷達(dá)成像系統(tǒng)適用于常用的各種雷達(dá)成像系統(tǒng);雷達(dá) 成像系統(tǒng)的各個發(fā)射機(jī)依次發(fā)射電磁波，所有接收機(jī)同時接收回波信號。
[0031] 在步驟2)中，廣義反射率模型擴(kuò)展了原有波恩近似模型，并假設(shè)不同角度不同頻 率的發(fā)射信號在成像目標(biāo)處所產(chǎn)生的感應(yīng)電流不同。由電磁積分方法可知，接收機(jī)接收到 的散射場可表不為公式(5):
[0032] E(rs；f ,rt) = i ?y〇Jvdr,G(rs,r, ；f) · J(T^fjrt) (5)
[0033] 其中，G (rs，r \ f)是自由空間中的三維并矢格林函數(shù)，rt為發(fā)射機(jī)的位置，r s為接 收機(jī)的位置，W為成像目標(biāo)的位置，f為工作頻率，ω是角工作頻率，J(r'，f;rt)表示第t個 發(fā)射機(jī)發(fā)射電磁波，在目標(biāo)r'處所產(chǎn)生的隨工作頻率f變化的感應(yīng)電流，μ〇是真空中的磁導(dǎo) 率。根據(jù)廣義反射率模型，公式(5)可以簡寫為公式(6):
[0034] y(f,t)=A(f,t)x(f,t)+n(f,t)f =1,2,··· ,F,t = l,2,··· ,T (6)
[0035] 其中，F(xiàn)為頻率個數(shù)，T為發(fā)射機(jī)個數(shù)。
[0036] 直接求解公式(6)將導(dǎo)致所需要求解的未知數(shù)急劇增加，令成像問題更加復(fù)雜。本 發(fā)明利用成像目標(biāo)的三種稀疏特性，提出利用劃分子孔徑和子頻帶的方法來降低未知數(shù)的 個數(shù)，從而降低成像難度。成像目標(biāo)的三種稀疏特性包括：
[0037] 1、當(dāng)固定廣義反射率x(f, t)中發(fā)射機(jī)t和頻率f，廣義反射率x(f, 在某種變換域內(nèi) 一定是稀疏的；
[0038] 2、對于一組廣義反射率列向量{x(f,t)，f =1，2,…，F(xiàn)，t=l，2,…，T}均描述的是發(fā) 射信號在目標(biāo)處所產(chǎn)生的感應(yīng)電流，因而其具有共同的物理基礎(chǔ)，則廣義反射率具 有聯(lián)合稀疏的結(jié)構(gòu)特性，這種稀疏特性可以利用(P，q)混合范數(shù)(如式4)來測量；
[0039] 3、由于一組廣義反射率均描述的是成像目標(biāo)上的感應(yīng)電流，令為列向 量，因而其橫向合并生成的矩陣X是低秩矩陣。
[0040] 基于上述三種稀疏特性，可以通過劃分子孔徑和子頻帶的方式來求解公式(6)。則 公式(6)可以簡化為公式(7):
[0041] y(k)=A(k)x(k)+n(k) (7)
[0042] 其中，k = l，2,…，K，K表示子孔徑或子頻帶的個數(shù)。
[0043] 在步驟3)的a)中，如果接收機(jī)接收到的回波信號為時域回波信號，則利用快速傅 里葉變換FFT將時域回波信號變換為頻域回波信號。
[0044] 在步驟3)的b)中，為了實現(xiàn)分布式計算，本發(fā)明利用圖像處理系統(tǒng)函數(shù)的兩種結(jié) 構(gòu)特性，分別提出兩種不同的子成像區(qū)域劃分方法：
[0045] i.忽略遠(yuǎn)場效應(yīng)法:利用兩個距離較遠(yuǎn)元素之間的相關(guān)性或作用效果較弱的特 點(diǎn)，將目標(biāo)成像區(qū)域劃分為B個邊緣重疊的子成像區(qū)域，忽略距離較遠(yuǎn)元素之間的影響；
[0046] ii.鄰元常數(shù)法:利用兩個相鄰元素之間的相互作用近似為一個常數(shù)，將相鄰元素 反射率在同一方程中置為相同值，即將原有的目標(biāo)成像區(qū)域劃分為B個相互交錯的子成像 區(qū)域，求解的大尺度多元線性方程組近似為一系列小尺度的多元線性方程。
[0047] 根據(jù)子孔徑和子成像區(qū)域的結(jié)構(gòu)構(gòu)造回波數(shù)據(jù)函數(shù)y(k,b)和雷達(dá)成像系統(tǒng)函數(shù) A(k，b) ο
[0048] 在式（I)中等式兩邊同乘以(A(k,b)r，從而將傳統(tǒng)的雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為基于物理 機(jī)制的圖像處理問題。
[0049] 在步驟4)中，基于廣義反射率模型，根據(jù)梯度迭代算法對方程（2)進(jìn)行分布式求 解，對各個子成像區(qū)域進(jìn)行并行成像的具體成像過程如下：
[0050] a)迭代計算各個子孔徑或子頻帶下的成像結(jié)果：
[0051] i.迭代第m次，計算第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的梯度函數(shù)
[0052]
[0053] ii.迭代第m次，更新第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的步長因子
沖U):
[0054]
[0055] iii.迭代第m次，更新第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的廣義反射率
xQc,b) '·
[0056]
[0057] iv.判斷是否滿足迭代條件，如滿足，則進(jìn)入步驟b)，如不滿足，則返回步驟i); [0058] b)將第b個子成像區(qū)域的不同子孔徑的成像結(jié)果Χ(Μ)融合成一幅圖像x(b)。
[0059] 在步驟5)中，根據(jù)步驟3的b)中子成像區(qū)域劃分的方法，確定圖像融合的方法;如 果子成像區(qū)域劃分方法采用忽略遠(yuǎn)場效應(yīng)法，則圖像融合采用加權(quán)平均的方法;如果子成 像區(qū)域劃分方法采用鄰元常數(shù)法，則圖像融合采用插值的方法。
[0060] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0061] 本發(fā)明擴(kuò)展了現(xiàn)有雷達(dá)成像的波恩近似模型，在模型中加入目標(biāo)的各向異性特性 與目標(biāo)對不同頻段信號的作用效果不同的特性，首次提出了廣義反射率模型；該模型與實 際信號模型更加接近，增強(qiáng)了雷達(dá)成像效果，為實現(xiàn)高分辨雷達(dá)成像奠定了模型基礎(chǔ);并首 次提出了利用目標(biāo)廣義反射率的三種稀疏特性將雷達(dá)成像系統(tǒng)劃分為子孔徑或子頻帶進(jìn) 行近似計算;首次提出根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)特性將成像區(qū)域劃分為一系列子成像區(qū)域，即將一個 大尺度電磁逆問題轉(zhuǎn)化為一系列小尺度電磁逆問題，大大加速了成像速度;進(jìn)一步提出利 用對偶變換將傳統(tǒng)的雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為基于物理機(jī)制的圖像處理問題;本發(fā)明既保證了 雷達(dá)成像精度又加快了雷達(dá)成像速度，有效解決了無法進(jìn)行大尺度高分辨雷達(dá)實時成像的 技術(shù)難題。
【附圖說明】
[0062] 圖1為本發(fā)明的基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法的實施例一和實 施例二所對應(yīng)場景的三維仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0063] 圖2為根據(jù)本發(fā)明的基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法的實施例一 得到的成像結(jié)果圖，其中，圖（a)~(f)分別為劃分的子成像區(qū)域B的個數(shù)為1、3、9、27、63和 127的成像結(jié)果圖；
[0064] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法的實施例二 得到的成像結(jié)果圖，其中，圖（a)~(f)分別為劃分的子成像區(qū)域B的個數(shù)為1、4、8、12、24和 32的成像結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0065] 下面結(jié)合附圖，通過具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0066] 實施例一
[0067] 在本實施例中，三維仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，雷達(dá)成像系統(tǒng)采用收發(fā)分置的多 輸入多輸出天線技術(shù)MIMO(Multiple_Input Multiple-Output)雷達(dá)成像系統(tǒng)。
[0068] 本實施例的基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法，包括以下步驟：
[0069] 1)建立雷達(dá)成像系統(tǒng)，獲取雷達(dá)散射數(shù)據(jù)：
[0070] 雷達(dá)成像系統(tǒng)包括四個發(fā)射機(jī)1~4,240個接收機(jī)，發(fā)射信號的帶寬為1~3Ghz，發(fā) 射機(jī)向目標(biāo)成像區(qū)域發(fā)射信號，由接收機(jī)接收回波信號，第t個發(fā)射機(jī)發(fā)射信號后，則各個 接收機(jī)處的回波信號可表不為yF,t= [yF,t,i; y F,t,2;…y F,t,R];圖1中的四個三角形代表4個 發(fā)射機(jī)1~4;與其在同一三維平面的圓點(diǎn)為雷達(dá)接收機(jī)，均位于y=0平面;雷達(dá)發(fā)射信號采 用高斯調(diào)制脈沖波;一個三維卡通人物目標(biāo)位于雷達(dá)成像系統(tǒng)的正前方，其介電常數(shù)為50， 頭部由一個直徑為0.44m的圓球構(gòu)成，胳膊和腿均由直徑為0.1 m的圓柱體構(gòu)成，卡通人物總 高度約為1.8m。其他系統(tǒng)參數(shù)均繪制在圖1上，目標(biāo)成像區(qū)域被剖分成0.1 m X 0.1 m X 0.1 m大 小的正方體網(wǎng)格。
[0071] 2)建立廣義反射率模型：
[0072] 廣義反射率模型是在傳統(tǒng)的波恩近似模型的基礎(chǔ)上，使其包含成像目標(biāo)的各向異 性特性，以及不同頻段對成像目標(biāo)的作用效果不同的特點(diǎn)，即不同角度不同頻率的發(fā)射信 號在成像目標(biāo)處所產(chǎn)生的感應(yīng)電流不同。此處四個發(fā)射機(jī)則代表四個子孔徑。
[0073] 3)數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)整合：
[0074] a)由于接收機(jī)接收到的回波信號為時域回波信號，利用快速傅里葉變換FFT將時 域回波信號變換為頻域回波信號；
[0075] b)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)性特征，依據(jù)廣義反射率模型，將雷達(dá)成像系統(tǒng)劃分 為4個子孔徑，即每一個發(fā)射機(jī)為一個子孔徑，根據(jù)忽略遠(yuǎn)場效應(yīng)法將目標(biāo)成像區(qū)域劃分為 B個子成像區(qū)域，本實施例將目標(biāo)成像區(qū)域分別劃分為8=1、3、9、27、63和127個子成像區(qū) 域;根據(jù)上述劃分結(jié)果，對頻域回波信號進(jìn)行組合整理，得到關(guān)于第b個子成像區(qū)域與第k個 子孔徑的回波數(shù)據(jù)函數(shù)y(k, b)，根據(jù)自由空間中的并矢格林函數(shù)構(gòu)造雷達(dá)成像的系統(tǒng)函數(shù) A(k，b)，?兩足：
[0076] y(k,b)=A(k,b)x(k,b)+n(k,b)
[0077] 則雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為求解方程（1)中未知數(shù)x(k,b)的逆問題，其中，x(k, b)為廣義 反射率；
[0078] c)對偶變換:在上式兩端均乘以矩陣(A(k,b)r得到圖像處理的系統(tǒng)函數(shù)B(k,b)及后 向投影成像結(jié)果Z(M):
[0079]
[0080] 將傳統(tǒng)的雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為基于物理機(jī)制的雷達(dá)圖像處理問題。
[0081] 4)對子成像區(qū)域進(jìn)行并行成像:基于廣義反射率模型，針對方程(2)根據(jù)梯度迭代 算法對各個子成像區(qū)域進(jìn)行并行成像，其第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑的第m次迭代 得到廣義反射率滿足方程(3)BP :
[0082]
[0083] 其中：
I第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑的第m次迭代的步 長因子
，為第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑的第m次 迭代的梯度函數(shù)；
[0084] 利用廣義反射率模型，將第b個子成像區(qū)域下的所有K個子孔徑的成像結(jié)果Χ(Μ)(1 < k < K，I < b < Β)進(jìn)行圖像融合，得到第b個子成像區(qū)域的成像結(jié)果x(b)(l < b < Β)。本實施 例采用（1,2)混合范數(shù)，其過稈如下式：
[008?
[0086]其中，N表示Χ(Μ)的元素個數(shù)，η代表第η個元素。
[0087] 5)圖像融合：
[0088]將B個子成像區(qū)域的成像結(jié)果進(jìn)行圖像融合可得到一幅完整目標(biāo)成像區(qū)域的高分 辨雷達(dá)成像結(jié)果，劃分的子成像區(qū)域的個數(shù)不同，分別得到不同的成像效果，如圖2所示。劃 分不同個數(shù)的子成像區(qū)域與平均成像時間的關(guān)系如下表1所示：
[0090] 表 1
[0091] 從表1中可以看出，隨著子成像區(qū)域的個數(shù)增多，平均成像時間以指數(shù)級降低，可 以看出子成像區(qū)域的劃分大大加快了成像速度。但由圖2可知，隨著子成像區(qū)域的個數(shù)增 多，成像效果也越來越差，目標(biāo)越來越難以辨認(rèn)。則可以看出成像速度和成像效果需要得到 有效的折中。但是從圖2和表1中也可以發(fā)現(xiàn)成像時間短但成像效果又好的成像結(jié)果，如圖 中c和d。
[0092] 實施例二
[0093] 在本實施例中，根據(jù)步驟3)的b)中第二種子成像區(qū)域劃分方法，即鄰元常數(shù)法將 目標(biāo)成像區(qū)域劃分為B個子成像區(qū)域，本實施例將目標(biāo)成像區(qū)域分別劃分為B=l、4、8、12、 24和32個子成像區(qū)域。其他同實施例一。劃分的子成像區(qū)域的個數(shù)不同，分別得到不同的成 像效果，如圖3所示。
[0094] 本實施例中，劃分不同個數(shù)的子成像區(qū)域與平均成像時間的關(guān)系如下表2所示：
[0097]表 2
[0098]從表2中可以看出，實施例二驗證了實施例一結(jié)論的正確性:隨著子成像區(qū)域的個 數(shù)增多，平均成像時間以指數(shù)級降低，可以看出子成像區(qū)域的劃分大大加快了成像速度。但 由圖3可知，隨著子成像區(qū)域的個數(shù)增多，成像效果也稍有惡化。因而成像速度和成像效果 需要得到有效的折中。但是從圖3和表2中也可以發(fā)現(xiàn)成像時間短但成像效果又好的成像結(jié) 果，如圖中c和d。
[0099]最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修 改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán) 利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于廣義反射率模型的高分辨雷達(dá)快速成像方法，其特征在于，所述成像方法 包括W下步驟： 1) 建立雷達(dá)成像系統(tǒng)，獲取雷達(dá)散射數(shù)據(jù)： 雷達(dá)成像系統(tǒng)包括T個發(fā)射機(jī)，R個接收機(jī)，發(fā)射信號的頻率個數(shù)為F，發(fā)射機(jī)依次向目 標(biāo)成像區(qū)域發(fā)射信號，并由全部接收機(jī)接收回波信號，則當(dāng)?shù)趖個發(fā)射機(jī)發(fā)射信號后，各個 接收機(jī)處接收到的回波信號依次為7。,*=^。,*,1巧。,*,2;。節(jié),*,山其中，巧郵分別為>2的自 然數(shù)，t = l，2,…，T，F(xiàn)為>2的自然數(shù)； 2) 建立廣義反射率模型： 廣義反射率模型是建立在波恩近似模型基礎(chǔ)上，并包含成像目標(biāo)的各向異性特性與頻 率特性，即不同角度發(fā)射機(jī)下成像目標(biāo)的反射率不同，不同工作頻率下成像目標(biāo)的反射率 不同的特性； 3) 數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)整合： a) 接收機(jī)接收頻域回波信號； b) 根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)函數(shù)的結(jié)構(gòu)性特征，依據(jù)廣義反射率模型，將雷達(dá)成像系統(tǒng)劃分為K個 子孔徑或子頻帶，并將目標(biāo)成像區(qū)域劃分為B個子成像區(qū)域，根據(jù)上述劃分結(jié)果，對頻域回 波信號進(jìn)行組合整理，得到關(guān)于第b個子成像區(qū)域與第k個子孔徑或子頻帶的回波數(shù)據(jù)函數(shù) y(k,b)，其中，k= 1，2，…，k，b = 1，2，…，B，根據(jù)自由空間并矢格林函數(shù)構(gòu)造雷達(dá)成像系統(tǒng)函 數(shù)A(k,b)，則廣義反射率x(k,b)滿足方程（1): y(k,b)=A 化，b)x 化，b)+n 化，b) (1) 其中，n(k,b)表示模型誤差，則雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為求解方程（1)中未知數(shù)x(k,b)的逆問 題； C化方程(1)兩邊分別乘W系統(tǒng)函數(shù)前共輛轉(zhuǎn)置矩陣斬W，即對方程(1)進(jìn)行對偶 變換得到方程(2):其中，份=斟炸斯是表示圖像處理的系統(tǒng)函數(shù)，Z典巧=苗斯.y體:斯是表示后向 投影成像結(jié)果，n(k,b)是模型誤差，上述對偶變換將雷達(dá)成像問題轉(zhuǎn)化為基于物理機(jī)制的雷 達(dá)圖像處理問題； 4) 對子成像區(qū)域進(jìn)行并行成像： 基于廣義反射率模型，針對方程(2)根據(jù)梯度迭代算法對各個子成像區(qū)域進(jìn)行并行成 像， 第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的第m次迭代得到廣義反射率X裹巧滿足方 程(3):其中，<為第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的第m次迭 代的步長因子，d震巧=巧;fc,b)(技化的嗎U) - Z化6))，為第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑 或子頻帶的第m次迭代的梯度函數(shù)； 利用廣義反射率模型將第b個子成像區(qū)域下的所有K個子孔徑的成像結(jié)果x(k,b)進(jìn)行圖 像融合，得到第b個子成像區(qū)域的成像結(jié)果XW:其中，N表示x(k,b)的元素個數(shù)，η代表第η個元素，n= 1，2，…，N，P和q是范數(shù)指數(shù)； 5)圖像融合： 將B個子成像區(qū)域的成像結(jié)果XW進(jìn)行圖像融合可得到一幅完整目標(biāo)成像區(qū)域的高分 辨雷達(dá)成像圖像X。2. 如權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于，在步驟3)的a)中，如果接收機(jī)接收到的 回波信號為時域回波信號，則利用快速傅里葉變換FFT將時域回波信號變換為頻域回波信 號。3. 如權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于，在步驟3)的b)中，子成像區(qū)域劃分包括 兩種不同的方法： i. 忽略遠(yuǎn)場效應(yīng)法:利用兩個距離較遠(yuǎn)元素之間的相關(guān)性或作用效果較弱的特點(diǎn)，將 目標(biāo)成像區(qū)域劃分為B個邊緣重疊的子成像區(qū)域，忽略距離較遠(yuǎn)元素之間的影響； ii. 鄰元常數(shù)法:利用兩個相鄰元素之間的相互作用近似為一個常數(shù)，將相鄰元素反射 率在同一方程中置為相同值，即將原有的目標(biāo)成像區(qū)域劃分為B個相互交錯的子成像區(qū)域， 求解的大尺度多元線性方程組近似為一系列小尺度的多元線性方程組。4. 如權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于，在步驟4)中，基于廣義反射率模型，根據(jù) 梯度迭代算法對方程(2)進(jìn)行分布式求解，對各個子成像區(qū)域進(jìn)行并行成像的具體成像過 程如下： a) 迭代計算各個子孔徑或子頻帶下的成像結(jié)果： i .迭代第m次，計算第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的梯度函數(shù)ii. 迭代第m次，更新第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的步長因子iii. 迭代第m次，更新第b個子成像區(qū)域下的第k個子孔徑或子頻帶的廣義反射率X震iv. 判斷是否滿足迭代條件，如滿足，則進(jìn)入步驟b)，如不滿足，則返回步驟i); b) 將第b個子成像區(qū)域的不同子孔徑的成像結(jié)果x(M)融合成一幅圖像x(b)。5. 如權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于，在步驟5)中，根據(jù)子成像區(qū)域劃分的方 法，確定圖像融合的方法。6. 如權(quán)利要求5所述的成像方法，其特征在于，如果子成像區(qū)域劃分方法采用忽略遠(yuǎn)場 效應(yīng)法，則圖像融合采用加權(quán)平均的方法;如果子成像區(qū)域劃分方法采用鄰元常數(shù)法，則圖 像融合采用插值的方法。
【文檔編號】G01S13/89GK105842689SQ201610185053
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】王龍剛, 李廉林
【申請人】北京大學(xué)