一种用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理方法、装置与流程

本发明涉及穿墙雷达技术领域，尤其涉及一种用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理方法、装置。

背景技术：

穿墙雷达利用电磁波的穿透性及传输特性，可穿过墙体等非金属介质对墙后区域进行探测，通过对墙后区域的回波信号进行一系列数据处理，可探测跟踪多个隐蔽人体目标，因而被广泛应用于城市巷战、反恐斗争、和灾后救援等军事民事领域。在探测过程中，采用传统的如后向投影(backprojection，bp)算法得到的图像中，目标周围还会残留一些椭圆线的杂波从而易造成虚警，同时图像的信号曲线不平滑也会出现很多毛刺信号带来的干扰，进而影响建筑物内目标的精确检测和判断，因此针对穿墙雷达的探测信号需要优化信号质量，其中关键即为抑制杂波。

针对雷达信号的杂波抑制目前通常是基于仿真阶段的处理方法，并不是针对实际探测环境，所取的环境都较为理想，而实际应用时雷达所处探测环境较为复杂，该类雷达信号处理方式的处理性能不佳，并不能有效的滤除实际探测环境中的杂波信号。

有从业者提出使用多径机理分析来实现穿墙雷达室内多径抑制，即首先分析室内多径信号传播模型，得到室内常见的两种多径回波信号分量：目标和墙体之间的多径分量、目标之间的多径分量；然后基于双圆解析表达式求得任意两圆交点的位置，并详细分析交点位置与孔径大小以及孔径中心位置之间的关联性，再通过求解交点聚焦后散射区域的中心位置得到虚假像的位置随子孔径移动而改变的结论；最后利用虚假像的中心位置以及能量在不同位置或不同大小的子孔径内变化大的特点，采用子孔径双层融合法抑制多径虚假像。但是上述雷达处理方法基于多径机理来实现多径抑制，需要依赖模型分析及大量的计算过程，实现复杂、成本较高且效率低，不适用于实时性要求高的场合，且仍然无法滤除bp成像中椭圆线等的杂波而造成虚警。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、能够实现穿墙雷达合成孔径图像中杂波实时抑制，减少虚警率且不损失目标能量的用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理方法、装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理方法，步骤包括：

s1.回波信号获取：使用穿墙雷达对目的区域进行探测，获取得到多通道回波信号；

s2.多通道相干成像：将所述多通道回波信号中各通道回波域信号分别进行成像并进行相干叠加，得到图像域数据；

s3.图像域聚焦优化：对所述图像域数据进行聚焦处理以将目标的区域的能量进行一次能量聚焦，得到优化处理后的图像域数据输出。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s3中使用绕射叠加算法对所述图像域数据进行聚焦处理。

作为本发明方法的进一步改进：所述使用绕射叠加算法对所述图像域数据进行聚焦处理时，先根据虚拟孔径进行路径重构，形成长度小于预设阈值的一小段反抛物线，得到重构路径，由所述重构路径与目标的区域重合实现目标的能量聚焦。

作为本发明方法的进一步改进：所述进行路径重构时，根据雷达到目标的距离确定所述图像域数据中所需聚焦的目的点，沿着方位对目的点进行路径重构，得到重构路径；将所述重构路径上各点的能量进行叠加处理并作为目的点处能量，实现目的点处的能量聚焦。

作为本发明方法的进一步改进：所述使用绕射叠加算法对所述图像域数据进行聚焦处理的步骤包括：

s31.将所述图像域数据划分网格；

s32.遍历网格中各个点，根据雷达到目标的距离确定当前遍历点是否为所需聚焦的目的点，当遍历到目的点时，沿着方位对目的点进行路径重构，形成长度小于预设阈值的一小段反抛物线，得到重构路径；将所述重构路径上各点的能量进行叠加处理并作为目的点处能量；

s33.遍历完所述图像域数据的网格中各个点后，得到聚焦处理后的图像域数据。

作为本发明方法的进一步改进：所述将所述重构路径上各点的能量进行叠加处理时，具体将叠加处理结果除以叠加点数作为目的点处能量。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s3中将聚焦处理后结果进行cf加权，得到最终优化处理后的图像域数据。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s2中各通道回波域信号采用后向投影bp算法进行成像。

一种用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理装置，包括：

回波信号获取模块，用于使用穿墙雷达对目的区域进行探测，获取得到多通道回波信号；

多通道相干成像模块，用于将所述多通道回波信号中各通道回波域信号分别进行成像并进行相干叠加，得到图像域数据；

图像域聚焦优化模块，用于对所述图像域数据进行聚焦处理以将目标的区域的能量进行一次能量聚焦，得到优化处理后的图像域数据输出。

作为本发明装置的进一步改进：所述图像域聚焦优化模块中使用绕射叠加算法对所述图像域数据进行聚焦处理，先根据虚拟孔径进行路径重构，形成长度小于预设阈值的一小段反抛物线，得到重构路径，由所述重构路径与目标的区域重合实现目标的能量聚焦。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过实时探测得到穿墙雷达回波信号进行处理，将各通道回波域数据相干成像得到的图像域数据再进行能量聚焦，将目标的区域的能量进行一次能量聚焦，可以有效抑制如椭圆线等的目标杂波，减小虚警率的产生，同时基于聚焦处理不会损失目标能量，使得目标主瓣优化后曲线能够更加平滑，峰值位置也能够变得更为精确。

2、本发明利用绕射叠加算法对有散焦的bp图像进一次聚焦处理，处理效率高、运算速度快，可以在原有图像域包络信号的基础上快速使得图像更加平滑和聚焦，且处理后不会改变原有图像的能量，各个目标能量基本能够保持不变化，从而改善图像质量，且基于绕射叠加算法可以适用于雷达探测单目标、多目标和大角度目标等各类场景中。

3、本发明通过使用绕射叠加算法对得到的图像域数据根据虚拟孔径重构路径，由重构路径与主目标的区域重合使得主目标的能量聚集，而重构路径与椭圆线方向相反且相交区域较少可以降低椭圆线的杂波的能量，从而能够有效实现去杂波的效果，且仅需取一小段反抛物线进行重构路径，可以减少运算量、提高运算速度，进而有效提高处理效率，通过改变反抛物线的弯曲弧度即可方便的调整聚焦效果。

附图说明

图1是本实施例用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理方法的实现流程示意图。

图2是本实施例中使用绕射叠加算法实现能量聚焦的原理示意图。

图3是本实施例中基于绕射叠加算法实优化处理的原理示意图。

图4是本实施例中实现图像域聚焦优化的实现流程示意图。

图5是本实施例中实现使用绕射叠加算法实现能量聚焦的详细实现流程示意图。

图6是本实施例中实现单目标能量叠加的原理示意图。

图7是在具体应用实施例中实现单目标能量叠加得到的图像结果示意图。

图8是在具体应用实施例中实现单目标能量叠加得到的距离向一维图。

图9是本实施例中实现另一个位置的大角度目标能量叠加的原理示意图。

图10是在具体应用实施例中实现另一个位置的大角度目标能量叠加得到的图像结果示意图。

图11是在具体应用实施例中实现另一个位置的大角度目标能量叠加得到的距离向一维图。

图12是本实施例中进行多目标能量叠加的原理示意图。

图13是在具体应用实施例中进行多目标能量叠加得到的图像结果示意图。

图14是在具体应用实施例中进行多目标能量叠加得到的距离向一维图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理方法步骤包括：

s1.回波信号获取：使用穿墙雷达对目的区域进行探测，获取得到多通道回波信号；

s2.多通道相干成像：将多通道回波信号中各通道回波域信号分别进行成像并进行相干叠加，得到图像域数据；

s3.图像域聚焦优化：对图像域数据进行聚焦处理以将目标的区域的能量进行一次能量聚焦，得到优化处理后的图像域数据输出。

本实施例通过实时探测得到穿墙雷达回波信号进行处理，将各通道回波域数据相干成像后得到的图像域数据再进行能量聚焦，以将目标的区域的能量进行一次能量聚焦，可以有效抑制如椭圆线等的目标杂波，减小虚警率的产生，同时基于聚焦处理不会损失目标能量，使得目标主瓣优化后曲线能够更加平滑，峰值位置也能够变得更为精确。

本实施例首先步骤s1固定超宽带穿墙雷达在指定位置，穿墙雷达系统使用多发多收的天线阵列，通过雷达对目标区域直接进行一次检测，获取得到目标区域的多通道回波信号；步骤s2对各通道回波域信号采用后向投影bp算法进行成像并进行相干叠加，得到图像域数据；后向投影bp算法得到的图像中，目标周围还会残留一些椭圆线的杂波而易造成虚警，通过步骤s3对图像域数据进行聚焦处理以将目标的区域的能量进行一次能量聚焦，抑制椭圆形等的杂波，得到优化处理后的图像域数据输出，优化处理后的曲线更为平滑、精确。

本实施例步骤s3中具体使用绕射叠加(rs)算法对图像域数据进行聚焦处理，绕射叠加(rs)算法的输入为bp算法之后图像域数据，输出聚焦处理后的图像域数据，实现一次能量聚焦。传统绕射叠加rs算法是用于复信号的雷达数据处理，即输入距离脉压后的雷达数据(复信号)，输出sar图像(包络)，本实施例利用绕射叠加算法对有散焦的bp图像进一次聚焦处理，算法输入为bp算法处理后的图像域包络信号，输出为聚焦后的图像域包络信号，处理效率高、运算速度快，可以在原有图像域包络信号的基础上快速使得图像更加平滑和聚焦，且处理后不会改变原有图像的能量，各个目标能量基本能够保持不变化，从而改善图像质量，且基于绕射叠加算法可以适用于雷达探测单目标、多目标和大角度目标等各类场景中。

本实施例中，使用绕射叠加算法对图像域数据进行聚焦处理时，具体先根据虚拟孔径进行路径重构，形成长度小于预设阈值的一小段反抛物线得到重构路径，由重构路径与目标的区域重合实现目标的能量聚焦。反抛物线的长度具体可配置为远小于椭圆线杂波的长度，可根据实际需求设定，若需加快运算速度快可以选取较小范围，若需提高图像质量可以选取较大范围。

雷达真实孔径范围通常很窄(如方位向大约80cm)，由于雷达天线有较大的波束宽度，进行bp算法处理得到虚拟孔径下的sar图像后，实现了方位向的扩展。如图2所示，虚拟孔径范围即为sar图像网格中方位向的范围，雷达在方位向上的x坐标轴移动形成虚拟孔径，本实施例使用绕射叠加算法也即为雷达在方位向上的x坐标轴的移动，根据雷达到目标的距离即可确定距离向上的y坐标轴位置，其中(x,y)即为重构路径所需聚焦的点。

本实施例上述通过使用绕射叠加算法对得到的图像域数据根据虚拟孔径重构一小段反抛物线的路径，由重构路径与主目标的区域重合使得主目标的能量聚集，而重构路径与椭圆线方向相反且相交区域较少可以降低椭圆线的杂波的能量，使得目标区域内的能量变高，杂波区域的能量变低，从而能够有效实现去杂波的效果，且仅需取一小段反抛物线进行重构路径，可以减少运算量、提高处理速度，进而有效提高处理效率。还可以进一步通过改变反抛物线的弯曲弧度来调整聚焦效果，进一步提高聚焦处理效果。重构路径具体也可以根据实际需求采用其他形式实现聚焦效果。

如图3所示，本实施例中进行路径重构时，根据雷达到目标的距离确定图像域数据中所需聚焦的目的点，沿着方位对目的点进行路径重构，得到重构路径；将重构路径上各点的能量进行叠加处理并作为目的点处能量，实现目的点处的能量聚焦，可以将目标点附近的点进行一次能量聚集，提高目标区域内的能量，同时降低杂波区域的能量，可以适用于单目标、多目标和大角度目标等各类雷达目标探测中进行优化处理。

本实施例具体基于绕射叠加(rs)算法使用如(1)、(2)所示计算公式来实现重构路径并且将主目标的区域的能量聚焦：

p(x,y)＝∫∫r(xi,yi,τi)dxidy(2)

其中，τi为成像点p到天线的时延，即网格中每个假设目标的时延，r为重构路径遍历点上的能量，c为电磁波在介质中传播的速度，p为点目标聚焦后的能量。

如图4、5所示，本实施例中使用绕射叠加算法对图像域数据进行聚焦处理的步骤包括：

s31.将图像域数据划分网格；

s32.遍历网格中各个点，根据雷达到目标的距离确定当前遍历点是否为所需聚焦的目的点，当遍历到目的点时，沿着方位对目的点进行路径重构，形成长度小于预设阈值的一小段反抛物线，得到重构路径；将重构路径上各点的能量进行叠加处理并作为目的点处能量；

s33.遍历完图像域数据的网格中各个点后，得到聚焦处理后的图像域数据。

本实施例对图像域数据中各网格点进行遍历，遍历到目标点时通过使用绕射叠加算法进行重构路径以及能量叠加，以对探测到的各目标进行一次聚焦，使得提高目标区域内的能量、降低杂波区域的能量，实现杂波抑制，同时由于重构路径范围为一小段反抛物线，可以有效减少网格的遍历次数，从而加快硬件的处理速度。

本实施例中，将重构路径上各点的能量进行叠加处理时，具体将叠加处理结果除以叠加点数作为最终目的点处能量。

在具体应用实施例中，使用绕射叠加算法对图像域数据进行聚焦处理的流程为：

①对成像场景划分网格并获得所有网格点坐标，对网格中每个点遍历一次。

②当遍历到(x，y)时，计算当前点的距离向的长度，沿着方位对该点进行路径重构，形成一个小的反抛物线，对在反抛物线上的点的能量进行叠加并除以叠加点数，最后把叠加后的结果赋值给p(x，y)。

③按以上步骤每个点遍历一次后，最终得到成像场景区域的新图像。

如图4所示，本实施例中步骤s3中将聚焦处理后结果再进行cf加权，即使用cf因子进行加权，得到最终优化处理后的图像域数据，加权因子具体可采用下式得到：

其中为每个孔径后向投影成像结果，k为雷达等效孔径数量。

当应用于单目标探测雷达信号处理时，进行单目标能量叠加原理如图6所示，在具体应用实施例中将本发明上述方法应用于单目标探测雷达信号处理得到的结果如图7、8所示，其中图7(a)对应为距离向10m的原始图像，图7(b)对应为经过本发明上述处理方法后得到的距离向10m优化处理后图像，图8对应为距离向10m位置的一维图；进行另一位置的大角度目标能量叠加原理如图9所示，在具体应用实施例中将本发明上述方法应用于大角度目标雷达信号得到的结果如图10、11所示，其中图10(a)对应为大角度目标的原始图像，图10(b)对应为经过本发明上述处理方法后得到的大角度目标优化处理后图像，图11对应为距离向10m位置的一维图；进行多目标能量叠加如图12所示，在具体应用实施例中将本发明上述方法应用于多目标探测雷达信号处理得到的结果如图13、14所示，其中图13(a)对应为4个目标的原始图像，图13(b)对应为经过本发明上述处理方法后得到的4个目标优化处理后图像，图14对应为距离向10m位置的一维图。如上述各图可知，图中显示数据在主瓣优化后，通过本发明优化处理方法，能够使得主瓣位置变得更精确，能量变得更集中，一维图中杂波信号也有明显的抑制效果，能够改善图像质量，且各个目标能量基本没有变化。

本实施例用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理装置，包括：

回波信号获取模块，用于使用穿墙雷达对目的区域进行探测，获取得到多通道回波信号；

多通道相干成像模块，用于将多通道回波信号中各通道回波域信号分别进行成像并进行相干叠加，得到图像域数据；

图像域聚焦优化模块，用于对图像域数据进行聚焦处理以将目标的区域的能量进行一次能量聚焦，得到优化处理后的图像域数据输出。

本实施例中，图像域聚焦优化模块中使用绕射叠加算法对图像域数据进行聚焦处理，先根据虚拟孔径进行路径重构，形成长度小于预设阈值的一小段反抛物线，得到重构路径，由重构路径与目标的区域重合实现目标的能量聚焦。

本实施例用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理装置与上述用于穿墙雷达的合成孔径成像优化处理方法为一一对应，在此不再一一赘述。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。