雷達一維距離像怎麼用matlab仿真出來,一種基于一維距離像的圓周合成孔徑雷達的成像方法與流程...

本發明涉及雷達成像技術領域，特别是一種基于一維距離像的圓周合成孔徑雷達的成像方法。

背景技術：

合成孔徑雷達是一種二維成像雷達，通常發射大時寬頻寬信号，通過頻寬擷取信号的距離分辨率，利用雷達平台與目标的相對運動，擷取方位向分辨率。較小的基陣就可以獲得比較大的分辨率。圓周合成孔徑雷達是一種新的三維成像模式，由美國紐約Mehrdad Soumekh教授首先提出(Soumekh M.Synthetic aperture radar signal processing[M].New York:Wiley,1999.)，依靠軌迹平台運動，雷達在一定的高度上做圓周運動，波束始終指向場景中心，突破了直線SAR觀測方位角度的限制，可以實作目标的高分辨率成像，并且具有高度向成像能力。

圓周合成孔雷達成像相關研究已經取得了一定進展，國外瑞典國防研究所、美國空軍研究實驗室、法國宇航局和德國航空太空中心等相繼進行了大量研究，國内中科院電子學研究所和微波成像技術國家重點實驗室展開了實驗研究，也取得了一些研究成果，展示出圓周SAR的獨特優勢和應用潛力。現有的圓周合成孔徑雷達成像方法主要有波前重建法、後向投影法、極坐标格式方法。其中波前重構算法需要最為直接的方法是後向投影法，這種方法成像精度高，又有較強魯棒性，但計算效率太低，針對這個問題有研究人員提出了幾種改進方法，提高了計算的效率，但是都沒有充分利用圓周SAR的幾何特性，算法的複雜度也有待于改進。

技術實作要素：

是以，針對現有技術的上述問題，本發明為解決傳統成像方法效率低下的問題，本發明提出一種基于一維距離像的圓周合成孔徑雷達的成像方法。

具體的，所述方法具體為：建立合成孔徑雷達成像系統三維幾何結構模型，設目标由N個散射點構成；通過疊代依次得到每個散射點的散射資訊，然後從回波信号中消除該散射點的影響，直至得到所有的散射資訊，完成目标的成像。

進一步的，所述方法中合成孔徑雷達成像系統三維幾何結構模型具體為：

雷達平台在高度為h的平面上，以半徑R做圓周運動，平台運動速度大小為v，角速度是ω＝v/R，觀測過程中波束斜向下始終指向底面中心，圓形觀測區域半徑為r；以圓周軌迹在底面投影的圓心為原點O，建立三維直角坐标系，以平行于雷達平台運作的平面為ρ-α平面，以垂直于ρ-α平面且過原點的向上的軸為Z軸，中心斜距斜面傾角θz＝arctan(h/R)，沿航迹目标角θρ＝arcsin(r/R)，均為确定常數；雷達方位角θ定義為雷達到原點連線在X-Y平面投影與X軸正方向的夾角；

假定雷達發射信号為p(t)，T為脈沖寬度，f0為信号頻率，γ為調頻率，具體表達式為公式1：

p(t)＝exp(j2πf0t)exp(jπγt2) (0≤t≤T) 公式1。

進一步的，所述方法中通過疊代依次得到每個散射點的散射資訊，然後從回波信号中消除該散射點的影響的具體步驟包括：

步驟1對雷達回波比對濾波，進行距離向壓縮，顯示壓縮後索引圖；

步驟2将索引圖轉化成二值圖，利用形态學方法進行細化，保留坐标意義與大小；

步驟3去除二值圖像分支點與交叉點，将曲線分成多段不連續；

步驟4對二值圖在距離向上求和，根據非零值的突變位置确定最大距離內插補點RPmaxi與最小距離RPmini；

步驟5在最大距離RPmax1上，利用連續非零元素數目和，确定方位角

步驟6在點(RP,θ)＝(RP1max,α)附近區域内進行曲線跟蹤，得到一段曲線；

步驟7依據跟蹤得到的曲線段進行随機抽樣一緻性算法拟合正弦曲線，估計出參數并記錄；

步驟8将參數代入方程，得到距離方位曲線，從二值圖中去除該曲線；

步驟9重複步驟3至步驟8，直至資料沒有正弦曲線時停止疊代。

本發明的技術效果為，本發明提出一種基于一維距離像的圓周合成孔徑雷達的成像方法，充分利用圓周SAR的幾何特性，算法簡便，提高了成像的計算效率。

附圖說明：

圖1為CSAR(合成孔徑雷達)成像系統幾何示意圖；

圖2為圖1的俯視圖；

圖3為圖1的側視圖；

圖4為反演點目标三維結構示意圖；

圖5為回波距離向壓縮示意圖；

圖6為二值圖；

圖7為骨架化處理圖；

圖8為去除分支點示意圖；

圖9為距離向求和示意圖；

圖10是區域生長得到的部分距離曲線圖；

圖11是拟合得到的距離曲線示意圖。

具體實施方式

下面對本發明的具體實施方式進行說明：

圖1至圖3為CSAR(合成孔徑雷達)成像系統幾何示意圖，雷達平台在高度為h的平面上，以半徑R做圓周運動，平台運動速度大小為v，角速度是ω＝v/R，觀測過程中波束斜向下始終指向底面中心，圓形觀測區域半徑為r。以圓周軌迹在底面投影的圓心為原點O，建立三維直角坐标系，以平行于雷達平台運作的平面為ρ-α平面，以垂直于ρ-α平面且過原點的向上的軸為Z軸，過圓心以據圖雷達平台到觀測區域中心的距離，即中心斜距為友善分析定義兩個角度：斜面傾角(俯仰角)θz＝arctan(h/R)，沿航迹目标角θρ＝arcsin(r/R)，均為确定常數。雷達方位角θ定義為雷達到原點連線在X-Y平面投影與X軸正方向的夾角。

假定雷達發射信号為p(t)，T為脈沖寬度，f0為信号頻率，γ為調頻率，具體表達式為：

p(t)＝exp(j2πf0t)exp(jπγt2) (0≤t≤T)

(1)

在雷達成像過程中，回波可以看作是各個散射點回波之和，為便于分析和讨論，現假設目标由N個散射點構成，對于散射點P(ρi,αi,zi)(i＝1,2,...,N)，其散射特性函數為f(ρi,αi,zi)，回波信号是雷達方位角θ與距離向快時間t的函數，表示為s(t,θ)。忽略瞬間距離變化，點目标P到雷達平台距離

對上式進行整理，得到

在遠場條件下，即|zi|,|ρi|＜＜R0時

對确定運動雷達平台，點目标P(ρi,αi,zi)的距離軌迹可以看做是僅與自身坐标相關的正弦曲線。是以，設c是波速，可以得到s(t,θ)的表達式

為提高分辨率，進行脈沖壓縮，距離向Dechirp處理，參考距離為R0，參考信号則其輸出為

基于這樣的事實，位于Z軸上(即雷達圓周運動的旋轉軸)的點目标，無論雷達運作到什麼方位，到點的距離都不會變化，而其他的點在雷達運作過程中都會有距離上的周期性變化。位于Z軸上的點對應的回波峰值軌迹有直流信号的差别。經過距離向壓縮後，目标回波在距離向上是聚焦的，點目标在不同方位上的峰值連線是如式(3)所表述的正弦信号形式，據此依據RUDON變換，可以提取出多個正弦信号與直流信号和的形式，每個信号周期是相同的，但每個的幅度相位與均值并不相同，目标點的方位可以依據正弦信号相位得到。由于有三個變量(ρi,αi,zi)需要确定，這個RUDON變換需要将二維點投影到三維空間，計算複雜度比較大，可以通過下面的方法減少計算量。

依據式(3)，距離原點為ρ的點，在雷達平台運作過程中到雷達最大的距離為

同樣，距離原點為ρ的點，在雷達平台運作過程中到雷達最小的距離為

由于平台的運動參數R和h可以控制，是以可以依據雷達距離計算出ρ。

假設目标由N個散射點構成。這裡采用CLEAN方法來進行處理，通過疊代依次得到每個散射點的散射資訊，然後從回波信号中消除該散射點的影響，直至得到所有的散射資訊，具體步驟如下：

(1)對雷達回波比對濾波，進行距離向壓縮，顯示壓縮後索引圖；

(2)将索引圖轉化成二值圖，利用形态學方法進行細化，保留坐标意義與大小；

(3)去除二值圖像分支點與交叉點，将曲線分成多段不連續；

(4)對二值圖在距離向上求和，根據非零值的突變位置确定最大距離內插補點RPmaxi與最小距離RPmini；

(5)在最大距離RPmax1上，利用連續非零元素數目和，确定方位角

(6)在點(RP,θ)＝(RP1max,α)附近區域内進行曲線跟蹤，得到一段曲線；

(7)依據跟蹤得到的曲線段進行随機抽樣一緻性算法(RANSAC)拟合正弦曲線，估計出參數并記錄；

(8)将參數代入方程，得到距離方位曲線，用CLEAN方法來進行處理,從二值圖中去除該曲線；

(9)重複上述過程(3)-(8)，直至當資料沒有正弦曲線時停止疊代。

仿真執行個體：

計算機參數：處理器Inter core i5，安裝記憶體8G，64位windows 10作業系統。

仿真軟體：MATLABR2016。

仿真參數：發射信号為線性調頻信号，載波頻率為5.52GHz，脈沖寬度25us,帶寬為400MHz，平台圓周運作方位角度采樣間隔取0.5°,距離向信号采樣頻率100MHz，脈沖重複頻率400MHz,距離單元數720個，觀測次數720次，平台運作高度500m，圓周半徑200m。觀測區域空間設定為(x2+y2≤202,0＜z＜10)，目标散射點為22個。

雷達到底面觀測區域中心距離：

雷達俯仰角：θz＝arctan(200/500)

仿真過程：

1由MATLAB随機在觀測區域産生22個散射點目标，如圖4所示。

2雷達平台運動是時間稱為慢時間，雷達發射電磁波信号的時間稱為快時間，在雷達處于方位θ時，由于電磁波傳輸速度c恒定，雷達到目标點距離與電磁波傳輸所用的時間t有正比關系，依據公式(1)(3)(4)，在MATLAB程式以imagesc指令繪制回波信号，距離向和方位向均取720個單元，依據公式(5)進行回波脈沖壓縮，得到圖5。

3關閉圖5中的坐标，并轉存為jpg灰階圖像，去除邊界，将圖像像素調整為720×720，将灰階圖轉換為取二值圖，并進行二值翻轉,得到圖6。

4對得到的二值圖進行骨架化處理，得到圖7，并去除分支點與交叉點，将曲線分成多段不連續情形，得到圖8。

5對二值化圖6，在每個距離向上求和，根據非零值的突變位置确定最大距離內插補點RPmaxi與最小距離RPmini，如圖9所示。

6在最大距離RPmax1上，利用第一組連續非零元素數目和，初步确定方位角由最大距離RPmax1和對應方位αi得到一個點，以該點為起始點進行區域生長處理，得到部分距離曲線，按公式(3)(RP(θ)＝R0-zisinθz-ρicos(θ-αi)cosθz)曲線為正弦函數的一部分，如圖10所示。在初步确定方位角αi附近做曲線拟合，得到估計參數即确定出一個目标點位置.

6依據拟合得到的參數拟合出完整的距離變化過程，如圖11所示，用CLEAN方法去掉拟合出的這條曲線的影響，再進行新的最大距離搜尋，循環上述過程，直至得到全部散射點。

以上是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若幹改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。