CN102944876A - 一种高效的宽带单脉冲雷达三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种高效的宽带单脉冲雷达三维成像方法，包括从宽带单脉冲雷达接收到的和通道回波信号与差通道回波信号中，分别选取目标在多帧不同采样时刻的脉冲信号；分别对每帧脉冲信号进行脉冲压缩处理，以获得目标不同采样时刻的一维高分辨率距离像；分别对每帧一维高分辨率距离像进行目标的单脉冲三维成像，获得目标在不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像；将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像，转换到统一的参考坐标系下；对目标各帧的三维像进行组合，形成目标最终三维像。本发明实施例提供的目标三维成像方法，可以提高单脉冲雷达三维成像处理的效率。

Description

一种高效的宽带单脉冲雷达三维成像方法

技术领域

本发明实施例涉及图像数据处理技术，尤其涉及一种高效的宽带单脉冲雷达三维成像方法。

背景技术

通过合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）或逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR）获得目标的高分辨率雷达图像是目标识别的有效手段。海面舰船目标通常情况下处于航行状态，并且受海浪驱动，存在六自由度运动，即横摇、纵摇、偏航、横荡、纵荡和升沉，因此，海面舰船目标具有复杂的运动性特点。利用SAR或ISAR获得的运动舰船目标图像，往往难以反映目标散射的真实形态。在一些距离较近的雷达探测、成像与识别应用中，利用宽带单脉冲雷达的一维距离高分辨和两维测角能力对目标进行三维成像，提取目标的三维散射结构信息，以对目标进行分类和关键部位识别，就成为一种必然的技术选择。

现有单脉冲三维成像技术中，通常情况下使用的是基于ISAR的三维成像方法，首先利用脉冲压缩技术，对宽带单脉冲雷达在相干积累时间内获取的回波信号的和通道信号、方位差信号和俯仰差信号进行处理，其中，处理后的和通道信号对应目标的高分辨一维距离像时间序列，然后根据距离对准算法对和通道信号与差通道信号进行距离粗对准，再利用相位补偿方法对和、差通道信号进行相位的精细补偿，并对距离对准和相位补偿后的和、差通道信号分别进行方位向逆傅里叶变换，再经过目标散射中心提取、相位检波等步骤获得目标强散射中心的距离、方位角和俯仰角，以构建出目标的三维像。其中，要得到舰船目标的清晰的ISAR图像，必须进行准确的距离对准和精细的运动补偿。

因此，现有技术对存在复杂运动的海面舰船目标的成像处理过程复杂，效率低。

发明内容

本发明实施例提供一种宽带单脉冲雷达三维成像方法，用以提高单脉冲雷达三维成像处理的效率。

本发明实施例提供一种宽带单脉冲雷达三维成像方法，包括：

从宽带单脉冲雷达接收到的和通道回波信号与差通道回波信号中，分别选取目标在多帧不同采样时刻的脉冲信号；

分别对每帧脉冲信号进行脉冲压缩处理，以获得目标不同采样时刻的一维高分辨率距离像；

分别对每帧一维高分辨率距离像进行目标的单脉冲三维成像，获得目标在不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像；

将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像，转换到统一的参考坐标系下；

对目标各帧的三维像进行组合，形成目标最终三维像。

本发明实施例提供的技术方案，通过利用多帧不同采样时刻的一维高分辨率距离像分别构建目标在雷达坐标系下的三维成像，并将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像转换到统一的参考坐标系下，再对目标各帧的三维像进行组合，实现目标的三维成像，从而避免了大量复杂的信号处理运算，提高了单脉冲雷达三维成像处理的效率。

附图说明

图1为本发明宽带单脉冲雷达三维成像方法实施例一的流程图；

图2为本发明实施例的静止雷达平台成像几何图；

图3为本发明实施例的运动雷达平台成像几何图；

图4为舰船目标散射点模型图；

图5为本发明宽带单脉冲雷达三维成像方法实施例二的流程图；

图6~图11为图5中的舰船目标散射点模型的单脉冲雷达三维成像图。

具体实施方式

图1为本发明宽带单脉冲雷达三维成像方法实施例一的流程图。该方法适用于对宽带单脉冲雷达接收到的信号进行处理，以形成目标在单脉冲雷达下的三维图像，特别适用于对动态目标的成像，例如海上舰船等。为描述清楚，本文将以舰船作为目标为例，对执行过程进行说明。该方法可以由具备数据处理能力的服务器或控制器来执行，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

S101、从宽带单脉冲雷达接收到的和通道回波信号与差通道回波信号中，分别选取目标在多帧不同采样时刻的脉冲信号；

其中，差通道回波信号包括方位差通道回波信号和俯仰差通道回波信号。具体的，雷达观测平台与舰船目标通常存在相对运动，使得舰船目标相对于雷达波束视线的状态随时间发生变化，因此，通过选取目标在多帧不同采样时刻的脉冲信号进行处理，以反应出目标散射特征随时间发生的变化，进而实现目标散射中心在时间上的分辨。

S102、分别对每帧脉冲信号进行脉冲压缩处理，以获得目标不同采样时刻的一维高分辨率距离像；

具体的，利用脉冲压缩技术对和通道回波信号与差通道回波信号进行脉冲压缩，和通道回波信号经脉冲压缩后即得到目标的一维高分辨率距离像。

S103、分别对每帧一维高分辨率距离像进行目标的单脉冲三维成像，获得目标在不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像；

具体的，根据预先设定的门限值，对目标的一维高分辨率距离像提取目标的强散射中心，并进一步的提取出目标散射点的复信号，再进行归一化处理，最终得到目标强散射中心的距离、方位角和俯仰角，进而得到目标在雷达坐标系下的三维像。

S104、将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像，转换到统一的参考坐标系下；

具体的，可以根据各采样时刻雷达平台与参考坐标系的关系，通过坐标平移及旋转变换，将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像转换到统一的参考坐标系下。

S105、对目标各帧的三维像进行组合，形成目标最终三维像。

具体的，对目标各帧在统一的参考坐标系下的三维像进行组合，得到目标最终的三维像。

本实施例中，通过利用多帧不同采样时刻的一维高分辨率距离像分别构建目标在雷达坐标系下的三维成像，并将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像转换到统一的参考坐标系下，再对目标各帧的三维像进行组合，最终实现目标的三维成像，避免了大量复杂的信号处理运算，提高了单脉冲雷达三维成像处理的效率。

如上所述的宽带单脉冲雷达三维成像方法，其中，在各帧不同采样时刻下对应的雷达坐标系相同或不相同。

具体的，对于静止的雷达平台，在各帧不同采样时刻对应的雷达坐标系相同；对于运动的雷达平台，目标在各帧不同采样时刻对应的雷达坐标系并不相同。

图2为本发明实施例的静止雷达平台成像几何图。如图2所示，o_rx_ry_rz_r为雷达坐标系，OXYZ为参考坐标系，oxyz为舰船目标本体坐标系，雷达平台高度为H。由于雷达平台的位置不随时间发生变化，由各帧一维高分辨率距离像得到的目标三维像在不同时刻位于同一雷达坐标系下，因此，雷达坐标系实质上与参考坐标系一致，可以直接在雷达坐标系下对各帧三维像进行组合，得到目标最终的三维像。

图3为本发明实施例的运动雷达平台成像几何图。其中的坐标系定义与图2相同。如图3所示，由于雷达平台的位置随时间发生变化，同时雷达波束视线始终指向目标，导致雷达坐标系也随时间发生变化。如图3所示，三个采样时刻的帧中，有三个不同的雷达坐标系。因此，由各帧一维高分辨率距离像得到的目标三维像不能直接在雷达坐标系下进行组合，因此，先将各帧三维像通过坐标转换，转换到固定参考坐标系OXYZ下，然后再进行组合，得到最终的三维像。

如上所述的宽带单脉冲雷达三维成像方法，对于运动的雷达平台，在获得目标在不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像后，将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像转换到统一的参考坐标系下，具体可以包括：

通过坐标平移及旋转变换，将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像，按照SAR几何关系，分别转换到参考坐标系OXYZ下，转换关系公式为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_k\left(t_i\right)\\ Y_k\left(t_i\right)\\ Z_k\left(t_i\right)\end{array}\right]=\mathrm{\Λ}\left(t_i\right)\·\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{rk}}\left(t_i\right)\\ y_{\mathrm{rk}}\left(t_i\right)\\ z_{\mathrm{rk}}\left(t_i\right)\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{X}_R\left(t_i\right)\\ Y_R\left(t_i\right)\\ Z_R\left(t_i\right)\end{array}\right]$

其中，t_i=i·T/N（1≤i≤N,N为采样点个数）为目标第i帧的采样时刻，T为合成孔径时间，[x_rk(t_i),y_rk(t_i),z_rk(t_i)]为目标第i帧三维像的第k个散射中心在雷达坐标系下的坐标，Λ(t_i)为第i帧时所采用的坐标旋转矩阵，[X_R(t_i),Y_R(t_i),Z_R(t_i)]为第i帧采样时刻雷达平台在参考坐标系下的坐标。

在单脉冲三维成像处理过程中，需要对目标各散射中心的各帧回波信号进行信号处理，其中，采样点个数N不大于雷达在合成孔径时间T内的最大采样点数。通过上述坐标转换关系公式，可以将目标各散射中心的各帧信号在不同雷达坐标系下的坐标转换到统一的坐标系下。

在具体应用中，可以根据目标的成像要求，选择合适的采样点个数。对于固定的雷达平台，由于雷达平台在参考坐标系中的坐标不随时间改变，因此可以不进行坐标转换，直接将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像进行组合，得到目标最终的三维像。

本实施例中，对于运动的雷达平台，通过利用SAR几何关系，将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像转换到统一的参考坐标系下，再对目标各帧的三维像进行组合，既实现了目标的三维成像，又避免了大量的信号处理运算，提高了单脉冲雷达三维成像处理的效率。

对于运动的雷达平台，如上所述的目标三维成像，其中，第i帧采样时刻，雷达平台在参考坐标系下的坐标为：

Z_R(t_i)=H

参照图3，其中，H为雷达平台的高度，合成孔径中心时刻雷达波束的斜视角为

雷达波束的下视角为θ，雷达载机的航速为V，合成孔径中心时刻雷达平台与目标的斜距为R₀。

如上所述的目标三维成像方法，其中，所述坐标旋转矩阵为：

$\mathrm{\Λ}\left(t_i\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\α}}_1\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\left(t_i\right)\right)\\ \cos \left({\mathrm{\β}}_1\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\β}}_2\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\β}}_3\left(t_i\right)\right)\\ \cos \left({\mathrm{\γ}}_1\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\γ}}_2\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\γ}}_3\left(t_i\right)\right)\end{array}\right)$

其中，α₁(t_i)、α₂(t_i)和α₃(t_i)分别表示目标第i帧的采样时刻雷达坐标系的o_rx_r轴与参考坐标系的OX、OY和OZ轴的夹角，β₁(t_i)、β₂(t_i)和β₃(t_i)表示雷达坐标系的o_ry_r轴与参考坐标系的OX、OY和OZ轴的夹角，γ₁(t_i)、γ₂(t_i)和γ₃(t_i)表示雷达坐标系的o_rz_r轴与参考坐标系的OX、OY和OZ轴的夹角。

图4为本发明实施例所适用的舰船目标散射点模型图，基于上述目标三维成像方法，下面将结合图5，给出通过运动的雷达平台获取图4所示舰船目标散射点模型的三维成像图的实施例。

图5为本发明宽带单脉冲雷达三维成像方法实施例二的流程图。如图5所示，本实施例的方法包括：

S501、雷达接收从舰船目标返回的宽带单脉冲雷达回波信号；

本实施例中，为了使目标回波更为逼真，对舰船目标的雷达回波信号建模还引入了高海情下某型战舰的六自由度运动模型和多径散射模型。

S502、从雷达回波信号中选取3帧脉冲信号，获得目标在3个不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像；

具体的，从雷达回波信号中选取分别为T/3时刻、2T/3时刻、T时刻的3帧脉冲信号，T为合成孔径时间，分别进行脉冲压缩处理，获得目标在这3个不同时刻的一维高分辨率距离像，然后再分别对这3帧一维高分辨率距离像进行目标的三维成像，获得目标在这3个不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像。

图6~图11为图5中的舰船目标散射点模型的单脉冲雷达三维成像图。其中，图6、图7、图8分别对应目标在T/3时刻、2T/3时刻、T时刻的雷达坐标系下的三维像。

S503、通过目标在这3个不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像，合成目标的三维像。

具体的，先将目标在这3个不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像转换到统一的参考坐标系下，然后将参考坐标系下的三维像进行组合，得到目标的三维像，如图9所示。

为突出本发明实施例的技术效果，下面给出通过距离对准和相位补偿处理的对照图。图10为本实施例中雷达回波信号根据距离对准算法对和通道信号和差通道信号进行距离对准处理后得到的目标二维成像图，由图10可知，由于目标复杂的运动状态，在未进行精细相位补偿的情况下难以得到目标清晰的ISAR像。图11为基于图10进行准确的距离对准和精细的运动补偿后得到的目标三维像，由图11可知，当舰船目标存在复杂运动时，很难得到目标清晰的ISAR像，而且，三维像易被模糊的ISAR像进一步的渲染。

将图9与图11对比可知，在不能获得清晰ISAR像时，本发明实施例提供的技术方案，其成像效果已好于经过距离对准和运动补偿处理得到的目标三维像，而且，本发明实施例的技术方案在对多帧采样信号进行脉冲压缩处理后，不需要进行复杂的SAR和ISAR处理，因此，具有很好的实时性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种宽带单脉冲雷达三维成像方法，其特征在于，包括：

从宽带单脉冲雷达接收到的和通道回波信号与差通道回波信号中，分别选取目标在多帧不同采样时刻的脉冲信号；

分别对每帧脉冲信号进行脉冲压缩处理，以获得目标不同采样时刻的一维高分辨率距离像；

分别对每帧一维高分辨率距离像进行目标的单脉冲三维成像，获得目标在不同采样时刻的雷达坐标系下的三维像；

将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像，转换到统一的参考坐标系下；

对目标各帧的三维像进行组合，形成目标最终三维像。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在各帧不同采样时刻下对应的雷达坐标系相同或不相同。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像，转换到统一的参考坐标系下，包括：

通过坐标平移及旋转变换，将目标在各帧对应的雷达坐标系下的三维像分别转换到参考坐标系OXYZ下，转换关系公式为：

$\left[\begin{array}{c}{X}_k\left(t_i\right)\\ Y_k\left(t_i\right)\\ Z_k\left(t_i\right)\end{array}\right]=\mathrm{\Λ}\left(t_i\right)\·\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{rk}}\left(t_i\right)\\ y_{\mathrm{rk}}\left(t_i\right)\\ z_{\mathrm{rk}}\left(t_i\right)\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{X}_R\left(t_i\right)\\ Y_R\left(t_i\right)\\ Z_R\left(t_i\right)\end{array}\right]$

其中，t_i=i·T/N（1≤i≤N,N为采样点个数）为目标第i帧的采样时刻，T为合成孔径时间，[x_rk(t_i),y_rk(t_i),z_rk(t_i)]为目标第i帧三维像的第k个散射中心在雷达坐标系下的坐标，Λ(t_i)为第i帧时所采用的坐标旋转矩阵，[X_R(t_i),Y_R(t_i),Z_R(t_i)]为第i帧采样时刻雷达平台在参考坐标系下的坐标。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第i帧采样时刻所述雷达平台在参考坐标系下的坐标为：

Z_R(t_i)=H

其中，H为雷达平台的高度，合成孔径中心时刻雷达波束的斜视角为雷达波束的下视角为θ，雷达载机的航速为V，合成孔径中心时刻雷达平台与目标的斜距为R₀。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述坐标旋转矩阵为：

$\mathrm{\Λ}\left(t_i\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\α}}_1\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\left(t_i\right)\right)\\ \cos \left({\mathrm{\β}}_1\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\β}}_2\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\β}}_3\left(t_i\right)\right)\\ \cos \left({\mathrm{\γ}}_1\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\γ}}_2\left(t_i\right)\right)& \cos \left({\mathrm{\γ}}_3\left(t_i\right)\right)\end{array}\right)$

其中，α₁(t_i)、α₂(t_i)和α₃(t_i)分别表示目标第i帧的采样时刻雷达坐标系的o_rx_r轴与参考坐标系的OX、OY和OZ轴的夹角，β₁(t_i)、β₂(t_i)和β₃(t_i)表示雷达坐标系的o_ry_r轴与参考坐标系的OX、OY和OZ轴的夹角，γ₁(t_i)、γ₂(t_i)和γ₃(t_i)表示雷达坐标系的o_rz_r轴与参考坐标系的OX、OY和OZ轴的夹角。

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