基于后向投影算法的超宽带穿墙点目标定位成像方法

摘要

基于后向投影算法的超宽带穿墙点目标定位成像方法，涉及在有限距离下定位成像的雷达布置方法及定位成像技术。本发明的目的是避免了“假象”情况的发生。超宽带信号源输出的信号，通过功率分配器后输出两路信号c

说明书

技术领域

本发明涉及一种超宽带穿墙成像系统中的成像方法，具体涉及在有限距离下定位成像的雷达布置方法及定位成像技术。

背景技术

国内外普遍根据合成孔径雷达成像原理，使用BP(后向投影)算法来实现超宽带穿墙成像。然而，受应用场合和成像设备体积的限制，合成孔径的尺寸也受到了限制，从而导致无法获得高分辨率的成像。

近年来，为了提高成像分辨率，提出了通过分析回波信号计算点目标位置的定位成像方法，如图1所示这种方法是将发射雷达与接收雷达均沿墙体(x轴)放置，其基本原理是认为成像区域的点目标为两条或两条以上的椭圆轨迹的交点，每个椭圆的焦点分别是发射雷达和接收雷达所在的位置，焦距由发射雷达和接收雷达的位置决定，而长轴则根据BP算法由信号传播的双程时间决定。

点目标P的坐标(x_P，y_P)由如下公式确定：

$\left(\begin{array}{c}\frac{{(x_p-x_1)}^2}{a_1^2}+\frac{{(y_p-y_1)}^2}{b_1^2}=1\\ \frac{{(x_p-x_2)}^2}{a_2^2}+\frac{{(y_p-y_2)}^2}{b_2^2}=1\end{array}\right)$

$a_i=\frac{\left|T_{x}P\right|+\left|{\mathrm{PR}}_{\mathrm{xi}}\right|}{2}=\frac{1}{2}{t}_{i}v,i=\mathrm{1,2}$

其中$b_i^2=a_i^2-{\left(\frac{\left|T_x{R}_{\mathrm{xi}}\right|}{2}\right)}^2,i=\mathrm{1,2}$

$x_i=\frac{T_x+R_{\mathrm{xi}}}{2},i=\mathrm{1,2}$

第一接收雷达R_x1的坐标为(x₁，y₁)，第二接收雷达R_x2的坐标为(x₂，y₂)，|T_xP|表示发射雷达T_x与点目标P之间的距离，|PR_xi|表示点目标P与第i接收雷达R_xi之间的距离，|T_xR_xi|表示发射雷达T_x与第i接收雷达R_xi之间的距离，b_i为椭圆长轴，c_i为椭圆短轴，x_i为椭圆中心，v为信号传播速度，t_i为第i接收雷达R_xi测量的点目标p的传播时间。

然而，这种方法对于“单点”目标的回波信号是有效的，因为任意接收雷达接收到的回波信号与点目标都是一一对应的，可以通过计算椭圆交点来确定点目标的位置。但对于“多点”目标的情况，由于点目标与各个接收雷达的相对距离不同，所以容易导致各个接收雷达的回波信号与点目标的对应关系发生变化，如果根据BP算法错误地将各个回波信号的传播时间按照时间顺序组合计算就会得到错误的解，也就是会产生“假象”，把本来没有点目标的位置错误地认为产生点目标，而丢失了真正的点目标位置。

发明内容

为了避免发生“假象”的情况，现改进了雷达放置方式，提出基于后向投影算法的超宽带穿墙点目标定位成像方法。

本发明的定位成像步骤为：

步骤一、超宽带信号源输出信号g_n；

步骤二、信号g_n通过功率分配器后输出两路信号c₁^*和c₂^*；

步骤三、信号c₁^*通过选择控制器、放大器和第一发射雷达后输出脉冲信号d₁；

步骤四、信号c₂^*分别送入第一相关接收机和第二相关接收机；

步骤五、脉冲信号d₁产生的回波信号h₁分别通过第一接收雷达和第二接收雷达得到信号f₁和信号f₂；

步骤五、信号f₁通过第一低信噪比放大器得到信号e_1，1，信号f₂通过第二低信噪比放大器得到信号e_1，2；

步骤六、信号e_1，1与信号c₂^*通过第一相关接收机进行相关，确定第一接收雷达测量的M个点目标的回波信号传播时间组成的传播时间序列a_1，1；信号e_1，2与信号c₂^*通过第二相关接收机进行相关，确定第二接收雷达测量的N个点目标的回波信号传播时间组成的传播时间序列a_1，2，其中，传播时间序列$a_{\mathrm{1,1}}=\{t_1^{a_{\mathrm{1,1}}},t_2^{a_{\mathrm{1,1}}},···{,t}_M^{a_{\mathrm{1,1}}}\},$传播时间序列$a_{\mathrm{1,2}}=\{t_1^{a_{\mathrm{1,2}}},t_2^{a_{\mathrm{1,2}}},···,t_N^{a_{\mathrm{1,2}}}\},$M和N均为自然数；

步骤七、传播时间序列a_1，1和a_1，2通过点目标定位处理得到点目标位置序列Target1；

步骤八、将上述步骤中的第一发射雷达换成第二发射雷达后重复步骤一至七，但步骤六中第一接收雷达测量的各个点目标的传播时间序列为$a_{\mathrm{2,1}}=\{t_1^{a_{\mathrm{2,1}}},t_2^{a_{\mathrm{2,1}}},···,t_M^{a_{\mathrm{2,1}}}\},$第二接收雷达测量的各个点目标的传播时间序列为$a_{\mathrm{2,2}}=\{t_1^{a_{\mathrm{2,2}}},t_2^{a_{\mathrm{2,2}}},···,t_N^{a_{\mathrm{2,2}}}\},$步骤七得到的点目标位置序列为Target2；

步骤九、实际的点目标位置序列为Target＝Target1∩Target2，将所述点目标位置序列Target送入图像生成器完成点目标定位成像；

所述的第一发射雷达，第一接收雷达和第二发射雷达依次沿墙体放置，相邻两个雷达之间的距离为Δd，第二接收雷达与第一接收雷达垂直于墙体前后放置，它们的间距也为Δd，Δd的取值为成像像素间距的2倍。

本发明实现了在有限合成孔径长度下“多点”目标的定位成像，解决了“假象”问题以及分辨率与便携性的矛盾，满足了在反恐防爆、灾害救援等特殊场合下穿墙成像的需要。

附图说明

图1是“单点”超宽带穿墙成像中点目标与雷达的位置关系示意图，其中“·”为点目标，“△”为发射雷达T_x，左侧的“○”为第一接收雷达R_x1，右侧的“○”为第二接收雷达R_x2；图2分别是图1所示的第一接收雷达R_x1和第二接收雷达R_x2测量到的点目标的回波信号传播时间的示意图；图3是将传播时间序列a_1，2以时间为起始时刻，长度为t^*进行分段的示意图；图4是本发明中采用第一发射雷达Tx₁、第一接收雷达R_x1和第二接收雷达R_x2实现定位成像的装置结构示意图；图5是本发明雷达布置的立体示意图；图6是本发明雷达布置的三维投影示意图；图7是具体实施方式的步骤七三中计算点目标位置的坐标示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图4～图7说明本实施方式。

本实施方式所述的定位成像步骤为：

步骤一、超宽带信号源1输出信号g_n；

步骤二、信号g_n通过功率分配器2后输出两路信号c₁^*和c₂^*；

步骤三、信号c₁^*通过选择控制器3、放大器4和第一发射雷达Tx₁后输出脉冲信号d₁；

步骤四、信号c₂^*分别送入第一相关接收机7和第二相关接收机8；

步骤五、脉冲信号d₁产生的回波信号h₁分别通过第一接收雷达Rx₁和第二接收雷达Rx₂得到信号f₁和信号f₂；

步骤五、信号f₁通过第一低信噪比放大器5得到信号e_1，1，信号f₂通过第二低信噪比放大器6得到信号e_1，2；

步骤六、信号e_1，1与信号c₂^*通过第一相关接收机7进行相关，确定第一接收雷达Rx₁测量的M个点目标的回波信号传播时间组成的传播时间序列a_1，1；信号e_1，2与信号c₂^*通过第二相关接收机8进行相关，确定第二接收雷达Rx₂测量的N个点目标的回波信号传播时间组成的传播时间序列a_1，2，其中，传播时间序列$a_{\mathrm{1,1}}=\{t_1^{a_{\mathrm{1,1}}},t_2^{a_{\mathrm{1,1}}},···{,t}_M^{a_{\mathrm{1,1}}}\},$传播时间序列$a_{\mathrm{1,2}}=\{t_1^{a_{\mathrm{1,2}}},t_2^{a_{\mathrm{1,2}}},···{,t}_N^{a_{\mathrm{1,2}}}\},$M和N均为自然数；

步骤七、传播时间序列a_1，1和a_1，2通过点目标定位处理得到点目标位置序列Target1；

步骤八、将上述步骤中的第一发射雷达Tx₁换成第二发射雷达Tx₂后重复步骤一至七，但步骤六中第一接收雷达Rx₁测量的各个点目标的传播时间序列为$a_{\mathrm{2,1}}=\{t_1^{a_{\mathrm{2,1}}},t_2^{a_{\mathrm{2,1}}},···,t_M^{a_{\mathrm{2,1}}}\},$第二接收雷达Rx₂测量的各个点目标的传播时间序列为$a_{\mathrm{2,2}}=\{t_1^{a_{\mathrm{2,2}}},t_2^{a_{\mathrm{2,2}}},···,t_N^{a_{\mathrm{2,2}}}\},$步骤七得到的点目标位置序列为Target2；

步骤九、实际的点目标位置序列为Target＝Target1∩Target2，将所述点目标位置序列Target送入图像生成器9完成点目标定位成像。

所述的第一发射雷达T_x1，第一接收雷达R_x1和第二发射雷达T_x2依次沿墙体放置，相邻两个雷达之间的距离为Δd，第二接收雷达R_x2与第一接收雷达R_x1垂直于墙体前后放置，它们的间距也为Δd，Δd的取值为成像像素间距的2倍。

本实施方式中：

(一)所述的步骤七中点目标定位处理的具体步骤为：

步骤七一、根据传播时间序列a_1，1计算第一接收雷达Rx1的最小延时时间间隔$t^{*}=\underset{i=2···M}{\min }\{t_i^{a_{\mathrm{1,1}}}-t_{i-1}^{a_{\mathrm{1,1}}}\};$

步骤七二、将传播时间序列a_1，2以时间为起始时刻，长度为t^*进行分段，当起始时间对应的t^*段内没有传播时间序列a_1，2时，需要舍弃时间当相邻两个分段之间有时间时，需要舍弃这两个t^*段之间的时间得到舍弃后的传播时间序列a_1，1′和a_1，2′；

步骤七三、根据舍弃后的传播时间序列a_1，1′和a_1，2′及第一发射雷达Tx₁与第一接收雷达Rx₁和第二接收雷达Rx₂的位置关系计算点目标位置得到点目标位置序列Target1，具体计算过程为：

将$b_1=\frac{\left|T_{x1}P\right|+\left|{\mathrm{PR}}_{x1}\right|}{2}=\frac{1}{2}{t}_i^{a_{\mathrm{1,1}}}v,$$b_2=\frac{\left|T_{x1}P\right|+\left|{\mathrm{PR}}_{x2}\right|}{2}=\frac{1}{2}{t}_i^{a_{\mathrm{1,2}}}v,$$c_1=\frac{\left|T_{x1}{R}_{x1}\right|}{2},$$\theta =\arctan \left(\frac{\mathrm{\Delta d}}{{2c}_1}\right)$和$c_2=\frac{c_1}{\sin \theta }$分别带入方程组$\left(\begin{array}{c}\frac{x^2}{{b_1}^2}+\frac{y^2}{{b_1}^2-{c_1}^2}=1\\ \frac{{(x^{\prime }-m)}^2}{{b_2}^2}+\frac{{(y^{\prime }-n)}^2}{{b_2}^2-{c_2}^2}=1\end{array}\right)$中，取y大于等于0的解为点目标位置，

其中$\left(\begin{array}{c}{x}^{\prime }\\ y^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & -\sin \theta \\ \sin \theta & \cos \theta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x-m\\ y-n\end{array}\right),m=0,n=-\mathrm{\Delta d}/2.$

(二)发射雷达的数目可以为多个，并且发射雷达都是沿墙体放置，相邻雷达间的距离均为Δd。