本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)信號處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于重疊孔徑的毫米波雷達(dá)視頻成像方法。

背景技術(shù)：

合成孔徑雷達(dá)(sar)具有全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離和高分辨率成像等特點(diǎn)，合成孔徑雷達(dá)的一個(gè)重要功能是成像，并且這一重要功能已廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的聚束式合成孔徑雷達(dá)通過在一個(gè)孔徑形成時(shí)間內(nèi)對觀測場景發(fā)射一系列的脈沖得到一系列的場景反射回波，然后對這一系列的回波進(jìn)行成像處理可形成一幅sar圖像。

通常情況下，用以形成一系列sar圖像的回波數(shù)據(jù)需要在相互錯(cuò)開的孔徑形成時(shí)間內(nèi)獲得。在這種條件下，一個(gè)合成孔徑時(shí)間內(nèi)得到的回波數(shù)據(jù)只會形成一幅sar圖像，所以，成像的幀率受到合成孔徑雷達(dá)載體(如飛機(jī)，衛(wèi)星)通過相對運(yùn)動(dòng)形成合成孔徑的時(shí)間的限制。如此形成合成孔徑的時(shí)間即sar圖像的幀率是斜距(雷達(dá)到目標(biāo)的徑向距離)的函數(shù)，當(dāng)斜距很長時(shí)，形成合成孔徑的時(shí)間有可能達(dá)到幾十秒的量級。

更高的成像幀率需要更高的載體平臺運(yùn)動(dòng)速度或更短的合成孔徑長度。更高的載體平臺運(yùn)動(dòng)速度受制于載體平臺的飛行性能，而更短的合成孔徑長度通常需要幾乎不符合實(shí)際系統(tǒng)工作參數(shù)的斜距或者不可接受的低圖像分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于重疊孔徑的毫米波雷達(dá)視頻成像方法，在能夠保證高幀率高分辨率成像的基礎(chǔ)上又避免了孔徑重疊帶來的計(jì)算量的浪費(fèi)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

一種基于重疊孔徑的毫米波雷達(dá)視頻成像方法，所述方法包括如下步驟：

步驟1，確定成像場景，將所述成像場景劃分成大小為m×n的網(wǎng)格，且所述m×n的網(wǎng)格中每一個(gè)網(wǎng)格表示形成的sar圖像中的一個(gè)像素點(diǎn)；記第i個(gè)像素點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，i＝1·····m×n；m×n表示對成像場景所成sar圖像的像素總個(gè)數(shù)；

步驟2，確定最終形成sar視頻的視頻流的方位分辨率ρa(bǔ)，根據(jù)所述方位分辨率得到迭代因子λ′；

步驟3，獲取當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)的空間位置，從而得到當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)的空間位置到每個(gè)像素點(diǎn)的距離，進(jìn)而得到當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)到每個(gè)像素點(diǎn)的時(shí)延；k＝1,2,...,k，k表示最終形成sar視頻的視頻流所需要的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)；

步驟4，當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收第k個(gè)回波數(shù)據(jù)，當(dāng)k＝1時(shí)，確定雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)在第i個(gè)像素點(diǎn)處補(bǔ)償時(shí)延產(chǎn)生的相位后的回波信號為s1′(t1(xi,yi,zi))：s1′(t1(xi,yi,zi))＝s1(t1(xi,yi,zi))×exp[j2πfc(t-t1(xi,yi,zi))]；

其中，s1(t1(xi,yi,zi))表示當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收的第1個(gè)回波數(shù)據(jù)對應(yīng)于第i個(gè)像素點(diǎn)處的回波信號，t1(xi,yi,zi)表示當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第1個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)到第i個(gè)像素點(diǎn)處的時(shí)延；fc表示雷達(dá)發(fā)射信號的載頻；i＝1……m×n；

且當(dāng)k＝1時(shí)，最終形成sar視頻的視頻流在第i個(gè)像素點(diǎn)處的值表示為i1(xi,yi,zi)，i1(xi,yi,zi)＝s1′(t1(xi,yi,zi))；i＝1……m×n；

當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收第k個(gè)回波數(shù)據(jù)，當(dāng)k>1時(shí)，確定雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)在第i個(gè)像素點(diǎn)處補(bǔ)償時(shí)延產(chǎn)生的相位后的回波信號為：sk′(tk(xi,yi,zi))：sk′(tk(xi,yi,zi))＝sk(tk(xi,yi,zi))×exp[j2πfc(t-tk(xi,yi,zi))]；

其中，sk(tk(xi,yi,zi))表示當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)對應(yīng)于第i個(gè)像素點(diǎn)處的回波信號，tk(xi,yi,zi)表示當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)到第i個(gè)像素點(diǎn)處的時(shí)延；fc表示雷達(dá)發(fā)射信號的載頻；i＝1……m×n；

且當(dāng)k>1時(shí)，最終形成sar視頻的視頻流在第i個(gè)像素點(diǎn)處的值表示為ik(xi,yi,zi)，ik(xi,yi,zi)＝λ′ik-1+sk′(tk(xi,yi,zi))；其中，λ′表示迭代因子，ik-1表示上一時(shí)刻雷達(dá)接收到第k-1個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)形成sar視頻的視頻流在第i個(gè)像素點(diǎn)的值；i＝1……m×n；

步驟5，令k依次取1,2,...,k，從而得到最終sar視頻的視頻流。

本發(fā)明技術(shù)方案的特點(diǎn)和進(jìn)一步的改進(jìn)為：

(1)步驟2具體包括如下子步驟：

(2a)確定最終形成sar視頻的視頻流的方位分辨率ρa(bǔ)，其中，λ表示雷達(dá)發(fā)射信號的波長，θ表示雷達(dá)接收形成一幅sar圖像所需的回波數(shù)據(jù)需繞成像場景中心轉(zhuǎn)過的角度；

(2b)確定雷達(dá)接收一個(gè)回波數(shù)據(jù)繞成像場景中心轉(zhuǎn)過的角度△θ，從而得到雷達(dá)接收形成一幅sar圖像所需的回波數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

(2c)從而得到迭代因子

(2)步驟3具體包括如下子步驟：

獲取雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)，確定雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)的空間位置，從而得到雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)的空間位置到第i個(gè)像素點(diǎn)的距離lk(xi,yi,zi)，進(jìn)而得到雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)到第i個(gè)像素點(diǎn)的時(shí)延tk(xi,yi,zi)＝lk(xi,yi,zi)×2/c；k＝1,2,...,k，k表示最終形成sar視頻的視頻流所需要的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)；c表示光速，i＝1……m×n，m×n表示對成像場景所成sar圖像的像素總個(gè)數(shù)。

本發(fā)明避免了傳統(tǒng)視頻sar中因孔徑重疊而造成的計(jì)算量和存儲浪費(fèi)，并且本發(fā)明通過迭代因子λ來控制孔徑長度，可以在不改變信號處理架構(gòu)的前提下在處理過程中任意改變孔徑長度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的現(xiàn)有技術(shù)中重疊孔徑劃分示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的現(xiàn)有技術(shù)中非重疊孔徑劃分示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于重疊孔徑的毫米波雷達(dá)視頻成像方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

把一系列的回波數(shù)據(jù)按照接收時(shí)間即慢時(shí)間的先后排列成一組序列，回波數(shù)據(jù)是雷達(dá)在某時(shí)刻接收到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過脈沖壓縮得到的數(shù)據(jù)，一個(gè)孔徑就是這組序列中連續(xù)的一段被用來形成一幅高分辨率的sar圖像的數(shù)據(jù)。

在普通的sar信號處理技術(shù)中，雷達(dá)發(fā)射的某一個(gè)脈沖的回波通常只被歸入某一孔徑內(nèi)。按照傳統(tǒng)方法形成的這些孔徑只有一個(gè)中心，這些孔徑的中心和所包含回波數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)都是在采集回波數(shù)據(jù)之前就確定好的，并且孔徑之間不會相互重疊。

如圖1所示的孔徑劃分方式稱為重疊孔徑劃分，即相鄰兩個(gè)孔徑有很大的重疊部分，這就意味著任何一個(gè)回波數(shù)據(jù)都不僅僅屬于某一個(gè)成像孔徑，并且重疊部分越多每個(gè)孔徑所成sar圖像的方位分辨率越高。在圖1所示的孔徑劃分方式中，用以成像的孔徑中心在回波數(shù)據(jù)序列中均勻分布，并且每個(gè)孔徑包含的回波數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是相同的。

作為對比，圖2使用傳統(tǒng)的孔徑劃分方式劃分得到一系列包含相同回波數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的孔徑，利用該種方式劃分的孔徑相互之間沒有重疊的回波數(shù)據(jù)，并且每個(gè)孔徑中心的位置和其包含的回波數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)都是在回波數(shù)據(jù)采集之前確定好的，采集回波數(shù)據(jù)時(shí)只是用回波數(shù)據(jù)填充滿已劃分好的孔徑。

且傳統(tǒng)的sar信號處理中孔徑的劃分和成像處理是兩個(gè)獨(dú)立的步驟，即先將回波數(shù)據(jù)按照事先劃分好的方式組織在一起如圖1或圖2，然后將組織在一起的數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)整體作為成像算法的輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)孔徑劃分存在重疊時(shí)如圖1，重疊部分的回波數(shù)據(jù)屬于多個(gè)孔徑，在傳統(tǒng)方法中這部分?jǐn)?shù)據(jù)被多次輸入到成像算法中造成了計(jì)算量的浪費(fèi)不利于高幀率成像。

在傳統(tǒng)方法中，每一個(gè)劃分得到的子孔徑都進(jìn)行后向投影算法成像，并且每個(gè)孔徑得到的sar圖像還要經(jīng)過視頻合成處理得到sar視頻。假設(shè)第j個(gè)孔徑和第j-x個(gè)孔徑之間有jx個(gè)重疊的回波數(shù)據(jù)，則進(jìn)行第j-x幀sar圖像成像時(shí)中求和部分的計(jì)算和第j幀sar圖像成像時(shí)中求和部分的計(jì)算是完全相同的，且為jx次，總共為次后向投影計(jì)算，其中x為存在重疊的孔徑個(gè)數(shù)。

而使用本發(fā)明的遞歸處理技術(shù)則可避免這部分計(jì)算量的浪費(fèi)具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

首先對全部回波數(shù)據(jù)按照回波的時(shí)間先后給予編號k',k'＝1…n，然后定義圖像流圖像流即為sar視頻，由定義可以看出圖像流是最開始的回波數(shù)據(jù)到當(dāng)前時(shí)刻的回波數(shù)據(jù)的后向投影值分別乘以其偏離當(dāng)前時(shí)刻時(shí)間值為冪的指數(shù)系數(shù)λ^j，其中0<λ<1，所以，由于指數(shù)函數(shù)的迅速衰減，可以適當(dāng)?shù)倪x擇系數(shù)λ使偏離當(dāng)前時(shí)刻一定時(shí)間值d的λ^d非常小，即使該時(shí)刻和該時(shí)刻之前時(shí)刻的后向投影值λ^d{sd(td(x,y,z))×exp[j2πfc(t-td(x,y,z))]}小于噪聲水平，則此時(shí)可認(rèn)為距當(dāng)前時(shí)刻d和在此之前的數(shù)據(jù)對當(dāng)前圖像流沒有影響：當(dāng)前時(shí)刻圖像流的圖像是由當(dāng)前時(shí)刻和之前d個(gè)回波數(shù)據(jù)所成的sar圖像，即等效的對回波數(shù)據(jù)劃分了一個(gè)長度為d的孔徑，即等效完成了孔徑的劃分。

通過上述分析，得到本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于重疊孔徑的毫米波雷達(dá)視頻成像方法，本發(fā)明技術(shù)方案采用遞歸處理思想，具體如圖3所示，所述方法包括如下步驟：

步驟1，確定成像場景，將所述成像場景劃分成大小為m×n的網(wǎng)格，且所述m×n的網(wǎng)格中每一個(gè)網(wǎng)格表示形成的sar圖像中的一個(gè)像素點(diǎn)；記第i個(gè)像素點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，i＝1……m×n；m×n表示對成像場景所成sar圖像的像素總個(gè)數(shù)。

步驟2，確定最終形成sar視頻的視頻流的方位分辨率ρa(bǔ)，根據(jù)所述方位分辨率得到迭代因子λ′。

具體的，步驟2具體包括如下子步驟：

(2a)確定最終形成sar視頻的視頻流的方位分辨率ρa(bǔ)，其中，λ表示雷達(dá)發(fā)射信號的波長，θ表示雷達(dá)接收形成一幅sar圖像所需的回波數(shù)據(jù)需繞成像場景中心轉(zhuǎn)過的角度；

(2b)確定雷達(dá)接收一個(gè)回波數(shù)據(jù)繞成像場景中心轉(zhuǎn)過的角度△θ，從而得到雷達(dá)接收形成一幅sar圖像所需的回波數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

(2c)從而得到迭代因子

步驟3，獲取當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)的空間位置，從而得到當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)的空間位置到每個(gè)像素點(diǎn)的距離，進(jìn)而得到當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)到每個(gè)像素點(diǎn)的時(shí)延；k＝1,2,...,k，k表示最終形成sar視頻的視頻流所需要的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)。

具體的，步驟3具體包括如下子步驟：

獲取雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)，確定雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)的空間位置，從而得到雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)的空間位置到第i個(gè)像素點(diǎn)的距離lk(xi,yi,zi)，進(jìn)而得到雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)到第i個(gè)像素點(diǎn)的時(shí)延tk(xi,yi,zi)＝lk(xi,yi,zi)×2/c；k＝1,2,...,k，k表示最終形成sar視頻的視頻流所需要的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)；c表示光速，i＝1……m×n，m×n表示對成像場景所成sar圖像的像素總個(gè)數(shù)。

步驟4，當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收第k個(gè)回波數(shù)據(jù)，當(dāng)k＝1時(shí)，確定雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)在第i個(gè)像素點(diǎn)處補(bǔ)償時(shí)延產(chǎn)生的相位后的回波信號為s1′(t1(xi,yi,zi))：s1′(t1(xi,yi,zi))＝s1(t1(xi,yi,zi))×exp[j2πfc(t-t1(xi,yi,zi))]；

其中，s1(t1(xi,yi,zi))表示當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收的第1個(gè)回波數(shù)據(jù)對應(yīng)于第i個(gè)像素點(diǎn)處的回波信號，t1(xi,yi,zi)表示當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第1個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)到第i個(gè)像素點(diǎn)處的時(shí)延；fc表示雷達(dá)發(fā)射信號的載頻；i＝1……m×n；

且當(dāng)k＝1時(shí)，最終形成sar視頻的視頻流在第i個(gè)像素點(diǎn)處的值表示為i1(xi,yi,zi)，i1(xi,yi,zi)＝s1′(t1(xi,yi,zi))；i＝1……m×n；

當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收第k個(gè)回波數(shù)據(jù)，當(dāng)k>1時(shí)，確定雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)在第i個(gè)像素點(diǎn)處補(bǔ)償時(shí)延產(chǎn)生的相位后的回波信號為：sk′(tk(xi,yi,zi))：sk′(tk(xi,yi,zi))＝sk(tk(xi,yi,zi))×exp[j2πfc(t-tk(xi,yi,zi))]；

其中，sk(tk(xi,yi,zi))表示當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收的第k個(gè)回波數(shù)據(jù)對應(yīng)于第i個(gè)像素點(diǎn)處的回波信號，tk(xi,yi,zi)表示當(dāng)前時(shí)刻雷達(dá)接收所述第k個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)雷達(dá)到第i個(gè)像素點(diǎn)處的時(shí)延；fc表示雷達(dá)發(fā)射信號的載頻；i＝1……m×n；

且當(dāng)k>1時(shí)，最終形成sar視頻的視頻流在第i個(gè)像素點(diǎn)處的值表示為ik(xi,yi,zi)，ik(xi,yi,zi)＝λ′ik-1+sk′(tk(xi,yi,zi))；其中，λ′表示迭代因子，ik-1表示上一時(shí)刻雷達(dá)接收到第k-1個(gè)回波數(shù)據(jù)時(shí)形成sar視頻的視頻流在第i個(gè)像素點(diǎn)的值；i＝1……m×n。

步驟5，令k依次取1,2,...,k，從而得到最終sar視頻的視頻流。

通過ik(xi,yi,zi)＝λ′ik-1+sk′(tk(xi,yi,zi))，圖像流可以通過迭代運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，每次迭代運(yùn)算只需把上一步的結(jié)果加上當(dāng)前時(shí)刻新的回波數(shù)據(jù)的后向投影值，每一步的后向投影計(jì)算都沒有重合，即該處理方法在保留了重疊孔徑劃分能夠高幀率高分辨率成像的基礎(chǔ)上又避免了孔徑重疊帶來的計(jì)算量的浪費(fèi)，適合視頻sar處理。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：實(shí)現(xiàn)上述方法實(shí)施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲于計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行包括上述方法實(shí)施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括：rom、ram、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。