本發(fā)明涉及一種雷達三維成像算法，特別是一種基于壓縮感知的太赫茲調(diào)頻連續(xù)波雷達三維成像算法。

背景技術：

太赫茲波(terahertz，thz)是指頻率在0.1thz—10thz之間的電磁波，是最后一個人類尚未完全認知和利用的電磁波段。由于thz輻射是非電離的，其可以穿透其他頻段的電磁波不能穿透的物質(zhì)，比如包裝材料、衣服及墻壁等等，同時其輻射屬于對人體無害非電離輻射，故而thz成像技術可以應用到無損檢測及安全檢查等廣泛的領域。thz波的波長很小，其有利于產(chǎn)生大帶寬信號，在高分辨率成像等領域中有其特殊的優(yōu)勢。在雷達成像領域，thz技術具有極大的應用潛力，受到了越來越多的研究人員的重視。

太赫茲調(diào)頻連續(xù)波(thz-fmcw)雷達具有大的帶寬，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率成像，同時，thz-fmcw雷達具有極快的掃頻速度能夠滿足快速成像的時間要求，適用于無損檢測、安檢等一系列實際應用當中。受益于thz雷達成像技術的巨大應用前景，目前已經(jīng)有了一系列thz-fmcw雷達三維成像算法的研究?！皌hz3-dimageformationusingsartechniques:simulation,processingandexperimentalresults”論文中研究了基于波數(shù)域rma算法的thz-fmcw雷達成像方法。“applicationofnuffttoterahertzfmcw3-dimaging”論文中研究了基于非標準傅里葉變換(nufft)的thz-fmcw雷達成像方法。

然而，上述兩種方法均屬于傳統(tǒng)的匹配濾波法，其在數(shù)據(jù)采樣時均采用了傳統(tǒng)的雷達成像掃描方式，需要符合nyquist采樣定律對數(shù)據(jù)進行掃描采樣，雷達成像分辨率越高時，要求的掃描間隔越小，相同成像區(qū)域所需的掃描時間也就越長，采樣的樣本量越大。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓縮感知的太赫茲調(diào)頻連續(xù)波雷達三維成像算法，解決傳統(tǒng)雷達成像掃描時掃描時間長、樣本量大的問題。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于壓縮感知的太赫茲調(diào)頻連續(xù)波雷達三維成像算法，包括以下步驟：

步驟1、設計一個符合數(shù)據(jù)采集要求的測量矩陣，通過該矩陣確定thz-fmcw雷達天線在掃描平面內(nèi)的測量位置點；

步驟2、根據(jù)步驟1中設計的測量矩陣，在對應空間位置進行thz-fmcw雷達回波信號采集，得到測量信號；

步驟3，由測量信號重構得到原始信號；

步驟4，通過求解一個類似最優(yōu)范數(shù)問題來重構稀疏信號；

步驟5，將重構得到的稀疏信號乘上正交變換基進行稀疏反變換得到重構的原始信號；

步驟6，將重構得到的原始信號進行三維成像處理。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點為：

本發(fā)明基于壓縮感知的太赫茲調(diào)頻連續(xù)波雷達三維成像算法能夠減少掃描時間、降低樣本量；壓縮感知理論實現(xiàn)了對信號同時進行采樣和壓縮，即使在不滿足奈奎斯特采樣定理要求的情況下，利用極少的采樣數(shù)據(jù)，也可能實現(xiàn)對原始完整信號的近似逼近，獲得較理想的恢復重建。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于壓縮感知的thz-fmcw雷達三維成像算法的流程圖。

圖2為具體實施例中稀疏率為10％時重構的剪刀圖像。

圖3為具體實施例中稀疏率為20％時重構的剪刀圖像。

圖4為具體實施例中稀疏率為30％時重構的剪刀圖像。

圖5為具體實施例中稀疏率為50％時重構的剪刀圖像。

具體實施例

結合圖1，一種基于壓縮感知的太赫茲調(diào)頻連續(xù)波雷達三維成像算法，包括以下步驟：

步驟1、設計一個符合數(shù)據(jù)采集要求的測量矩陣，通過該矩陣確定thz-fmcw雷達天線在掃描平面內(nèi)的測量位置點；

步驟2、根據(jù)步驟1中設計的測量矩陣，在對應空間位置進行thz-fmcw雷達回波信號采集，得到測量信號；

步驟3，由測量信號重構得到原始信號；

步驟4，通過求解一個類似最優(yōu)范數(shù)問題來重構稀疏信號；

步驟5，將重構得到的稀疏信號乘上正交變換基進行稀疏反變換得到重構的原始信號；

步驟6，將重構得到的原始信號進行三維成像處理。

進一步的，步驟3具體為：

由測量信號y重構得到原始信號d，通過稀疏變換基ψ進行稀疏表示，即d＝ψc，c為原始信號在ψ變換域的稀疏表示；

測量信號y與稀疏信號c之間存在著如下的關系：

y＝φψc＝ac(1)

a＝φψ表示為測量矩陣和稀疏變換基的乘積。

進一步的，步驟4通過求解一個類似最優(yōu)l0范數(shù)問題來重構稀疏信號c，即

進一步的，步驟5將重構得到的稀疏信號乘上正交變換基ψ進行稀疏反變換得到重構的原始信號

進一步的，步驟6，將重構得到的原始信號進行三維成像處理，x,y為方位向，k為距離維z的波數(shù)矢量；

采用的三維成像算法為基于nufft的雷達三維成像算法，具體為：

步驟6.1、對方位向數(shù)據(jù)進行二維快速傅里葉變換；

步驟6.2、在步驟6.1的結果后乘上相位校正函數(shù)進行相位校正，其中k＝2πfi/c，fi為調(diào)頻連續(xù)波頻率，kx,ky分別表示x方向和y方向上的空間頻率；

步驟6.3、在距離向進行非標準快速傅里葉變換，在方位向進行二維快速傅里葉逆變換；

步驟6.4、得到三維成像并顯示。

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例

本實施實例將通過thz-fmcw雷達成像系統(tǒng)的實際測量數(shù)據(jù)對本發(fā)明中提出的算法進行驗證說明。

為驗證本發(fā)明中提出的基于壓縮感知的thz-fmcw雷達三維成像算法，利用thz-fmcw雷達三維成像系統(tǒng)進行實測成像實驗，系統(tǒng)的工作頻率范圍為110ghz-170ghz。實驗成像目標為放置在距離掃描平面0.25m處的一把剪刀，thz-fmcw成像系統(tǒng)發(fā)射太赫茲調(diào)頻連續(xù)波對其進行掃描成像研究，成像系統(tǒng)掃描平面的掃描范圍為151mm×151mm。如采用傳統(tǒng)雷達三維成像算法，需要滿足奈奎斯特采樣定律的前提下進行逐點掃描，消耗大量時間，實驗中逐點掃描的掃描間隔設為1mm。

為了減少采集時間，減少空間樣本的數(shù)量，現(xiàn)采用本發(fā)明中提出的壓縮感知的方法來解決上述的問題，具體的操作步驟如下：

步驟1、設計好測量矩陣φ，矩陣規(guī)定了thz-fmcw雷達天線在掃描平面內(nèi)的位置點；

步驟2、根據(jù)設計的測量矩陣，在對應的空間位置進行thz-fmcw雷達回波信號采集，得到測量信號y；

步驟3、由于原始信號d是不稀疏的，無法直接由測量信號y重構出原始信號。但是原始信號可以通過某種變換ψ進行稀疏表示，即d＝ψc，c為原始信號在ψ變換域的稀疏表示；

測量信號y與稀疏信號c存在著如下關系：

y＝φψc

其中，ψ為稀疏變換基，本實例中的變換基為離散傅里葉變換形成的正交基，測量矩陣φ和稀疏變換基ψ的乘積用a來表示，即a＝φψ。

步驟4，通過求解一個類似最優(yōu)l0范數(shù)問題來重構稀疏信號c，即

步驟5，將重構得到的稀疏信號乘上正交變換基ψ進行稀疏反變換得到重構的原始信號

步驟6，將重構得到的原始信號進行三維成像處理，x,y為方位向，k為距離維z的波數(shù)矢量。

圖2-圖5分別給出了數(shù)據(jù)稀疏性為10％、20％、30％、50％時的剪刀thz-fmcw雷達成像效果圖。當數(shù)據(jù)稀疏性低于10％時，重構效果不好，當數(shù)據(jù)稀疏性大于20％時，可以重構出原始圖像。