CN112230221A - 一种基于三维稀疏成像的rcs测量方法 - Google Patents
一种基于三维稀疏成像的rcs测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112230221A CN112230221A CN202011014917.9A CN202011014917A CN112230221A CN 112230221 A CN112230221 A CN 112230221A CN 202011014917 A CN202011014917 A CN 202011014917A CN 112230221 A CN112230221 A CN 112230221A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- iteration
- dimensional
- sparse
- phase information
- calculating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 53
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 claims description 24
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 22
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 12
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 17
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000284 extract Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 19
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 2
- 238000005290 field theory Methods 0.000 description 2
- AQFATIOBERWBDY-LNQSNDDKSA-N Carboxyatractyloside Chemical compound O1[C@H](CO)[C@@H](OS(O)(=O)=O)[C@H](OS(O)(=O)=O)[C@@H](OC(=O)CC(C)C)[C@@H]1O[C@@H]1CC(C(O)=O)(C(O)=O)[C@H]2CC[C@@]3([C@@H](O)C4=C)C[C@H]4CC[C@H]3[C@]2(C)C1 AQFATIOBERWBDY-LNQSNDDKSA-N 0.000 description 1
- 101100005318 Mus musculus Ctsr gene Proteins 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9094—Theoretical aspects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/28—Details of pulse systems
- G01S7/2813—Means providing a modification of the radiation pattern for cancelling noise, clutter or interfering signals, e.g. side lobe suppression, side lobe blanking, null-steering arrays
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/28—Details of pulse systems
- G01S7/285—Receivers
- G01S7/292—Extracting wanted echo-signals
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
- G01S7/418—Theoretical aspects
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Geometry (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于三维稀疏成像的RCS测量方法。首先,它利用阵列三维SAR获取被测目标区域的回波数据矩阵;利用脉冲压缩和频率升采样技术完成初步信号处理;利用三维BP算法得到目标近场散射分布的三维复图像;然后采用一种新颖的基于复图像的稀疏成像方法对目标旁瓣和杂波进行抑制;利用补偿因子及定标技术,最终得到被测目标的RCS方向图。与经典的基于图像的RCS测量方法相比,本发明方法不受旁瓣及杂波的影响,能够提取出目标的三维散射特征分布,具有测量精度高、适用性广等优点。
Description
技术领域
本发明属于合成孔径雷达技术领域,它特别涉及到了合成孔径雷达(SyntheticAperture Radar,SAR)稀疏成像技术领域和雷达散射截面积(Radar Cross Section)测量技术领域。
背景技术
雷达散射截面积(RCS)是指表征目标对雷达电磁波的散射能力的物理量。它既与目标的几何参数和物理参数有关,例如目标的形状、尺寸、材料和结构等,又与入射电磁波的参数有关,如极化和频率等,同时还与目标相对雷达的姿态角有关。RCS测量技术是指运用电磁场理论、雷达微波成像等手段,对目标的雷达散射截面积进行测量的技术。传统的RCS测量技术需要满足远场(Far-field)或紧缩场(Compact antenna test range,CATR)条件,在实际测试中,这些条件很难满足,且实现成本高。近年来,随着军事科技的日益进步,隐身与反隐身、探测与反探测等技术不断发展,对目标RCS测量提出了更高的要求。
基于雷达微波图像的RCS测量技术是指当测试条件不满足远场条件时,采用合成孔径雷达(SAR)成像等微波遥感成像手段,在近场(Near-field)收集并处理感兴趣区域的散射回波,从中提取出目标的散射特性,并通过算法补偿完成RCS测量的新技术。该技术将电磁场理论、微波成像和微波测量相结合,具有三维空间分辨能力、灵活性强和实现难度低等优点,成为近年来雷达散射测量研究的重点。
阵列三维SAR是一种将宽带雷达信号处理与天线阵列处理相结合,并具备近距离三维高分辨成像能力以及目标三维电磁散射特性提取能力的新体制雷达。阵列三维SAR具有全天时、全天候工作和高精度的优点,已被广泛应用各个领域,如目标检测与识别、精确制导、反恐安检、智能汽车雷达等。与传统的二维成像雷达技术相比,微波三维成像技术能够获取目标更完整的三维散射特性分布,可获得复杂目标整体或感兴趣部位的RCS,可以将环境回波与目标回波进行分离,减小环境干扰,有利于高精度雷达散射测量研究。
目前,经典的基于图像的RCS测量方法主要是使用后向投影(BP)算法获得三维近场散射图,通过补偿因子获得目标远场RCS。然而,BP算法获得的三维近场散射图中包含了较高的目标旁瓣与杂波,对RCS测量的精度造成影响。因此,在图像域对目标旁瓣和杂波进行抑制,提高后续RCS测量精度。
发明内容
本发明提出了一种基于三维稀疏成像的RCS测量方法。首先,它利用阵列三维SAR获取被测目标的回波数据矩阵;利用脉冲压缩和频率升采样技术完成信号的初步处理;利用三维BP算法得到目标近场散射分布的三维复图像;然后利用一种新颖的基于复图像的稀疏成像方法对目标旁瓣和杂波进行抑制;利用补偿因子及定标技术,最终得到被测目标的RCS方向图。与经典的基于图像的RCS测量方法相比,本发明方法不受旁瓣及杂波的影响,能够提取出目标的三维散射特征分布,具有测量精度高、适用性广等优点。
为了方便描述本发明的内容,首先作以下术语定义:
定义1、雷达散射截面积(RCS)测量
RCS测量是指在特定测试条件下(如远场或紧缩场)得到目标反射和散射电磁波的能力,在电磁场与天线传播、雷达信号处理和目标雷达特征检测与识别等领域具有重要意义。详见“Eugene F.Knott.雷达横截面测量[M].科学出版社.2006”。
定义2、RCS外推
RCS外推是指当测试条件不满足平面波照射或者远场条件时,在近场实施算法补偿并推断RCS远场结果的方法。相较于传统的远场或紧缩场RCS测量,RCS外推具有限制条件少、灵活性强和实现难度低等优点。详见“张麟兮,李南京,胡楚锋,李萍.雷达目标散射特性测试与成像诊断[M].中国宇航出版社.2009”。
定义3、合成孔径雷达(SAR)
合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率微波成像雷达,具有全天时和全天候工作的优点,已被广泛应用各个领域,如地形测绘、制导、环境遥感和资源勘探等。SAR应用的重要前提和信号处理的主要目标是通过成像算法获取高分辨、高精度的微波图像。详见“皮亦鸣,杨建宇,付毓生,杨晓波.合成孔径雷达成像原理[M].电子科技大学出版社.2007”。
定义4、步进频率(Step-frequency,SF)信号
SF信号是一种通过发射载频步进变化的子脉冲串来合成大的等效带宽、具备高分辨距离像能力的信号形式。它能够显著降低系统的瞬时带宽和对接收机硬件的需求,在微波成像与微波测量领域被广泛使用。详见“杨汝良.高分辨率微波成像[M].国防工业出版社.2013”。
定义5、脉冲压缩
脉冲压缩是一种现代雷达信号处理技术,简单来说就是雷达发射宽脉冲,然后再接收端“压缩”为窄脉冲,从而改善雷达的两种性能:作用距离和距离分辨率。详见“皮亦鸣,杨建宇,付毓生,杨晓波.合成孔径雷达成像原理[M].电子科技大学出版社.2007”。
定义6、升采样
升采样是一种在离散信号域提高信号采样率的方法,有时域升采样和频域升采样两种实现方式。
定义7、快速傅里叶变换对(FFT/IFFT)
计算离散傅里叶变换对的一种快速算法,可分为快速傅里叶变换(FFT)和逆快速傅里叶变换(IFFT)。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少,特别是被变换的抽样点数越多,FFT/IFFT算法计算量的节省就越显著。详见“程乾生.数字信号处理[M].北京大学出版社.2003”。
定义8、三维后向投影算法(Back-projection,BP)
三维BP成像算法利用雷达平台的轨迹信息求出雷达平台与场景像素点的距离历史,然后通过遍历距离历史找出回波数据中匹配的回波数据,再进行相位补偿并相干累加,然后把复值结果反向投影到三维图像空间中完成三维成像处理。详见“师君.双基地SAR与线阵SAR原理及成像技术研究[D].电子科技大学博士论文.2009”。
定义9、方位向、距离向
将雷达平台运动的方向叫做方位向,将垂直于方位向的方向叫做距离向。
定义10、电磁计算仿真
利用电磁计算软件FEKO 2018可实现面目标、体目标的电磁模拟计算,并作为本专利方法的模拟数据输入。首先,在FEKO软件中设定散射系数测量仿真的系统参数,如频率、带宽、扫描阵列等,然后将被测目标的模型导入到FEKO软件中。根据目标大小和频率,在FEKO中可以选用不同的电磁计算方法,如物理光学法(PO)、矩量法(MoM)等,对被测目标的散射场进行计算。此时,在扫描阵列处接收到的散射场,即等效于实际测量中测量系统接收到的回波。
本发明提供的一种基于三维稀疏成像的RCS测量方法,它包括以下步骤:
步骤1、初始化相关参数
采用标准步进频率(SF)信号形式以及阵列三维SAR模型,并初始化如下参数:光在空气中传播速度,记为c;自然指数,记为exp;虚数单位(即-1的开根号),记为j;圆周率,记为π;SF信号中心频率,记为f0;角频率为w;波数为kc;步进频率序号,记为n=1,2,...,N,其中N表示频点总数;频率步进量,记为Δf;合成带宽,记为B;方位向阵元序号,记为l=1,2,...,L,其中L表示方位向阵元总数;方位方向向量,记为dl;方位向阵元间隔,记为Δdl;方位向合成孔径,记为Da;高度向阵元序号,记为m=1,2,...,M,其中M表示高度向阵元总数;高度方向向量,记为dm;高度向阵元间隔,记为Δdm;高度向合成孔径,记为De;频率升采样倍数,记为K;参考距离,记为R0;目标场景中心,记为rcenter;三维目标场景空间,记为V′;三维图像像素,记为r′=[x,y,z],且满足r′∈V′;采用标准的电磁计算仿真,初始化目标原始回波数据矩阵为SL×M×N,其中第一维表示方位向响应,第二维表示高度向响应,第三维表示频率响应;初始稀疏图像为k为观测场景的稀疏度;稀疏成像算法最大迭代次数为I,I为正整数;步长大小为μ,误差参数为ε;定标体的RCS为σca,定标体的远场散射场为Ca。
步骤2、对目标原始回波数据矩阵进行脉冲压缩处理,得到距离向数据矩阵
以步骤1中的目标原始回波数据矩阵SL×M×N作为输入,采用标准的脉冲压缩方法对SL×M×N中的第三维频率响应进行压缩,得到距离向数据矩阵PL×M×N。
步骤3、对脉冲压缩后的数据矩阵进行频率升采样
以步骤2得到的距离向数据矩阵PL×M×N和步骤1中初始化的的频率升采样倍数K作为输入,进行K倍频域升采样处理:
步骤3.1、取出步骤2中距离向数据矩阵PL×M×N的第l行和第m列,得到1×1×N大小的纵向量plm,其中N为步骤1中初始化的频点总数。
步骤3.2、采用标准的快速傅里叶变换(FFT)处理向量plm,得到向量Flm。
步骤3.3、从向量Flm的N/2+1位置开始插入(K-1)·N个零元素,得到F′lm=[Flm(1,2,...,N/2+1),O(K-1)·N,Flm(N/2+2,...,N)],其中Flm(1,2,...,N/2+1)表示Flm中的前N/2+1个元素,Flm(N/2+2,...,N)表示Flm中的后N/2-1个元素,O(K-1)·N表示插入的(K-1)·N个零元素。
步骤3.4、采用标准的逆快速傅里叶变换(IFFT)处理向量F′lm,得到向量p′lm。
步骤3.5、将向量p′lm存放至一个L×M×(K·N)矩阵的第l行和第m列,得到升采样后的数据矩阵P′L×M×(K·N)。
步骤4、计算近场补偿因子
以步骤1中初始化的光在空气中传播速度c、自然指数exp、虚数单位j、圆周率π、方位向阵元序号l、方位向阵元间隔Δdl、方位向最大孔径Da、高度向阵元序号m、高度向阵元间隔Δdm、俯仰向最大孔径De、信号中心频率f0、三维目标场景空间V′、三维图像像素r′和参考距离R0作为输入,计算近场补偿因子:
步骤4.1、采用公式R=[R0,l·Δdl-Da/2,m·Δdm-De/2]计算得到当前阵元位置向量,记为R;然后,采用公式Rr=||R-r′||2计算得到三维目标场景空间V′中的距离历史,记为Rr,其中||·||2表示向量L2范数。
步骤4.2、遍历三维目标场景空间V′,计算近场补偿因子Knn=exp(-j2kcRr),记为Knn。kc为步骤1定义的波数。
步骤5、利用三维BP算法获取三维复图像
以步骤3中得到的数据矩阵P′L×M×(K·N)和步骤4中得到的近场补偿因子Knn作为输入,采用标准的三维BP算法进行成像处理,得到被测目标场景的近场三维复图像,记为YMF。
步骤6、计算基于复图像的初始稀疏解
步骤6.1、采用公式计算第1次保留相位信息的稀疏解。μ为步骤1定义的步长因子。为步骤1定义的初始稀疏图像,Q(0)为步骤1定义的初始残余图像,Q(0)=YMF,YMF为步骤5计算得到的近场三维复图像。
步骤6.3、采用公式计算未保留相位信息的稀疏解,记为 为对步骤6.1中计算得到的保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值。为步骤6.1中计算得到的保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值后,第k+1大的元素幅值。k为步骤1中定义的观测场景的稀疏度。
步骤7、初始化迭代变量
步骤7.1、定义当前迭代次数为i,i=1,2,…,I,I为步骤1定义的稀疏成像算法最大迭代次数,初始化I=1。
步骤7.3、定义第i次迭代残余图像为Q(i),并初始化为Q(i)=Q(1),Q(1)为步骤6.2中计算出的残余图像。
步骤7.5、定义第i次迭代残差为Rs(i),并初始化为Rs(i)=Rs(1),Rs(1)为步骤6.4中计算出的残差。
步骤8、判断迭代是否结束
如果当前迭代次数i满足i≥I或者残差Rs(i)<ε,I为步骤1定义的稀疏成像算法最大迭代次数,ε为步骤1定义的误差参数,则结束迭代,输出 为步骤7.2定义的第i次迭代保留相位信息的稀疏解。如果当前迭代次数i满足i<I且Rs(i)≥ε,则继续执行步骤9。
步骤9、计算第i+1次迭代基于复图像的三维稀疏解
步骤9.3、采用公式计算未保留相位信息的稀疏解,记为 为对步骤9.1中计算得到的第i+1次迭代保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值。为步骤9.1中计算得到的第i+1次迭代保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值后,第k+1大的元素幅。k为步骤1中定义的观测场景的稀疏度。
步骤10、更新迭代次数,进入下一次迭代
采用公式i←i+1更新下一次迭代次数,运算符←表示赋值操作,重复步骤8~步骤10,直到迭代结束。
步骤11、计算远场补偿因子
以步骤4中的当前阵元位置向量R、目标场景中心rc′enter以及步骤1中初始化的光在空气中传播速度c、自然指数exp、虚数单位j、圆周率π、信号中心频率f0、方位方向向量dl、高度方向向量dm、阵列方位向最大孔径Da、阵列俯仰向最大孔径De和三维图像单元r′作为输入,进行远场补偿因子的计算:
步骤12、计算远场散射场并定标RCS值
采用公式计算得到远场散射场,记为Kec为步骤11.3计算出的远场补偿因子;;然后,采用公式计算得到被测目标的RCS值,记为σca为步骤1定义的定标体的RCS,Ca为步骤1定义的定标体远场散射场;w为步骤1定义的角频率。
本发明的创新点在于:采用了一种新颖的基于复图像的稀疏成像方法对目标旁瓣和杂波进行抑制,并结合补偿因子,能够获取目标的三维散射特征分布信息并计算出目标的RCS方向图。
本发明的优点在于:首先,采用基于复图像的稀疏成像算法在图像域对旁瓣及杂波进行抑制,显著提升了图像质量,从而保证了本发明对于成像场景具有广泛的适用性;其次,通过补偿因子,可以获得目标在三维空间的散射特征分布,具有高灵活性;与传统RCS测量方法相比,本发明方法不需要很远的测试距离或者紧缩场天线,大大减小了测量成本。
附图说明:
图1是本发明流程图。
具体实施方式
本发明主要采用仿真实验的方法进行验证,所有步骤、结论都在电磁仿真软件FEKO 2018和数学计算软件Matlab 2019b上验证正确。具体实施步骤如下:
步骤1、初始化相关参数
采用标准的步进频率(SF)的基带信号形式以及阵列三维SAR模型,并初始化如下参数:光在空气中传播速度为C=3×108m/s;;SF信号中心频率为f0=9GHz;步进频率序号,记为n=1,2,...,161,频点总数为161;频率步进量为Δf=12.5MHz;合成带宽为B=2GHz;方位向阵元序号为l=1,2,...,101;方位方向向量为dl=[0,1,0];方位向阵元间隔为Δdl=0.04m;方位向最大孔径为Da=4m;俯仰向阵元序号为m=1,2,...,101;俯仰方向向量为dm=[0,0,1];俯仰向阵元间隔为Δdm=0.04m;俯仰向最大孔径为De=4m;频率升采样倍数为K=8;参考距离为R0=5m;目标场景中心为rcenter=[0,0,0]m;三维目标场景空间为V′=rcenter+[±0.5,±0.5,±0.5]m;采用标准的电磁计算仿真,初始化目标原始回波数据矩阵为S101×101×161,其中第一维表示方位向响应,第二维表示高度向响应,第三维表示频率响应;初始稀疏图像为k为观测场景的稀疏度;稀疏成像算法最大迭代次数为I=100,I为正整数;步长大小为μ,误差参数为ε=10-9;定标体的RCS为σca,定标体的远场散射场为Ca。
步骤2、对目标原始回波数据矩阵进行脉冲压缩处理,得到距离向数据矩阵
以步骤1中的目标原始回波数据矩阵S101×101×161作为输入,采用标准的脉冲压缩方法对S101×101×161中的第三维频率响应进行压缩,得到距离向数据矩阵P101×101×161;
步骤3、对脉冲压缩后的数据矩阵进行频率升采样
以步骤2得到的距离向数据矩阵P101×101×161和步骤1中初始化的频率升采样倍数K=8作为输入,进行8倍频域升采样处理:
步骤3.1、取出步骤2中距离向数据矩阵P101×101×161的第l行和第m列,得到1×1×161大小的纵向量plm;
步骤3.2、采用标准的快速傅里叶变换(FFT)处理向量plm,得到向量Flm;
步骤3.3、从向量Flm的81位置开始插入1120个零元素,得到F′lm=[Flm(1,2,...,81),O1120,Flm(82,...,161)],其中Flm(1,2,...,81)表示Flm中的前81个元素,Flm(82,...,161)表示Flm中的后80个元素,O1120表示插入的1120个零元素;
步骤3.4、采用标准的逆快速傅里叶变换(IFFT)处理向量F′lm,得到向量p′lm;
步骤3.5、将向量p′lm存放至一个101×101×1120矩阵的第l行和第m列,得到升采样后的数据矩阵P′101×101×1120;
步骤4、计算近场补偿因子
以步骤1中初始化的光在空气中传播速度c、自然指数exp、虚数单位j、圆周率π、方位向阵元序号l、方位向阵元间隔Δdl、方位向最大孔径Da、高度向阵元序号m、高度向阵元间隔Δdm、俯仰向最大孔径De、信号中心频率f0、三维目标场景空间V′、三维图像像素r′和参考距离R0作为输入,计算近场补偿因子:
步骤4.1、采用公式R=[R0,l·Δdl-Da/2,m·Δdm-De/2]计算得到当前阵元位置向量,记为R;然后,采用公式Rr=||R-r′||2计算得到三维目标场景空间V′中的距离历史,记为Rr,其中||·||2表示向量L2范数。
步骤4.2、遍历三维目标场景空间V′,计算近场补偿因子Knn=exp(-j2kRr),记为Knn;kc为步骤1定义的波数。
步骤5、利用三维BP算法获取三维复图像
以步骤3中得到的数据矩阵P′101×101×1120和步骤4中得到的近场补偿因子Knn作为输入,采用标准的三维BP算法进行成像处理,得到被测目标场景的近场三维复图像,记为YMF。
步骤6、计算基于复图像的初始稀疏解
步骤6.3、采用公式计算未保留相位信息的稀疏解,记为 为对步骤6.1中计算得到的保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值。为步骤6.1中计算得到的保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值后,第k+1大的元素幅值。k为步骤1中定义的观测场景的稀疏度。
步骤7、初始化迭代变量
步骤7.1、定义当前迭代次数为i,i=1,2,…,100为步骤1定义的稀疏成像算法最大迭代次数,初始化I=1。
步骤7.3、定义第i次迭代残余图像为Q(i),并初始化为Q(i)=Q(1),Q(1)为步骤6.2中计算出的残余图像。
步骤7.5、定义第i次迭代残差为Rs(i),并初始化为Rs(i)=Rs(1),Rs(1)为步骤6.4中计算出的残差。
步骤8、判断迭代是否结束
如果当前迭代次数i满足i≥100或者残差Rs(i)<10-9,则结束迭代,输出 为步骤7.2定义的第i次迭代保留相位信息的稀疏解。如果当前迭代次数i满足i<100且Rs(i)≥10-9,则继续执行步骤9。
步骤9、计算第i+1次基于复图像的三维稀疏解
步骤9.3、采用公式计算未保留相位信息的稀疏解,记为 为对步骤9.1中计算得到的第i+1次迭代保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值。为步骤9.1中计算得到的第i+1次迭代保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值后,第k+1大的元素幅值。k为步骤1中定义的观测场景的稀疏度。
步骤10、更新迭代次数,进入下一次迭代
采用公式i←i+1更新下一次迭代次数,运算符←表示赋值操作,重复步骤8~步骤10,直到迭代结束。
步骤11、计算远场补偿因子
以步骤4中的当前阵元位置向量R、目标场景中心r′center以及步骤1中初始化的光在空气中传播速度c、自然指数exp、虚数单位j、圆周率π、信号中心频率f0、方位方向向量dl、高度方向向量dm、阵列方位向最大孔径Da、阵列俯仰向最大孔径De和三维图像单元r′作为输入,进行远场补偿因子的计算:
步骤12、计算远场散射场并定标RCS值
Claims (1)
1.一种基于三维稀疏成像的RCS测量方法,其特征是它包括以下步骤:
步骤1、初始化相关参数
采用标准步进频率(SF)信号形式以及阵列三维SAR模型,并初始化如下参数:光在空气中传播速度,记为c;自然指数,记为exp;虚数单位(即-1的开根号),记为j;圆周率,记为π;SF信号中心频率,记为f0;角频率为w;波数为kc;步进频率序号,记为n=1,2,...,N,其中N表示频点总数;频率步进量,记为Δf;合成带宽,记为B;方位向阵元序号,记为l=1,2,...,L,其中L表示方位向阵元总数;方位方向向量,记为dl;方位向阵元间隔,记为Δdl;方位向合成孔径,记为Da;高度向阵元序号,记为m=1,2,...,M,其中M表示高度向阵元总数;高度方向向量,记为dm;高度向阵元间隔,记为Δdm;高度向合成孔径,记为De;频率升采样倍数,记为K;参考距离,记为R0;目标场景中心,记为rcenter;三维目标场景空间,记为V′;三维图像像素,记为r′=[x,y,z],且满足r′∈V′;采用标准的电磁计算仿真,初始化目标原始回波数据矩阵为SL×M×N,其中第一维表示方位向响应,第二维表示高度向响应,第三维表示频率响应;初始稀疏图像为k为观测场景的稀疏度;稀疏成像算法最大迭代次数为I,I为正整数;步长大小为μ,误差参数为ε;定标体的RCS为σca,定标体的远场散射场为Ca。
步骤2、对目标原始回波数据矩阵进行脉冲压缩处理,得到距离向数据矩阵
以步骤1中的目标原始回波数据矩阵SL×M×N作为输入,采用标准的脉冲压缩方法对SL×M×N中的第三维频率响应进行压缩,得到距离向数据矩阵PL×M×N。
步骤3、对脉冲压缩后的数据矩阵进行频率升采样
以步骤2得到的距离向数据矩阵PL×M×N和步骤1中初始化的的频率升采样倍数K作为输入,进行K倍频域升采样处理:
步骤3.1、取出步骤2中距离向数据矩阵PL×M×N的第l行和第m列,得到1×1×N大小的纵向量plm,其中N为步骤1中初始化的频点总数。
步骤3.2、采用标准的快速傅里叶变换(FFT)处理向量plm,得到向量Flm。
步骤3.3、从向量Flm的N/2+1位置开始插入(K-1)·N个零元素,得到F′lm=[Flm(1,2,...,N/2+1),O(K-1)·N,Flm(N/2+2,...,N)],其中Flm(1,2,...,N/2+1)表示Flm中的前N/2+1个元素,Flm(N/2+2,...,N)表示Flm中的后N/2-1个元素,O(K-1)·N表示插入的(K-1)·N个零元素。
步骤3.4、采用标准的逆快速傅里叶变换(IFFT)处理向量F′lm,得到向量p′lm。
步骤3.5、将向量p′lm存放至一个L×M×(K·N)矩阵的第l行和第m列,得到升采样后的数据矩阵P′L×M×(K·N)。
步骤4、计算近场补偿因子
以步骤1中初始化的光在空气中传播速度c、自然指数exp、虚数单位j、圆周率π、方位向阵元序号l、方位向阵元间隔Δdl、方位向最大孔径Da、高度向阵元序号m、高度向阵元间隔Δdm、俯仰向最大孔径De、信号中心频率f0、三维目标场景空间V′、三维图像像素r′和参考距离R0作为输入,计算近场补偿因子:
步骤4.1、采用公式R=[R0,l·Δdl-Da/2,m·Δdm-De/2]计算得到当前阵元位置向量,记为R;然后,采用公式Rr=||R-r′||2计算得到三维目标场景空间V′中的距离历史,记为Rr,其中||·||2表示向量L2范数。
步骤4.2、遍历三维目标场景空间V′,计算近场补偿因子Knn=exp(-j2kcRr),记为Knn。kc为步骤1定义的波数。
步骤5、利用三维BP算法获取三维复图像
以步骤3中得到的数据矩阵P′L×M×(K·N)和步骤4中得到的近场补偿因子Knn作为输入,采用标准的三维BP算法进行成像处理,得到被测目标场景的近场三维复图像,记为YMF。
步骤6、计算基于复图像的初始稀疏解
步骤6.1、采用公式计算第1次保留相位信息的稀疏解。μ为步骤1定义的步长因子。为步骤1定义的初始稀疏图像,Q(0)为步骤1定义的初始残余图像,Q(0)=YMF,YMF为步骤5计算得到的近场三维复图像。
步骤6.3、采用公式计算未保留相位信息的稀疏解,记为 为对步骤6.1中计算得到的保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值。为步骤6.1中计算得到的保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值后,第k+1大的元素幅值。k为步骤1中定义的观测场景的稀疏度。
步骤7、初始化迭代变量
步骤7.1、定义当前迭代次数为i,i=1,2,…,I,I为步骤1定义的稀疏成像算法最大迭代次数,初始化I=1。
步骤7.3、定义第i次迭代残余图像为Q(i),并初始化为Q(i)=Q(1),Q(1)为步骤6.2中计算出的残余图像。
步骤7.5、定义第i次迭代残差为Rs(i),并初始化为Rs(i)=Rs(1),Rs(1)为步骤6.4中计算出的残差。
步骤8、判断迭代是否结束
如果当前迭代次数i满足i≥I或者残差Rs(i)<ε,I为步骤1定义的稀疏成像算法最大迭代次数,ε为步骤1定义的误差参数,则结束迭代,输出 为步骤7.2定义的第i次迭代保留相位信息的稀疏解。如果当前迭代次数i满足i<I且Rs(i)≥ε,则继续执行步骤9。
步骤9、计算第i+1次迭代基于复图像的三维稀疏解
步骤9.3、采用公式计算未保留相位信息的稀疏解,记为 为对步骤9.1中计算得到的第i+1次迭代保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值。为步骤9.1中计算得到的第i+1次迭代保留相位信息的稀疏解矩阵的元素取绝对值后,第k+1大的元素幅。k为步骤1中定义的观测场景的稀疏度。
步骤10、更新迭代次数,进入下一次迭代
采用公式i←i+1更新下一次迭代次数,运算符←表示赋值操作,重复步骤8~步骤10,直到迭代结束。
步骤11、计算远场补偿因子
以步骤4中的当前阵元位置向量R、目标场景中心r′center以及步骤1中初始化的光在空气中传播速度c、自然指数exp、虚数单位j、圆周率π、信号中心频率f0、方位方向向量dl、高度方向向量dm、阵列方位向最大孔径Da、阵列俯仰向最大孔径De和三维图像单元r′作为输入,进行远场补偿因子的计算:
步骤12、计算远场散射场并定标RCS值
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011014917.9A CN112230221A (zh) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | 一种基于三维稀疏成像的rcs测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011014917.9A CN112230221A (zh) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | 一种基于三维稀疏成像的rcs测量方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112230221A true CN112230221A (zh) | 2021-01-15 |
Family
ID=74108202
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202011014917.9A Pending CN112230221A (zh) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | 一种基于三维稀疏成像的rcs测量方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112230221A (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112946373A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-11 | 北京邮电大学 | 一种基于紧缩场系统的无相位测量方法及装置 |
CN113866766A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-31 | 电子科技大学 | 一种基于近场三维成像的雷达散射截面积精确外推方法 |
CN115015927A (zh) * | 2022-05-26 | 2022-09-06 | 电子科技大学 | 一种基于柯西正则化的阵列三维sar稀疏成像方法 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060220950A1 (en) * | 2005-04-04 | 2006-10-05 | The Boeing Company | Sparse numerical array feed for compact antenna and RCS ranges |
CN103149561A (zh) * | 2011-12-06 | 2013-06-12 | 中国科学院电子学研究所 | 一种基于场景块稀疏的稀疏微波成像方法 |
CN103969640A (zh) * | 2014-04-29 | 2014-08-06 | 西安电子科技大学 | 双基地mimo雷达目标稀疏成像方法 |
CN105388473A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-03-09 | 西北工业大学 | 一种基于高分辨成像的近场rcs快速测量方法 |
CN106872951A (zh) * | 2017-01-03 | 2017-06-20 | 北京环境特性研究所 | 一种基于压缩感知的暗室宽带rcs测量方法 |
CN108983208A (zh) * | 2018-06-19 | 2018-12-11 | 中国电子科技集团公司第四十研究所 | 一种基于近场稀疏成像外推的目标rcs测量方法 |
WO2019154536A1 (en) * | 2018-02-09 | 2019-08-15 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Methods and apparatuses for object detection in a scene based on lidar data and radar data of the scene |
-
2020
- 2020-09-24 CN CN202011014917.9A patent/CN112230221A/zh active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20060220950A1 (en) * | 2005-04-04 | 2006-10-05 | The Boeing Company | Sparse numerical array feed for compact antenna and RCS ranges |
CN103149561A (zh) * | 2011-12-06 | 2013-06-12 | 中国科学院电子学研究所 | 一种基于场景块稀疏的稀疏微波成像方法 |
CN103969640A (zh) * | 2014-04-29 | 2014-08-06 | 西安电子科技大学 | 双基地mimo雷达目标稀疏成像方法 |
CN105388473A (zh) * | 2015-11-17 | 2016-03-09 | 西北工业大学 | 一种基于高分辨成像的近场rcs快速测量方法 |
CN106872951A (zh) * | 2017-01-03 | 2017-06-20 | 北京环境特性研究所 | 一种基于压缩感知的暗室宽带rcs测量方法 |
WO2019154536A1 (en) * | 2018-02-09 | 2019-08-15 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Methods and apparatuses for object detection in a scene based on lidar data and radar data of the scene |
CN108983208A (zh) * | 2018-06-19 | 2018-12-11 | 中国电子科技集团公司第四十研究所 | 一种基于近场稀疏成像外推的目标rcs测量方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
CHRISTER LARSSON: ""Near to far field transformation of RCS using a compressive sensing method"", 《AMTA 2016 PROCEEDINGS》 * |
YANG LIU等: ""RCS measurement based on frequency-sparse 3-D imaging"", 《2019 PHOTONICS & ELECTROMAGNETIC RESEARCH SYMPOSIUM》 * |
卜明春等: ""雷达散射截面压缩测量的l1-ls重构算法研究"", 《2017年全国微波毫米波会议》 * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112946373A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-11 | 北京邮电大学 | 一种基于紧缩场系统的无相位测量方法及装置 |
CN112946373B (zh) * | 2021-02-01 | 2024-02-09 | 北京邮电大学 | 一种基于紧缩场系统的无相位测量方法及装置 |
CN113866766A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-31 | 电子科技大学 | 一种基于近场三维成像的雷达散射截面积精确外推方法 |
CN113866766B (zh) * | 2021-09-29 | 2024-03-22 | 电子科技大学 | 一种基于近场三维成像的雷达散射截面积精确外推方法 |
CN115015927A (zh) * | 2022-05-26 | 2022-09-06 | 电子科技大学 | 一种基于柯西正则化的阵列三维sar稀疏成像方法 |
CN115015927B (zh) * | 2022-05-26 | 2024-08-06 | 电子科技大学 | 一种基于柯西正则化的阵列三维sar稀疏成像方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Xu et al. | Three-dimensional interferometric ISAR imaging for target scattering diagnosis and modeling | |
CN111142105B (zh) | 复杂运动目标isar成像方法 | |
CN111965643B (zh) | 一种斜视sar bp图像中运动舰船目标重聚焦方法 | |
CN112230221A (zh) | 一种基于三维稀疏成像的rcs测量方法 | |
CN108008385A (zh) | 基于稀疏贝叶斯学习的干扰环境isar高分辨成像方法 | |
CN110133682B (zh) | 星载全方位sar自适应目标三维重建方法 | |
CN102914773B (zh) | 一种多航过圆周sar三维成像方法 | |
CN102645651A (zh) | 一种sar层析超分辨成像方法 | |
CN104122554B (zh) | 高分辨率sar图像目标的属性散射中心特征提取方法 | |
CN110780298A (zh) | 基于变分贝叶斯学习的多基isar融合成像方法 | |
CN110596706B (zh) | 一种基于三维图像域投射变换的雷达散射截面积外推方法 | |
CN104182753B (zh) | 结合图像分割与子空间匹配追踪的目标散射中心提取方法 | |
CN103076608B (zh) | 轮廓增强的聚束式合成孔径雷达成像方法 | |
CN108415017A (zh) | 复杂目标雷达散射特性稀疏表征的一维增广状态空间方法 | |
CN107153191A (zh) | 一种针对隐形飞机的双基isar成像检测方法 | |
CN104833971A (zh) | 基于滑动散射中心的双/多基地雷达图像ps点关联方法 | |
CN108931770B (zh) | 基于多维贝塔过程线性回归的isar成像方法 | |
CN112764031A (zh) | 基于毫米波雷达的近场isar干涉转台成像方法 | |
CN109959933B (zh) | 一种基于压缩感知的多基线圆迹合成孔径雷达成像方法 | |
Yujie et al. | The distributed SAR imaging method for cylinder target | |
CN110161500B (zh) | 一种基于Radon-Clean的改进圆周SAR三维成像方法 | |
CN114488152A (zh) | 基于后向投影的高效近场大小尺寸目标isar成像方法 | |
CN113656961A (zh) | 金属和涂敷目标gtd模型的连续压缩感知散射中心提取方法 | |
CN115015927B (zh) | 一种基于柯西正则化的阵列三维sar稀疏成像方法 | |
CN113671494B (zh) | 一种基于超分辨成像的雷达散射截面积测量方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210115 |