基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法技术

本发明专利技术公开了基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，具体步骤如下：步骤一，天线接收并记录回波信号；步骤二，计算反射率函数；步骤三，计算相干因子；步骤四，利用相干因子校正图像。该算法将空间域相干因子的概念扩展到波数域，结合距离偏移成像算法，具备实时成像能力，如果结合并行算法，能够进一步提高效率；相对于传统的距离偏移成像算法和反投影成像算法具有更高的分辨率和更低的旁瓣，并能够有效压制基底噪声；引入参数α和β调节相干因子性能，能够平衡相干因子对旁瓣和弱散射点的压制作用，性能稳定。

High resolution super resolution stationary point scanning imaging method based on wavenumber domain coherence factor

The invention discloses a wavenumber domain coherent factor of ultra high resolution point scanning imaging method based on the specific steps are as follows: step one, antenna for receiving and recording echo signal; step two, calculate the reflectivity function; step three, calculation of coherent factor; step four, using the coherent image correction factor. The algorithm will be extended to the concept of spatial domain coherent factor wavenumber domain, the combination of distance migration imaging algorithm with real-time imaging capability, if combined with the parallel algorithm, can further improve the efficiency; compared with the traditional distance sidelobe migration imaging algorithm and back projection algorithm has higher resolution and lower substrate, and can effectively suppress the noise; the introduction of alpha and beta parameters regulating coherence factor performance, can balance the coherence factor of sidelobe and weak scatter suppression effect, stable performance.

【技术实现步骤摘要】
基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法
本专利技术涉及合成孔径成像算法，尤其涉及基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法。
技术介绍
合成孔径(SyntheticAperture，SA)成像算法是目前应用最广泛的一种雷达成像技术，该技术的特点是以脉冲压缩技术为根本，相对于传统的电磁成像方法，计算量更小，内存需求更低，是实时成像系统的首选方法。SA采用一种Born近似的电场信号模型，为保证图像的精度，不考虑任何远场近似，则最经典的两种SA成像方法是反投影成像算法(backprojectionalgorithm,BPA)和距离偏移成像算法(rangemigrationalgorithm，RMA)。两种方法各有特点。BPA的重要优势在于对天线的空间采样方式没有要求，允许非均匀采样。这一点对于非均匀排布的多输入多输出(MultiInputMultiOutput，MIMO)阵列成像和一些复杂的双基成像雷达具有重要意义。另一方面，BPA的抗噪性能也更强。它的主要缺点是计算量非常大，难以应用在实时系统中。为克服这一问题，有人提出了快速BPA(fastBPA，FBPA)和快速分解BPA(fastfactorizedBPA，FFBPA)，这一类算法是以牺牲图像精度为代价换取提高速度，因此需要均衡考虑。相对来说，RMA得益于快速傅里叶变换(FFT)，其速度优势是与生俱来的，虽然精度比BPA稍低，但是整体性能仍然可接受。RMA要求天线的空间采样必须是均匀的。对于确定的系统参数，为了进一步提高RMA的性能，提出了一类超分辨率成像算法。这里超分辨率的含义比较广泛，既包括降低主瓣宽度，也包括压低旁瓣和基底噪声电平。这类方法的主要原理是，将RMA的最后一步逆快速傅里叶变换(IFFT)用功率谱分析方法代替，因为某些功率谱分析方法得到的谱密度函数比信号的频谱具有更高的频谱分辨率，如Capon谱分析和子空间类谱分析方法。但是谱分析方法的计算量和内存资源占用都很高，因此这一类方法多数局限于二维RMA成像算法中。随着压缩感知(compressivesensing,CS)技术的快速发展，雷达成像的一个重要的技术应用就是压缩感知成像。它的应用背景可以这样考虑：对于求解逆问题的优化问题，可以首先考虑将问题稀疏化，进一步在目标函数中加入稀疏项，就可以与传统的正则化项，如全变差项一起求解逆问题。从采用的信号模型看，CS成像问题大致分为两类，第一类采用与SA完全一致的模型，稀疏化以后求解；另一类引入广义反射率的概念，将反射率与探测器方向联系在一起，具有更高精度的同时，也增加了计算量。但是CS成像的重要特点就是具有超分辨率的特性。由以上分析可见，目前的提出的超分辨率成像算法普遍特点是，计算量大，内存占用率高。对于实时成像系统，尚不存在可用的超分辨率成像算法。
技术实现思路
针对以上所述超分辨成像方法的技术缺陷，本专利技术提出基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法及系统，该算法将空间域相干因子扩展到波数域，并与RMA相结合，具有实时成像能力；另一方面，该方法在压低图像旁瓣和基底噪声的同时，进一步提高了分辨率。本专利技术是通过如下技术方案实现的：基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，包括如下步骤：步骤(1)：天线接收并记录回波信号；步骤(2)：根据距离偏移成像算法RMA处理回波信号，求得反射率函数；步骤(3)：计算波数域相干因子；步骤(4)：根据步骤(3)计算得到的相干因子，对步骤(2)得到的反射率函数图像进行校正，最后得到校正后的图像。所述步骤(2)的步骤为：步骤(2.1)：对回波信号做二维快速傅里叶变换FFT，得到波数域回波信号；步骤(2.2)：对步骤(2.1)得到的波数域回波信号，进行自由空间衰减和信号脉冲波形补偿；步骤(2.3)：对步骤(2.2)得到的结果，进行场景中心补偿；步骤(2.4)：对采样点进行Stolt插值，对插值后得到的数据采用三维IFFT进行处理，得到反射率函数的图像。所述步骤(3)的步骤为：步骤(3.1)：对波数域的回波数据进行数据重排；步骤(3.2)：对重排后的数据在垂直距离维度上做二维FFT；步骤(3.3)：场景中心补偿；步骤(3.4)：进行Stolt插值，对插值后得到的数据采用三维IFFT进行处理，得到反射率函数的相干功率项；步骤(3.5)：通过步骤(3.4)的到的相干功率项，计算相干因子。驻点扫描成像是一种单站雷达成像方法，尤其适用于近距离目标成像。所述步骤(1)的步骤为：单天线同时发射和接收电磁信号，在笛卡尔坐标系内，设天线在空间中形成二维扫描平面与X-Y平面平行，用A(x′,y′)表示，且天线的扫描路线与X和Y轴平行，并保证成像目标在扫描范围内。天线在X和Y方向上均匀采样，采样间隔满足奈奎斯特采样定律。天线位于坐标(x′,y′,zL)接收到的回波信号s(x′,y′,zL；k)表示为其中，D(x,y,z)是目标所在区域，由天线波束宽度和目标体共同决定；R表示位于(x,y,z)的散射点与天线位置(x′,y′,zL)之间的单程距离；p(k)是信号在波数域上的脉冲波形；σ(x,y,z)是待成像的目标反射率函数；k是信号波数，与频率f相对应。所述步骤(2)利用距离偏移成像算法求取反射率函数。所述步骤(2.1)的步骤为：根据驻定相位原理，对回波信号s(x′,y′,zL；k)的x′和y′做FFT，并取傅里叶变换对x′→kx′和y′→ky′，其中，→表示傅里叶变换中的变量关系，得到变换结果为其中，kz是Z轴方向上的波数；kx′、ky′是x′和y′对应的垂直距离向波数。所述步骤(2.2)中，虽然合成孔径以相位聚焦为主，但是自由空间的衰减补偿有利于提高图像精度；信号调制脉冲波形体现了探测信号在各频率分量上的信噪比，大带宽信号有利于深度向分辨率的提高。所述步骤(2.2)中自由空间衰减和信号脉冲补偿，实际上是完成距离向的脉冲压缩，补偿结果sc(kx′,ky′,k)为由于扫描平面与坐标系中的X-Y平面平行，因此zL是常数，在公式(5)中将s(kx′,ky′,zL；k)简写为s(kx′,ky′,k)。所述步骤(2.3)由于傅里叶变换的周期性特点，波数kz对应的Z方向的成像范围并不一定包含目标的真实距离位置，有可能周期性地反褶进入成像区，从而难以确定真实距离。所述步骤(2.3)的步骤为：将需要探测的成像区域事先划定，设在Z方向上场景中心与天线平面的距离为Hc，则场景中心的补偿结果是scs(kx′,ky′,k)＝sc(kx′,ky′,k)exp(ikzHc)(6)所述步骤(2.4)的步骤为：由公式(4)发现，波数kz是k，kx′和ky′的非线性函数，其波数域分布是不均匀的，如果要采用FFT加速计算，必须先完成采样点的插值，使得scs(kx′,ky′,k)在三维波数域(kx′,ky′,kz)中均匀排布。所述插值采用一维的插值方法完成，所述一维的插值方法包括：最近点插值、拉格朗日插值或样条插值，根据需求精度自由选择插值方法，所述插值也称为Stolt插值。插值之后的数据直接利用三维IFFT处理，求得反射率的图像为所述步骤(3.1)的步骤为：首先引入反射率函数的非相干功率表达式公式(8)重新整理成如下形式其中，s(k)是自由本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，其特征是，包括如下步骤：步骤(1)：天线接收并记录回波信号；步骤(2)：根据距离偏移成像算法RMA处理回波信号，求得反射率函数；步骤(3)：计算波数域相干因子；步骤(4)：根据步骤(3)计算得到的相干因子，对步骤(2)得到的反射率函数图像进行校正，最后得到校正后的图像。

【技术特征摘要】
1.基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，其特征是，包括如下步骤：步骤(1)：天线接收并记录回波信号；步骤(2)：根据距离偏移成像算法RMA处理回波信号，求得反射率函数；步骤(3)：计算波数域相干因子；步骤(4)：根据步骤(3)计算得到的相干因子，对步骤(2)得到的反射率函数图像进行校正，最后得到校正后的图像。2.如权利要求1所述的基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，其特征是，所述步骤(2)的步骤为：步骤(2.1)：对回波信号做二维快速傅里叶变换FFT，得到波数域回波信号；步骤(2.2)：对步骤(2.1)得到的波数域回波信号，进行自由空间衰减和信号脉冲波形补偿；步骤(2.3)：对步骤(2.2)得到的结果，进行场景中心补偿；步骤(2.4)：对采样点进行Stolt插值，对插值后得到的数据采用三维IFFT进行处理，得到反射率函数的图像。3.如权利要求1所述的基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，其特征是，所述步骤(3)的步骤为：步骤(3.1)：对波数域的回波数据进行数据重排；步骤(3.2)：对重排后的数据在垂直距离维度上做二维FFT；步骤(3.3)：场景中心补偿；步骤(3.4)：进行Stolt插值，对插值后得到的数据采用三维IFFT进行处理，得到反射率函数的相干功率项；步骤(3.5)：通过步骤(3.4)的到的相干功率项，计算相干因子。4.如权利要求1所述的基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，其特征是，所述步骤(1)的步骤为：单天线同时发射和接收电磁信号，在笛卡尔坐标系内，设天线在空间中形成二维扫描平面与X-Y平面平行，用A(x′,y′)表示，且天线的扫描路线与X和Y轴平行，并保证成像目标在扫描范围内；天线在X和Y方向上均匀采样，采样间隔满足奈奎斯特采样定律；天线位于坐标(x′,y′,zL)接收到的回波信号s(x′,y′,zL；k)表示为其中，D(x,y,z)是目标所在区域，由天线波束宽度和目标体共同决定；R表示位于(x,y,z)的散射点与天线位置(x′,y′,zL)之间的单程距离；p(k)是信号在波数域上的脉冲波形；σ(x,y,z)是待成像的目标反射率函数；k是信号波数，与频率f相对应。5.如权利要求4所述的基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，其特征是，所述步骤(2.1)的步骤为：根据驻定相位原理，对回波信号s(x′,y′,zL；k)的x′和y′做FFT，并取傅里叶变换对x′→kx′和y′→ky′，其中，→表示傅里叶变换中的变量关系，得到变换结果为其中，kz是Z轴方向上的波数；kx′、ky′是x′和y′对应的垂直距离向波数；所述步骤(2.2)中自由空间衰减和信号脉冲补偿，实际上是完成距离向的脉冲压缩，补偿结果sc(kx′,ky′,k)为由于扫描平面与坐标系中的X-Y平面平行，因此zL是常数，在公式(5)中将s(kx′,ky′,zL；k)简写为s(kx′,ky′,k)；所述步骤(2.3)的步骤为：将需要探测的成像区域事先划定，设在Z方向上场景中心与天线平面的距离为Hc，则场景中心的补偿结果是scs(kx′,ky′,k)＝sc(kx′,ky′,k)exp(ikzHc)(6)所述步骤(2.4)的步骤为：由公式(4)发现，波数kz是k，kx′和ky′的非线性函数，其波数域分布是不均匀的，如果要采用FFT加速计算，必须先完成采样点的插值，使得scs(kx′,ky′,k)在三维波数域(kx′,ky′,kz)中均匀排布。6.如权利要求5所述的基于波数域相干因子的高速超分辨率驻点扫描成像方法，其特征是，所述插值采用一维的插值方法完成，所述一维的插值方法包括：最近点插值、拉格朗日插值或样条插值，根据需求精度自由选择插值方法，所述插值也称为Stolt插值；插值之后的数据直接利用三维IFFT处理，求得反射率的图像为

【专利技术属性】
技术研发人员：郭企嘉，常天英，崔洪亮，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22