雷达一维距离像怎么用matlab仿真出来,一种基于一维距离像的圆周合成孔径雷达的成像方法与流程...
本发明涉及雷达成像技术领域，特别是一种基于一维距离像的圆周合成孔径雷达的成像方法。
背景技术：
合成孔径雷达是一种二维成像雷达，通常发射大时宽频宽信号，通过频宽获取信号的距离分辨率，利用雷达平台与目标的相对运动，获取方位向分辨率。较小的基阵就可以获得比较大的分辨率。圆周合成孔径雷达是一种新的三维成像模式，由美国纽约Mehrdad Soumekh教授首先提出(Soumekh M.Synthetic aperture radar signal processing[M].New York:Wiley,1999.)，依靠轨迹平台运动，雷达在一定的高度上做圆周运动，波束始终指向场景中心，突破了直线SAR观测方位角度的限制，可以实现目标的高分辨率成像，并且具有高度向成像能力。
圆周合成孔雷达成像相关研究已经取得了一定进展，国外瑞典国防研究所、美国空军研究实验室、法国宇航局和德国航空太空中心等相继进行了大量研究，国内中科院电子学研究所和微波成像技术国家重点实验室展开了实验研究，也取得了一些研究成果，展示出圆周SAR的独特优势和应用潜力。现有的圆周合成孔径雷达成像方法主要有波前重建法、后向投影法、极坐标格式方法。其中波前重构算法需要最为直接的方法是后向投影法，这种方法成像精度高，又有较强鲁棒性，但计算效率太低，针对这个问题有研究人员提出了几种改进方法，提高了计算的效率，但是都没有充分利用圆周SAR的几何特性，算法的复杂度也有待于改进。
技术实现要素：
因此，针对现有技术的上述问题，本发明为解决传统成像方法效率低下的问题，本发明提出一种基于一维距离像的圆周合成孔径雷达的成像方法。
具体的，所述方法具体为：建立合成孔径雷达成像系统三维几何结构模型，设目标由N个散射点构成；通过迭代依次得到每个散射点的散射信息，然后从回波信号中消除该散射点的影响，直至得到所有的散射信息，完成目标的成像。
进一步的，所述方法中合成孔径雷达成像系统三维几何结构模型具体为：
雷达平台在高度为h的平面上，以半径R做圆周运动，平台运动速度大小为v，角速度是ω＝v/R，观测过程中波束斜向下始终指向底面中心，圆形观测区域半径为r；以圆周轨迹在底面投影的圆心为原点O，建立三维直角坐标系，以平行于雷达平台运行的平面为ρ-α平面，以垂直于ρ-α平面且过原点的向上的轴为Z轴，中心斜距斜面倾角θz＝arctan(h/R)，沿航迹目标角θρ＝arcsin(r/R)，均为确定常数；雷达方位角θ定义为雷达到原点连线在X-Y平面投影与X轴正方向的夹角；
假定雷达发射信号为p(t)，T为脉冲宽度，f0为信号频率，γ为调频率，具体表达式为公式1：
p(t)＝exp(j2πf0t)exp(jπγt2) (0≤t≤T) 公式1。
进一步的，所述方法中通过迭代依次得到每个散射点的散射信息，然后从回波信号中消除该散射点的影响的具体步骤包括：
步骤1对雷达回波匹配滤波，进行距离向压缩，显示压缩后索引图；
步骤2将索引图转化成二值图，利用形态学方法进行细化，保留坐标意义与大小；
步骤3去除二值图像分支点与交叉点，将曲线分成多段不连续；
步骤4对二值图在距离向上求和，根据非零值的突变位置确定最大距离差值RPmaxi与最小距离RPmini；
步骤5在最大距离RPmax1上，利用连续非零元素数目和，确定方位角
步骤6在点(RP,θ)＝(RP1max,α)附近区域内进行曲线跟踪，得到一段曲线；
步骤7依据跟踪得到的曲线段进行随机抽样一致性算法拟合正弦曲线，估计出参数并记录；
步骤8将参数代入方程，得到距离方位曲线，从二值图中去除该曲线；
步骤9重复步骤3至步骤8，直至数据没有正弦曲线时停止迭代。
本发明的技术效果为，本发明提出一种基于一维距离像的圆周合成孔径雷达的成像方法，充分利用圆周SAR的几何特性，算法简便，提高了成像的计算效率。
附图说明：
图1为CSAR(合成孔径雷达)成像系统几何示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的侧视图；
图4为反演点目标三维结构示意图；
图5为回波距离向压缩示意图；
图6为二值图；
图7为骨架化处理图；
图8为去除分支点示意图；
图9为距离向求和示意图；
图10是区域生长得到的部分距离曲线图；
图11是拟合得到的距离曲线示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行说明：
图1至图3为CSAR(合成孔径雷达)成像系统几何示意图，雷达平台在高度为h的平面上，以半径R做圆周运动，平台运动速度大小为v，角速度是ω＝v/R，观测过程中波束斜向下始终指向底面中心，圆形观测区域半径为r。以圆周轨迹在底面投影的圆心为原点O，建立三维直角坐标系，以平行于雷达平台运行的平面为ρ-α平面，以垂直于ρ-α平面且过原点的向上的轴为Z轴，过圆心以据图雷达平台到观测区域中心的距离，即中心斜距为方便分析定义两个角度：斜面倾角(俯仰角)θz＝arctan(h/R)，沿航迹目标角θρ＝arcsin(r/R)，均为确定常数。雷达方位角θ定义为雷达到原点连线在X-Y平面投影与X轴正方向的夹角。
假定雷达发射信号为p(t)，T为脉冲宽度，f0为信号频率，γ为调频率，具体表达式为：
p(t)＝exp(j2πf0t)exp(jπγt2) (0≤t≤T)
(1)
在雷达成像过程中，回波可以看作是各个散射点回波之和，为便于分析和讨论，现假设目标由N个散射点构成，对于散射点P(ρi,αi,zi)(i＝1,2,...,N)，其散射特性函数为f(ρi,αi,zi)，回波信号是雷达方位角θ与距离向快时间t的函数，表示为s(t,θ)。忽略瞬间距离变化，点目标P到雷达平台距离
对上式进行整理，得到
在远场条件下，即|zi|,|ρi|＜＜R0时
对确定运动雷达平台，点目标P(ρi,αi,zi)的距离轨迹可以看做是仅与自身坐标相关的正弦曲线。因此，设c是波速，可以得到s(t,θ)的表达式
为提高分辨率，进行脉冲压缩，距离向Dechirp处理，参考距离为R0，参考信号则其输出为
基于这样的事实，位于Z轴上(即雷达圆周运动的旋转轴)的点目标，无论雷达运行到什么方位，到点的距离都不会变化，而其他的点在雷达运行过程中都会有距离上的周期性变化。位于Z轴上的点对应的回波峰值轨迹有直流信号的差别。经过距离向压缩后，目标回波在距离向上是聚焦的，点目标在不同方位上的峰值连线是如式(3)所表述的正弦信号形式，据此依据RUDON变换，可以提取出多个正弦信号与直流信号和的形式，每个信号周期是相同的，但每个的幅度相位与均值并不相同，目标点的方位可以依据正弦信号相位得到。由于有三个变量(ρi,αi,zi)需要确定，这个RUDON变换需要将二维点投影到三维空间，计算复杂度比较大，可以通过下面的方法减少计算量。
依据式(3)，距离原点为ρ的点，在雷达平台运行过程中到雷达最大的距离为
同样，距离原点为ρ的点，在雷达平台运行过程中到雷达最小的距离为
由于平台的运动参数R和h可以控制，因此可以依据雷达距离计算出ρ。
假设目标由N个散射点构成。这里采用CLEAN方法来进行处理，通过迭代依次得到每个散射点的散射信息，然后从回波信号中消除该散射点的影响，直至得到所有的散射信息，具体步骤如下：
(1)对雷达回波匹配滤波，进行距离向压缩，显示压缩后索引图；
(2)将索引图转化成二值图，利用形态学方法进行细化，保留坐标意义与大小；
(3)去除二值图像分支点与交叉点，将曲线分成多段不连续；
(4)对二值图在距离向上求和，根据非零值的突变位置确定最大距离差值RPmaxi与最小距离RPmini；
(5)在最大距离RPmax1上，利用连续非零元素数目和，确定方位角
(6)在点(RP,θ)＝(RP1max,α)附近区域内进行曲线跟踪，得到一段曲线；
(7)依据跟踪得到的曲线段进行随机抽样一致性算法(RANSAC)拟合正弦曲线，估计出参数并记录；
(8)将参数代入方程，得到距离方位曲线，用CLEAN方法来进行处理,从二值图中去除该曲线；
(9)重复上述过程(3)-(8)，直至当数据没有正弦曲线时停止迭代。
仿真实例：
计算机参数：处理器Inter core i5，安装内存8G，64位windows 10操作系统。
仿真软件：MATLABR2016。
仿真参数：发射信号为线性调频信号，载波频率为5.52GHz，脉冲宽度25us,带宽为400MHz，平台圆周运行方位角度采样间隔取0.5°,距离向信号采样频率100MHz，脉冲重复频率400MHz,距离单元数720个，观测次数720次，平台运行高度500m，圆周半径200m。观测区域空间设定为(x2+y2≤202,0＜z＜10)，目标散射点为22个。
雷达到底面观测区域中心距离：
雷达俯仰角：θz＝arctan(200/500)
仿真过程：
1由MATLAB随机在观测区域产生22个散射点目标，如图4所示。
2雷达平台运动是时间称为慢时间，雷达发射电磁波信号的时间称为快时间，在雷达处于方位θ时，由于电磁波传输速度c恒定，雷达到目标点距离与电磁波传输所用的时间t有正比关系，依据公式(1)(3)(4)，在MATLAB程序以imagesc命令绘制回波信号，距离向和方位向均取720个单元，依据公式(5)进行回波脉冲压缩，得到图5。
3关闭图5中的坐标，并转存为jpg灰度图像，去除边界，将图像像素调整为720×720，将灰度图转换为取二值图，并进行二值翻转,得到图6。
4对得到的二值图进行骨架化处理，得到图7，并去除分支点与交叉点，将曲线分成多段不连续情形，得到图8。
5对二值化图6，在每个距离向上求和，根据非零值的突变位置确定最大距离差值RPmaxi与最小距离RPmini，如图9所示。
6在最大距离RPmax1上，利用第一组连续非零元素数目和，初步确定方位角由最大距离RPmax1和对应方位αi得到一个点，以该点为起始点进行区域生长处理，得到部分距离曲线，按公式(3)(RP(θ)＝R0-zisinθz-ρicos(θ-αi)cosθz)曲线为正弦函数的一部分，如图10所示。在初步确定方位角αi附近做曲线拟合，得到估计参数即确定出一个目标点位置.
6依据拟合得到的参数拟合出完整的距离变化过程，如图11所示，用CLEAN方法去掉拟合出的这条曲线的影响，再进行新的最大距离搜索，循环上述过程，直至得到全部散射点。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。