[发明专利]一种基于双基雷达的三维未知场景成像方法

说明书

该发明公开了一种基于双基雷达的三维未知场景成像方法，涉及雷达成像技术，特别涉及基于双基雷达的三维未知场景成像技术。首先基于双基雷达对未知区域进行多位置、多角度的扫描，使得测量的数据能够包含场景的全部信息。该扫描方案仅记录接收信号的衰减值，因此也适用于窄带雷达，能够有效降低系统成本。然后通过本专利提出的TV‑MF‑ART稀疏重建算法，对测量向量分别执行代数迭代重建、正约束、总变分最小化约束和中值滤波操作后，最终得到了高精度的三维场景图像。因此，本发明具有扫描速率快、计算量小和重建精度高的优点。

技术领域

本发明涉及雷达成像技术，特别涉及基于双基雷达的三维未知场景成像技术。

背景技术

未知场景成像技术是通过发射天线发射特定频段的电磁波信号，接收天线接收场景的回波信号或者透射信号，并令收发天线移动完成多位置、多视角的探测，从而获取全部场景的回波并形成包含全部场景图像的未知场景全景图像的技术。该技术可以用于获取未知场景的完整图像，为目标精确定位、多径抑制提供了先验信息，在城市感知、灾难救援等领域发挥着重要作用。

传统的未知场景成像技术一般是基于MIMO雷达或SAR获取回波数据。然而为了得到场景物体准确的位置信息，上述的探测手段需要精确的相位信息和大的信号带宽进行保障，这会导致高的系统复杂度和硬件成本。此外，该种方式利用的是回波信号，当场景环境复杂时，内部的多径信号会占主导地位，从而影响成像质量。因此，寻找一种新的成像方案迫在眉睫。

近年来，许多国内外研究机构尝试将医学基于X射线的计算机断层扫描成像理论(CT)应用于微波频段，也开展了相关理论与技术研究工作。Karanam等人根据电磁波在不同介质、不同厚度中衰减不同的这一基本理论，基于Wi-Fi的接收信号强度值(RSSI)和TVAL3算法实现了三维未知场景成像(C.R.Karanam and Y.Mostofi,“3D Through-Wall Imagingwith Unmanned Aerial Vehicles Using Wi-Fi,”in 2017 16th ACM/IEEEInternational Conference on Information Processing in Sensor Networks(IPSN),April 2017,pp.131–142)。Fhager A等人通过FDTD方法仿真验证了基于线性调频信号的微波时延谱测量，并采用收发分置同步扫描方式实现了二维未知物体的重构(Fhager A,Persson M.Comparison of two image reconstruction algorithms for microwavetomography[J].Radio Science,2005,40(3):1-15.)。然而，以上论述的方案虽然能够实现未知区域、物体的成像，但是收发分置同步扫描方案效率低下，该方案对于大的场景成像时则望而却步，并且成像质量较为粗糙。因此如何提高雷达获取探测区域回波的效率，如何得到高质量的未知场景图像仍需大量工作去验证。

发明内容

针对目前未知场景成像技术中收发分置同步扫描速率低下，成像效果不佳等缺陷，本发明提出一种基于窄带窄波束双基雷达的新型未知场景成像方案，在“感知”区域内部时能够有效提高效率，并得到高质量的场景图像。首先，设计了一种基于地基雷达和无人机的地空联合扫描方式来获取未知场景的数据，该方式具有执行效率高、环境适应性强的优点；接着，利用WKB近似方法建立起接收信号与未知场景之间的联系；最后，根据本发明提出的中值滤波下的总变分最小化代数迭代算法(TV-MF-ART)反演得到高精度场景成像结果。

本发明的技术方案为，一种基于双基雷达的三维未知场景成像方法，该方法包括：

步骤1：获取场景信息

对未知区域进行扫描，令一窄波束雷达在未知场景的外侧发射窄带连续波信号，在场景的另一侧，搭载了N_a个接收阵元的无人机按照规定好的路线移动，并接收穿透未知区域后的透射信号，在无人机移动期间，发射天线保证在测量时间内正对着相应的接收阵元，确保接收信号的衰减是直达波穿透场景所引起；