[发明专利]一种用于极坐标数据采集模式的浅埋目标三维成像方法

说明书

本发明公开了一种用于极坐标数据采集模式的浅埋目标三维成像方法，方法包括以下步骤：对每圈回波数据沿时间方向和角度方向做二维离散傅里叶变换，得到公式二；以最外圈角度采样点数N_M为基准，将Sr_m(k_θ,f)的内圈数据填零补齐得到公式三；将Sr(m,k_θ,f)沿半径方向做Hankel变换得到公式四；将公式四对k_θ做离散逆傅里叶变换，得到对应于回波数据的三维傅里叶谱的极坐标形式；根据圆柱坐标系下频散关系，利用基于Stolt插值原理，得到目标在圆柱坐标系下三维频谱形式；对三维频谱沿k_ρ和k_z方向做二维逆傅里叶变换得到目标三维成像结果的圆柱坐标表达形式；利用极坐标与直角坐标换算关系，得到三维成像结果g(x,y,z)。本发明可对极坐标采样的雷达三维回波数据进行成像，成像处理过程简洁，运算速度快。

技术领域

本发明涉及利用雷达探测浅埋隐蔽目标的三维成像方法，具体是一种用于极坐标数据采集模式的浅埋目标三维成像方法。

背景技术

雷达三维穿透成像技术是指雷达发射电磁波穿透单层或多层介质对目标进行多角度照射并采集回波进行处理以获取目标三维特征的技术。三维穿透成像技术一般具有以下特点：一是探测目标位于天线辐射的近场区，这是由于电磁波在介质中传播会有较大的能量衰减，目标埋藏越深，回波越弱，越不易探测；二是目标一般是静止的；三是雷达扫描区域一般是二维平面，通常位于介质表面，或距介质表面一定高度的平面上。常见的雷达二维扫描采用矩形网格采样方式，通过为雷达收发机预设若干条测量线以覆盖整个待测区域，使用定位轮等定位装置记录天线测量点的位置信息，以获取目标的雷达三维回波数据。该方式实现简单，能够覆盖较大范围的测量区域，但同时也存在测量时间长、定位精度不高的问题。随着对隐蔽目标三维高分辨成像的需求不断增长，一些新颖的二维扫描方式随之出现，其中就包括了极坐标数据采集方式。雷达极坐标数据采集是利用高精度的定位系统，控制雷达收发机绕着一个圆心做平面的圆周扫描，在角度向和径向上分别以一定的采样间隔获取呈极坐标分布的三维雷达数据。根据奈奎斯特空间采样定理的要求，理想情况下极坐标采样中每个半径处要求的圆周采样点数并不相等，圆周采样点数随着采样半径的增大而增多。该采样方式具有定位精度高，扫描速度快的特点。

对于矩形网格采样的雷达三维数据，常用的成像算法包括两大类：一类是基于体散射模型的层析(Tomography)成像算法，例如基于波恩(Born)近似模型的层析成像、基于瑞利(Rayleigh)近似模型的层析成像和基于基尔霍夫(Kirchhoff)近似模型的层析成像，该类成像算法能有效重构目标的位置、形状、介电常数和电导率等参数，缺点是算法复杂，计算量大，无法重构复杂的目标场景等；另一类是基于点散射模型的偏移(Migration)成像算法，例如Kirchhoff偏移、有限差分偏移(Finite-difference migration)和频率波数域偏移(Frequency-wavenumber migration,F-K migration)，该类算法是基于雷达波动方程的不同求解过程推导而来，其中Kirchhoff偏移和F-K偏移均为成熟的成像算法。

然而，上述的成像算法中，除了Kirchhoff偏移算法，其他几种算法只是适用于矩形网格采样方式，并不能直接处理极坐标采样得到的三维雷达数据，需要将极坐标采样数据通过复杂的三维插值算法生成矩形网格三维数据。而Kirchhoff偏移算法在处理三维极坐标采样数据时，也面临着计算效率低等问题。因此，本发明申请侧重于针对该类极坐标采样的雷达三维回波数据，提出一种高效精确的三维成像方法，该方法并不限定雷达采用何种宽带发射信号的波形

发明内容

为解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种用于极坐标数据采集模式的浅埋目标三维成像方法，本发明可对极坐标采样的雷达三维回波数据进行成像，该成像方法适用性广，处理的极坐标采样点集既可以是整圆，也可以是扇面，同时不要求每个圆周采样点数相同，成像处理过程简洁，运算速度快。