[发明专利]一种快速高斯网格化非均匀FFT穿墙成像雷达BP方法

说明书

本发明公开了一种快速高斯网格化非均匀FFT穿墙成像雷达BP方法，包括：建立穿墙雷达探测场景模型，设置平行于墙体的天线阵元，发射电磁波，对得到的目标回波信号进行均匀采样，得到回波信号数据e；穿墙雷达成像区域像素点网格化分，将回波信号数据投影到成像区域的各个像素点网格上，得到穿墙雷达BP成像像素点幅度值I(x_p,y_p)；构造非均匀FFT的表达式，预先计算和存储非均匀FFT的表达式中的各个系数；将均匀采样数据变换为非均匀采样数据，对I(x_p,y_p)利用快速高斯网格化非均匀FFT计算，累加得到雷达成像图。本发明能够在保证成像质量的同时，有效降低计算复杂度，解决了BP方法计算量随工作频点、天线数量、像素点增加而增加的问题。

技术领域

本发明属于穿墙雷达成像技术领域，具体涉及一种快速高斯网格化非均匀FFT穿墙成像雷达BP方法。

背景技术

穿墙成像雷达利用电磁波良好的穿透特性，能够对建筑物、堡垒、草丛等隐蔽物后的目标进行探测，其硬件成本低，质量轻，体积小，便携性好，并且能够进行实时目标定位，分类与识别，因此被广泛用于军用与民用领域，诸如执法行动，反恐斗争，刑事侦查，抢险救援等。

穿墙雷达常用的成像方法有压缩感知成像方法、逆散射层析方法、边界估计方法、后向投影(Back Projection，BP)方法等。压缩感知成像对稀疏或可压缩的回波信号，通过求解带约束的范数最优化问题，利用远低于Nyquist采样定理所需采样数重构原始回波信号成像，虽然压缩感知成像应用前景广阔，但仍存在加性噪声和模型误差干扰求解过程以及图像结果等问题。逆散射层析方法能够对成像场景的图像准确重构，但其需要多次迭代运算，计算量巨大，在工程上难以应用。利用目标边界形状与接收脉冲延时之间存在逆边界散射变化的边界估计方法，可以对目标边界进行清晰成像，但存在障碍物时电磁波的传播路径和时延会发生变化，该方法不再满足逆边界散射变换，从而不能对目标进行精确成像。

近年来，BP方法通过将雷达回波数据投影到成像区域的各个像素点，计算雷达回波在雷达天线和图像像素之间距离的时延，在时域上进行相干累加来实现高分辨率成像。由于BP 方法计算过程简单易于工程实现，且能精确补偿墙体对信号产生的影响，因此被广泛应用于穿墙成像雷达中，但该方法运算数据量较大，存在冗余现象，从而导致计算复杂度较高，并且对计算机内存需求大，为此，国内外学者提出了一些相关加速BP的方法。

文献[1]中提出了一种快速因子分解后向投影方法，该方法将子孔径信号投影到局部极坐标下的成像网格上，通过距离维数的偏移和角度维数的旋转来校正得到粗糙的子图像，再将子图像进行融合得到最后的成像图，随后Kyra Moon等人提出了一种新的分解BP成像方法即文献[2]，该方法把图像分割成单独处理的列，将子图像连贯的相加。该方法容易实现并行化，由于每一列都可以独立于其他列形成，因此能够降低计算复杂度。以上方法都是通过分割子图像后进行融合，虽然在计算复杂度上有所降低，但同时也降低了成像精度。文献[3]中提出了一种迭代子图像的BP成像方法，该方法迭代子图像进行图像重构降低复杂度，但不适用于大规模的雷达成像。文献[4]中提出了一种快速BP方法，其原理是将成像区域分块划分，通过分级相干累加的方式减小BP方法的运算量，该算法虽然有效降低了一定的运算量，但是难以满足现阶段实时成像的需求。基于非均匀快速傅里叶变换的BP成像方法，即文献[5] 利用BP方法中像素点幅值表达式满足非均匀傅里叶变换表达式，采用快速傅里叶变换进行计算，降低计算复杂度且保证成像质量，适用于大规模实时成像，但该方法需要重复计算幅值表达式中的系数，对计算机内存需求大。因此，在保证成像质量的同时，降低BP方法的计算复杂度和内存需求是本发明的一个研究重点。