本發(fā)明涉及雷達
技術領域：
，具體涉及一種面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法和系統(tǒng)。
背景技術：
：在反恐、地震救援、火災救援等領域，如何探測位于墻后的隱蔽目標一直是研究的熱點。傳統(tǒng)的光學成像受限于可見光無法穿過墻體，而穿墻雷達可以利用電磁波穿透墻體，獲取關于墻后目標的信息，例如墻后的房間布局，墻后的武器，墻后的人等等。雷達波形有不同的極化方式。一個目標對不同的極化波形有著不同的散射特性。相比于單極化穿墻雷達，多極化穿墻雷達可以提供關于雷達觀測場景更為豐富的信息，有利于獲取更加清晰更加完整的成像結(jié)果。壓縮感知是一種新興的信號處理理論，它可以利用較少的雷達回波信號，得到更高質(zhì)量的雷達圖像。在壓縮感知的框架下，多極化穿墻雷達的成像模型可以歸結(jié)為聯(lián)合稀疏模型。傳統(tǒng)的求解聯(lián)合稀疏模型的算法主要集中在貝葉斯類算法、線性規(guī)劃類算法、貪婪類算法。然而，貝葉斯類算法需要觀測場景的先驗概率分布，在實際操作中，預先設置的先驗概率分布的準確性難以把握；線性規(guī)劃類算法的計算量非常大。貪婪類算法的計算復雜度遠低于上述兩類算法?，F(xiàn)有的針對聯(lián)合稀疏模型的貪婪算法沒有考慮在每次迭代中所選擇的基信號集對將來的迭代的影響，這導致了所選擇的基信號集中的一些不良的基信號會大大增加將來的重建誤差，進一步降低了成像的質(zhì)量。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明旨在至少解決上述技術問題之一。為此，本發(fā)明的目的在于提出一種面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法，以在貪婪算法中評價每次選擇的基信號集的優(yōu)劣，提高成像質(zhì)量。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法，包括以下步驟：S110：獲取多個極化通道下的雷達回波；S120：對所述多個極化通道下的雷達回波進行向量化處理，根據(jù)向量化的多個雷達回波計算基信號矩陣，并設置稀疏度K；S130：利用正交匹配追蹤方法求解所述多個極化通道的本地解，融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，初始化基信號集，計算所述多個極化通道的信號殘余；S140：對多個極化通道的本地解進行迭代計算，根據(jù)預設的迭代停止條件判斷是否停止迭代；S150：根據(jù)滿足所述迭代停止條件的迭代結(jié)果計算并融合得到最終成像結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法，通過多極化雷達采集雷達回波數(shù)據(jù)，再利用本發(fā)明所提出的前向混合匹配追蹤算法重建并融合目標場景，得到成像結(jié)果。由于在前向混合匹配追蹤算法中，對所選的基信號進行評價并選擇最優(yōu)的基信號，因此采用前向混合匹配追蹤算法的成像質(zhì)量優(yōu)于其他貪婪算法。另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法，還可以具有如下附加的技術特征：進一步地，步驟S130進一步包括：S131：根據(jù)來自各個極化通道的回波信號s(q)、基信號矩陣Φ(q)和稀疏度K，根據(jù)以下公式求解各個極化通道的本地解：S132：根據(jù)以下公式融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，初始化基信號集：其中，定義S133：根據(jù)以下公式計算各個通道的信號殘余進一步地，步驟S140進一步包括：S141：通過以下公式計算各個通道的信號殘余：S142：通過以下公式融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，作為基信號候選集：S143：通過以下公式評價基信號候選集中的基信號，選擇出在下次迭代中重建誤差最小的基信號：i＝LAAS({s(q),Φ(q),q＝1,2,…,Q},K,Λold,Λc)；S144：通過以下公式將未來重建誤差最小的基信號與上次迭代中求出的基信號集合并：Λtemp＝Λold∪{i}；S145：通過以下公式回溯求出本次迭代中的基信號集：S146：通過以下公式計算各個極化通道的信號殘余：S147：如果令Λold＝Λnew，返回步驟S401，否則停止迭代。進一步地，通過以下公式計算并融合得到最終成像結(jié)果：進一步地，在步驟S110之前還包括：設定多極化穿墻雷達參數(shù)得到多極化穿墻雷達實驗場景，其中，所述多極化穿墻雷達參數(shù)包括步進頻率范圍、中心頻率、頻點間隔、雷達孔徑長度、天線個數(shù)和極化方式。本發(fā)明的目的在于提出一種面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤系統(tǒng)，以在貪婪算法中評價每次選擇的基信號集的優(yōu)劣，提高成像質(zhì)量。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤系統(tǒng)，包括：雷達回波獲取模塊，用于獲取多個極化通道下的雷達回波；向量化處理模塊，用于對所述多個極化通道下的雷達回波進行向量化處理，根據(jù)向量化的多個雷達回波計算基信號矩陣，并設置稀疏度K；信號殘余計算模塊，用于利用正交匹配追蹤方法求解所述多個極化通道的本地解，融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，初始化基信號集，計算所述多個極化通道的信號殘余；迭代計算模塊，用于對多個極化通道的本地解進行迭代計算，根據(jù)預設的迭代停止條件判斷是否停止迭代；成像模塊，用于根據(jù)滿足所述迭代停止條件的迭代結(jié)果計算并融合得到最終成像結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤系統(tǒng)，通過多極化雷達采集雷達回波數(shù)據(jù)，再利用本發(fā)明所提出的前向混合匹配追蹤算法重建并融合目標場景，得到成像結(jié)果。由于在前向混合匹配追蹤算法中，對所選的基信號進行評價并選擇最優(yōu)的基信號，因此采用前向混合匹配追蹤算法的成像質(zhì)量優(yōu)于其他貪婪算法。另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤系統(tǒng)，還可以具有如下附加的技術特征：進一步地，，所述信號殘余計算模塊進一步用于：根據(jù)來自各個極化通道的回波信號s(q)、基信號矩陣Φ(q)和稀疏度K，根據(jù)以下公式求解各個極化通道的本地解：根據(jù)以下公式融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，初始化基信號集：其中，定義根據(jù)以下公式計算各個通道的信號殘余進一步地，所述迭代計算模塊進一步用于：通過以下公式計算各個通道的信號殘余：通過以下公式融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，作為基信號候選集：通過以下公式評價基信號候選集中的基信號，選擇出在下次迭代中重建誤差最小的基信號：i＝LAAS({s(q),Φ(q),q＝1,2,…,Q},K,Λold,Λc)；通過以下公式將未來重建誤差最小的基信號與上次迭代中求出的基信號集合并：Λtemp＝Λold∪{i}；通過以下公式回溯求出本次迭代中的基信號集：通過以下公式計算各個極化通道的信號殘余：如果令Λold＝Λnew，返回步驟S401，否則停止迭代。進一步地，所述成像模塊進一步用于：通過以下公式計算并融合得到最終成像結(jié)果：進一步地，還包括：多極化穿墻雷達實驗場景設定模塊，用于設定多極化穿墻雷達參數(shù)得到多極化穿墻雷達實驗場景，其中，所述多極化穿墻雷達參數(shù)包括步進頻率范圍、中心頻率、頻點間隔、雷達孔徑長度、天線個數(shù)和極化方式。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。附圖說明本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：圖1是本發(fā)明一個實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法的流程圖；圖2是本發(fā)明一個實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法的實驗設置圖；圖3是本發(fā)明一個實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法的成像結(jié)果示意圖；圖4是本發(fā)明一個實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。具體實施方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施例的原理的一些方式，但是應當理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明。圖1是本發(fā)明一個實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法的流程圖。如圖1所示，一種面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法，包括以下步驟：S110：獲取多個極化通道下的雷達回波。具體地，根據(jù)圖2所示的驗設置圖設置多極化穿墻雷達實驗場景，其中，雷達陣列和觀測場景分別設置在墻的兩側(cè)，其中，觀測場景位于墻的2m、2.5m、3m、3.7m、4.9m、4.3m、5.5m、6.1m分別放置有不同的觀測目標。通過雷達陣列獲取各個極化通道下的雷達回波。假定雷達所觀測的場景V被分為Nx×Ny×Nz個元素，表示元素的位置，{1,…,q,…,Q}代表不同的極化通道，M個天線分別位于L個頻點分別為雷達在第q個極化通道下，第m個天線、第l個頻點處收到的雷達回波為：sm(q)(l)=∫Vσ(q)(r‾)exp(-j4πf‾l|r‾-r‾m|/c)dV;]]>其中，是點處的散射強度，c是電磁波的傳播速度。在本發(fā)明的一個實施例中，在步驟S110之前還包括：設定多極化穿墻雷達參數(shù)得到多極化穿墻雷達實驗場景。其中，多極化穿墻雷達參數(shù)包括步進頻率范圍、中心頻率、頻點間隔、雷達孔徑長度、天線個數(shù)和極化方式。在本發(fā)明的一個示例中，多極化穿墻雷達參數(shù)設置如表1所示。步進頻率范圍1GHz中心頻率2.5GHz頻點間隔5MHz雷達孔徑長度1.51m天線個數(shù)69個極化方式HH、VV、HV、VH表1多極化穿墻雷達參數(shù)設置表S120：對多個極化通道下的雷達回波進行向量化處理，根據(jù)向量化的多個雷達回波計算基信號矩陣，并設置稀疏度K。具體地，在向量化之后，第m個天線、第l個頻點處收到的雷達回波可以寫為聯(lián)合稀疏模型：s(q)＝Φ(q)σ(q)+w(q)；其中，w(q)是加性噪聲，Φ(q)(l+(m-1)L(q),nx+(ny-1)Nx+(nz-1)NxNy)=exp(-j4πfl|r‾nx,ny,nz-r‾m|/c);]]>其中，l＝1,2,…,L,m＝1,2,…,M,nx＝1,2,…,Nx,ny＝1,2,…,Ny,nz＝1,2,…,Nz,位于坐標處(nx,ny,nz)的體元與坐標原點的距離為矩陣Φ(q)的每一列稱為基信號，矩陣Φ(q)稱為基信號矩陣。σ(q)中非零元素的個數(shù)是K。S130：利用正交匹配追蹤方法求解多個極化通道的本地解，融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，初始化基信號集，計算多個極化通道的信號殘余。具體地，步驟S130進一步包括：初始化：n＝{n1,n2,…,nK}←0K×1，設置n為一個K×1的零向量步驟：fork＝1:KΛtest＝Λold∪Λc(k)endfor輸出：其中S131：根據(jù)來自各個極化通道的回波信號s(q)、基信號矩陣Φ(q)和稀疏度K，根據(jù)以下公式求解各個極化通道的本地解：σomp′(q)=OMP(s(q),Φ(q),K).]]>S132：根據(jù)以下公式融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，初始化基信號集：Λold=max_ind(Σq=1Q|σomp′(q)|,K);]]>其中，定義S133：根據(jù)以下公式計算各個通道的信號殘余S140：對多個極化通道的本地解進行迭代計算，根據(jù)預設的迭代停止條件判斷是否停止迭代。具體地，步驟S140進一步包括：S141：通過以下公式計算各個通道的信號殘余：σomp′′(q)=OMP(rold(q),Φ(q),K);]]>S142：通過以下公式融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，作為基信號候選集：Λc=max_ind(Σq=1Q|σomp′′(q)|,K);]]>S143：通過以下公式評價基信號候選集中的基信號，選擇出在下次迭代中重建誤差最小的基信號：i＝LAAS({s(q),Φ(q),q＝1,2,…,Q},K,Λold,Λc)；LAAS函數(shù)可以用于評價候選集中的基信號，并選出能導致下次迭代中重建誤差最小的基信號。S144：通過以下公式將未來重建誤差最小的基信號與上次迭代中求出的基信號集合并：Λtemp＝Λold∪{i}；S145：通過以下公式回溯求出本次迭代中的基信號集：S146：通過以下公式計算各個極化通道的信號殘余：S147：如果令Λold＝Λnew，返回步驟S401，否則停止迭代。S150：根據(jù)滿足迭代停止條件的迭代結(jié)果計算并融合得到最終成像結(jié)果。本發(fā)明實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法，通過多極化雷達采集雷達回波數(shù)據(jù)，再利用本發(fā)明所提出的前向混合匹配追蹤算法重建并融合目標場景，得到成像結(jié)果。由于在前向混合匹配追蹤算法中，對所選的基信號進行評價并選擇最優(yōu)的基信號，因此采用前向混合匹配追蹤算法的成像質(zhì)量優(yōu)于其他貪婪算法。圖3是本發(fā)明一個實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法的成像結(jié)果示意圖。如圖3所示，位于距離向2m、2.5m、3m、3.7m、4.9m、4.3m、5.5m、6.1m處的目標被清晰的呈現(xiàn)和定位，而位于目標區(qū)域之外的雜點則得到了很好的抑制。因此，經(jīng)過實驗驗證，采用前向混合匹配追蹤算法進行多極化穿墻雷達成像，能夠使目標更加清晰，能夠很好的抑制雜波，提高成像的視覺效果，有力的證明了本發(fā)明的有效性。圖4是本發(fā)明一個實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖4所示，一種面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤系統(tǒng)，包括：雷達回波獲取模塊210、向量化處理模塊220、信號殘余計算模塊230、迭代計算模塊240和成像模塊250。其中，雷達回波獲取模塊210用于獲取多個極化通道下的雷達回波。向量化處理模塊220用于對多個極化通道下的雷達回波進行向量化處理，根據(jù)向量化的多個雷達回波計算基信號矩陣，并設置稀疏度K。信號殘余計算模塊230用于利用正交匹配追蹤方法求解多個極化通道的本地解，融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，初始化基信號集，計算多個極化通道的信號殘余。迭代計算模塊240用于對多個極化通道的本地解進行迭代計算，根據(jù)預設的迭代停止條件判斷是否停止迭代。成像模塊250用于根據(jù)滿足迭代停止條件的迭代結(jié)果計算并融合得到最終成像結(jié)果。在本發(fā)明的一個實施例中，信號殘余計算模塊230進一步用于：根據(jù)來自各個極化通道的回波信號s(q)、基信號矩陣Φ(q)和稀疏度K，根據(jù)以下公式求解各個極化通道的本地解：σomp′(q)=OMP(s(q),Φ(q),K);]]>根據(jù)以下公式融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，初始化基信號集：Λold=max_ind(Σq=1Q|σomp′(q)|,K);]]>其中，定義根據(jù)以下公式計算各個通道的信號殘余在本發(fā)明的一個實施例中，迭代計算模塊240進一步用于：通過以下公式計算各個通道的信號殘余：σomp′′(q)=OMP(rold(q),Φ(q),K);]]>通過以下公式融合所有本地解，找出融合結(jié)果中K個最大值所對應的位置，作為基信號候選集：Λc=max_ind(Σq=1Q|σomp′′(q)|,K);]]>通過以下公式評價基信號候選集中的基信號，選擇出在下次迭代中重建誤差最小的基信號：i＝LAAS({s(q),Φ(q),q＝1,2,…,Q},K,Λold,Λc)；通過以下公式將未來重建誤差最小的基信號與上次迭代中求出的基信號集合并：Λtemp＝Λold∪{i}；通過以下公式回溯求出本次迭代中的基信號集：通過以下公式計算各個極化通道的信號殘余：如果令Λold＝Λnew，返回步驟S401，否則停止迭代。在本發(fā)明的一個實施例中，成像模塊250進一步用于：通過以下公式計算并融合得到最終成像結(jié)果：在本發(fā)明的一個實施例中，還包括：多極化穿墻雷達實驗場景設定模塊，用于設定多極化穿墻雷達參數(shù)得到多極化穿墻雷達實驗場景，其中，多極化穿墻雷達參數(shù)包括步進頻率范圍、中心頻率、頻點間隔、雷達孔徑長度、天線個數(shù)和極化方式。需要說明的是，本發(fā)明實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤系統(tǒng)的具體實施方式與本發(fā)明實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法的具體實施方式類似，具體參見方法部分，為了減少冗余，不作贅述。另外，本發(fā)明實施例的面向多極化穿墻雷達成像的前向混合匹配追蹤方法和系統(tǒng)的其它構(gòu)成以及作用對于本領域的技術人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權利要求及其等同限定。當前第1頁1 2 3