异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法技术

本发明专利技术涉及微波三维成像技术领域，尤其涉及宽带全息成像雷达信号的快速收发，具体地提供一种异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法。所述预处理方法包括以下步骤：确定天线阵列的数量N；根据所述天线阵列的数量N，将所述天线阵列接收的回波信号划分为N个频率子带信号；每个天线阵列按顺序依次发射频率子带信号；对每个天线阵列的N个频率子带信号进行相位误差估计与补偿；将每个天线阵列中的相位误差补偿后的频率子带信号进行拼接合成。本发明专利技术将所述天线阵列接收的回波信号划分为多个频率子带信号，利用多个天线阵列按指定顺序同时收发频率子带信号，能够提高数据采集效率，解决大带宽的数据获取中存在效率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法
：本专利技术涉及微波三维成像
，尤其涉及宽带全息成像雷达信号的快速收发，具体地提供一种异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法。
技术介绍
：随着社会经济的发展，机场、火车站、地铁、汽车站等公共交通枢纽迎来了越来越多的客流和物流，这些区域的安检等级既要排除安全隐患以保证公共安全，又要满足快速通过的高检测效率，为了满足这些需求，欧美发达国家逐渐采用全息成像雷达在机场等用于安检，特别是用于旅客的人身安检。全息成像雷达是指全方位三维成像雷达，通常采用柱面孔径，主要应用于人体安全检测。在实际应用中，高效快速的检测需求对信号的快速收发提出了较高要求。为降低成本，多采用线性阵列天线旋转扫描的方式形成柱面孔径，例如专利CN201110334768.9公开了一种毫米波主动式三维全息成像的人体安检系统，包括具有出入口的圆柱状主体框架、第一毫米波收发机、第二毫米波收发机、与第一毫米波收发机连接的第一毫米波开关天线阵列、与第二毫米波收发机连接的第二毫米波开关天线阵列、旋转扫描驱动装置、控制装置以及并行图像处理装置，所述并行图像处理装置用于根据来自第一和第二毫米波收发机的采集数据及该采集数据的空间位置信息合成待检人员的三维全息图像；又例如专利CN201720657908.9公开了一种自动人行道式毫米波全息成像安检系统，包括毫米波开关阵列雷达、自动人行道和自动扶手，所述毫米波开关阵列雷达设有一个或一个以上的毫米波开关阵列雷达，且竖直设置于自动人行道的两侧，自动扶手呈封闭环状结构设置于自动人行道的上方，毫米波开关阵列雷达对自动人行道上的人体扫描检测，毫米波开关阵列雷达包括天线阵列、开关矩阵、发射机、接收机、A/D采集、成像处理机；此外，为满足人体精确安全检测需求，需达到厘米级甚至毫米级分辨率，这就要求发射大信号带宽，实现高分辨率，阵列天线各通道在旋转扫描过程中对大带宽信号的依次收发较为耗时，影响了实际应用中的效率。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在全息成像雷达的大带宽信号收发效率低等缺点，提供一种异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法，所述异形平面孔径三维全息成像雷达包括多个天线阵列，所述天线阵列用于发射信号和接收回波信号，其特征在于：所述预处理方法包括以下步骤：步骤S1：确定天线阵列的数量N，N大于或等于2；步骤S2：根据所述天线阵列的数量N，将所述天线阵列接收的回波信号划分为N个频率子带信号；步骤S3：每个天线阵列按顺序依次发射频率子带信号；步骤S4：对每个天线阵列的N个频率子带信号进行相位误差估计与补偿；步骤S5：将每个天线阵列中的相位误差补偿后的频率子带信号进行拼接合成。进一步地，所述N个天线阵列彼此平行地沿竖直方向延伸，所述N个天线阵列分布在圆柱形的曲面上。进一步地，所述N个频率子带信号中的第n个频率子带信号表示为sn(fn)，fn为第n个频率子带信号的频率；fmin为发射信号的最小频率，Nr为频率的点数，Δf为频率间隔，表示对取整数；当n≠N时，将fn表示为行向量形式：其中，T为转置符号，当n≠N时，fn的长度为当n＝N时，将fn表示为行向量形式：其中，T为转置符号，当n＝N时，fn的长度为进一步地，所述天线阵列的发射信号为调频连续波信号、线性调频信号或步进频信号。更进一步地，当所述发射信号为调频连续波信号时，设所述回波信号为s11(τ)，所述发射信号的频率为f；进行变量代换，f＝fmin+Krτ，其中fmin为所述发射信号的最小频率，Kr为所述调频连续波信号的调频率，τ为回波信号的距离向时间；变量代换后，所述回波信号表示为s12(f)，对s12(f)作傅里叶变换，得到回波信号s13(t)；对回波信号s13(t)进行残余视频相位校正，校正滤波器为：H11(t)＝exp(-jπ·Kr·t2)；t为对应于频率f的距离向时间；将s13(t)与H11(t)相乘得到残余视频相位校正后的信号为s14(t)；对信号s14(t)进行傅里叶变换，得到信号s15(f)；将信号s15(f)划分为N个频率子带信号。更进一步地，当所述发射信号为线性调频信号时，设所述回波信号为s21(t)，所述发射信号的频率为f，其中t为距离向时间；对回波信号s21(t)进行傅里叶变换，得到信号s22(f)；对信号s22(f)进行匹配滤波，匹配滤波函数为:其中，fc为所述发射信号的中心频率；将s22(f)与H21(t)相乘得到匹配滤波后的信号为s23(f)；将信号s23(f)划分为N个频率子带信号。更进一步地，当所述发射信号为步进频信号时，设所述回波信号为s31(f)；将所述回波信号s31(f)划分为N个频率子带信号。进一步地，所述发射信号的频率f为离散量，假设频率的点数为Nr，频率间隔为Δf，则所述频率f表示为行向量形式：f＝(fmin，fmin+Δf，fmin+2Δf，…，fmin+(Nr-1)Δf)。进一步地，在步骤3中，第m(m＝1、2、...、N)个天线阵列分时依次发射指定的频率子带信号，发射顺序为：fn、fn+1、...、fN、f1、f2、...、fn-1。进一步地，在步骤4中，对第n个频率子带信号sn(fn)的信号尾部补零至当n＝N时的fn的长度Nf，然后作傅里叶逆变换，得到距离压缩时域信号sn(t)；t表示为离散的列向量形式：t＝(tmin，tmin+Δt，tmin+2Δt，…，(Nf-1)Δt)T其中，tmin为距离向起始时间，时间间隔Δt＝C/(2·Δf·Nf)；以n＝1时的第1个频率子带信号的距离压缩时域信号s1(t)为基准，对其他频率子带信号的相位误差进行估计和补偿；设各频率子带信号的初相误差为则初相误差可表示为行向量形式：将n个频率子带信号表示为Nf×N的矩阵为：S0＝(s1(t)，s2(t)，s3(t)，…，sn(t))信号S0与以下矩阵H0点乘：矩阵H0的尺寸也为Nf×N，符号*为共轭符号；则估计得到的初相误差为S0与H0点乘后，沿t累加后取相位：其中，符号·*为点乘符号，angle()为取相位函数；第n个频率子带信号的相位补偿函数为：将第n个频率子带信号sn(fn)与hn相乘，得到相位补偿后的频率子带信号为：scn(fn)＝sn(fn)·hn。更进一步地，在步骤5中，对相位补偿后的频率子带信号scn(fn)按n从1～N的顺序进行拼接合成，得到长度为Nr的宽带信号，所述宽带信号以行向量的形式表达为：S1＝(sc1(f1)，sc2(f2)，sc3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法，所述异形平面孔径三维全息成像雷达包括多个天线阵列，所述天线阵列用于发射信号和接收回波信号，其特征在于：所述预处理方法包括以下步骤：/n步骤S1：确定天线阵列的数量N，N大于或等于2；/n步骤S2：根据所述天线阵列的数量N，将所述天线阵列接收的回波信号划分为N个频率子带信号；/n步骤S3：每个天线阵列按顺序依次发射频率子带信号；/n步骤S4：对每个天线阵列的N个频率子带信号进行相位误差估计与补偿；/n步骤S5：将每个天线阵列中的相位误差补偿后的频率子带信号进行拼接合成。/n

【技术特征摘要】
1.异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法，所述异形平面孔径三维全息成像雷达包括多个天线阵列，所述天线阵列用于发射信号和接收回波信号，其特征在于：所述预处理方法包括以下步骤：
步骤S1：确定天线阵列的数量N，N大于或等于2；
步骤S2：根据所述天线阵列的数量N，将所述天线阵列接收的回波信号划分为N个频率子带信号；
步骤S3：每个天线阵列按顺序依次发射频率子带信号；
步骤S4：对每个天线阵列的N个频率子带信号进行相位误差估计与补偿；
步骤S5：将每个天线阵列中的相位误差补偿后的频率子带信号进行拼接合成。


2.根据权利要求1所述的异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法，其特征在于：所述N个天线阵列彼此平行地沿竖直方向延伸，所述N个天线阵列分布在圆柱形的曲面上。


3.根据权利要求1所述的异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法，其特征在于：所述N个频率子带信号中的第n个频率子带信号表示为sn(fn)，fn为第n个频率子带信号的频率；fmin为发射信号的最小频率，Nr为频率的点数，Δf为频率间隔，表示对取整数；
当n≠N时，将fn表示为行向量形式：



其中，T为转置符号，当n≠N时，fn的长度为
当n＝N时，将fn表示为行向量形式：



其中，T为转置符号，当n＝N时，fn的长度为


4.根据权利要求1所述的异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法，其特征在于：所述天线阵列的发射信号为调频连续波信号、线性调频信号或步进频信号。


5.根据权利要求4所述的异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法，其特征在于：当所述发射信号为调频连续波信号时，设所述回波信号为s11(τ)，所述发射信号的频率为f；
进行变量代换，f＝fmin+Krτ，Kr为所述调频连续波信号的调频率，τ为回波信号的距离向时间；
变量代换后，所述回波信号表示为s12(f)，对s12(f)作傅里叶变换，得到回波信号s13(t)；
对回波信号s13(t)进行残余视频相位校正，校正滤波器为：
H11(t)＝exp(-jπ·Kr·t2)；
t为对应于频率f的距离向时间；
将s13(t)与H11(t)相乘得到残余视频相位校正后的信号为s14(t)；
对信号s14(t)进行傅里叶变换，得到信号s15(f)；
将信号s15(f)划分为N个频率子带信号。


6.根据权利要求4所述的异形平面孔径三维全息成像雷达数据预处理方法，其特征在于：当所述发射信号为线性调频信号时，设所述回波信号为s21(t)，所述发射信号的频率为f，其中t为距离向时间；
对回波信号s21(t)进行傅里叶变换，得到信号s22(f)；
对信号s22(f)进行匹配滤波，匹配滤波函数为:

...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建新，谭维贤，张殿坤，黄平平，李世龙，姜祥奔，
申请(专利权)人：欧必翼太赫兹科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11