基于飞行平台的穿透式侦察雷达成像方法及雷达系统与流程

1.本发明主要涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于飞行平台的穿透式侦察雷达成像方法及雷达系统。


背景技术：

2.伴随我国城市化进程越来越快，人口集中和密集程度越来越高，城市的建筑群规模和高度也在不断刷新纪录，目前我国有70余万栋高楼，仅300m以上的高楼多达近100座，100m以上的高楼有2000余栋，如加上石油、电力等行业的工业建筑则更多。然而高层建筑所面临的火灾安全问题也日益严重，高层建筑火灾的救援已经成为了一个世界性的难题。据统计，我国高层住宅火灾年均发生3000多起，造成的死亡人数占全部的火灾死亡人数80％以上。高层建筑功能十分复杂，同时不同区域的电气设备和装修材料不尽相同，其救援难度往往也存在较大的差异。如何能够对建筑的结构、起火楼层和被困人员数量以及位置的初步判断和了解，对火势蔓延的方向和情况进行推测，从而合理地展开救援，成为一个关键的技术难题。
3.火情侦察指的是对建筑的结构、起火楼层和被困人员数量以及位置的初步判断和了解，对火势蔓延的方向和情况进行推测，从而合理地展开救援。然而目前火情侦察一般只停留在简单的询问、喊话、光学成像、红外热成像等手段，当遇到浓烟或建筑物遮挡等非可视条件下时，这些手段都无能无力，且无法探知建筑物内部的结构，无法真正的深入建筑物内部全方位获得被困人员位置。
4.高层建筑物内的人员搜索和定位一般采用传统的人员喊话，但面对超高层建筑时，目前已有的设备很难将搜救人员送至高层区域，高层建筑物内的人员搜索和定位一直是一个重点难题。目前对建筑物结构的提取技术一般采用可见光、红外、激光等光学设备，只能对建筑物外部进行成像，而且目前普遍采用地面平台围绕目标建筑物运动进行成像的方式，无法对底层以上的建筑物楼层进行成像，而且由于地面障碍物很多，即存在严重遮蔽，也限制了围绕建筑物的运动。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种实现建筑物内外部结构与目标人员探测的基于飞行平台的穿透式侦察雷达系统及侦察方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
7.一种基于飞行平台的穿透式侦察雷达成像方法，包括建筑物内部结构成像、建筑物外部结构成像和人体目标成像，通过将建筑物内部结构成像结果、建筑物外部结构成像结果和人体目标成像结果进行融合，得到最终的成像结果；其中建筑物外部结构成像包括步骤：
8.获取侦察雷达在飞行平台绕建筑物飞行时的移动轨迹和雷达数据；
9.对雷达数据进行脉冲压缩，获得距离脉压-方位时间维度数据；
10.对距离脉压-方位时间维度数据进行后向投影成像，设定成像网格平面，然后进行后向投影成像的相干累加；
11.基于雷达的移动轨迹与成像网格平面的坐标位置，计算得到每个网格与侦察雷达之间的距离，然后根据网格到侦察雷达的距离，在侦察雷达该时刻回波的距离脉压结果中，找到对应的距离单元，并将距离单元的值补偿目标距离对应的波程相位因子，叠加到对应的网格；
12.将网格点对应的回波进行相干累加，得到该网格点的重建结果，并最终得到该目标点运动补偿后的建筑物外部结构成像结果。
13.作为上述技术方案的进一步改进：
14.所述成像网格为数据录取平面或地面成像网格。
15.建筑物内部结构成像的方法采用建筑物外部结构成像的方法，且在获得运动补偿校准后的回波后，对外墙回波以及多径效应引起的栅旁瓣进行对消和滤除处理，最终得到建筑物内部结构成像结果。
16.采用相干因子加权和迭代旁瓣最小化技术来对外墙回波以及多径效应引起的栅旁瓣进行对消和滤除处理。
17.所述雷达的移动轨迹通过飞行平台的飞行轨迹而得到。
18.本发明还公开了一种基于飞行平台的穿透式侦察雷达系统，包括飞行平台、稳定云台、穿透式侦察雷达和信号处理单元；所述稳定云台安装所述飞行平台上，所述穿透式侦察雷达安装于所述稳定云台上，用于对建筑物的内外部结构以及建筑物内部目标人员进行同步探测；所述信号处理单元与所述穿透式侦察雷达相连，用于接收探测数据并进行分析重建，获得建筑物内外部结构，并将目标人员与建筑物内外部结构相融合，获得最终的成像结果。
19.作为上述技术方案的进一步改进：
20.还包括地面站，所述地面站与所述信号处理单元通讯相连。
21.本发明进一步公开了一种基于飞行平台的穿透式侦察雷达系统，包括包括建筑物内部结构成像模块、建筑物外部结构成像模块和人体目标成像模块，通过将建筑物内部结构成像模块的成像结果、建筑物外部结构成像模块的成像结果和人体目标成像模块的成像结果进行融合，得到最终的成像结果；其中建筑物外部结构成像模块包括：
22.第一程序模块，用于获取侦察雷达在飞行平台绕建筑物飞行时的移动轨迹和雷达数据；
23.第二程序模块，用于对雷达数据进行脉冲压缩，获得距离脉压-方位时间维度数据；
24.第三程序模块，用于对距离脉压-方位时间维度数据进行后向投影成像，设定成像网格平面，然后进行后向投影成像的相干累加；
25.第四程序模块，用于基于雷达的移动轨迹与成像网格平面的坐标位置，计算得到每个网格与侦察雷达之间的距离，然后根据网格到侦察雷达的距离，在侦察雷达该时刻回波的距离脉压结果中，找到对应的距离单元，并将距离单元的值补偿目标距离对应的波程相位因子，叠加到对应的网格；
26.第五程序模块，用于将网格点对应的回波进行相干累加，得到该网格点的重建结
果，并最终得到该目标点运动补偿后的建筑物外部结构成像结果。
27.本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。
28.本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。
29.与现有技术相比，本发明的优点在于：
30.本发明使用无人机搭载穿透式侦察雷达，实现高层建筑物内部人员的快速定位，同时利用无人机绕建筑物飞行和穿透式侦察雷达的穿透性，实现高层建筑物内外结构的穿透探测和定位，最终融合建筑物结构和目标位置，实现目标和建筑物结构的融合显示，为灾害救援、火情侦察以及城市巷战等提供实时的环境感知。
31.本发明通过低空飞行平台搭载穿透式侦察雷达，实现快速和准确的建筑物穿透探测和结构布局，具有如下特点：1、雷达系统具备轻小型和低功耗设计，可搭载于微型和小型多旋翼无人机，实现现场快速部署和灵活使用，尤其对高层建筑物环境下的目标探测与结构重建具有重要意义；2、具备对建筑物高楼层的离墙穿透探测能力，可在悬停模式下准确和迅速地探测建筑物内运动人员目标；3、可环绕目标房间或楼层进行飞行，对建筑物内外进行成像，并对建筑物内部结构特征和布局进行有效提取，重建出建筑物内外部结构；4、能够融合建筑物结构和目标位置，实现目标和建筑物结构的融合显示，为灾害救援、火情侦察以及城市巷战等提供实时的环境感知。
附图说明
32.图1为本发明的系统在实施例的结构示意图。
33.图2为本发明的系统在具体应用时的实施例图。
34.图3为本发明的系统在实施例的探测示意图。
35.图4为本发明的时域bp成像运动补偿示意图。
36.图5为本发明的方法在实施例的流程图。
37.图6为本发明的建筑物内部成像中外墙回波信号抑制方法流程图。
38.图7为本发明的建筑物内部结构成像信号抑制前后对比示意图。
39.图8为本发明的建筑物结构成像与人体目标融合显示图。
具体实施方式
40.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
41.如图5所示，本发明实施例的基于飞行平台的穿透式侦察雷达成像方法，包括建筑物内部结构成像、建筑物外部结构成像和人体目标成像，通过将建筑物内部结构成像结果、建筑物外部结构成像结果和人体目标成像结果进行融合，得到最终的成像结果；其中建筑物外部结构成像包括步骤：
42.获取侦察雷达在飞行平台绕建筑物飞行时的移动轨迹和雷达数据；
43.对雷达数据进行脉冲压缩，获得距离脉压-方位时间维度数据；
44.对距离脉压-方位时间维度数据进行后向投影成像，设定成像网格平面，然后进行后向投影成像的相干累加；
45.基于雷达的移动轨迹与成像网格平面的坐标位置，计算得到每个网格与侦察雷达之间的距离，然后根据网格到侦察雷达的距离，在侦察雷达该时刻回波的距离脉压结果中，找到对应的距离单元，并将距离单元的值补偿目标距离对应的波程相位因子，叠加到对应的网格；
46.将网格点对应的回波进行相干累加，得到该网格点的重建结果，并最终得到该目标点运动补偿后的建筑物外部结构成像结果。其中通过上述的运动补偿解决机载运动平台对雷达回波的干扰。
47.本发明使用无人机搭载穿透式侦察雷达，实现高层建筑物内部人员的快速定位，同时利用无人机绕建筑物飞行和穿透式侦察雷达的穿透性，实现高层建筑物内外结构的穿透探测和定位，最终融合建筑物结构和目标位置，实现目标和建筑物结构的融合显示，为灾害救援、火情侦察以及城市巷战等提供实时的环境感知。
48.在一具体实施例中，成像网格为数据录取平面或地面成像网格，不同点只是在于成像坐标系的建立不同。
49.在一具体实施例中，由于雷达具有一定的穿透能力，在建筑物结构内部的墙体也存在反射回波，故通过上述同样的方法也能够对建筑物内部的结构进行成像和重建。但是由于建筑物外墙的回波强度远大于内部结构的回波强度，上述方法中获得运动补偿校准后的回波后，对外墙的回波以及多径效应引起的栅旁瓣进行对消和滤除处理。具体可采用相干因子(coherence factor,cf)加权和迭代旁瓣最小化技术(rsm：recursive sidelobe minimization)抑制前墙的墙体回波以及栅旁瓣的影响，具体流程如图6所示。
50.其中建筑物内部结构成像信号处理如图7所示，在采用本发明的算法之前，建筑物内部结构的回波信号被淹没在外墙回波内，通过信号处理后，外墙回波信号被压制，内部结构的回波信号能够很容易识别。
51.最终根据建筑物结构成像的结果(包括建筑物内外部结构)，同时结合对人体目标获得的相对于墙体的位置，最终获得融合后的图像显示，如图8所示。
52.如图1所示，本发明实施例还公开了一种基于飞行平台的穿透式侦察雷达系统，包括飞行平台、三轴稳定云台、穿透式侦察雷达、信号处理单元和地面站；三轴稳定云台安装飞行平台上，穿透式侦察雷达安装于三轴稳定云台上，用于对建筑物的内外部结构以及建筑物内部目标人员进行同步探测；信号处理单元与穿透式侦察雷达相连，用于接收探测数据并进行分析重建，获得建筑物内外部结构，并将目标人员与建筑物内外部结构相融合，获得最终的成像结果，具体成像方法如上所述。
53.具体地，低空飞行平台主要负责穿透式侦察雷达、信号处理单元以及数传通信单元的搭载，并实现悬停定位，航迹飞行、自动着路等功能。穿透式侦察雷达实现对建筑物内外结构的探测以及建筑物内部人员的探测，并实现建筑物结构和内部人员的定位。信号处理单元集成在穿透式侦察雷达内部，主要负责对建筑物结构进行成像以及对墙后目标进行检测，并基于穿透式侦察雷达获得的建筑物结构数据和人员目标数据进行结构反演和重建，实现建筑物结构和人员目标的融合显示。三轴稳定云台主要搭载雷达的天线阵面，实时保证穿墙雷达天线面与墙壁之间的距离、方位等参数，实时调整天线阵面与墙体障碍物平行，保证悬停的精度和飞行时的稳定性。数传通信单元主要实现地面站与无人机的通信控制，以及地面站显控软件与雷达的数据交互，包括雷达的工作模式，最终目标结果等数据传
输。地面站主要完成无人机的控制以及雷达数据的显示和指令的下发，是雷达和无人机与用户交互的媒介。
54.本发明通过低空飞行平台搭载穿透式侦察雷达，实现快速和准确的建筑物穿透探测和结构布局，具有如下特点：1、雷达系统具备轻小型和低功耗设计，可搭载于微型和小型多旋翼无人机，实现现场快速部署和灵活使用，尤其对高层建筑物环境下的目标探测与结构重建具有重要意义；2、具备对建筑物高楼层的离墙穿透探测能力，可在悬停模式下准确和迅速地探测建筑物内运动人员目标；3、可环绕目标房间或楼层进行飞行，对建筑物内外进行成像，并对建筑物内部结构特征和布局进行有效提取，重建出建筑物内外部结构；4、能够融合建筑物结构和目标位置，实现目标和建筑物结构的融合显示，为灾害救援、火情侦察以及城市巷战等提供实时的环境感知。
55.本发明实施例进一步公开了一种基于飞行平台的穿透式侦察雷达系统，包括包括建筑物内部结构成像模块、建筑物外部结构成像模块和人体目标成像模块，通过将建筑物内部结构成像模块的成像结果、建筑物外部结构成像模块的成像结果和人体目标成像模块的成像结果进行融合，得到最终的成像结果；其中建筑物外部结构成像模块包括：
56.第一程序模块，用于获取侦察雷达在飞行平台绕建筑物飞行时的移动轨迹和雷达数据；
57.第二程序模块，用于对雷达数据进行脉冲压缩，获得距离脉压-方位时间维度数据；
58.第三程序模块，用于对距离脉压-方位时间维度数据进行后向投影成像，设定成像网格平面，然后进行后向投影成像的相干累加；
59.第四程序模块，用于基于雷达的移动轨迹与成像网格平面的坐标位置，计算得到每个网格与侦察雷达之间的距离，然后根据网格到侦察雷达的距离，在侦察雷达该时刻回波的距离脉压结果中，找到对应的距离单元，并将距离单元的值补偿目标距离对应的波程相位因子，叠加到对应的网格；
60.第五程序模块，用于将网格点对应的回波进行相干累加，得到该网格点的重建结果，并最终得到该目标点运动补偿后的建筑物外部结构成像结果。
61.本发明的系统与上述的方法相对应，同样具有如上方法所述的优点。
62.下面结合一完整的具体实施例来对上述发明做详细说明：
63.首先将穿透式侦察雷达、信号处理单元以及数传通信单元安装于无人机上，雷达通过无人机供电，并将数据通过数传通信单元传输至地面站；
64.当地面站操作人员开始执行定点探测任务需求后，无人机起飞，并按照要求悬停于某处，开始对建筑物内部的人员进行定点探测，当探测到目标后，雷达通过数传通信单元传输至地面站并显示；其中定点探测能够显示局部的建筑物结构和人员目标；
65.当开始执行环绕飞行探测任务需求后，无人机起飞，并按照预定航线绕建筑物飞行，开始对建筑物内外部结构进行探测，并对建筑物内部的人员进行同步探测；
66.信号处理单元通过对穿透式侦察雷达采集到的数据进行分析和重建，获得建筑物内外部结构，并将人员目标与建筑物结构进行融合；最终将融合后的结构通过数传通信单元传输至地面站并显示；
67.完成一个航迹飞行和目标探测后，无人机将自动降落或者执行下一次飞行探测任
务。
68.其中建筑物成像的数据处理流程如下：
69.无人机绕建筑物飞行，获得雷达的移动轨迹以及墙体的反射回波数据，如图3所示；
70.对雷达数据进行脉冲压缩，获得距离脉压-方位时间维度数据；
71.对脉压后的数据进行bp(后向投影)成像，如图4所示；
72.设定地理成像网格平面，此成像网格可以划分为数据录取平面，也可以直接划分为地面成像网格，不同点只是在于成像坐标系的建立不同；然后进行bp成像中的相干累加，如图4所示；在数据录取平面建立直角坐标系的成像网格，雷达的运动路径由无人机系统提供，一般无人机系统的数据更新率比雷达重频要低，因此可以通过插值的方法，得到每一个发射波形对应的雷达位置；
73.根据雷达的位置结合设置的成像网格坐标位置，可以计算得到每个成像网格与雷达传感器之间的距离，然后根据网格到雷达的距离在雷达该时刻回波的距离脉压结果中，找到对应的距离单元，并将距离单元的值补偿目标距离对应的波程相位因子，叠加到对应的网格；
74.随着雷达的运动，同一目标会在特定的网格点进行积累，该网格点对应的回波进行相干累加，得到该网格点的重建结果，并最终得到该目标点的成像结果。如图4所示，雷达运动航迹上a～g几个点，其对应距离脉压数据中的距离与网格中点到各个点的距离相同，在对回波进行相干积累过程中，距离脉压结果中的回波全部累加到网格中红点位置，最终得到该点的运动补偿后的成像结果，如图4所示；
75.同理，通过上述同样的方法也能够对建筑物内部的结构进行成像和重建。但是由于建筑物外墙的回波强度远大于内部结构的回波强度，上述方法中获得运动补偿校准后的回波后，对外墙的回波以及多径效应引起的栅旁瓣进行对消和滤除处理。具体可采用相干因子(coherence factor,cf)加权和迭代旁瓣最小化技术(rsm：recursive sidelobe minimization)抑制前墙的墙体回波以及栅旁瓣的影响，具体流程如图6所示：由于雷达各通道接收信号之间存在一定的相干性，通过将cf用于加权图像空间中像点的幅值，保留相干信号，非相干信号特征的杂波和多径信号将被抑制，从而实现背景噪声和虚假目标像的抑制，使图像清晰度和一致性均得到提升。另外由于在图像形成过程中，目标的主要响应是连贯的，并且被标准化，由不同稀疏数据组生成的建筑物结构图像中目标的位置和峰值在是相同的，同时在不同稀疏数组中，由于缺失的数据是不同的，因此旁瓣的位置和峰值与谷值的幅度也不一样。基于这两个重要的特征，rsm技术通过不同稀疏数组生成的建筑物结构图像进行比较，执行最小化操作后，目标的幅度信息仍然不变，但旁瓣将被压制或完全消除，通过从完整孔径数据中随机选择部分孔径域数据作为稀疏数组进行成像，经过多次的迭代对比找出最小值，最大程度地消除旁瓣，达到最佳的成像效果。
76.其中建筑物内部结构成像信号处理如图7所示，在采用本发明的算法之前，建筑物内部结构的回波信号被淹没在外墙回波内，通过信号处理后，外墙回波信号被压制，内部结构的回波信号能够很容易识别。
77.最终根据建筑物结构成像的结果(包括建筑物内外部结构)，同时结合对人体目标获得的相对于墙体的位置，最终获得融合后的图像显示，如图8所示，其能够清晰的显示建
筑物的结构，同时能够显示目标在建筑物内的位置；由于目标是在非可视条件下测试得到的，所以，这对于灾害救援以及城市巷战等应用提供了实时的环境感知。
78.在上述方法中，一方面可以通过上述的运动补偿解决机载运动平台对雷达回波的干扰；另外通过cf和rsm技术消除外墙强回波信号对建筑物内部结构弱回波信号的影响，从而将弱回波信号进行复原和重建，以此获得内部的建筑物结构图像。
79.本发明的建筑物结构成像不仅能够实现对建筑物外部墙壁的成像，同时能够实现对建筑物内部结构(如立柱、隔墙等)的成像；与常规的雷达成像相比，不仅能够实现对可视化区域进行成像，还能够实现对建筑物内部结构布局的成像，此成像方法也不仅是为了实现人体目标的检测，而且实现对整个环境的态势感知。
80.本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
81.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。