本發明專利技術公開了一種基于遺傳算法的無人機載穿墻雷達三維SAR成像的航跡規劃方法。本發明專利技術從BP成像公式出發，提出三種可能的飛行方式，以遺傳算法兼顧無人機的飛行距離與成像質量，求解多約束條件下的非凸優化。經過仿真實驗與實測實驗的驗證，本方法在相同飛行距離下，相較于傳統多基線飛行有顯著提升，驗證了方法的有效性。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于穿墻雷達領域，尤其涉及對三維成像場景的航跡優化。
技術介紹
1、穿墻雷達是一種利用低頻電磁波穿透特性探測建筑物結構和墻后目標的技術，可不受障礙物遮擋影響，對墻后遮蔽空間信息進行穿透感知。目前穿墻雷達的工作體制主要包括多發多收(multiple-input?multiple-output,mimo)雷達和合成孔徑雷達(syntheticaperture?radar,sar)。mimo陣列穿墻雷達具有時效性高的特點，常用于墻后動目標檢測、定位與跟蹤等，在二維和三維成像上具有廣泛的應用。與mimo穿墻雷達相比，二維穿墻sar具有觀測范圍廣、分辨率高等優勢，常用于建筑物結構布局重構和室內靜目標成像。穿墻sar通常利用信號的超寬帶提供距離向的高分辨率，利用水平方位向的合成孔徑提供方位向高分辨率。三維穿墻sar成像能直觀反映出目標高度維信息，在災害救援等領域有著重要應用，近年來受到廣泛關注。sar與mimo相結合可以提供水平方位向和高度向的高分辨率。目前，穿墻雷達還主要使用車載或手持平臺，在城市復雜高層樓宇場景中，傳統車載穿墻雷達通常在地面上運行，無法勝任不可達高樓層場景，例如高層火災救援等；手持固定平臺mimo穿墻雷達觀測范圍受限的局限性更為突出，無法對大規模場景進行探測與成像。相比之下，將無人機的靈活性與穿墻雷達的穿透能力相結合的機載穿墻雷達，可無視照射高度限制，能夠對高層建筑進行穿透探測與成像，從而有效解決傳統穿墻雷達探測高度受限問題，但目前還鮮有利用無人機載穿墻雷達在城市建筑遮蔽空間開展穿透探測的研究報道。
>2、目前已有的無人機載三維層析sar通常采用多基線掃描式的飛行方式，即以多個密集的水平航過掃描同一區域進行成像(mb-sar,multi?baseline?sar)。這種飛行模式下,為避免高度向空域欠采樣導致的柵瓣效應或高度模糊，其基線間距需要小于半波長，無人機在續航時間內只能完成對小片區域成像，無法滿足城市樓宇大范圍穿墻成像的需求。而使用大間距掃描以獲得更大探測區域時，成像質量會因柵瓣效應而嚴重惡化。
技術實現思路
1、為解決上述問題，本專利技術提出一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維sar航跡規劃方法。本專利技術針對傳統無人機三維層析sar多航過飛行耗時長、效率低、掃描面積小以及成像存在柵瓣效應等問題，將陣列優化抑制柵瓣的原理推廣至無人機載穿墻sar中，基于遺傳算法實現無人機飛行距離和三維sar成像質量的聯合優化；針對高度向欠采樣導致的柵瓣效應，提出三種優化飛行模式，在滿足飛行效率條件下，實現對墻后目標的高質量成像。
2、本專利技術的技術解決方案如下：
3、一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維sar航跡規劃方法，包括如下步驟：
4、步驟1：建立墻后點目標回波模型；
5、根據實際需求設置三維場景方位向、距離向與高度向范圍，確定墻體位置、厚度、介電常數等參數，并設置墻后點目標位置。
6、步驟2：設置遺傳算法代價函數；
7、無人機載穿墻雷達的飛行方式會顯著影響目標區域的成像質量，需要在有限的飛行距離下對三維成像的質量進行定量評估，最終結合雷達成像質量與飛行距離構造代價函數。
8、步驟3：構建三種飛行模式及基因型；
9、根據無人機飛行模式的不同，將其分為三種不同的飛行方式，分別為非等間距多行過飛行(umb,unequally-spaced?multi?baseline)、交叉飛行(cf-sar,cross?flightsar)與斜線飛行(of-sar,oblique?flight?sar)。
10、步驟4：基于遺傳算法進行迭代計算；
11、首先隨機初始化種群，其中每個個體代表一條完整的飛行航跡，根據飛行航跡進行sar三維成像仿真，然后依據上述代價函數計算種群中所有個體的代價函數。根據代價函數的高低，帶有隨機地選擇若干個體，兩兩交叉互換，繁殖得到下一代種群。不斷重復這一過程，直至連續30次迭代中代價函數始終沒有降低，停止迭代，輸出該飛行模式下的最優航跡。
12、步驟5：得到并驗證不同飛行模式下的最優航跡；
13、為驗證穿墻場景下所提方法的有效性，電磁波需要穿過較為復雜的墻體介質，使用解析公式獲取穿墻場景的雷達回波存在一定困難，使用開源有限時域差分數值仿真軟件gprmax生成雷達回波數據，對上述所提umb-sar、cf-sar和of-sar飛行模式航跡優化結果進行驗證。在實際的仿真雷達回波數據的生成過程中，直接使用gprmax發射大脈寬調頻連續波信號將導致仿真時間過長，故設置雷達天線發射信號為無載波的沖激脈沖波形，所得回波近似為系統沖激響應。仿真場景可視為一個線性時不變系統，將沖激響應與線性調頻信號相卷積，從而得到對應于輸入線性調頻信號的仿真穿墻場景回波信號。對該回波進行脈沖壓縮，并經過距離插值、后向投影、相干累加等過程，最終得到三維后向投影成像結果。
14、有益效果
15、本專利技術提出了一種基于遺傳算法的無人機載穿墻雷達三維sar成像的航跡規劃方法。本專利技術提出三種可能的飛行方式，建立相應的基因型，以遺傳算法兼顧無人機的飛行距離與成像質量，求解多約束條件下的非凸優化。經過仿真實驗與實測實驗的驗證，本方法在相同飛行距離下，相較于傳統多基線飛行有顯著提升，屬于一種高效的穿墻探測方法。
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【技術保護點】
1.一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維SAR航跡規劃方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.如權利要求1所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維SAR航跡規劃方法，其特征在于，步驟2中代價函數中飛行距離部分設計為分段函數形式，如下式所示：
3.如權利要求1所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維SAR航跡規劃方法，其特征在于，步驟2中無人機載穿墻SAR航跡規劃問題可描述為帶有約束條件的最優化問題：
4.如權利要求1所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維SAR航跡規劃方法，其特征在于，步驟3中根據無人機飛行模式的不同，將其分為三種不同的飛行方式，分別為非等間距多行過飛行(UMB,Unequally-spaced?Multi?Baseline)、交叉飛行(CF-SAR,CrossFlight?SAR)與斜線飛行(OF-SAR,Oblique?Flight?SAR)。
5.如權利要求4所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維SAR航跡規劃方法，其特征在于，步驟3中UMB-SAR基因型設置為長度為500的01向量；確?；€最短間距大于半波長，即對于基因型的下標而言，任意兩個“1”的下標差應大于固定值C，如下式所示：
6.如權利要求4所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維SAR航跡規劃方法，其特征在于，步驟3中CF-SAR基因型設置為長度為1500的01向量，前500部分表征水平方向飛行，后1000部分表征豎直方向飛行；為保證航過最短間距大于半波長，限制條件如下式所示：
7.如權利要求4所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維SAR航跡規劃方法，其特征在于，步驟3中總航過數目為n，OF-SAR基因型為行數為n1、列數為3的二維矩陣，每行數據對應一個路徑點的三維坐標；對單個基線的長度限制為必須大于最短距離lmin，如下式所示：
8.如權利要求1所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維SAR航跡規劃方法，其特征在于，步驟5中通過開源有限時域差分數值仿真軟件gprMax生成雷達回波數據進行驗證。
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【技術特征摘要】
1.一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維sar航跡規劃方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.如權利要求1所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維sar航跡規劃方法，其特征在于，步驟2中代價函數中飛行距離部分設計為分段函數形式，如下式所示：
3.如權利要求1所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維sar航跡規劃方法，其特征在于，步驟2中無人機載穿墻sar航跡規劃問題可描述為帶有約束條件的最優化問題：
4.如權利要求1所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維sar航跡規劃方法，其特征在于，步驟3中根據無人機飛行模式的不同，將其分為三種不同的飛行方式，分別為非等間距多行過飛行(umb,unequally-spaced?multi?baseline)、交叉飛行(cf-sar,crossflight?sar)與斜線飛行(of-sar,oblique?flight?sar)。
5.如權利要求4所述的一種基于遺傳算法的無人機載穿墻三維sar航跡規劃方法，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊小鵬，馬忠杰，鐘世超，渠曉東，曾小路，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：
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