地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像的方法
【专利摘要】本发明提供了一种地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像的方法。该方法在大幅压缩地面运动目标回波数据基础上获得了较为准确的成像结果以及运动目标方位向的速度和位置信息，为地面运动目标的准确识别提供了重要的信息。
【专利说明】地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及遥感和雷达成像【技术领域】，尤其涉及一种地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像的方法。
【背景技术】
[0002]合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)可实现全天候、全天时、高增益的地面静止目标成像，具体为通过宽信号频带设计实现距离向高分辨；通过雷达载机平台的运动，等效地在空间形成很长的线性阵列从而实现方位向高分辨。然而在很多军事应用情况下，观测场景中不仅存在静止目标，也存在一些运动目标。传统的SAR不具备对运动目标的检测与成像能力，运动目标只能以散焦的形式叠加在静止目标图像上。具有垂直于航向速度分量的动目标在静止目标SAR图像上的方位位置将偏离其真实方位位置，具有沿航向速度分量的动目标在静止目标SAR图像上将出现方位向散焦现象。
[0003]利用SAR获取运动目标检测与成像结果已成为当前军事和民用领域研究热点。然而随着SAR精度的不断提高，使得运动目标的回波数据量急剧增加。庞大的数据量对系统的存储能力提出了很高的要求，同时对数据信道的传输能力也是一个很大的挑战。在保证高质量的运动目标成像结果与准确估计运动参数的前提下，如何大幅减少回波数据量对于SAR运动目标成像与检测技术的发展具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像的方法，以提供一种适合数据压缩情况下的成像方法。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像的方法，该方法包括:步骤A，数据接收端对成像区域内地面目标的复基带回波信号S4
利用距离向脉冲压缩和对消处理获得包含运动目标信息的信号步骤B,数据接收端对所述包含运动目标信息的信号>进行数据随机稀疏降采样压缩处理，采用随机高斯观测矩阵作为数据降采样压缩的观测矩阵，获得压缩后的信号并将该压缩后的信号发送至数据处理端；步骤C，数据处理端接收所述压缩后的信号r— (lm )，根据其在分数傅立叶变换FRFT矩阵Ψ α下的稀疏性和最小熵准则，利用压缩感知算法重构Ya，获得最优旋转角度α以及对应的最优结果Ya，确定运动目标的速度和位置信息。
[0008](三)有益效果
[0009]从上述技术方案可以看出，本发明地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像的方法中，针对地面运动目标成像数据量过大，不便于数据存储和传输的问题，提出沿方位向进行随机稀疏采样获得降采样数据并结合基于压缩感知的运动目标成像算法实现运动目标成像。相比于传统运动目标成像，能够大幅减少地面运动目标的回波数据量。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明实施例所采用的单发双收雷达天线及其与运动目标的几何关系图；
[0011]图2为LFM信号在时频域和分数阶的分布图；
[0012]图3为地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像方法的流程图；
[0013]图4为回波数据幅度与相消处理结果图，其中:
[0014]图4A为天线A所接收回波在距离慢时间域的幅度图；
[0015]图4B为两通道杂波对消后回波信号的幅度图；
[0016]图4C是未经过方位向速度补偿处理，直接利用静止目标对应的多普勒调频率进行方位脉冲压缩得到的结果；
[0017]图4D是直接利用分数阶傅里叶变换处理的结果；
[0018]图5为本发明实施例对运动目标成像结果图，其中: [0019]图5A所示的是压缩比η为75%的结果；
[0020]图5Β是对运动目标Pl所在的距离单元进行搜索得到的结果；
[0021]图5C是对运动目标Ρ2所在的距离单元进行搜索得到的结果；
[0022]图是两个运动目标最终的成像结果。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。
[0024]考虑到地面静止目标和杂波对消处理后的回波数据中只有运动目标信号，并且观测场景中的运动目标数量是有限的，因此运动目标回波信号满足稀疏性的要求，从而采用压缩感知理论对数据压缩之后的回波信号进行成像和参数估计处理。压缩感知理论指出，若信号是稀疏的或在某个变换域稀疏，则可用一个与变换基不相关的观测矩阵将高维信号投影到低维空间，通过求解优化问题即可从低维观测中以高概率重构原信号。可以说CS理论是利用信息采样代替传统的信号采样，因此采样速率不再由信号带宽决定，而是取决于信息在信号中的结构和内容。因此，将CS理论应用于地面运动目标成像系统，可有效实现对地面运动目标回波数据的压缩和成像处理。
[0025]近年来，分数阶傅立叶变换(fractional Fourier transform,简称FRFT)作为处理非平稳信号，尤其是chirp信号的一种强有力的工具，受到了广泛的关注。FRFT是传统Fourier变换的推广，信号x(t)角度为α的FRFT定义为:
[0026]Xa O) = Fp [x(0] = J": x(t)Ka (t, u)dt
[0027]其中，P为FRFT的阶数，可以为任意实数；a = P ^/2 ；Fp[ □ ] % FRFT的算子符号，Ka (t，u)为FRFT的核函数，
[0028]
【权利要求】
1.一种地面运动目标高分辨雷达压缩感知成像的方法，其特征在于，包括: 步骤A:数据接收端对成像区域内地面目标的复基带回波信号~(ijm),利用距离向脉冲压缩和对消处理获得包含运动目标信息的信号； 步骤B:数据接收端采用随机高斯观测矩阵作为观测矩阵，对所述包含运动目标信息的信号进行数据随机稀疏降采样压缩处理，获得压缩后的信并将该压缩后的信号发送至数据处理端； 步骤C:数据处理端接收所述压缩后的信号,根据其在分数傅立叶变换FRFT矩阵Ψα下的稀疏性和最小熵准则，利用压缩感知算法重构Ya，获得最优旋转角度a以及对应的最优结果Ya，确定运动目标的速度和位置信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括: 子步骤Al:获得成像区域内地面目标的复基带回波信号Sj(hQz 子步骤A2:对天线A和天线B接收的复基带回波信号& (Um)与、β (Ow)分别进行距离向脉冲压缩，得到距离向脉冲压缩后的复基带回波信号和其中: 子步骤A3:对所述距离向脉冲压缩后的复基带回波信号乙和&(/，/,,,>进行双通道对消处理，获取双通道对消处理后的信号.％_ ; 子步骤Α4:对双通道对消处理后的信号\,_,(/，/?>进行峰值搜索，获取包含运动目标信息的信号^mar ( ) ο
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子步骤Α2中距离向脉冲压缩后的信号如下:
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤A3中进行双通道对消处理后的信号如下
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述子步骤Α4中包含运动目标信息的信号如下:4嫌(
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤B中压缩后的信号._,D如
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤C包括: 步骤Cl:构造分数傅立叶变换FRFT矩阵Ψα，旋转角度α的取值在[-π，ji ]，以0.01 π 为步长，使得.
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤Cl中所述分数傅立叶变换FRFT矩阵Ψα的大小为Ax A ,其具体表示为:
V-J — MTt
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤Cl中利用平滑LO算法获得ΥαΗ包括: ⑴令
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤C3中通过下述公式选取最优旋 转角度的估计值
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤C3中通过以下公式计算得到地面运动目标的方位向速度Vnx和方位向位置信息Xn:
【文档编号】G01S13/90GK103630899SQ201310106646
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年3月29日 优先权日:2013年3月29日
【发明者】洪文, 张群, 顾福飞, 罗迎, 吴一戎, 张冰尘, 蒋成龙 申请人:中国科学院电子学研究所