基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，涉及雷达信息获取与处理【技术领域】，其步骤为：步骤1，设定雷达旋转发射天线；步骤2，设定雷达的探测面，将该探测面划分成多个探测单元；步骤3，求取时间延迟；步骤4，利用时间延迟求取导向矢量，得到阵列流形矩阵；步骤5，设定回波信号向量；步骤6，构建辐射场向量；步骤7，建立雷达接收的M个脉冲下的原始回波向量与辐射场向量的关联形式；步骤8，在目标函数的约束条件求解目标反射系数向量的目标函数，得到目标反射系数向量；步骤9，得到重排的目标反射系数向量矩阵，即目标的成像矩阵。本发明提高辐射场空时随机性和空间自由度，实现对大场景目标的高分辨率成像。
【专利说明】基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达信息获取与处理【技术领域】，涉及微波关联成像技术，尤其涉及一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法。
技术背景
[0002]关联成像在最近几年取得了较快的发展，关联成像与传统的雷达成像有所区别，关联成像需要光源参与成像的过程，而且要求光源要有热光的统计特征，即时间和空间的随机涨落特征。在实际的实验过程中，一般采用赝热光替代真实热光的方法来研究关联成像，Martienssen等人提出了赝热光的产生方法，即用激光照射旋转的毛玻璃，赝热光由毛玻璃中无规则分布的微小颗粒调制激光场所产生，当毛玻璃的旋转速度满足一定的条件时，该赝热光的统计特征满足热光的时间和空间的随机涨落特征。在实际中可以用空时随机辐射场来代替赝热光，因为空时随机辐射场和赝热光都要求服从随机分布，也就是具有时间和空间的随机涨落特征。
[0003]中国科学技术大学申请的专利“微波凝视成像关联方法”(申请号201110000698.3)中公开了一种微波凝视成像关联方法。该方法通过随机辐射场对目标区域物体进行照射，在物体表面形成辐射场分布，通过多通道或单通道进行散射场接收，对散射场和随机辐射场进行关联处理以反演得到目标区域物体的成像。该方法的不足是要求的采样点数很高，对信噪比的要求也较大。
[0004]中国科学技术大学申请的专利“微波凝视成像的方法”(申请号201110000699.8)中公开了一种基于时、空两维随机辐射场和关联处理的微波凝视成像方法。该方法通过时、空两维辐射场的关联微波凝视成像，能实现高分辨的微波凝视成像。该方法的不足是辐射场空时随机性和空间自由度不高，从而导致相同距离门内可恢复像素点少，难以实现对大场景目标的高分辨率成像。
[0005]西安电子科技大学申请的专利“基于稀疏阵列的微波关联成像系统与成像方法”(申请号201310167360.6)中公开了一种基于稀疏阵列的微波关联成像系统与成像方法，主要解决现有技术的在雷达天线与目标没有非径向相对运动时成像效果差，分辨率低的问题。该系统的不足是辐射场空时随机性和空间自由度较低，对大场景目标尤其是成片目标场景的重构效果较差。
[0006]电磁信号从阵元口径面到目标区域内的辐射过程就是形成空时随机辐射场的过程。由于探测面上的目标是稀疏分布的，所产生的空时两维随机辐射场也是稀疏的，即辐射场的空时相关性是比较小的，刚好跟压缩感知中的传感矩阵有着相同的统计特性。在压缩感知的过程当中传感矩阵有着非常重要的作用，因此我们可以利用压缩感知在处理稀疏采样信号重建问题上的优势，将压缩感知理论应用到基于空时两维随机辐射场的微波关联成像雷达中。
[0007]随着科技的发展和时代的进步，对较远距离的目标实现高分辨率成像成为可能，由于空间分辨率受到天线孔径的限制，传统的雷达成像只能够应用于近距离成像或者对分辨率要求比较低的一些场景之下，如果要实现较远距离的高分辨率雷达成像，传统的雷达显然不能满足要求。在基于压缩感知的微波关联成像雷达中，随机辐射场的设计是高分辨率成像能够实现的关键。基于压缩感知的微波关联成像之所以会形成随机性比较大的辐射场分布，主要使用了发射信号在时间上和空间上的随机性。
[0008]对大场景成像既是传统合成孔径雷达的典型技术问题，也是稀疏微波成像亟待攻克的难点。现有的雷达微波成像技术，空时随机辐射场自由度低，对大场景目标成像效果差、分辨率低。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，提高辐射场空时随机性和空间自由度，实现对大场景目标的高分辨率成像。
[0010]为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
[0011]一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0012]步骤1，雷达旋转发射阵列是具有N个阵元的二维面阵，雷达旋转发射阵列的阵元分布在一个圆面上，雷达的接收机位于圆面的圆心，阵元所在圆面绕过圆心的轴线以角速度ω转动，所述圆心的轴线垂直于圆面；Ν为自然数；
[0013]步骤2，雷达旋转发射阵列向探测面发射M个脉冲的微波信号，并且接收M个脉冲下的原始回波数据Y ;Μ为自然数；
[0014]将所述探测面划分成EXF个探测单元,探测单元总数Q = EXF,其中,E表示横向探测单元数，F表示纵向探测单元数，E、F分别为自然数，且Q>M，M表示雷达旋转发射阵列发射脉冲数；
[0015]步骤3，在第m个脉冲下第η个阵元向第q个探测单元发射微波信号表示为Smn(t)，雷达接收机接收第q个探测单元的回波信号表示为Snm (t_ τ _)，求取发射微波信号Smn⑴与回波信号smn(t- τ _)之间的时间延迟τ _，其中，t表示时间，m = I, 2,..., Μ, η =1，2，...，N，q = 1，2，...，Q，M表示雷达旋转发射阵列发射脉冲数，N表示雷达旋转发射阵列的发射阵元数，Q表示探测单元总数；
[0016]步骤4，利用时间延迟τ _求取在第m个脉冲下N个阵元相对第q个探测单元的导向矢量Vmq, Vfflq维数为NX I ;进而得到在第m个脉冲下N个阵元相对Q个探测单元的阵列流形矩阵^，Vm维数为NXQ;
[0017]步骤5，设定第m个脉冲下第η个阵元向第q个探测单元发射的微波信号Snm(t)等于接收机接收的第q个探测单元的回波信号smn(t_ τ _)，即Smn(t_ τ _) = Smn(t),则第m个脉冲下的回波信号向量:
[0018]sm (t) = [sml(t), sm2 (t),..., smn(t),..., smN(t)]1XN ；m = I, 2,..., Μ, η =I, 2,..., N, q = I, 2,..., Q ；
[0019]步骤6，利用第m个脉冲下的N个阵元相对Q个探测单元的阵列流形矩阵Vm和第m个脉冲下的回波信号向量sm(t)，构建第m个脉冲下的辐射场向量八?1= sm(t).νπ，维数为
IXQ进而得到M个脉冲下的辐射场矩
【权利要求】
1.一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，雷达旋转发射阵列是具有N个阵元的二维面阵，雷达旋转发射阵列的阵元分布在一个圆面上，雷达的接收机位于圆面的圆心，阵元所在圆面绕过圆心的轴线以角速度ω转动，所述圆心的轴线垂直于圆面；Ν为自然数； 步骤2，雷达旋转发射阵列向探测面发射M个脉冲的微波信号，并且接收M个脉冲下的原始回波数据Y ;Μ为自然数； 将所述探测面划分成EXF个探测单元,探测单元总数Q = EXF,其中,E表示横向探测单元数，F表示纵向探测单元数，E、F分别为自然数，且Q>M，M表示雷达旋转发射阵列发射脉冲数； 步骤3，在第m个脉冲下第η个阵元向第q个探测单元发射微波信号表示为smn(t)，雷达接收机接收第q个探测单元的回波信号表示为Snm (t_ τ _)，求取发射微波信号Smn⑴与回波信号smn (t- τ _)之间的时间延迟τ _，其中，t表示时间，m = I, 2,..., Μ, η =1，2，...，N，q = 1，2，...，Q，M表示雷达旋转发射阵列发射脉冲数，N表示雷达旋转发射阵列的发射阵元数，Q表示探测单元总数； 步骤4，利用时间延迟τ _求取在第m个脉冲下N个阵元相对第q个探测单元的导向矢量1，Vfflq维数为NX I ;进而得到在第m个脉冲下N个阵元相对Q个探测单元的阵列流形矩阵Vm，Vm维数为NXQ; 步骤5，设定第m个脉冲下第η个阵元向第q个探测单元发射的微波信号Snm(t)等于接收机接收的第q个探测单元的回波信号smn(t_ τ mnq)，即Smn(t_ τ mnq) = Smn(t),则第m个脉冲下的回波信号向量:
Sm (t) [Smi (?) j Sm2 (?)，...，Smn (?)，...，S_ (?) ] ιχν 1，2，...，Μ，Π 1, 2,..., N, Q 步骤6，利用第m个脉冲下的N个阵元相对Q个探测单元的阵列流形矩阵Vm和第m个脉冲下的回波信号向量8?^)，构建第m个脉冲下的辐射场向量八111= sm(t).νπ，维数为IXQ进而得到M个脉冲下的辐射场矩阵…》4?A维数为MXQ，其中[.]Τ表示转置； 步骤7，设定目标反射系数向量σ的向量化形式为[0ι，σ2，...，σ ,，...，oQ]T，其中[.]T表示转置，σ q表示第q个探测单元的目标反射系数，q = 1，2，…，Q ; 利用M个脉冲下的辐射场矩阵A和目标反射系数向量σ将雷达接收的M个脉冲下的原始回波向量Y写成如下形式:
Y= A σ +w 其中，A表示M个脉冲下的Q个探测单元的辐射场矩阵，w表示设定的维数为MX I的高斯白噪声矢量； 步骤8,建立目标反射系数向量σ的目标函数,将Y = A σ+w作为目标函数的约束条件，在目标函数的约束条件下求解目标反射系数向量σ的目标函数，得到目标反射系数向0 I 0 — [ 0 I, 0 2，...，0 q，...，0 Q] — [ σ I, σ 2，...，0 E，0 Ε+1，0 Ε+2，...，0 2Ε，...，0 (F-1)Ε+1, σ (ρ-?χΕ+2.....0Q]T，其中[.]τ表示转置，Q = EXF, E表示横向探测单元数,F表示纵向探测单元数；步骤9，将目标反射系数向量σ由QXl维排列为EXF维矩阵，得到重排的目标反射系
数矩阵 ，重排的目标反射系数矩阵孑即目标的成像矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，其特征在于，步骤3包括: 在空间直角坐标系中，设定雷达的接收机位于圆面的圆心在空间直角坐标系的原点处，第q个探测单元的坐标为o^y,，Z,)，第q个探测单元的坐标值之间的关系为: 2 — 2 2 2 Zq — 0 _Xq Iq 设定第m个脉冲下雷达旋转发射阵列的旋转时间为△ tm，旋转时间即雷达旋转发射阵列从没有旋转至旋转的时间，第η个阵元经过旋转时间Δ tn后的坐标为(.H，0)，在第m个脉冲下第η个阵元到第q个探测单元之间的距离为:
其中，m = I, 2,..., Μ, η = I, 2,..., N, q = I, 2,..., Q, M表示雷达旋转发射阵列发射脉冲数，N表示雷达旋转发射阵列的发射阵元数，Q表示探测单元总数； 设定雷达的探测面处于以空间直角坐标系的原点为球心、半径为A的球面上，设定探测面所在的球面半径A至少大于'max HJ的50倍，以第η个阵元经过旋转时间Λ tm后的坐标(之，又?,，0)为变量，用泰勒级数在点(O, O, O)处展开第η个阵元到第q个探测单元之间的距离，得:
其中，rnmql (o,0,0)表不rmnq在点(0，0，0)处的取值，-^τΗ<ι_表不对I:求偏导后在
i 1 tfitt
'mn点(0，O, O)处的取值，I,,MM.,表示对、求偏导后在点(0，O, O)处的取值，^为雷达
mnnm的探测面处于球面的半径，也是空间直角坐标系的原点到每一探测单元的距离，O表示拉格朗日型余项； 在第m个脉冲下第η个阵元发射微波信号到第q个探测单元，与接收机接收回波信号的时间延迟1_为:
其中，t_表示第n个阵元到第q个探测单元的微波信号传播时间，h表示坐标原点到第q个探测单元的传播时间，c表示光速，(X,，y,，Zq)表示第q个探测单元的坐标，(l，5L，0)表示第η个阵元经过旋转时间Δ tm后的坐标，Rn表示第η个阵元到坐标原点的距离，Atm表示第m个脉冲下雷达旋转发射阵列的旋转时间，^表示空间直角坐标系的原点到每一探测单元的距离，ω表示旋转发射阵列旋转的角速度，θη为第η个阵元位置与X轴方向的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，其特征在于，步骤4包括: 导向矢量Vmq的表达式为:Vmq = [Vmlq, Vm2q,Vmnq,VdJt,其中，[.]τ表示转置，
其中，f。表示载波频率，C表示光速，(xq, yq, Zq)表示第q个探测单元的坐标，Rn表示第η个阵元到坐标原点的距离，Δ tm表示第m个脉冲下雷达旋转发射阵列的旋转时间，A表示空间直角坐标系的原点到每一探测单元的距离，ω表示旋转发射阵列旋转的角速度，0?为第η个阵元位置与X轴方向的夹角； 在第m个脉冲下，N个阵元相对Q个探测单元的阵列流形矩阵为Vm，表达式为:
M个脉冲下N个阵元相对Q个探测单元的阵列流形矩阵V = [V1, N2,...,Na,..., VJt0
4.根据权利要求3所述的一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，其特征在于，步骤6包括: 第m个脉冲下的辐射场向量Am表达式:
其中，m= 1，2，…M，s? (t)表示第m个脉冲下第n个阵元发射的微波信号，V_表示在第m个脉冲下，第η个阵元相对第q个探测单元的导向矢量，“.”表示矩阵相乘； M个脉冲下的辐射场矩阵A = [A1, A2, - ,Am,…Am]t。
5.根据权利要求1所述的一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，其特征在于，步骤8包括: 目标反射系数向量σ的目标函数和目标函数的约束条件为下式: mjn \Q - Ftti (σ)} 约束条件Y = A σ +w 其中，Q表示探测单元总数，
表示设定的递减序列中的元素变量，j = 1,2,..., J, J表示设定的递减序列中的元素个数，σ为目标反射系数向量，exp表示指数运算，σ ,表示第q个探测单元的目标反射系数，A表示M个脉冲下的Q个探测单元的辐射场矩阵。
6.根据权利要求5所述的一种基于雷达旋转发射阵列的微波关联成像方法，其特征在于，在目标函数的约束条件下求解目标反射系数向量σ的目标函数具体包括: 8a)设定目标反射系数向量初始值为O1 = Ah(AAh)-1Y,其中[.]-1表示矩阵求逆，A表示M个脉冲下的Q个探测单元的辐射场矩阵； 设定递减序列[α ” a a,.., α j，...，α j],其中元素间的关系满足α』=η a ^1, j =2，...，J, n e (0.5, I]为常数，a i = 2max ( σ )，α τ<0.01 ； 8b)利用递减序列中第j个元素a j构造梯度向量:
其中exp表示指数运算，表示利用第j个元素α J得到的目标反射系数向量第k-Ι次迭代值I1中的第q个元素，q = 1，2，...，Q，Q表示探测单元总数； Sc)构造利用第j个元素％得到的目标反射系数向量第k次迭代值
,其中步长因子μ = 2; 将第j个元素％得到的目标反射系数向量第k次迭代值σ k作变换:
其中,[.]-1表示矩阵求逆，一表示用右边的向量代替左边的向量，且
其中[.^表示转置；
Se)令k从I至K，重复步骤Sb)到步骤8d)，得到第j个元素％下的目标反射系数向量，〃其中，K设定的迭代次数，为正整数； 8f)令j从I至J，重复步骤Sb)到步骤Se)，得到第J个元素α:下的目标反射系数向量’(将第j个元素^下的目标反射系数向量’作为目标反射系数向量O。
【文档编号】G01S7/41GK104199028SQ201410446365
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】李军, 李小敏, 朱圣棋, 邵自立, 廖桂生, 吕利, 马玉芳 申请人:西安电子科技大学