机载探冰雷达成像方法
【专利摘要】本发明提供了一种机载探冰雷达成像方法。该机载探冰雷达成像方法先在方位向对各通道数据分别用合成孔径的方法进行聚焦，然后在跨航迹向对多个通道进行MPQP-MVDR波束合成，之后再进行成像，从而有效地抑制跨航迹向的冰层表面杂波，得到冰层底部的雷达图像。此外，该方法在波束合成过程中，利用多参数优化方式，可以控制波束干扰方向零陷水平和拓展干扰方向零陷宽度，其良好的鲁棒性可以有效削弱冰层表面跨航迹向杂波对冰层底部回部的干扰。
【专利说明】机载探冰雷达成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达【技术领域】，尤其涉及一种机载探冰雷达成像方法。
【背景技术】
[0002]机载冰)11探测雷达主要应用于极地冰)11深度探测。极地冰储量和冰流向对全球水平衡和碳循环等生态系统有着重要的影响，近二十年随着人们对全球气候变暖的关注，人们把目光聚焦在对极地冰川的测量研究。其中，最有影响的就是美国航空航天局(NASA)组织的“冰桥行动”。国内外不少科研机构对极地冰)11厚度进行探测，代表性的是美国堪萨斯大学、上海极地研究中心等。
[0003]地基探冰雷达由于贴地表进行测量，在速度和广度上都受到限制。机载探冰雷达能够快速对冰川进行测绘，同时利用频率较低时冰川易穿透的特点，大范围采集冰川内部分层电磁散射回波。机载探冰雷达天线采用正下视，大多采用一发多收的模式，得到多通道的电磁散射回波。通过在方位向合成孔径的预处理，可以得到初步的雷达图像。
[0004]然而，由于机载探冰雷达在跨航迹向的天线阵列数目有限，不能采用合成孔径的方式获得高分辨率。同时电磁波在冰川内部向下传播时会产生色散，导致冰层底部的回波很弱。跨航迹向的冰表面回波(非正下视)与冰层底部回波(正下视)相位历程一致时，如果不消除跨航迹向冰层表面回波，冰层底部回波就无法在雷达图像中显现出来，导致目前的机载探冰雷达分辨率较低。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种机载探冰雷达成像方法，以提高机载探冰雷达的分辨率。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]根据本发明的一个方面，提供了一种机载探冰雷达成像方法。该机载探冰雷达成像方法包括:步骤A，对接收阵列M个通道的雷达回波数据进行方位向合成孔径处理，得到方位向合成孔径雷达数据X (L，N，M)，其中，M为接收阵列的通道个数；L，N分别为单个通道数据块的行数和列数；步骤B，对于方位向合成孔径雷达数据X (L，N, M)，取每个通道雷达回波数据中的第11列数据乂(:，11，:)，对其加汉明窗，得到对应冰表面的回波数据乂(&:b，n，:)，其中，n=l，2，…，N;(:)表示全部行或全部列，a，b分别表示对Χ(: ,η,:)加汉明窗时对应的起始位置和终止位置，汉明窗长度为Lhanming ;步骤C，对X(a:b，n，:)进行傅里叶变换得至幌域回波数据XiO^，!!，:)，对Κ?^,η，:)求自相关得到M个通道第η列的自相关数据Rn(Μ, Μ)，遍历所有列数并求平均，得到雷达数据N次快拍平均相关矩阵Raraage，其中，Lfft为傅里叶变换的长度，取2的整数次幂临近汉明窗长度Lhamming时对应的值；步骤D，将R—进行矩阵特征分解并按从大到小的顺序排序，得到排序后的特征值λ和对应的特征向量ξ，对特征向量I归一化之后得到P ;步骤Ε，对每个通道雷达回波数据中的第η列数据Χ(:，η,:)按列加零扩展，加零的位置位于每列的开头和结尾，加零扩展后得到\app(:，n，:);步骤1^，对\_(:，n，:)进行两次分块，并对分块后的数据加汉明窗后取傅里叶变换，得到每个距离门限域数据Xin和Xout,进而依照Xin和Χ_，η从2开始到M截止，执行下式进行循环:
+(d-C人J ,得到距离门频域数据相关矩阵,其中，n=2、……、M，当n=l时，初值为零；步骤G，将距离门频域数据相关矩阵氣_?进行对角加载得到?.步骤H，利用对角加载的结果Ιζ-求取M个通道波束合成时加权因子ω?ρ;步骤I，获取多通道第η次快拍第Xblk块频域数据波束合成结果仏_ I以及，步骤J，对求逆傅里叶变换到时域，并遍历所有方位向快怕数N和距离向采样点数L，得到多通道波束合成后的雷达数据，依据该雷达数据进行成像。
[0009](三)有益效果
[0010]从上述技术方案可以看出，本发明机载探冰雷达成像方法具有以下有益效果:
[0011](I)该方法在机载探冰雷达成像跨航迹向处理过程中，对多个通道跨航迹向雷达数据进行波束合成，从而抑制跨航迹向的杂波；
[0012](2)该方法在波束合成过程中，利用多参数优化方式，可以控制波束干扰方向零陷水平和拓展干扰方向零陷宽度，其良好的鲁棒性可以有效削弱冰层表面跨航迹向杂波对冰层底部回部的干扰。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1A为根据本发明实施例机载探冰雷达成像方法的示意图；
[0014]图1B为根据本发明实施例机载探冰雷达成像方法的流程图；
[0015]图2为机载探冰雷达原始数据雷达成像结果；
[0016]图3为进行跨航迹向MPQP-MVDR频域波束合成后应用本发明实施例方法雷达成像的结果。
【具体实施方式】
[0017]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。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
[0018]本发明探冰雷达成像方法中，先在方位向对各通道数据分别用合成孔径的方法进行聚焦，然后在跨航迹向对多个通道进行MPQP-MVDR波束合成,之后再进行成像，从而有效地抑制跨航迹向的冰层表面杂波，得到冰层底部的雷达图像。
[0019]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种机载探冰雷达成像方法。图1A为根据本发明实施例机载探冰雷达成像方法的示意图。图1B为根据本发明实施例机载探冰雷达成像方法的流程图。请参照示意图1A和图1Β，本实施例机载探冰雷达成像方法包括:
[0020]步骤Α，对接收阵列M个通道的雷达回波数据进行方位向合成孔径处理，得到方位向合成孔径雷达数据X (L，N，Μ)；[0021]其中，M为接收阵列的通道个数，通常情况下M≥2 ;L，N分别为单个通道数据块的行数和列数，对应为雷达在距离向采样点数和方位向快拍数；
[0022]步骤B，对于方位向合成孔径雷达数据X(L，N, Μ)，取每个通道雷达回波数据中的第η列数据Χ(:，η,:)，对该Χ(:，η,:)加汉明窗，得到对应冰表面的回波数据X(a:b，η,:)；
[0023]其中，η=1，2，-, Ν；(:)表示全部行或全部列。a，b分别表示对Χ(:，η,:)加汉明窗时对应的起始位置和终止位置，也即冰表面回波数据相应的下标。汉明窗的长度为Lhanming=b-a。一般情况下，该汉明窗的长度Lhanming取傅里叶变换长度Lfft的I / 8~I / 4，本实施例中，取256。
[0024]步骤C，对X (a:b,n,:)进行傅里叶变换得到频域回波数据X1 (Lfft, η,:)，对X1 (Lfft,η,:)求自相关得到M个通道第η列的自相关数据Rn(Μ，Μ)，遍历所有列数并求平均，得到雷达数据N次快拍平均相关矩阵Raverage ；
[0025]
【权利要求】
1.一种机载探冰雷达成像方法，其特征在于，包括: 步骤A，对接收阵列M个通道的雷达回波数据进行方位向合成孔径处理，得到方位向合成孔径雷达数据X (L，N，M)，其中，M为接收阵列的通道个数；L，N分别为单个通道数据块的行数和列数； 步骤B，对于方位向合成孔径雷达数据X (L，N, M)，取每个通道雷达回波数据中的第η列数据乂(:，11，:)，对其加汉明窗，得到对应冰表面的回波数据父(&山，11，:)，其中，11=1，2，…，N ;(:)表示全部行或全部列，a, b分别表示对X (: ,η,:)加汉明窗时对应的起始位置和终止位置，汉明窗长度为Lhanming ； 步骤C，对X (a:b，n，:)进行傅里叶变换得到频域回波数据X1O^n,:)，对X1 (Lfft，n，:)求自相关得到M个通道第η列的自相关数据Rn(Μ，Μ)，遍历所有列数并求平均，得到雷达数据N次快拍平均相关矩阵RavOTage，其中，Lfft为傅里叶变换的长度，取2的整数次幂临近汉明窗长度 Lhammmg
时对应的值； 步骤D，将RavCTage进行矩阵特征分解并按从大到小的顺序排序，得到排序后的特征值λ和对应的特征向量ξ，对特征向量ξ归一化之后得到P ; 步骤Ε，对每个通道雷达回波数据中的第η列数据Χ(: ,η,:)按列加零扩展，加零的位置位于每列的开头和结尾，加零扩展后得到\app(:，n，:)； 步骤F，对X_p(:，n，:)进行两次分块，并对分块后的数据加汉明窗后取傅里叶变换，得到每个距离门限域数据Xin和Xout,进而依照Xin和Xout，η从2开始到M截止，执行下式进行循环:
2.根据权利要求1所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述步骤C中，按照以下公式得到雷达数据N次快拍平均相关矩阵Paraage:
3.根据权利要求1所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述步骤D中，X={^1,入2，…，λΜ}，ξ={ξι, ξ 2,..., ξΜ}, P ={ P 1； P2,..., ΡΜ},其中，
4.根据权利要求1所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述步骤E中，在首部加零的长度为5.25*Lfft，尾部加零长度为2.625*Lfft ;加零后的数据设为Iiiwi，对于单列加零后的长度为7.875*Lfft+L0
5.根据权利要求1所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述步骤F中，对XLapp(:，n，:)进行两次分块，并对分块后的数据加汉明窗后取傅里叶变换，得到每个距离门限域数据Xin和Xrat包括: 对U:，n，:)进行第一次分块，该第一次分块形式为IXliapp(Xbl)^.25*Lfft:xblk+5.25*Lfft-l, η,:)，对分块后的数据加汉明窗后并取傅里叶变换，得到每个距离门频域数据Xin;以及 对xLapp (:，n,:)进行第二次分块，该第二次分块形式为:XLapp(Xbik:xbik+Lfft-l，η,:),对分块后的数据加汉明窗后并取傅里叶变换，得到每个距离门频域数据Xout ; 其中，两次分块所加汉明窗与第η次快拍数据的列相对应，汉明窗的长度与数据列长相等，相关矩阵初始值为零，Xblk是求Xin和Xout分块参数，Xblk=I, Lfft,…，5.25*Lfft-l ο
6.根据权利要求1所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述步骤G中，按照下式将进行对角加载得到:
7.根据权利要求6所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述步骤G中，μ =0.05，ε =IO-7^max(max(X(:，n，..)))。
8.根据权利要求1所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述步骤H中，按照以下公式求取M个通道波束合成时加权因子COmpqp:
9.根据权利要求8所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述ζ=10_3。
10.根据权利要求9所述的机载探冰雷达成像方法，其特征在于，所述步骤I中，按照以下公式获取多通道第η次快拍第Xblk块频域数据波束合成结果:
【文档编号】G01S13/90GK103809179SQ201410068216
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2014年2月27日
【发明者】张晓娟, 王友成, 饶丽婷, 吴超, 崔帅, 王辰 申请人:中国科学院电子学研究所