多站雷达下的目标特征提取方法和装置与流程

本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种多站雷达下的目标特征提取方法和装置。

背景技术：

网络化新型雷达体制下的目标特征提取与识别是现今研究的热点，对网络化雷达探测下的目标电磁散射机理进行研究及表征更是其中亟待解决的难点问题，尤其是网络化雷达体制下的多站电磁散射机理表征模型的构建更是难点中的难点。

在实现本发明的过程中，本发明的发明人发现：现有的多站电磁散射中心模型都是点散射中心模型，只能表征散射中心的位置，不能够反演目标的结构信息。

因此，针对以上不足，需要提供一种多站雷达下的目标特征提取方法和装置，以解决现有多站电磁散射中心模型只能表征散射中心的位置、不能够反演目标的结构信息的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有多站电磁散射中心模型只能表征散射中心的位置、不能够反演目标的结构信息的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种多站雷达下的目标特征提取方法。

本发明的多站雷达下的目标特征提取方法包括：基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型；其中，所述目标电磁散射模型包括目标的如下参数：目标的散射中心位置、目标的类型参数、以及目标的散射幅度系数；确定目标在多站雷达下的回波信号，以及所述目标对应的稀疏字典矩阵；根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。

可选地，所述基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型包括：基于几何绕射理论构建多站雷达下的第一目标电磁散射模型；所述第一目标电磁散射模型为适用于多发多收情况的解析形式；对所述第一目标电磁散射模型进行简化处理，以得到第二目标电磁散射模型；所述第二目标电磁散射模型为适用于一发多收情况的稀疏形式。

可选地，所述确定目标在多站雷达下的回波信号，以及所述目标对应的稀疏字典矩阵包括：获取目标在多站雷达下的回波信号；根据目标尺寸信息确定目标散射中心的候选位置；根据目标散射中心的候选位置与类型参数的候选取值，构建所述目标对应的稀疏字典矩阵。

可选地，所述根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值包括：将所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵作为已知量，并采用正交匹配追踪法对第二目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。

可选地，所述采用正交匹配追踪法对第二目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值包括：确定残差的初始值；计算所述残差与稀疏字典矩阵中各列的内积，然后根据所述内积最大的列更新索引集和重建原子集；根据所述重建原子集计算稀疏系数向量的估计值；根据所述稀疏系数向量的估计值更新所述残差，然后根据更新后的残差计算剩余信号能量；判断是否满足迭代停止条件；在满足迭代停止条件的情况下，根据所述索引集和所述稀疏系数向量的估计值确定目标的所述参数的估计值。

可选地，所述判断是否满足迭代停止条件包括：判断迭代次数是否大于第一阈值，或者剩余信号能量是否小于第二阈值；在所述迭代次数大于第一阈值，或者所述剩余信号能量小于第二阈值的情况下，确认满足迭代停止条件；否则，确认不满足迭代停止条件。

为了解决上述技术问题，另一方面，本发明还提供了一种多站雷达下的目标特征提取装置。

本发明的多站雷达下的目标特征提取装置包括：构建模块，用于基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型；其中，所述目标电磁散射模型包括目标的如下参数：目标的散射中心位置、目标的类型参数、以及目标的散射幅度系数；确定模块，用于确定目标在多站雷达下的回波信号，以及所述目标对应的稀疏字典矩阵；求解模块，用于根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。

可选地，所述构建模块基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型包括：所述构建模块基于几何绕射理论构建多站雷达下的第一目标电磁散射模型；所述第一目标电磁散射模型为适用于多发多收情况的解析形式；所述构建模块对所述第一目标电磁散射模型进行简化处理，以得到第二目标电磁散射模型；所述第二目标电磁散射模型为适用于一发多收情况的稀疏形式。

可选地，所述确定模块确定目标在多站雷达下的回波信号，以及所述目标对应的稀疏字典矩阵包括：所述确定模块获取目标在多站雷达下的回波信号；所述确定模块根据目标尺寸信息确定目标散射中心的候选位置；所述确定模块根据目标散射中心的候选位置与类型参数的候选取值，构建所述目标对应的稀疏字典矩阵。

可选地，所述求解模块根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值包括：所述求解模块将所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵作为已知量，并采用正交匹配追踪法对第二目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型，确定目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值这些步骤，能够解决现有多站电磁散射中心模型只能表征散射中心的位置、不能够反演目标的结构信息的问题，填补当前多站电磁散射机理表征及其参数反演方法的空白。

附图说明

图1是本发明实施例一的多站雷达下的目标特征提取方法的主要流程示意图；

图2是本发明实施例二的多站雷达下的目标特征提取方法的主要流程示意图；

图3是本发明实施例二中采用正交匹配追踪法对第二目标电磁散射模型进行求解的主要流程示意图；

图4是本发明实施例三的多站雷达下的目标特征提取装置的主要组成模块示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1是本发明实施例一的多站雷达下的目标特征提取方法的主要流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供的多站雷达下的目标特征提取方法包括：

步骤s101、基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型。

几何绕射理论(gtd，全称为geometricaltheoryofdiffraction)是一种描述高频电磁散射机理的数学模型，它具有形式简约、参数可解耦，蕴含目标结构信息等优点。目前，gtd模型的形式仅适用于单站雷达下的目标特征提取，而不适用于多站雷达下的目标特征提取。鉴于此，本发明的发明人基于几何绕射理论构建了多站雷达下的目标电磁散射模型。其中，所述多站雷达下的目标电磁散射模型包括目标的如下参数：目标的散射中心位置、目标的类型参数、以及目标的散射幅度系数。

示例性地，步骤s101可具体包括：确定单站gtd模型的解析形式，然后对单站gtd模型中回波信号的相位延迟进行调整，以得到多站gtd模型的解析形式。

步骤s102、确定目标在多站雷达下的回波信号，以及所述目标对应的稀疏字典矩阵。

在本发明实施例中，目标电磁散射模型的解析形式适用于多发多收(即多个发射雷达多个接收雷达)条件下的目标电磁散射机理表征。具体实施时，考虑到多发多收情况下的数据量较大，计算量相应地呈几何倍数增长，为了简化分析，可对目标电磁散射模型的解析形式进行简化处理，以得到目标电磁散射模型的稀疏形式。

在该步骤中，可获取目标在多站雷达下的回波信号；根据目标尺寸信息确定目标散射中心的候选位置；根据目标散射中心的候选位置与类型参数的候选取值，构建所述目标对应的稀疏字典矩阵。

步骤s103、根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。

在该步骤中，可将所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵作为已知量，对第二目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。

在本发明实施例中，通过基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型，确定目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值这些步骤，能够解决现有多站电磁散射中心模型只能表征散射中心的位置、不能够反演目标的结构信息的问题，填补了当前多站电磁散射机理表征及其参数反演方法的空白。

实施例二

图2是本发明实施例二的多站雷达下的目标特征提取方法的主要流程示意图。如图2所示，本发明实施例提供的多站雷达下的目标特征提取方法包括：

步骤s201、基于几何绕射理论构建多站雷达下的第一目标电磁散射模型。

几何绕射理论(gtd，全称为geometricaltheoryofdiffraction)是一种描述高频电磁散射机理的数学模型，它具有形式简约、参数可解耦，蕴含目标结构信息等优点。目前，gtd模型的形式仅适用于单站雷达下的目标特征提取，而不适用于多站雷达下的目标特征提取。鉴于此，本发明的发明人基于几何绕射理论构建了多站雷达下的目标电磁散射模型。其中，所述多站雷达下的目标电磁散射模型包括目标的如下参数：目标的散射中心位置、目标的类型参数、以及目标的散射幅度系数。

示例性地，步骤s201可具体包括：确定单站gtd模型的解析形式，然后对单站gtd模型中回波信号的相位延迟进行调整，以得到多站gtd模型的解析形式。其中，单站gtd模型的解析形式可表示为：

其中，为单站雷达下的目标回波信号；k为波数；为雷达视线角；m为散射中心个数；am为第m个散射中心的复散射幅度系数；(xm,ym)为第m个散射中心的二维位置坐标；αm为类型参数，其取值有5种：-1、-0.5、0、0.5、1，αm的不同取值对应了不同的散射中心结构类型；kc为中心波数；e为测量噪声。

对于多站雷达情形，考虑到电磁波的传播路径与单站雷达不同，因此对回波信号的相位延迟进行了调整，将公式1中的调整为其中，分别为入射方向与接收方向的视线角。进而，可得到如以下表达式所示的多站雷达下目标电磁散射模型的解析形式(又可称为第一目标电磁散射模型)：

其中，为多站雷达下的目标回波信号；k为波数；分别为入射方向与接收方向的视线角；m为散射中心个数；am为第m个散射中心的复散射幅度系数；(xm,ym)为第m个散射中心的二维位置坐标；αm为类型参数，其取值有5种：-1、-0.5、0、0.5、1，αm的不同取值对应了不同的散射中心结构类型；kc为中心波数；e为测量噪声。

步骤s202、对所述第一目标电磁散射模型进行简化处理，以得到第二目标电磁散射模型。

在本发明实施例中，目标电磁散射模型的解析形式适用于多发多收(即多个发射雷达多个接收雷达)条件下的目标电磁散射机理表征。具体实施时，考虑到多发多收情况下的数据量较大，计算量相应地呈几何倍数增长，为了简化分析，可对公式2进行简化处理，以得到目标电磁散射模型的稀疏形式。

在一个可选示例中，基于公式2得到的目标电磁散射模型的稀疏形式如以下公式所示：

s＝φσ+e公式3

其中，s为目标回波信号的列向量；

；为频点kp、接收方位角下的目标回波信号；p和q分别为频域和接收角域采样点数；φ为多站雷达下目标对应的稀疏字典矩阵。

进一步，目标对应的稀疏字典矩阵可具体表示为：

其中，由构成的l×n×5维列向量；xl(l＝1,…l)为所有可能的x轴坐标取值，yn(n＝1,…，n)为所有可能的y轴坐标取值，x、y轴坐标取值可由目标的先验尺寸信息得到，αi(i＝1,…，5)为类型参数的五种取值：-1、-0.5、0、0.5、1；中列向量中的每个元素对应了散射中心位置(xl,yn)与类型参数αi的一种组合，遍历了散射中心位置和类型参数的所有取值。

步骤s203、获取目标在多站雷达下的回波信号。

具体实施时，可预先在多个频点、多个接收方位角下测量目标在多站雷达下的回波信号并进行保存。之后，在执行本发明实施例的方法时，可从存储系统(比如数据库等)中获取目标在多站雷达下的回波信号。

步骤s204、根据目标尺寸信息确定目标散射中心的候选位置；根据目标散射中心的候选位置与类型参数的候选取值，构建所述目标对应的稀疏字典矩阵。

例如，假设目标尺寸为5m*8m，xl的候选取值范围可设为[-2.5，-2.499，……,2.499,2.5]，即在-2.5m到2.5m之间均匀取值，且数值间隔为0.001m；yl的候选取值范围可设为[-4，-3.999，……,3.999,4]，即在-4m到4m之间均匀取值，且数值间隔为0.001m。之后，可根据目标散射中心的候选位置与类型参数的候选取值，构建所述目标对应的稀疏字典矩阵φ。

步骤s205、将所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵作为已知量，并采用正交匹配追踪法对第二目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。

其中，目标的所述参数的估计值包括：目标的散射中心位置的估计值、目标的类型参数的估计值、目标的散射幅度系数的估计值。

在本发明实施例中，通过以上步骤实现了对多站雷达下目标特征的提取，解决了现有多站电磁散射中心模型只能表征散射中心的位置、不能够反演目标的结构信息的问题，填补了当前多站电磁散射机理表征及其参数反演方法的空白。

图3是本发明实施例二中采用正交匹配追踪法对第二目标电磁散射模型进行求解的主要流程示意图。如图3所示，采用正交匹配追踪法对第二目标电磁散射模型进行求解包括：

步骤s301、确定残差的初始值。

示例性地，可将残差的初始值r0设为s。另外，可将索引集i的初始值设为空集，将重建原子集φ0的初始值设为空集，将迭代次数的计数值设为1。

步骤s302、计算所述残差与稀疏字典矩阵中各列的内积，然后根据所述内积最大的列更新索引集和重建原子集。

在该步骤中，可找出使内积最大的列φ(:,i)，并记录使内积最大的列φ(:,i)对应的元素索引i，即i＝argmaxn＝1,2…n|<rt+1,φ(:,n)>|。其中，<rt+1,φ(:,n)>表示对残差与稀疏字典矩阵中的列作内积运算，φ(:,n)为稀疏字典矩阵φ的第n列。另外，根据使内积最大的列φ(:,i)更新重建原子集φt，其可表示为：φt＝φt-1∪φ(:,i)。其中，φt为更新后的重建原子集，φt-1为更新前的重建原子集。

步骤s303、根据所述重建原子集计算稀疏系数向量的估计值。

在该步骤中，可根据如下公式计算稀疏系数向量的估计值

也就是说，将使公式5中取最大值的稀疏系数作为稀疏系数向量的估计值。具体实施时，该公式可以采用最小二乘法求解。

步骤s304、根据所述稀疏系数向量的估计值更新所述残差，然后根据更新后的残差计算剩余信号能量。

在该步骤中，可根据如下公式更新所述残差：之后，可根据如下公式计算剩余信号能量：wr＝|rt|²。

步骤s305、判断是否满足迭代停止条件。

示例性地，步骤s305可具体包括：判断迭代次数是否大于第一阈值，或者剩余信号能量是否小于第二阈值；在所述迭代次数大于第一阈值，或者所述剩余信号能量小于第二阈值的情况下，确认满足迭代停止条件；否则，确认不满足迭代停止条件。其中，第一阈值、第二阈值可根据需求进行灵活设置。

进一步，在满足迭代停止条件的情况下，执行步骤s306；否则，再次执行步骤s302至步骤s305，直至满足迭代停止条件。

步骤s306、根据所述索引集和所述稀疏系数向量的估计值确定目标的所述参数的估计值。

其中，目标的所述参数的估计值包括：目标的散射中心位置的估计值、目标的类型参数的估计值、目标的散射幅度系数的估计值。

在本发明实施例中，通过以上步骤实现了对第二目标电磁散射模型的求解，进而确定了多站雷达下目标特征的估计值，解决了现有多站电磁散射中心模型只能表征散射中心的位置、不能够反演目标的结构信息的问题，填补了当前多站电磁散射机理表征及其参数反演方法的空白。

实施例三

图4是本发明实施例三的多站雷达下的目标特征提取装置的主要组成模块示意图。如图4所示，本发明实施例提供的多站雷达下的目标特征提取装置400包括：构建模块401、确定模块402、求解模块403。

构建模块401，用于基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型。

几何绕射理论(gtd，全称为geometricaltheoryofdiffraction)是一种描述高频电磁散射机理的数学模型，它具有形式简约、参数可解耦，蕴含目标结构信息等优点。目前，gtd模型的形式仅适用于单站雷达下的目标特征提取，而不适用于多站雷达下的目标特征提取。鉴于此，本发明的发明人基于几何绕射理论构建了多站雷达下的目标电磁散射模型。其中，所述多站雷达下的目标电磁散射模型包括目标的如下参数：目标的散射中心位置、目标的类型参数、以及目标的散射幅度系数。

示例性地，构建模块401基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型包括：构建模块401基于几何绕射理论构建多站雷达下的第一目标电磁散射模型；所述第一目标电磁散射模型为适用于多发多收情况的解析形式；构建模块401对所述第一目标电磁散射模型进行简化处理，以得到第二目标电磁散射模型；所述第二目标电磁散射模型为适用于一发多收情况的稀疏形式。

其中，多站雷达下第一目标电磁散射模型可表示为：

其中，为多站雷达下的目标回波信号；k为波数；分别为入射方向与接收方向的视线角；m为散射中心个数；am为第m个散射中心的复散射幅度系数；(xm,ym)为第m个散射中心的二维位置坐标；αm为类型参数，其取值有5种：-1、-0.5、0、0.5、1，αm的不同取值对应了不同的散射中心结构类型；kc为中心波数；e为测量噪声。

进一步，基于公式2处理得到的第二目标电磁散射模型可表示为：

s＝φσ+e公式3

其中，s为目标回波信号的列向量；

；为频点kp、接收方位角下的目标回波信号；p和q分别为频域和接收角域采样点数；φ为多站雷达下目标对应的稀疏字典矩阵。

确定模块402，用于确定目标在多站雷达下的回波信号，以及所述目标对应的稀疏字典矩阵。

示例性地，确定模块402可获取目标在多站雷达下的回波信号；根据目标尺寸信息确定目标散射中心的候选位置；根据目标散射中心的候选位置与类型参数的候选取值，构建所述目标对应的稀疏字典矩阵。

例如，假设目标尺寸为5m*8m，xl的候选取值范围可设为[-2.5，-2.499，……,2.499,2.5]，即在-2.5m到2.5m之间均匀取值，且数值间隔为0.001m；yl的候选取值范围可设为[-4，-3.999，……,3.999,4]，即在-4m到4m之间均匀取值，且数值间隔为0.001m。之后，可根据目标散射中心的候选位置与类型参数的候选取值，构建所述目标对应的稀疏字典矩阵φ。

求解模块403，用于根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。

示例性地，求解模块403可将所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵作为已知量，并采用正交匹配追踪法对第二目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值。其中，目标的所述参数的估计值包括：目标的散射中心位置的估计值、目标的类型参数的估计值、目标的散射幅度系数的估计值。

在本发明实施例中，通过构建模块基于几何绕射理论构建多站雷达下的目标电磁散射模型，通过确定模块确定目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，通过求解模块根据所述目标在多站雷达下的回波信号以及所述目标对应的稀疏字典矩阵，对所述多站雷达下的目标电磁散射模型进行求解，以得到目标的所述参数的估计值，能够解决现有多站电磁散射中心模型只能表征散射中心的位置、不能够反演目标的结构信息的问题，填补了当前多站电磁散射机理表征及其参数反演方法的空白。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。