一种基于MIAA谱估计的DVB-T信号无源ISAR成像方法

一种基于miaa谱估计的dvb
‑
t信号无源isar成像方法
技术领域
1.本发明属于雷达技术领域，涉及基于miaa谱估计的dvb
‑
t信号无源isar成像方法。


背景技术：

2.相比于有源逆合成孔径雷达(isar)，无源isar具有成本低、配置灵活、减少电磁污染、抗隐身能力和覆盖范围等明显优势。由于dvb
‑
t信号具有大带宽、良好的空间覆盖率等优点，其被广泛应用于无源雷达中。因此基于dvb
‑
t信号的无源isar成像技术近年来获得了较快的发展。由于单频段dvb
‑
t信号的距离分辨率很低，因此目前通过对多频段dvb
‑
t信号进行联合处理来提高雷达的距离分辨率。
3.然而实际中为了减少相邻频段信号间的干扰以使电视信号能够高质量传输，相邻频段dvb
‑
t信号之间存在频谱间隔。如果不对频谱间隔进行处理，会导致获得的一维距离像副瓣升高，进而导致获得的isar图像质量变差。目前现有的方法主要是使用压缩感知(cs)技术和空域切趾滤波(sva)技术解决频谱间隔对成像的影响。尽管使用这两种方法能够提高以dvb
‑
t信号作为成像信号时获得的isar图像质量，但是这两种方法均是对完成平动补偿后的信号进行处理，未考虑升高的副瓣对平动补偿的影响。因此研究在进行平动补偿前解决频谱间隔对成像的影响对基于dvb
‑
t信号的无源isar成像技术就显得十分必要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决以存在频谱间隔的多频段dvb
‑
t信号作为成像信号时获得的一维距离像副瓣升高导致成像效果变差的问题，提出了一种基于miaa谱估计的dvb
‑
t信号无源isar成像方法。
5.一种基于miaa谱估计的dvb
‑
t信号无源isar成像方法具体过程为：
6.步骤一、信号源发射多频段dvb
‑
t信号，经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波，对回波信号做匹配滤波，得到匹配滤波后信号，对匹配滤波后信号做fft，获得一维距离像的频谱；
7.所述fft为快速傅里叶变换；
8.步骤二、使用miaa谱估计技术对一维距离像的频谱进行k点谱估计，得到谱估计结果；
9.步骤三、基于谱估计结果对一维距离像频谱进行频谱间隔填充，对填充后的一维距离像频谱做fft获得低副瓣一维距离像；
10.步骤四、对低副瓣一维距离像进行平动补偿，对平动补偿后结果使用fft进行方位维压缩获得isar图像。
11.本发明的有益效果为：
12.现有的针对存在频谱间隔情况下基于dvb
‑
t信号的无源isar成像算法主要是对平动补偿后且目标处于理想转动情况下的回波信号通过cs技术或sva技术降低一维距离像的副瓣，进而获得高质量的isar图像。本发明可对目标具有复杂运动状态时平动补偿前的一
维距离像进行处理，将一维距离像通过fft变换到频域后，通过miaa谱估计技术填充一维距离像的频谱间隔后通过fft将获得低副瓣的一维距离像；之后使用积累互相关和恒定相位差消除法完成包络对齐和相位校正；最后使用fft进行方位维压缩获得isar图像。与已有的算法相比有如下优点：(1)本方法除适用目标理想转动的情况外还可应用于目标做复杂运动的场景；(2)解决了多频段dvb
‑
t信号存在频谱间隔时的无源isar成像问题，相对于已有的算法能够获得更高质量的isar图像；(3)在平动补偿前解决了dvb
‑
t信号频谱间隔造成的一维距离像副瓣升高的问题，相对于已有算法实现了更高精度的平动补偿。
附图说明
13.图1为本发明的方法流程图；
14.图2为仿真实验散射点模型图；
15.图3a为情况1的仿真结果中频谱填充前一维距离像频谱图；
16.图3b为情况1的仿真结果中频谱填充后一维距离像频谱图；
17.图3c为情况1的仿真结果中频谱填充前包络对齐后一维距离像图；
18.图3d为情况1的仿真结果中频谱填充后包络对齐后一维距离像图；
19.图3e为情况1的仿真结果中频谱填充前isar图像；
20.图3f为情况1的仿真结果中频谱填充后isar图像；
21.图3g为情况1的仿真结果中频谱填充前后一维距离像图；
22.图4a为情况2的仿真结果中频谱填充前一维距离像频谱图；
23.图4b为情况2的仿真结果中频谱填充后一维距离像频谱图；
24.图4c为情况2的仿真结果中频谱填充前包络对齐后一维距离像图；
25.图4d为情况2的仿真结果中频谱填充后包络对齐后一维距离像图；
26.图4e为情况2的仿真结果中频谱填充前isar图像；
27.图4f为情况2的仿真结果中频谱填充后isar图像；
28.图4g为情况2的仿真结果中频谱填充前后一维距离像图；
29.图5a为情况3的仿真结果中频谱填充前一维距离像频谱图；
30.图5b为情况3的仿真结果中频谱填充后一维距离像频谱图；
31.图5c为情况3的仿真结果中频谱填充前包络对齐后一维距离像图；
32.图5d为情况3的仿真结果中频谱填充后包络对齐后一维距离像图；
33.图5e为情况3的仿真结果中频谱填充前isar图像；
34.图5f为情况3的仿真结果中频谱填充后isar图像；
35.图5g为情况3的仿真结果中频谱填充前后一维距离像图。
具体实施方式
36.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式一种基于miaa谱估计的dvb
‑
t信号无源isar成像方法具体过程为：
37.步骤一、信号源发射多频段dvb
‑
t信号，经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波，对回波信号做匹配滤波，得到匹配滤波后信号，对匹配滤波后信号做fft(快时间t)，获得一维距离像的频谱；
38.所述fft为快速傅里叶变换；
39.步骤二、使用miaa谱估计技术对一维距离像的频谱进行k点谱估计，得到谱估计结果；k根据所需的估计精度来确定；
40.步骤三、基于谱估计结果对一维距离像频谱进行频谱间隔填充，对填充后的一维距离像频谱做fft获得低副瓣一维距离像；
41.步骤四、对低副瓣一维距离像进行平动补偿，对平动补偿后结果使用fft进行方位维压缩获得isar图像。
42.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中信号源发射多频段dvb
‑
t信号，经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波，对回波信号做匹配滤波，得到匹配滤波后信号，对匹配滤波后信号做fft(快时间t)，获得一维距离像的频谱；具体过程为：
43.为解决一维距离像的频谱间隔，需将一维距离像变换到频域。因此对快时间t做fft获得一维距离像的频谱。
44.单一频段dvb
‑
t信号带宽为7.61mhz，信号源发射的多频段dvb
‑
t信号表示为：
[0045][0046]
所述为载波个数，取1705或6817；
[0047]
取1705个载波时，所述多频段dvb
‑
t信号为具有1705个载波的2k模式下dvb
‑
t信号；
[0048]
取6817个载波时，所述多频段dvb
‑
t信号为具有6817个载波的8k模式下dvb
‑
t信号；
[0049]
其中n
c
为频段的数量，x
d
(n)为第d个频段信号的信息序列，n表示的是与载频关联的载波频率对应的索引，tu代表两两载波之间频差的求倒，f
d
代表第d个频段信号的载频，t为快时间，s
d
(t)为载频为0时单一频段dvb
‑
t信号，j为虚数单位，j2＝
‑
1；
[0050]
经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波，对回波信号做匹配滤波，得到匹配滤波后信号，对匹配滤波后信号做fft(快时间t)，获得一维距离像的频谱。
[0051]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0052]
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述回波信号表示为：
[0053]
s
r
(t,t
m
)＝∫
v
s
sm
(t
‑
τ(q,t
m
))dq
ꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
其中t
m
为慢时间，v为目标散射点集合，τ(q,t
m
)为t
m
时刻散射点q的回波延时。
[0055]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0056]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述对回波信号做匹配滤波，得到匹配滤波后信号，对匹配滤波后信号做fft(快时间t)，获得一维距离
像的频谱；表达式为：
[0057][0058]
其中代表沿快时间t做卷积，b为单频段dvb
‑
t信号带宽即为7.61mhz；f为一维距离像的频率，由式(1)可知对dvb
‑
t信号获得的一维距离像频谱来说f为离散量，表示为f1代表第1个频段信号的载频，代表第n
c
个频段信号的载频，s
sm
(f,t
m
)为对多频段dvb
‑
t信号s
sm
(t)做fft的结果；
[0059]
由于|s
sm
(f,t
m
)|2与x
d
(n)有关，是随机变量，为了更好的分析算法，取|s
sm
(f,t
m
)|2统计平均值进行分析，则|s
sm
(f,t
m
)|2被简化为：
[0060][0061]
其中rect(
·
)为矩形函数；当x∈[0,1]时，rect(x)＝1；当时，rect(x)＝0。
[0062]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0063]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤二中使用miaa谱估计技术对一维距离像的频谱进行k点谱估计，得到谱估计结果；k根据所需的估计精度来确定；具体过程为：
[0064]
由式(4)可知，当多频段dvb
‑
t信号s
sm
(t)载频频差大于单频段dvb
‑
t信号带宽时，一维距离像频谱存在频谱间隔(实际情况都是多频段dvb
‑
t信号载频频差大于单一频段dvb
‑
t信号带宽，所以存在频谱间隔；)(当多频段dvb
‑
t信号载频频差小于等于单一频段dvb
‑
t信号带宽时，这种情况不存在)，使用miaa谱估计技术对存在频谱间隔的一维距离像频谱进行谱分析，得到谱估计结果；过程为：
[0065]
由于此时一维距离像频谱存在频谱间隔，因此使用miaa对一维距离像频谱进行k点谱分析。
[0066]
步骤二一、根据步骤一获得的一维距离像的频谱s
r
(f,t
m
)构建已知频谱对距离υ
k
的导向矢量：
[0067][0068]
其中k＝1,2
…
,k；
[0069]
步骤二二、初始化步骤一获得的一维距离像的频谱s
r
(f,t
m
)的谱向量
[0070]
其中a(υ
k
)代表υ
k
位置处的谱分量；k≥n；
[0071]
步骤二三、设置迭代次数；
[0072]
步骤二四、按照以下流程进行谱估计：
[0073]
更新协方差矩阵r
g
；
[0074]
步骤二五、利用新的协方差矩阵更新谱向量；
[0075]
步骤二六、根据确定的迭代次数重复重复步骤二四、步骤二五即可获得谱估计结果
[0076]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0077]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤二四中更新协方差矩阵r
g
，计算公式如下：
[0078][0079]
其中为α
g
(υ
k
)的共轭转置；|a(υ
k
)|2为a(υ
k
)模的平方。
[0080]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0081]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤二五中利用新的协方差矩阵更新谱向量，计算公式如下：
[0082][0083]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0084]
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤三中基于谱估计结果对一维距离像频谱进行频谱间隔填充，对填充后的一维距离像频谱做fft获得低副瓣一维距离像；具体过程为：
[0085]
由于一维距离像的缺失频谱与已知频谱包含的信息相同，二者之间具有线性关系。因此在步骤二获得k点谱估计结果后即可利用miaa谱估计技术对缺失频谱进行填充，之后做fft即可获得低副瓣的一维距离像s
r
(υ,t
m
)。
[0086]
步骤三一、根据步骤一获得的一维距离像的频谱s
r
(f,t
m
)构建缺失频谱对距离υ
k
的导向矢量：
[0087][0088]
其中为频谱间隔(缺失频谱)中的频率；
[0089]
步骤三二、通过步骤二获得的谱估计结果，对频谱间隔(缺失频谱)进行填充，表达式如下：
[0090][0091]
对做fft获得低副瓣一维距离像s
r
(υ,t
m
)，其中υ代表距离，满足υ＝[υ1,
…
υ
k
]。
[0092]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0093]
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述步骤四中对低副瓣一维距离像进行平动补偿，对平动补偿后结果使用fft进行方位维压缩获得isar图像；具体过程为：
[0094]
在获得低副瓣一维距离像后，需要进行平动补偿才能使用fft进行方位维压缩获得isar图像。平动补偿包括包络对齐与相位校正，常用的包络对齐方法为积累互相关法，其步骤如下：
[0095]
步骤四一、设m＝1，设定包络积累数i；
[0096]
步骤四二、若m大于等于i，将当前一维距离像s
r
(υ,t
m
)的前i次一维距离像包络(取模)进行平均获得平均一维距离像包络
[0097]
若m小于i，将当前一维距离像s
r
(υ,t
m
)的前m
‑
1次一维距离像包络进行平均获得平均一维距离像包络
[0098]
步骤四三、将平均一维距离像包络与当前一维距离像包络|s
r
(υ,t
m
)|做互相关，以互相关最大值对应的δr对当前一维距离像进行搬移，使当前包络实现对齐；
[0099]
步骤四四、重复步骤四二、步骤四三直至所有一维距离像均完成包络对齐；
[0100]
步骤四五、常用的相位校正方法为恒定相位差消除法。
[0101]
设完成包络对齐后的相邻一维距离像为s
r
(υ,t
m
‑1)和s
r
(υ,t
m
)，计算s
r
(υ,t
m
‑1)和s
r
(υ,t
m
)的平均相位差，平均相位差对s
r
(υ,t
m
)进行相位调节完成相位校正；
[0102]
步骤四六、对完成相位校正后的结果使用fft进行方位维压缩获得isar图像。
[0103]
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
[0104]
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述步骤四五中计算s
r
(υ,t
m
‑1)和s
r
(υ,t
m
)的平均相位差，计算公式如下：
[0105][0106]
其中为平均相位差，s
r
*(υ,t
m
‑1)为s
r
(υ,t
m
‑1)的共轭。
[0107]
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
[0108]
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0109]
实施例一：
[0110]
由于基于dvb
‑
t信号的isar实测数据缺乏，本发明主要利用仿真数据来进行验证。下面通过以下实施例验证本发明的有益效果。
[0111]
实施例证：
[0112]
本实例旨在验证在多频段dvb
‑
t信号存在频谱间隔时本发明能够完成频谱填充、提高包络对齐的精度并提高isar图像质量。以散射点分布如图2的目标为例使用3个频段dvb
‑
t信号在不同频谱间隔情况下进行仿真，频谱间隔情况如表1所示，相应仿真图像结果如图3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g所示，相关仿真指标如表2～表4所示。
[0113]
表1频谱间隔情况
[0114][0115]
表2情况1仿真指标
[0116][0117][0118]
表3情况2仿真指标
[0119][0120]
表4情况3仿真指标
[0121][0122]
由仿真结果可知，本发明方法能够降低由多频段dvb
‑
t信号频谱间隔引起的一维距离像高副瓣，提高平动补偿精度，使包络对齐效果变好，进而获得更高质量的isar图像。
[0123]
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。