一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法

1.本发明属于雷达成像技术领域，具体涉及一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法。


背景技术：

2.毫米波雷达具有小型化、成本低和抗干扰能力强等优点，可全天候、全天时工作，近年来在交通监测和辅助驾驶等领域得到了广泛应用。然而，受天线孔径大小限制，导致成像结果方位分辨率低，因此，开展基于多帧重建的毫米波雷达方位分辨提升方法研究具有重要意义。
3.文献“sadjadi,f.radar beam sharpening using an optimum fir filter circuits systems and signal processing,2000,19(2):121
–
129”将维纳逆滤波用于提升雷达方位分辨率，然而在实际应用中，该方法超分辨结果存在过平滑现象，分辨率提升有限；文献“q.zhang,y.zhang,y.huang,y.zhang,w.li and j.yang,"total variation superresolution method for radar forward-looking imaging,"2019 6th asia-pacific conference on synthetic aperture radar(apsar),2019,pp.1-4”提出一种tv正则化雷达前视方位超分辨方法，该方法通过在正则化框架下引入tv范数约束实现方位超分辨，但该方法对噪声敏感，在低信噪比情况下，分辨性能较差；文献“y.zhang,y.zhang,w.li,y.huang and j.yang,"angular superresolution for real beam radar with iterative adaptive approach,"2013 ieee international geoscience and remote sensing symposium-igarss,2013,pp.3100-3103”提出一种迭代自适应的方位超分辨方法，该方法采用加权最小二乘准则来求解超分辨问题，可以实现低信噪比情况下稳健的方位分辨提升，但是分辨率提升倍率较低，难以满足实际应用需求。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法。
5.本发明采用的技术方案为：一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法，具体步骤如下：
6.步骤一、建立毫米波雷达多帧超分辨成像模型；
7.在毫米波雷达成像过程中采用多发多收方式快速获取多帧低分辨回波数据，建立多帧低分辨回波数据之间的成像模型：
8.yk＝dkm
kfk
x+n
k k＝1,2,...,k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
9.其中，k表示低分辨回波数据帧数，yk表示经过传统方位超分辨方法处理后的第k帧低分辨回波数据，dk表示多帧低分辨回波数据之间的移位矩阵，mk表示降采样矩阵，fk表示模糊矩阵，x表示原始高分辨场景，nk表示加性噪声。
10.基于多帧重建的超分辨过程看作上述成像过程的逆过程，即求解如下无约束优化
问题：
[0011][0012]
其中，表示高分辨估计回波数据。
[0013]
为了获得稳定解，采用凸集投影方法进行求解。
[0014]
步骤二、定义超分辨模型的凸集约束；
[0015]
对于hilbert空间h中的n个凸集约束：c1～cn，采用投影的方式进行求解，即：
[0016]fi+1
＝pnp
n-1
…
p1f
i (3)
[0017]
其中，pn表示第n个凸集约束的投影算子，fi表示第i次迭代后的解。
[0018]
利用凸集投影方法实现多帧超分辨模型求解，首先对多帧低分辨回波数据进行移位估计，获取移位矩阵d，接着选取一帧低分辨回波数据yk作为初始参考帧，对其进行双三次插值获得初始高分辨估计回波数据然后定义凸集约束c：
[0019][0020]
其中，wk(m,n)表示高分辨估计回波数据与第k帧低分辨回波数据yk之间的方位向残差，m,n分别表示低分辨回波数据yk中的距离维坐标和方位维坐标，η表示投影阈值。
[0021]
步骤三、计算回波数据之间的方位向残差；
[0022]
高分辨估计回波数据与第k帧低分辨回波数据yk之间的方位向残差wk(m,n)具体可以表示为：
[0023][0024]
其中，yk(m,n)表示第k帧低分辨回波数据在(m,n)点处的幅值；(m
′
,n
′
)表示高分辨估计回波数据中与第k帧低分辨回波数据yk(m,n)中点(m,n)所对应位置的点，m
′
,n
′
分别表示高分辨估计回波数据中的距离维坐标和方位维坐标，点(m,n)与点(m
′
,n
′
)之间的映射关系为f(n
′
,n
″
)表示归一化的点扩散函数。
[0025]
步骤四、方位向投影实现超分辨成像；
[0026]
对高分辨估计回波数据按如下方式进行投影：
[0027][0028]
其中，表示对的投影过程。
[0029]
由于回波数据幅值应当大于等于0，因此在投影过程中引入幅值约束：
[0030][0031]
利用投影算子p，即式(6)对高分辨估计回波数据进行投影修正，通过若干次迭代，使最终的解约束在凸集的交集之中，从而实现方位超分辨成像。
[0032]
本发明的有益效果：本发明的方法首先建立毫米波雷达方位多帧超分辨成像模型，然后进行移位估计并获取初始高分辨估计帧，接着构造凸集约束，利用多帧回波数据之间的方位向残差对初始高分辨估计帧进行方位向投影，最终实现方位超分辨成像。本发明的方法解决了传统毫米波实波束成像方法方位分辨率低的问题，能够充分利用多帧回波数据之间的互补信息，获得比现有超分辨方法更高的方位分辨率，提高了毫米波雷达的方位成像分辨率。
附图说明
[0033]
图1为本发明的一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法的流程图。
[0034]
图2为本发明实施例中针对实测数据的仿真结果图。
[0035]
图3为本发明实施例中实测数据仿真结果中点目标方位向剖面对比图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述。
[0037]
本发明采用实测数据仿真来论证提出方法的有效性，本发明所有的步骤、结论都在matlab2020b仿真平台上进行验证。
[0038]
如图1所示，本发明的一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法流程图，具体步骤如下：
[0039]
步骤一、建立毫米波雷达多帧超分辨成像模型；
[0040]
在应用毫米波雷达对同一场景进行多次成像时，由于存在平台抖动、噪声干扰等因素的影响，即使是同一目标，每次成像结果都会存在较大误差，导致不同帧之间存在大量互补差异信息，因此合理利用多帧回波数据之间的互补信息，能够有效提升成像分辨率。
[0041]
以mimo毫米波雷达为例，在成像过程中可以采用多发多收方式快速获取多帧回波数据，据此建立多帧回波数据之间的成像模型：
[0042]
yk＝dkm
kfk
x+n
k k＝1,2,...,k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0043]
其中，k表示低分辨回波数据帧数，本实施例中为8帧，yk表示mimo雷达获取的第k帧低分辨回波数据，dk表示多帧低分辨回波数据之间移位矩阵，mk表示降采样矩阵，本实施例中降采样因子取0.5，fk表述模糊矩阵，本实施例仅验证方位超分辨成像性能，所以fk取一维sinc函数的峰值近似，x表示原始高分辨场景，nk表示加性噪声。
[0044]
基于多帧重建的超分辨过程可以看作上述成像过程的逆过程，即求解如下无约束优化问题：
[0045][0046]
其中，表示高分辨估计回波数据。
[0047]
由于噪声的存在，该问题是一个病态问题，采用直接求解方法难以获得稳定结果，为了获得稳定解，本实施例中采用凸集投影方法进行求解。
[0048]
步骤二、定义超分辨模型的凸集约束；
[0049]
凸集投影方法采用集合理论，可以将图像的所有先验知识定义为凸集约束，因此可以有效引入先验信息，常用于求解多帧图像的超分辨问题，其原理为，对于hilbert空间h中的n个凸集约束：c1～cn，采用投影的方式进行求解，即：
[0050]fi+1
＝pnp
n-1
…
p1fiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0051]
其中，pn表示第n个凸集约束的投影算子，fi表示第i次迭代后的解。
[0052]
利用凸集投影方法进行超分辨模型求解，首先对多帧低分辨回波数据进行移位估计，获取移位矩阵d，接着选取一帧低分辨回波数据yk作为初始参考帧，对其进行双三次插值获得初始高分辨估计回波数据本实施例中插值放大因子取2，然后定义凸集约束c：
[0053][0054]
其中，wk(m,n)表示高分辨估计回波数据与第k帧低分辨回波数据yk之间的方位向残差，反应高分辨估计回波数据与低分辨回波数据之间的差异，m,n分别表示低分辨回波数据yk中的距离维坐标和方位维坐标，η表示投影阈值，本实施例中设为0.001。
[0055]
步骤三、计算回波数据之间的方位向残差；
[0056]
高分辨估计回波数据与第k帧低分辨回波数据yk之间的方位向残差wk(m,n)如下所示：
[0057][0058]
其中，yk(m,n)表示第k帧低分辨回波数据在(m,n)点处的幅值；(m
′
,n
′
)表示高分辨估计回波数据中与第k帧低分辨回波数据yk(m,n)中点(m,n)所对应位置的点，m
′
,n
′
分别表示高分辨估计回波数据中的距离维坐标和方位维坐标，点(m,n)与点(m
′
,n
′
)之间的映射关系为f(n
′
,n
″
)表示归一化的点扩散函数，本实施例中只对方位向数据进行处理，因此用一维sinc函数的峰值数据近似表示。
[0059]
步骤四、方位向投影实现超分辨成像；
[0060]
根据式(11)中的阈值η和式(12)中计算得到的方位向残差wk(m,n)，对高分辨估计回波数据按如下方式进行投影：
[0061][0062]
其中，表示对的投影过程。
[0063]
由于回波数据的幅值应当大于等于0，因此在投影过程中引入幅值约束：
[0064][0065]
利用投影算子p对高分辨估计回波数据进行投影修正，通过若干次迭代，使最终的解约束在凸集的交集之中，从而实现方位超分辨成像。
[0066]
为了证明本发明方法的有效性，在matlab2020b仿真平台进行实测数据仿真。实测数据由自行设计的12发16收mimo毫米波雷达系统进行录取，最终采用多发多收方式采集到8帧回波数据，雷达系统参数表如表1所示：
[0067]
表1
[0068]
系统参数数值作用距离100m载频77ghz带宽1ghz调频斜率28mhz/usadc采样点数512
[0069]
图2是实测数据仿真结果，图2(a)是原始回波信号，观察场景中心目标点可知，方位向回波重叠严重，不能区分出有效目标，图2(b)是传统iaa方法的超分辨结果，可以区分出大致目标，但分辨率较差，图2(c)是本发明超分辨结果，目标场景几乎可以被完全区分，方位成像分辨率得到明显改善。图3是实测数据仿真结果中a点目标的方位向剖面对比图，从图中可以看出本发明的方法的超分辨效果相比传统方位超分辨方法具有明显提升。
[0070]
本领域工程人员可根据本发明公布的一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法做出相关的应用，相关知识仍在本发明的保护范围之内。