一种基于随机调频的微波关联前视成像方法

1.本发明涉及雷达信号处理技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于随机调频的微波关联前视成像方法。


背景技术：

2.当今雷达领域发展愈发成熟，尤其以合成孔径雷达和多普勒锐化技术应用最为广泛，但一般的雷达成像方法普遍存在其成像盲区，即前视方向的成像，而前视成像又与航空侦察、地图测绘密不可分，是必须要解决的关键问题。前视成像与一般的雷达成像的区别在于，前视成像的探测区域是在雷达平台运动方向的正前方，一般雷达很难从这一区域的目标上获得可以利用的多普勒信息，从而获得较好的方位分辨率。所以，前视成像的关键就在于如何在不利用多普勒信息的情况下提高其方位/俯仰分辨率。目前国内关于前视雷达领域的探索百花齐放，涉及多个不同的成像方向，而在此之中一种新型的不依赖多普勒信息的雷达成像方法微波关联成像，有着极高的前视成像潜力。
3.微波关联成像来自于光学里的经典关联成像。光学关联成像是利用量子关联原理，通过关联两个空间相关的光束对待测目标进行成像的技术，又叫“鬼成像”。微波关联成像借鉴其原理，将光学关联的思想推广到微波领域，形成微波关联成像技术。
4.但针对于微波关联前视成像领域，国内的研究还有待进一步展开。西安电子科大的李春丽、施家康等人研究微波关联前视成像的基于gpu的硬件实现，阮封、穆佳等人主要研究基于相控阵雷达的随机调相微波关联前视成像。国内大部分关于微波关联前视成像的研究都集中于基于随机调相的微波关联前视成像，忽略了相控阵雷达本身的调相局限性，使得基于随机调相的微波关联前视成像的实用性还需进一步加强。针对上述问题，确有必要提出一种基于随机调频的微波关联前视成像方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于随机调频的微波关联前视成像方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
6.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种基于随机调频的微波关联前视成像方法，包括以下步骤：
8.s1、将多个跳频雷达天线排成特定分布，形成跳频雷达阵列，并设置目标成像区域；
9.s2、通过每个跳频雷达天线独立发射随机跳频信号和接收天线随机采样构造时空随机辐射场，向目标凝视后于脉冲间随机时刻对回波采样；
10.s3、判断空随机辐射场的随机性，若时空随机辐射场随机性不足，利用最小二乘法进行处理，获得近似解；
11.s4、将步骤s2中凝视得到的回波与步骤s2或步骤s3中时空随机辐射场进行压缩关联处理，实现目标成像。
12.进一步地，所述步骤s1具体为：将跳频雷达按照飞行器翅膀方向等间距排布为一列天线以形成跳频雷达阵列，并将目标成像区域设置为菱形区域。
13.进一步地，所述步骤s2具体包括：
14.s20、设目标散射点位置为且第i个发射天线的信号频率是fi(t)且其天线位置矢量为一共有m个发射天线组成阵列，t为采样时间，j为虚数，c为光速，e0为场强幅值。则第i个发射天线到成像目标区域的入射场强e
si
为：
[0015][0016]
得到整个天线阵列对成像区域的入射场强为：
[0017][0018]
得到目标区域的随机辐射场为：
[0019][0020]
s21、在微波关联前视成像过程中，目标散射特性为σ，随机辐射场照射目标成像区域后产生回波，并被跳频雷达阵列接收，得到目标回波er为：
[0021][0022]
s22、通过反演可以得到目标散射特性为：
[0023][0024]
其中，为保证时空随机辐射场在时间维度的随机性，在脉冲间随机取采样时刻tq,q＝1,
…
,q；
[0025]
s23、在每一脉冲内取随机时刻进行采样，降低时间维度上辐射场的相关性，并将其转化为矩阵如下，其中e为噪声：
[0026][0027]
进一步地，所述步骤s3具体包括：
[0028]
暂时不考虑噪声，将转化后的矩阵s23进行简化得到：
[0029]er
＝esσ利用最小二乘法对上式进行估计，在上述公式的等号两边同时乘e
sh
，得到：
[0030]esher
＝e
shes
σ
[0031]
当es列满秩时，则e
shes
为非奇异矩阵，最小二乘法可直接算出唯一解为：
[0032]
[0033]
当es列不满秩时，无法直接解得，则利用主分量分解方法对es进行重构，先将es奇异值分解得到：es＝udvh，其中，d是q
×
n维奇异值对角阵，u和v分别是q
×
q和n
×
n维的酉矩阵，对d和u进行截断操作，将d和u截断为n
×
n维的方阵d
′
和u
′
，重构得到：
[0034]
进而得到近似解：其中，inv()是对矩阵进行求逆，通过最小二乘估计法对时空随机辐射阵进行处理，再进行压缩关联，得到目标散射特性分布的唯一解或是近似解，完成对目标的成像。
[0035]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种基于随机调频的微波关联前视成像方法，首先利用多个跳频雷达天线形成特定排列的雷达阵列，每个天线分别产生随机跳频信号共同合成一次脉冲，多次脉冲对目标区域进行凝视，然后对每次脉冲的随机时刻进行抽样，构成时空随机辐射场，对随机性不足的时空辐射场进行最小二乘估计处理，在对回波以及时空随机辐射场进行压缩关联运算，最后得到目标散射特性网络，实现对前视区域成像，具有良好的方位向分辨率和抗干扰性，且实现简单，具有很强的工程应用潜力。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1是本发明基于随机调频的微波关联前视成像方法的流程图。
[0038]
图2是本发明应用场景的成像几何示意图。
[0039]
图3是本发明一次脉冲随机调频辐射场。
[0040]
图4为本发明时空随机辐射场。
[0041]
图5为本发明随机调频微波关联成像结果。
[0042]
图6为本发明引入干扰后两种成像方法的对比。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0044]
参阅图1和图2所示，本实施例公开了一种基于随机调频的微波关联前视成像方法，包括以下步骤：
[0045]
步骤s1、将多个跳频雷达天线排成特定分布，形成跳频雷达阵列，并设置目标成像区域。
[0046]
具体的，如图2将跳频雷达按照飞行器翅膀方向等间距排布的一列天线而形成跳频雷达阵列，构成一列的多发射单接收形式，可以有效的抑制左右模糊，并且结构简单实用性强，但同时将目标成像区域由一般的正方形区域改为菱形区域，这样可以有效降低面对飞行器机翼排列的雷达阵列在各个散射单元产生的随机辐射场空间相关性，从而提升成像效果。
[0047]
步骤s2、通过每个跳频雷达天线独立发射随机跳频信号和接收天线随机采样构造
时空随机辐射场，向目标凝视后于脉冲间随机时刻对回波采样。
[0048]
具体的，为进一步提高随机性，在仿真过程中考虑发射天线的具体排布，步骤s2包括：
[0049]
步骤s20、设目标散射点位置为且第i个发射天线的信号频率是fi(t)且其天线位置矢量为一共有m个发射天线组成阵列，t为采样时间，j为虚数，c为光速，e0为场强幅值。则第i个发射天线到成像目标区域的入射场强e
si
为：
[0050][0051]
得到整个天线阵列对成像区域的入射场强为：
[0052][0053]
得到目标区域的随机辐射场为：
[0054][0055]
步骤s21、在微波关联前视成像过程中，目标散射特性为σ，随机辐射场照射目标成像区域后产生回波，并被跳频雷达阵列接收，得到目标回波er为：
[0056][0057]
步骤s22、通过反演可以得到目标散射特性为：
[0058][0059]
其中，为保证时空随机辐射场在时间维度的随机性，在脉冲间随机取采样时刻tq,q＝1,
…
,q；
[0060]
步骤s23、在每一脉冲内取随机时刻进行采样，降低时间维度上辐射场的相关性，并将其转化为矩阵如下，其中e为噪声：
[0061][0062]
步骤s3、判断空随机辐射场的随机性，若时空随机辐射场随机性不足，利用最小二乘法进行处理，获得近似解；
[0063]
暂时不考虑噪声，将转化后的矩阵公式(6)进行简化得到：
[0064]er
＝esσ+e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0065]
在求解目标散射特性分布时，暂时忽略噪声影响。则公式(7)有解的情况只在于rank(es)＝rank(es,er)，即若想矩阵存在解，首先es的行数必须不小于列数，即线性方程组的方程数必须不小于未知数，其次es必须满足行rank(es)等于列数，否则即使符合rank(es)＝rank(es,er)，得到只有无穷解，对成像无意义。而往往在实际成像中是不能完全满足上述条件，所以在这种情况下，可以通过最小二乘估计进行求解。
[0066]
在上述公式的等号两边同时乘e
sh
(这是最小二乘法的常用手法)，得到：
[0067]esher
＝e
shes
σ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0068]
当es列满秩时，则e
shes
为非奇异矩阵，最小二乘法可直接算出唯一解为：
[0069][0070]
当es列不满秩时，无法直接解得，则利用主分量分解方法对es进行重构，先将es奇异值分解得到：
[0071]es
＝udvhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0072]
其中，d是q
×
n维奇异值对角阵，对d和u进行截断操作，u和v分别是q
×
q和n
×
n维的酉矩阵，将d和u截断为n
×
n维的方阵d
′
和u
′
，重构得到：
[0073][0074]
进而得到近似解：
[0075][0076]
其中，inv()是对矩阵进行求逆，通过最小二乘估计法对时空随机辐射阵进行处理，再进行压缩关联，得到目标散射特性分布的唯一解或是近似解，完成对目标的成像。
[0077]
s4、将步骤s2中凝视得到的回波与步骤s2或步骤s3中时空随机辐射场进行压缩关联处理，实现目标成像。
[0078]
为了验证本发明的效果，下面结合仿真对本发明所提方法进行初步验证。应当理解，此处所描述的仿真情况仅用以表示本发明，并不用于限定本发明。假设跳频信号带宽b＝1ghz，脉冲时宽t
p
＝2us，载频f0＝10ghz，采样率fs＝5mhz，天线数量24个，平面距离500m，设定成像区域为40
×
40米的平面，可以得到仿真结果和分析如下。
[0079]
图3是一次脉冲随机调幅辐射场，主要表示在40
×
40米的成像平面，一次脉冲的辐射场的状态。图4就是总的时空辐射场，其中，行为脉冲次数，每一行代表每一次脉冲在整个成像区域产生的辐射场强度，列为每一个成像散射单元，每一列代表每一个散射单元在多次脉冲中的辐射场强度，可以看出，辐射场整体成雪花图形态，代表了极高的随机性。图5即为一次随机调频的微波关联前视成像的成像结果，从结果来看，效果是比较明晰的，基本达到预期。
[0080]
为进一步体现该方法的鲁棒性，将其与同状态情况下的随机调相的微波关联前视成像做比较，在两种不同的干扰，噪声相干干扰和频率微动干扰的情况下做对比，图6中(a)图是对点形、线形和矩形的探测目标进行构建；(b)图是引入白噪声后的成像效果；(c)(e)图是分别引入两种干扰后随机调相成像；(d)(f)图是分别引入两种干扰后随机调频成像。从图中可以看到，随机调相关联的漏警率比随机调频关联的漏警更高，在同噪声功率的情况下基于随机调频的微波关联前视成像比基于随机调相的微波关联前视成像具有更高的抗干扰性。
[0081]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。