步進頻雷達超分辨一維距離成像方法技術

本發明專利技術公開了一種步進頻雷達超分辨一維距離成像方法，主要解決現有技術的存在冗余目標，分辨率受限于合成帶寬，一維距離像信噪比不高，對噪聲不穩健的問題。其實現過程為：對步進頻雷達混頻后的回波數據進行奇異值分解；根據奇異值分解結果將信號子空間作為觀測值；對雷達照射距離向區域進行柵格劃分，得到距離單元；根據柵格劃分得到的距離單元和步進頻雷達混頻后的信號形式構造觀測矩陣；根據觀測值和觀測矩陣利用CVX凸優化工具軟件重建一維距離像。本發明專利技術實現了在雷達回波低信噪比條件下獲得超分辨、高信噪比的一維距離復圖像，且不需要去冗余，可用于步進頻體制雷達距離向超分辨成像處理。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于雷達成像
，具體地說是一種步進頻雷達成像方法，該方法可用于步進頻體制雷達距離向超分辨成像處理。
技術介紹
利用雷達實現對目標一維距離高分辨或超分辨成像，不僅具有雷達全天候、全天時和主動探測的優點，而且能夠獲得目標距離向細節信息，從而提高對目標檢測、定位和識別的能力。一維距離像應用于民用領域可實現工業金屬探傷、高速列車安全防控、以電力線檢測等為基礎的低空飛行器自主避險，因而應用前景十分廣闊。雷達距離向分辨率與發射信號帶寬成反比,高分辨率要求發射大帶寬信號。根據奈奎斯特采樣定理,采樣率必須大于兩倍的信號帶寬才能保證頻譜無混疊，這無疑加大了數據采集端硬件復雜度。步進頻雷達通過載頻線性跳變，用多個雷達脈沖合成一個寬帶信號，獲取高的距離向分辨率。由于信號瞬時帶寬不大，從而降低了對采樣率的要求。傳統的步進頻雷達是通過對回波信號的IFFT處理獲得高分辨的一維距離像。但由于雷達參數選取，導致存在距離失配冗余和采樣冗余，需要在IFFT處理并取模后進行繁瑣的去冗余處理才可得到真實的一維距離像。例如同距離累加法就是一種去冗余算法，它是通過對同一目標在不同采樣點的值進行取平均處理，這種算法雖然可以解決冗余問題，但去冗余后得到結果僅是實圖像，而不包含相位信息。為了解決去冗余后存在的問題，將常規壓縮感知方法應用于步進頻雷達信號處理上，可以獲得不存在冗余的高分辨復圖像。這種方法是通過對每個脈沖重復間隔取一個采樣點作為觀測值，進行稀疏重建得到一維距離像。但由于其包含某一距離段全部信息的觀測值不易選取，且在低信噪比環境下恢復效果明顯降低，即存在對噪聲敏感，成像信噪比不高的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種，以提高常規壓縮感知對噪聲的穩健性，提高距離復圖像的信噪比，同時獲得超分辨效果。為實現上述目的，本專利技術的技術方案包括如下步驟(I)對步進頻雷達混頻后的回波數據X進行奇異值分解，得到MXM維的酉矩陣V，其中X為NXM維復數矩陣，N為步進脈沖數，M為每個脈沖重復周期的采樣點數；(2)根據目標個數k，構造數據選擇矩陣D，利用數據選擇矩陣D、回波數據X和酉矩陣V，獲得觀測值Y Y = XVD,其中，數據選擇矩陣D = T，Ik為k維單位陣，Z為kX (M-k)維零矩陣，T為轉置運算；(3)對待測的雷達照射距離向區域以步長R。進行柵格劃分，劃分后共得到P個距離單元，且每個距離單元的長度為Ri = Ra+(i_l)R。，其中，0彡Ra < Rb，P =ceil ((Rb-Ra)/Rc+1), ceil( )為向上取整操作，i為正整數且i G ；(4)根據柵格劃分得到的距離單元和步進頻雷達混頻后的信號形式，構造NXP維觀測矩陣A :A={an,p}，其中an,p為A的第n行第p列的元素,且an,p = exp (_j4 fnRp/c), n和p均為正整數，且n G ,p G ，fn為第n次發射信號的頻率；(5)根據觀測矩陣A和觀測值Y，利用CVX凸優化工具軟件重建目標散射信息，得到超分辨一維距離像。本專利技術與現有技術相比具有以下優點I)與直接IFFT處理相比，本專利技術成像結果不存在冗余目標，不需要進行去冗余處理，分辨率突破了 IFFT處理所能達到的最高分辨率，具有超分辨效果；2)與去冗余處理相比，本專利技術所成像為復圖像，包含相位信息，便于后續處理；3)與常規壓縮感知處理相比，本專利技術由于在每個脈沖重復間隔內采用多個采樣點重建，所以對回波數據信噪比要求低，對噪聲穩健；4)本專利技術成像結果信噪比高，更加有利于目標檢測、定位、識別。附圖說明圖I是本專利技術的總流程圖；圖2是本專利技術利用CVX凸優化工具軟件重建目標散射信息的子流程圖；圖3為本專利技術通過回波仿真數據處理得到的一維距離像；圖4為現有的直接IFFT方法通過回波仿真數據處理得到的一維距離像；圖5為現有的去冗余方法通過回波仿真數據處理得到的一維距離像；圖6為現有的常規壓縮感知方法通過回波仿真數據處理得到的一維距離像；圖7是本專利技術的外場實驗場景圖；圖8為本專利技術通過回波實測數據處理得到的一維距離像；圖9為現有的直接IFFT方法通過回波實測數據處理得到的一維距離像；圖10為現有的去冗余方法通過回波實測數據處理得到的一維距離像；圖11為現有的常規壓縮感知方法通過回波實測數據處理得到的一維距離像。具體實施例方式參照圖I，本專利技術的具體實現步驟如下步驟1，對步進頻雷達混頻后的回波數據X進行奇異值分解SVD，得到三個不同的矩陣 =svd (X),其中，回波數據X為NXM維復數矩陣，N為步進脈沖數，M為每個脈沖重復周期的采樣點數，svd( )表示奇異值分解，U為NXN維方陣，L為NXM維對角矩陣，V為MXM維酉矩陣。步驟2，根據目標個數k，構造數據選擇矩陣D，利用數據選擇矩陣D、回波數據X和酉矩陣V，獲得觀測值Y:Y = XVD,其中，數據選擇矩陣D = T，Ik為k維單位陣，Z為kX (M-k)維零矩陣，T為轉置運算；目標是指雷達照射場景中的強散射物體，如海面上的艦船、天空中的飛行器，目標個數為構成強散射物體散射點的個數。步驟3，對待測的雷達照射距離向區域以步長R。進行柵格劃分，劃分后共得到P個距離單元，且每個距離單元的長度為Ri = Ra+(i_l)R。，其中，O彡Ra < Rb，P =ceil ((Rb-Ra)/Rc+1), ceil (·)為向上取整操作，i為正整數且i e ，R。選取略小于合成帶寬對應的距離分辨率的長度；如將區域以步長Im進行柵格劃分，則劃分后工得到201個距離單元。步驟4，根據柵格劃分得到的距離單元和步進頻雷達混頻后的信號形式，構造NXP維觀測矩陣A :A={an,p}，其中an, p為觀測矩陣A的第η行第ρ列的元素，且an, p = exp (_j4 π fnRp/c)，n和P均為正整數，且n e , P e ，fn為第η次發射信號的頻率。步驟5，根據觀測矩陣A和觀測值Y，利用CVX凸優化工具軟件重建目標散射信息，得到超分辨一維距離像。參照圖2，本步驟的具體實現如下5. I)設置實數變量S、t和r，設置PXk維復數變量S，其中s和t為單值變量，r為PX I維列向量；5. 2)設置正則系數λ的值；5. 3)設置待優化的目標函數為min (s+ λ t),其中min( ·)為求最小值函數；5. 4)設置約束條件為norm(vec (Y-AS)) ^ p, norm(S (m, )) < r (m),且 ir < q,其中norm( ·)為求向量2范數函數，vec ( ·)為向量化函數，S(m,)表示S的第m行的所有元素，r (m)表示r的第m個元素,m為正整數且me , i為元素為全I的IXP維行向量;5. 5)根據步驟5. 4)設置的約束條件，利用CVX凸優化工具軟件優化步驟5. 3)設置的目標函數，優化過程結束后得到復數變量S，取出S的任意一列即可得到超分辨一維距尚像。本專利技術的優點可以通過以下仿真和實驗進一步說明。一 回波仿真條件及回波仿真數據處理I.回波仿真條件 對步進頻率為O. 4MHz、步進脈沖數為64的毫米波雷達進行回波仿真處理，設置回波仿真參數如表I所示表I回波仿真參數表步進數(個)F64起始頻率^Hz)本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王民航，曾操，劉崢，陳天，李東，楊東，廖桂生，陶海紅，楊科，
申請(專利權)人：西安電子科技大學，
類型：發明
國別省市：