基于輔助陣元的微波關(guān)聯(lián)成像雷達幅相誤差校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于輔助陣元的微波關(guān)聯(lián)成像雷達幅相 誤差校正方法，應(yīng)用于關(guān)聯(lián)成像雷達陣列幅相誤差的實時在線校正。
【背景技術(shù)】
[0002] 雷達是現(xiàn)代生活中必不可少的電子裝備，其中微波關(guān)聯(lián)成像雷達系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對 于場景的凝視成像，在國防、反恐、安保等場景具有廣泛應(yīng)用前景。由于微波關(guān)聯(lián)成像雷達 需要在不同發(fā)射陣元發(fā)射不同的信號，因此比傳統(tǒng)陣列雷達更容易引入較大的幅相誤差， 同時幅相誤差會隨著時間、溫度等環(huán)境因素不斷變化。當存在幅相誤差時，微波關(guān)聯(lián)成像 雷達的時空輻射場會發(fā)生畸變，這會導(dǎo)致微波關(guān)聯(lián)成像雷達成像性能的下降甚至是無法成 像。由于雷達的幅相誤差隨著時間、溫度等環(huán)境因素不斷變化，因此有效地在線估計幅相誤 差是微波關(guān)聯(lián)成像雷達應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題。
[0003] 西安電子科技大學(xué)申請的專利"基于稀疏陣列的微波關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)與成像方 法"（申請?zhí)?01310167360. 6)中公開了基于稀疏陣列的微波關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)與成像方法。該 方法將關(guān)聯(lián)成像理論從光學(xué)拓展到微波領(lǐng)域，并利用壓縮感知理論解決相應(yīng)的問題，實現(xiàn) 了超過瑞利衍射極限的成像效果。但是，該方法的缺陷是沒有考慮到陣列的幅相誤差，當雷 達陣列存在幅相誤差時，雷達的發(fā)射信號會受到幅相誤差的影響，因而空間中合成的時空 隨機福射場相對于理想的時空福射場存在一定誤差，這最終會導(dǎo)致成像性能的下降甚至是 成像完全失敗。
[0004] 目前雷達陣列校正主要利用校正源進行校正技術(shù)，在這些方能夠比較高精度地估 計出陣列的幅相誤差。很多實際應(yīng)用場景中，由于雷達陣列的幅相誤差會隨著時間、溫度等 環(huán)境因素不斷變化，需要在線對幅相誤差進行校正，利用校正源進行校正就有很大的局限 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于輔助陣元的微波關(guān)聯(lián)成像雷 達幅相誤差校正方法，以估計微波關(guān)聯(lián)成像雷達的幅相誤差，進而通過對幅相誤差進行補 償獲得較為理想的時空輻射場，最終利用關(guān)聯(lián)成像算法重構(gòu)成像場景。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0007] -種基于輔助陣元的微波關(guān)聯(lián)成像雷達幅相誤差校正方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1，微波關(guān)聯(lián)成像雷達的發(fā)射天線陣列發(fā)射多種發(fā)射波形，所述微波關(guān)聯(lián)成像 雷達的接收天線陣列接收對應(yīng)的多種回波數(shù)據(jù)，對所述回波數(shù)據(jù)進行匹配濾波，并對濾波 后的回波數(shù)據(jù)進行順序排列，得到回波數(shù)據(jù)矩陣；其中，所述接收天線陣列包括呈直角排布 的三個接收陣元；
[0009] 步驟2,根據(jù)所述呈直角排布的三個接收陣元得到所述回波數(shù)據(jù)矩陣的旋轉(zhuǎn)不變 特性，并根據(jù)所述旋轉(zhuǎn)不變特性構(gòu)造第一數(shù)據(jù)選擇矩陣、第二數(shù)據(jù)選擇矩陣和第三數(shù)據(jù)選 擇矩陣，并分別依據(jù)所述第一數(shù)據(jù)選擇矩陣、第二數(shù)據(jù)選擇矩陣和第三數(shù)據(jù)選擇矩陣對所 述回波數(shù)據(jù)矩陣中的元素進行分組，得到對應(yīng)的第一分組數(shù)據(jù)、第二分組數(shù)據(jù)和第三分組 數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟3,分別估計所述第一分組數(shù)據(jù)的自協(xié)方差矩陣、所述第一分組數(shù)據(jù)與第二分 組數(shù)據(jù)的互協(xié)方差矩陣、所述第一分組數(shù)據(jù)與第三分組數(shù)據(jù)的互協(xié)方差矩陣，順序組合為 數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣；
[0011] 步驟4,利用所述數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣進行目標角度估計，得到目標的方向向量；
[0012] 步驟5,根據(jù)所述目標的方向向量分別對所述發(fā)射天線陣列的幅度誤差和相位誤 差進行估計，得到所述發(fā)射天線陣列的幅度誤差估計值和相位誤差估計值；
[0013] 步驟6,根據(jù)所述發(fā)射天線陣列的幅度誤差估計值和相位誤差估計值，分別對所述 發(fā)射天線陣列的幅度和相位進行校正。
[0014] 優(yōu)選地，所述步驟1包括以下子步驟：
[0015] la)微波關(guān)聯(lián)成像雷達的發(fā)射天線陣列包括M個發(fā)射陣元，所述M個發(fā)射陣元發(fā)射 多種發(fā)射波形，第m個發(fā)射陣元的發(fā)射波形的復(fù)包絡(luò)為S ni，其中M為自然數(shù)，m為自然數(shù)，且 m = 1，…，M ;
[0016] Ib)微波關(guān)聯(lián)成像雷達的接收天線陣列包括N個接收陣元，所述N個接收陣元接收 對應(yīng)的多種回波數(shù)據(jù)，第η個接收陣元接收到的第q次脈沖的回波數(shù)據(jù)為y n, q，其中N為自 然數(shù)，η為自然數(shù)，且n=l，一,IN = S;
[0017] lc)將所述N個接收陣元接收到的第q次脈沖的回波數(shù)據(jù)與所述M個發(fā)射陣元的 發(fā)射波形的復(fù)包絡(luò)的共輒作內(nèi)積，得到對應(yīng)的匹配濾波輸出x q，其中Xq的第（n-1)M+m個元 素為Hfcni ; 表示將所述第η個接收陣元接收到的第q次脈沖的回波數(shù)據(jù)yn,q與第m個 發(fā)射陣元的發(fā)射波形的復(fù)包絡(luò)Sni的共輒作內(nèi)積后，得到對應(yīng)的匹配濾波輸出_通過以 下公式計算得到：
[0018]
[0019] 其中，η = 1，…，N ;m = 1，…，M ;q = 1，…，Q，Q 表示脈沖次數(shù)，M、m、N、n、Q、q 均為自然數(shù)；
[0020] Id)將所述N個接收陣元對應(yīng)的匹配濾波輸出依次按照下標m和下標η順序排成 一個列向量，得到第q次脈沖的匹配濾波結(jié)果x q;
[0021] 將第η個接收陣元對于M個發(fā)射陣元的發(fā)射波形的復(fù)包絡(luò)的匹配濾波輸出結(jié)果按 照下標m順序排成一個列向量
[0022]
[0023] 將按照下標η順序排成一個列向量xq:
[0024]
[0025] 其中，運算符（·）τ表示轉(zhuǎn)置運算，運算符號*表示Khatri-Rao積，n q為加性高斯 白噪聲，bq為服從Swerling II型的目標復(fù)散射系數(shù)，A1^為接收天線陣列導(dǎo)向矢量，Aut為 有幅相誤差情況下的發(fā)射天線陣列導(dǎo)向矢量；
[0026] Ie)將Q個脈沖分別得到的所述匹配濾波結(jié)果Xq按照下標q順序排成一個矩陣， 得到Q個脈沖的回波數(shù)據(jù)矩陣X :
[0027] X = [X1，…，xQ] = (Ar*Aut)B+W
[0028] 其中，B表示Q次脈沖的目標散射系數(shù)矩陣，B = Lb1，…，bQ] ;W表示Q次脈沖的 加性白噪聲矩陣，W= [nl，···，]!〇]。
[0029] 優(yōu)選地，所述步驟2包括以下子步驟：
[0030] 2a)根據(jù)所述呈直角排布的三個接收陣元得到所述回波數(shù)據(jù)矩陣中元素之間的旋 轉(zhuǎn)不變特性，并依據(jù)所述旋轉(zhuǎn)不變特性分別構(gòu)造第一數(shù)據(jù)選擇矩陣、第二數(shù)據(jù)選擇矩陣和 第三數(shù)據(jù)選擇矩陣，其中第一數(shù)據(jù)選擇矩陣為：
[0031] Jl =[1.0.0]? Iw
[0032] 第二數(shù)據(jù)選擇矩陣為：
[0033] J2 -l〇,i.O]?Iw
[0034] 第三數(shù)據(jù)選擇矩陣為
[0035] 其中，Im為MXM維的單位矩陣，:?表示Kronecker積；
[0036] 2b)利用所述第一數(shù)據(jù)選擇矩陣、第二數(shù)據(jù)選擇矩陣和第三數(shù)據(jù)選擇矩陣分別對 所述回波數(shù)據(jù)矩陣X中的元素進行選擇和分組，得到對應(yīng)的第一分組數(shù)據(jù)、包含旋轉(zhuǎn)不變 因子的第二分組數(shù)據(jù)和包含旋轉(zhuǎn)不變因子的第三分組數(shù)據(jù)，其中第一分組數(shù)據(jù)為：
[0037] X1= J1X = Au^J1W
[0038] 第二分組數(shù)據(jù)為：X2= J 2X = Aut Λ xB+J#
[0039] 第三分組數(shù)據(jù)為：
[0040] X3= J3X = Aut AyB+J3W
[0041] 其中，
為相對于X軸的旋轉(zhuǎn)不變因子，
為相對于y軸的旋轉(zhuǎn)不變因子。
[0042] 優(yōu)選地，所述步驟3包括以下子步驟：
[0043] 3a)通過以下公式計算得到第一分組數(shù)據(jù)X1的自相關(guān)矩陣R 11:
[0045] 其中，
，B表示Q次脈沖的目標散射系數(shù)矩陣，Aut為有幅相誤差情況 下的發(fā)射天線陣列，σ n2為噪聲功率，Q表示脈沖個數(shù)，I M表示MXM的單位矩陣，運算符（·） H表示矩陣的共輒轉(zhuǎn)置；
[0046] 3b)通過以下公式對第一分組數(shù)據(jù)X1的自相關(guān)矩陣R11進行特征值分解，得到噪聲 功率的估計式 2::
[0049] 其中，特征向量構(gòu)成的對角矩陣Ar= diag([A u，λη2，.··，ληΜ])，其中λη > λ λ &為特征向量構(gòu)成的矩陣，運算符（·）嚷示矩陣的共輒轉(zhuǎn)置，Q表 示脈沖個數(shù)，M表示發(fā)射天線陣列的陣元個數(shù)；
[0050] 3c)將噪聲功率的估計式3從第一分組數(shù)據(jù)X1的自相關(guān)矩陣R n中扣除，得到第一 分鉬教抿X,的白協(xié)