寬域高分辨率多目標(biāo)逆合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域中的逆合成孔徑雷達(dá) (InverseSyntheticApertureRadar，ISAR)寬域高分辨多目標(biāo)成像技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 逆合成孔徑雷達(dá)能對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離成像，在戰(zhàn)略防御、雷 達(dá)天文學(xué)等軍用和民用領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值，是現(xiàn)代雷達(dá)的研究熱點(diǎn)之一。
[0003] 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨寬域多目標(biāo)監(jiān)測(cè)成像是雷達(dá)成像技術(shù)的追求目標(biāo)。高分辨圖像 可以提供目標(biāo)更多的細(xì)節(jié)特征，以便于后續(xù)目標(biāo)識(shí)別。逆合成孔徑雷達(dá)通過發(fā)射寬帶信 號(hào)獲取高距離分辨率，而方位分辨率則依靠目標(biāo)與雷達(dá)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的合成陣列來(lái)獲 取。為了提高方位分辨率，最直接的方法是通過提高相干處理時(shí)間（CoherentProcessing Interval，CPI)。但是目標(biāo)在長(zhǎng)CPI里往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，使得成像處理非常困難， 甚至無(wú)法得到清晰的圖像。為解決此問題，研究人員們提出了多種方案，例如采用壓縮感知 和多通道技術(shù)等等。但這些方法都只針對(duì)單個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行高分辨成像。
[0004] 在實(shí)際中，很多雷達(dá)應(yīng)用要求同時(shí)對(duì)寬域多目標(biāo)進(jìn)行成像，例如海域和空域國(guó)土 安全監(jiān)測(cè)等。為了擴(kuò)大成像范圍，可通過采用小面積天線或低載頻雷達(dá)發(fā)射寬波束，但是小 天線難以發(fā)射高功率信號(hào)，而低載頻則不利于高分辨成像。另一個(gè)寬域成像方案是采用電 子掃描雷達(dá)技術(shù)。該技術(shù)通過掃描發(fā)射多個(gè)脈沖實(shí)現(xiàn)寬域監(jiān)測(cè)成像。但是由于該技術(shù)在 發(fā)射一個(gè)脈沖后立即切換到接收模式，因此不同子波束范圍內(nèi)的目標(biāo)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)成 像。
[0005] 綜上所述，如何利用現(xiàn)有的雷達(dá)硬件條件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬域高分辨ISAR成像是一項(xiàng) 新的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有ISAR技術(shù)面臨的問題，提出了一種基于空時(shí)處理的寬域高 分辨多目標(biāo)ISAR成像體制，并給出了相應(yīng)的成像處理方法，有效地解決了寬域高分辨多目 標(biāo)成像的問題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主要步驟如下：
[0008] (1)整個(gè)天線陣面沿橫向快速掃描發(fā)射信號(hào)；
[0009] (2)各個(gè)接收陣元同時(shí)接收回波信號(hào)；
[0010] (3)將各個(gè)接收陣元得到的回波信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理以分離各個(gè)子波束回波；
[0011] (4)對(duì)分離后的各個(gè)子波束回波分別進(jìn)行多目標(biāo)成像處理。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 本發(fā)明通過沿橫向快速掃描發(fā)射多個(gè)寬帶脈沖，實(shí)現(xiàn)寬域高分辨多目標(biāo)成像監(jiān) 測(cè)，克服了傳統(tǒng)ISAR系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)對(duì)寬域多目標(biāo)進(jìn)行高分辨成像監(jiān)測(cè)的技術(shù)問題。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法流程圖；
[0015] 圖2雷達(dá)發(fā)射接收脈沖時(shí)序圖；
[0016] 圖3雷達(dá)波束指向不意圖；
[0017] 圖4成像斜距幾何示意圖；
[0018] 圖5為本發(fā)明的信號(hào)處理流程圖；
[0019] 圖6子波束分離前的成像結(jié)果；
[0020] 圖7子波束分離后的成像結(jié)果；
【具體實(shí)施方式】
[0021] 參照附圖1，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下：
[0022] 步驟1，整個(gè)天線陣列沿橫向快速掃描發(fā)射信號(hào)
[0023] 如圖2所示，雷達(dá)在一個(gè)脈沖重復(fù)間隔（PRI)內(nèi)連續(xù)掃描發(fā)射N個(gè)子脈沖信號(hào)。 各個(gè)子脈沖信號(hào)完全相同，只是波束指向角不同。子脈沖的發(fā)射間隔可以為一個(gè)子脈沖寬 度，也可以根據(jù)系統(tǒng)具體情況選擇其它合適的發(fā)射間隔，只要其大于子脈沖寬度，同時(shí)整個(gè) 發(fā)射接收時(shí)間滿足系統(tǒng)時(shí)序圖要求。如圖3所示，發(fā)射子脈沖1時(shí)，雷達(dá)波束指向?yàn)閳D中 所示的子波束1 ;子脈沖1發(fā)射完畢，雷達(dá)立即切換波束指向?yàn)樽硬ㄊ?,同時(shí)發(fā)射子脈沖 2 ;……；直至發(fā)射完N個(gè)子脈沖，然后切換至接收模式，同時(shí)接收所有子波束回波，接著進(jìn) 行下一輪發(fā)射接收。這里發(fā)射信號(hào)采用線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，如下式所示：
[0024]
[0025] 其中，T為距離時(shí)間，f。為發(fā)射信號(hào)載頻，Y為發(fā)射脈沖調(diào)頻率，wJt)為發(fā)射信 號(hào)包絡(luò)，N為子脈沖個(gè)數(shù)，ATn為第n個(gè)子脈沖相對(duì)第一個(gè)子脈沖的發(fā)射延時(shí)。
[0026] 步驟2,各個(gè)接收通道同時(shí)接收回波信號(hào)。
[0027] 發(fā)射完N個(gè)子脈沖后，雷達(dá)切換至接收模式，所有通道同時(shí)接收各個(gè)子脈沖的回 波。不失一般性，假設(shè)各個(gè)子波束中均只有一個(gè)目標(biāo)，且各個(gè)目標(biāo)只考慮一個(gè)散射中心，則 第m個(gè)（m= 1，…，M，其中M為接收通道數(shù)，且M彡N)通道接收回波為
[0028]
[0029] 其中，〇為第n個(gè)目標(biāo)的后向散射系數(shù)，nn(T)為接收通道噪聲，rtl%n和rnin分 別為第n個(gè)目標(biāo)至發(fā)射天線和第m個(gè)接收通道的斜距，如圖4所示。根據(jù)成像幾何關(guān)系可 知
[0030] rnjn^rljn+dn ?Cosan
[0031] 其中，an為第n個(gè)目標(biāo)的方位角。由此，各通道接收回波可近似為
[0035] 則各個(gè)目標(biāo)的回波將重疊在一起。由此，各通道接收回波可進(jìn)一步寫為
[0036]
[0037] 步驟3,將各個(gè)接收通道得到的回波信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理以分離各個(gè)子波束回波。
[0038] 由于各子脈沖回波來(lái)自不同的方位角，因此結(jié)合各接收陣元間的空間關(guān)系，可將 混疊在一起的各子脈沖回波分離開。如圖5所示，首先對(duì)各子波束回波進(jìn)行距離壓縮，得到
[0040] 其中，pjT)為距離壓縮后脈沖包絡(luò)。當(dāng)cUosa"的大小相對(duì)于斜距分辨率來(lái)說 不可忽略時(shí)，可對(duì)各接收通道回波相對(duì)第一個(gè)接收通道進(jìn)行距離配準(zhǔn)，得到
[0049] n = Cn1 ( I ), n2 ( I ), , nM ( I ) ] T
[0050] [□ ]T表示矩陣轉(zhuǎn)置。若各個(gè)目標(biāo)的方位角an已知，則可通過簡(jiǎn)單的矩陣求解將 各個(gè)an( 〇分離開，從而實(shí)現(xiàn)子波束分離。但在實(shí)際中，由于各個(gè)目標(biāo)的方位角未知，且通 常都占據(jù)一定的角度范圍，因此無(wú)法采用簡(jiǎn)單的矩陣求解實(shí)現(xiàn)各目標(biāo)回波的精確分離。但 是各子波束的角度范圍是已知的，并由雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)決定。這樣，我們可通過后續(xù)空時(shí)處理 來(lái)盡量保持?jǐn)M提取子波束范圍內(nèi)的目標(biāo)能量，抑制所有來(lái)自其它波束角范圍內(nèi)的目標(biāo)，BP 解以下優(yōu)化問題
[0055] Aa為擬提取目標(biāo)的導(dǎo)向矢量，9JP0 4為雷達(dá)子波束的最小和最大方位角，如圖
IA0為子波束寬度，為擬提取目標(biāo)所在的子波束 中心指向角，I為副瓣水平。易知，R1^PR1均為對(duì)稱正定矩陣，因此上述優(yōu)化問題可歸結(jié) 為凸優(yōu)化問題。在實(shí)際中，由于雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)是已知的，可提前求得權(quán)矢量《作為后續(xù)處 理的輸入?yún)?shù)，以提高處理效率。
[0056] 步驟4,對(duì)分離后的各個(gè)子波束回波分別進(jìn)行多目標(biāo)成像處理。
[0057] 子波束分離后，可采用傳統(tǒng)多目標(biāo)成像方法對(duì)各個(gè)子波束回波分別進(jìn)行ISAR成 像處理，最終得到寬域多目標(biāo)ISAR圖像。
[0058] 下面結(jié)合仿真數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明的效果做進(jìn)一步的說明。
[0059] 1、仿真條件：
[0060] ISAR系統(tǒng)的仿真參數(shù)如下表所示，雷達(dá)坐標(biāo)為（0m，Om)。3個(gè)目標(biāo)分別位于3個(gè)子 波束里，其方位向大小均為32m，相鄰目標(biāo)的中心斜距差均為I. 5km。由于子脈沖的發(fā)射延 時(shí)為10us，3個(gè)目標(biāo)剛好同時(shí)到達(dá)接收陣元，從而混疊在一起。我們對(duì)四種情況分別進(jìn)行了 仿真：
[0061] 情況一、各目標(biāo)均位于各子波束中心，目標(biāo)3至雷達(dá)的斜距為IOkm ;
[0062]情況二、各目標(biāo)均偏離子波束中心0. 43°，目標(biāo)3至雷達(dá)的斜距為IOkm;
[0063] 情況三、各目標(biāo)均位于各子波束中心，目標(biāo)3至雷達(dá)的斜距為2km ;
[0064]情況四、各目標(biāo)均偏離子波束中心0. 43°，目標(biāo)3至雷達(dá)的斜距為2km;
[0065]
[0067] 2、仿真數(shù)據(jù)包實(shí)驗(yàn)分析：
[0068] 圖6給出了進(jìn)行子波束分離前的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像結(jié)果。由于各個(gè)目標(biāo)的回波混疊在 一起，直接對(duì)其成像無(wú)法將其分離。圖7給出利用本發(fā)明所述的方法進(jìn)行子脈沖分離后的 目標(biāo)3成像結(jié)果，其中圖7 (a)為情況一的成像結(jié)果，圖7 (b)為情況二的成像結(jié)果，圖7 (c) 為情況三的成像結(jié)果，圖7(d)為情況四的成像結(jié)果。目標(biāo)1和目標(biāo)2的成像結(jié)果與目標(biāo)3 類似，因此不再贅述。由圖7可知，利用本發(fā)明所述方法可以得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的清晰圖像，從 而實(shí)現(xiàn)寬域高分辨多目標(biāo)成像。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 寬域高分辨多目標(biāo)逆合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)，包括如下步驟： (1) 整個(gè)天線陣列沿橫向快速掃描發(fā)射信號(hào)； (2) 各個(gè)接收通道同時(shí)接收回波信號(hào)； (3) 將各個(gè)接收通道得到的回波信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理分離各個(gè)子波束回波； (4) 對(duì)分離后的各個(gè)子波束回波分別進(jìn)行多目標(biāo)成像處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬域高分辨多目標(biāo)逆合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)，其特征在于： 雷達(dá)在一個(gè)脈沖重復(fù)周期（PRF)內(nèi)連續(xù)掃描發(fā)射N個(gè)子脈沖信號(hào)。各個(gè)子脈沖信號(hào)完全相 同，只是波束指向方向不同。子脈沖的發(fā)射間隔可以為一個(gè)子脈沖寬度，也可以根據(jù)系統(tǒng)具 體情況選擇其它合適的發(fā)射間隔，只要其大于子脈沖寬度，同時(shí)整個(gè)發(fā)射接收時(shí)間滿足系 統(tǒng)時(shí)序圖要求。所有通道同時(shí)接收回波信號(hào)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬域高分辨多目標(biāo)逆合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)，其特征在于： 對(duì)各通道接收回波先進(jìn)行距離壓縮，然后再結(jié)合各接收通道間的空間關(guān)系和子波束的不同 方位角，將混疊在一起的各子脈沖回波分離開。各陣元接收回波信號(hào)可表示為n = Di1 ( T )，n2 ( T )，…，nM ( T ) ] T。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬域高分辨多目標(biāo)逆合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)，其特征在于： 通過解以下凸優(yōu)化問題將各子脈沖回波分離開。馬為擬提取目標(biāo)的導(dǎo)向矢量，Q:和Q4為雷達(dá)子波束的最小和最大方位角，，A0為子波束寬度，為擬提取目標(biāo)所在的子波束中心指 向角，I為副瓣水平。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于空時(shí)處理的寬域高分辨率多目標(biāo)逆合成孔徑雷達(dá)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及信號(hào)處理方法，主要解決了現(xiàn)有的ISAR系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬域多目標(biāo)高分辨成像的問題。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟是：(1)整個(gè)天線陣列沿橫向快速掃描發(fā)射信號(hào)；(2)各個(gè)接收通道同時(shí)接收回波信號(hào)；(3)將各個(gè)接收通道得到的回波信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理分離各個(gè)子波束回波；(4)對(duì)分離后的各個(gè)子波束回波分別進(jìn)行多目標(biāo)成像處理。本發(fā)明采用橫向快速掃描發(fā)射帶寬信號(hào)，然后對(duì)各通道接收回波進(jìn)行空時(shí)處理的方法，在保證系統(tǒng)功率要求的前提下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬域高分辨多目標(biāo)ISAR成像。
【IPC分類】G01S13/90
【公開號(hào)】CN105223573
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510650292
【發(fā)明人】楊桃麗, 楊磊, 淦小健, 王勇
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年10月10日