一種實(shí)現(xiàn)掃描雷達(dá)方位超分辨成像的解卷積方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，它特別設(shè)及掃描雷達(dá)方位向超分辨成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，雷達(dá)前視高分辨成像技術(shù)在軍用和民用上都有著廣泛的應(yīng)用需求。實(shí)現(xiàn)雷 達(dá)平臺(tái)正前視區(qū)域的高分辨成像，可W在對(duì)地捜索、對(duì)海探測(cè)與成像、遠(yuǎn)距離偵察、物資空 投、地形匹配、對(duì)地攻擊、地形跟隨、飛行器自主著陸、導(dǎo)彈末制導(dǎo)等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。
[0003] 雷達(dá)前視高分辨成像要求圖像在距離向和方位向同時(shí)具有高分辨率。距離向高分 辨可通過發(fā)射大時(shí)寬帶寬積的線性調(diào)頻信號(hào)，然后對(duì)距離向回波進(jìn)行脈沖壓縮技術(shù)處理W 實(shí)現(xiàn)距離向的高分辨。而對(duì)于方位向，目前技術(shù)成熟的合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)和多普勒波 束銳化成像技術(shù)均可W實(shí)現(xiàn)高分辨成像，但不適用于前視區(qū)域。實(shí)波束掃描雷達(dá)在平臺(tái)運(yùn) 動(dòng)的同時(shí)掃描目標(biāo)場(chǎng)景，利用波束掠過目標(biāo)的時(shí)間先后關(guān)系，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，可W實(shí) 現(xiàn)對(duì)雷達(dá)平臺(tái)正前視區(qū)域的高分辨成像。
[0004] 根據(jù)掃描雷達(dá)成像原理，雷達(dá)方位向的分辨能力受到探測(cè)距離和天線孔徑參數(shù)的 制約，探測(cè)距離越長，天線尺寸越小，方位分辨率越低。提高實(shí)波束雷達(dá)方位分辨率最直接 的方法是增加雷達(dá)天線尺寸，但是由于雷達(dá)體積、重量和其他一些物理因素的制約，無法通 過安裝大孔徑天線實(shí)現(xiàn)方位高分辨。因此，必須通過信號(hào)處理的方式突破成像系統(tǒng)固有 的分辨率極限，實(shí)現(xiàn)方位高分辨成像。文獻(xiàn)"化angY,化aY,化angY,etal.Real-beam scanningradarangularsuper-resolutionviasparsedeconvolution.Geoscienceand RemoteSensingSymposiumQGARS巧，20141 邸EInternational.I邸E, 2014:3081-3084"從 信號(hào)處理的角度出發(fā)，把實(shí)波束雷達(dá)方位向回波信號(hào)建模成天線方向圖與原始場(chǎng)景中目標(biāo) 方位向散射系數(shù)的線性卷積模型。因此可W通過反卷積的方法在圖像域重建目標(biāo)信息。
[0005] 由于天線系統(tǒng)具有低通特性，加劇了卷積反演問題的病態(tài)程度，輸入信號(hào)通過成 像系統(tǒng)后會(huì)丟失能更加準(zhǔn)確描述成像場(chǎng)景細(xì)節(jié)的高頻成分。針對(duì)該一問題，文獻(xiàn)"Weijun C,NanjingL,JiaoD,etal.Investigationonspectrumestimationextrapolation methodofantennameasurement.AntennasandPropagation(ISAP), 2014Internat ionalSymposiumon.I邸E, 2014:9-10"提出了一種基于譜估計(jì)的非直接式時(shí)域測(cè)量 方法，利用頻譜外推的性質(zhì)拓寬了主瓣的寬度，從而提高了時(shí)域的分辨率，消除了多徑 效應(yīng)的影響。但是該方法只是應(yīng)用在天線測(cè)量中，未設(shè)及恢復(fù)圖像場(chǎng)景的應(yīng)用。文獻(xiàn) "ZhaY,HuangY,YangJ,etal.AnimprovedRichardson-Lucyalgorithmforradar angularsuper-resolution.RadarConference, 2014IE邸.I邸E, 2014:0406-0410"提出 了一種改進(jìn)的化chard-Lucy算法，該方法基于貝葉斯方法進(jìn)行卷積反演，正則化參數(shù)的 引入可W有效的抑制噪聲放大，但是該方法需要計(jì)算正則化參數(shù)，迭代參數(shù)選取基于固定 點(diǎn)迭代方法，不能最大程度的拓寬頻譜。文獻(xiàn)"ZhaY,化angY,SunZ,etal.Bayesian DeconvolutionforAngularSuper-ResolutioninForward-LookingScanning Radar[J].Sensors, 2015, 15(3) :6924-6946"提出了一種基于貝葉斯理論的反卷積方法，假 設(shè)噪聲由兩個(gè)獨(dú)立的分量組成并設(shè)定信號(hào)服從拉普拉斯分布，該種方法可w有效的實(shí)現(xiàn)方 位向超分辨成像，但是方法設(shè)及的正則化參數(shù)需要手動(dòng)選擇，具有一定的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種將掃描雷達(dá)的方位向回波建立為雷達(dá)天線 方向圖和目標(biāo)散射系數(shù)的卷積模型，然后利用卷積反演的方法實(shí)現(xiàn)方位向超分辨成像的實(shí) 現(xiàn)掃描雷達(dá)方位超分辨成像的解卷積方法。
[0007] 本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)掃描雷達(dá)方位超分辨成像的解卷積方法，包括如下步驟：
[000引步驟一、前視掃描雷達(dá)回波建模；
[0009] 步驟二、距離向脈沖壓縮處理；
[0010] 步驟S、距離走動(dòng)的判定；
[0011] 步驟四、距離走動(dòng)的校正；
[0012] 步驟五、掃描雷達(dá)方位向回波建模；
[0013] 步驟六、基于最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則的卷積反演。
[0014] 優(yōu)選地，所述步驟一是根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的幾何關(guān)系和信號(hào)發(fā)射接收的過程，導(dǎo)出前 視條件下場(chǎng)景中目標(biāo)到雷達(dá)天線的距離歷史，建立前視回波的時(shí)域模型。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟一的具體過程為，設(shè)發(fā)射信號(hào)的載頻為f。，脈沖重復(fù)時(shí)間為PRI 的線性調(diào)頻信號(hào)；波束俯仰角為0 ;目標(biāo)方位角為4 ;載機(jī)的速度為V;載機(jī)平臺(tái)與場(chǎng)景中 位于（X，y)點(diǎn)處目標(biāo)的距離，記為R(t);設(shè)場(chǎng)景目標(biāo)到雷達(dá)的初始斜距為拆;經(jīng)過時(shí)間t， 目標(biāo)到載機(jī)平臺(tái)的瞬時(shí)斜距可W表示為：
[0019] 其中，rect( ?)代表距離向脈沖矩形包絡(luò)，T是快時(shí)間，Tf是脈沖時(shí)寬，Kt為調(diào)頻 斜率。對(duì)于成像區(qū)域Q，回波可W表示為發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)的卷積加上噪聲的結(jié)果，其解析表 達(dá)式可W寫成：
[0020]
(3)
[002U其中，0 (x，y)為點(diǎn)（x，y)處目標(biāo)的散射函數(shù)；《,(?)為天線方位向方向圖函數(shù)； 口。。是天線方位角初始時(shí)刻；Tp是目標(biāo)在3地天線波束寬度的駐留時(shí)間；C是電磁波傳播速 度；ni(T，n)為回波中的噪聲；對(duì)回波進(jìn)行離散化處理，（1)可W表示為：
[0022] (4)
[002引其中，E是求和運(yùn)算，N2(t,n)是ni(T,n)的離散化形式。
[0024] 優(yōu)選地，所述步驟二是根據(jù)脈沖壓縮原理，構(gòu)造距離向脈沖壓縮頻域參考信號(hào)函 數(shù)；將回波信號(hào)沿距離向進(jìn)行FFT時(shí)域變?yōu)轭l域，在距離頻域一方位時(shí)域中與參考函數(shù)相 乘，再反變換到二維時(shí)域中，實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)在距離向的脈沖壓縮。
[0025] 優(yōu)選地，所述步驟=的判定過程為：根據(jù)步驟一中的瞬時(shí)距離表達(dá)式，成像區(qū)域 Q中的點(diǎn)（X，y)在時(shí)刻t與雷達(dá)平臺(tái)之間的距離歷史可W表示為：
[0026]
(5)
[0027] 對(duì)斜距歷史R(t)在t=0處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，可W得到：
[002引
[0029] 斜距歷史可W近似為：
[0030] R(t) ^ R〇-Vtcos 0 cos <1) (7)
[0031] 可得距離走動(dòng)量為：
[003引AR = VT日cos 0 cos<l)做
[0033]其中，為波束掃描駐留時(shí)間，目bet。為3地波束寬度，《為天線掃描速度； (0
[0034] 設(shè)距離單元為：
[0035]
(9)
[0036] 其中，f；為距離向采樣率；若有直接進(jìn)入步驟五；若^ >^'需要進(jìn) 行距離走動(dòng)校正進(jìn)入步驟四。
[0037] 優(yōu)選地，所述步驟四的校正過程為；對(duì)數(shù)據(jù)g3(T，n)進(jìn)行尺度變換，在頻域上乘 W相位補(bǔ)償因子
，最后再進(jìn)行距離向上的反變換得到回波的時(shí) 域函數(shù)，消除距離走動(dòng)后，回波信號(hào)的表達(dá)式如下：
[00%] (10)
[0039] 其中，N4(t,n)是g3(T，n)進(jìn)行距離走動(dòng)校正后引入系統(tǒng)的總噪聲。
[0040] 優(yōu)選地，步驟五的過程為，在步驟=或四的基礎(chǔ)上，建立掃描雷達(dá)方位向回波模 型；具體過程如下：
[0041] 根據(jù)步驟一，對(duì)距離向和方位向進(jìn)行了離散處理；其中，場(chǎng)景回波距離向采樣點(diǎn)數(shù) 記為Nf;方位向采樣點(diǎn)數(shù)記為N掃描雷達(dá)成像區(qū)域的方位時(shí)間向量記為：
[0042]Ta=[-PRI?Na/2，-PRI?饑/2-1)，…，PRI?饑/2-1)] (11)
[0043] 距離向時(shí)間向量記為：
[0044] Tr= [-1/f S ?Nr/2,-1/fs ?(Nr/2-l)，…，1/fs ?(Nr/2-l)](。）
[0045] 其中t為距離向采樣率；
[0046] 公式（10)可W轉(zhuǎn)化成矩陣與矩陣的運(yùn)算形式，轉(zhuǎn)化后為：
[0047]g=Hf+N； (13)
[0048]其中；
[0049]
[0052]其中，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算；K為目標(biāo)的數(shù)目，有K=M+kl，L為天線方向圖的采 樣點(diǎn)數(shù)；
[0化3] 另具有已證明關(guān)系成立的公式如下：
[0054]
(17)
[0055] 其中，E{ ?}表示期望值運(yùn)算；因此，（13)中的卷積矩陣H結(jié)構(gòu)如下：
[0056]
(18)
[0057] 其中，矩陣H為一個(gè)NaXK的矩陣；其中h=化I，h2,…，hL)T，hi聲0，1 = 1，…，L 為天線方向圖向量。
[005引優(yōu)選地，步驟六過程為，公式（13)，根據(jù)貝葉斯理論，回波數(shù)據(jù)的后驗(yàn)概率可W表 示為：
[0059]
(19)
[0060] 其中，p(f|g)，p(g|f)和P訊分別代表回波數(shù)據(jù)的后驗(yàn)概率，似然函數(shù)和先驗(yàn)概 率.
[0061] 回波數(shù)據(jù)是已知數(shù)據(jù)，通過最大化公式（19)的右邊得到：
[0062]
(20)
[006引其中，/為目標(biāo)信息在最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則下得到的解；
[0064]根據(jù)回波數(shù)據(jù)中與目