多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法技术

本发明专利技术公开了一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，主要实现高维度与单脉冲情况下的实时快速超分辨三维成像。其实现过程为：发射阵列中的每个发射阵元发射频率各异的信号，在空间形成随机辐射场，随机辐射场中的发射信号碰到目标后，散射回来的信号被接收阵元组成的接收阵列接收，获得雷达回波信号；由雷达回波信号拉长为观测矢量，构建三维栅格稀疏恢复观测模型；针对观测矢量与观测模型表征的三维稀疏恢复问题，通过提出的分数阶范数稀疏恢复发明专利技术方法实现了高维度快速超分辨三维成像，由仿真数据验证了成像方法的有效性。

Superresolution 3D imaging method for multi random frequency radar array

The invention discloses a super-resolution three-dimensional imaging method of a multi random frequency radar array, which mainly realizes real-time, high-speed and super-resolution three-dimensional imaging in the condition of high dimension and single pulse. The process is as follows: emission from each array signal element transmitting frequencies, the formation of the stochastic radiation field in space, random radiation emission signal in the field of hit target, signal back scattering is received by the receiving array is composed of receiving, obtain the radar echo signal from radar echo signal; elongated observation vector construction of a three-dimensional grid, sparse recovery in observation model; 3D sparse observation vector and observation model characterized by the fractional recovery, the recovery of norm of sparse method realizes high dimension fast super-resolution imaging, by simulation data verify the validity of the proposed imaging method.

【技术实现步骤摘要】
多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法
本专利技术属于雷达信号处理
，特别涉及一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，适用于雷达稀疏恢复领域或小样本观测情况下空间目标、海上目标监视甚至穿墙的雷达阵列的超分辨三维成像。
技术介绍
传统波束扫描的分辨力受到雷达阵列物理孔径的限制，增大雷达阵列中的天线孔径是提高分辨力的重要途径之一；但对于车/机/星载运动平台，增大雷达阵列中的天线孔径往往是不现实的；逆合成孔径雷达(ISAR)方位向分辨力与目标在相干积累时间内的转角成反比，目标通常为非合作目标，相干积累时间转角较小造成ISAR方位向分辨力难以提高，并且ISAR是二维成像，无法获取目标的俯仰维信息。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提出一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，该种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法采用多随机频率雷达阵列发射不同频率信号的波形，并构建时空随机辐射场，然后对目标场景进行多次冗余观测得到观测矩阵，通过设计分数阶范数更新恢复矢量，进而达到目标的超分辨三维成像目的。为达到上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现。一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，包括以下步骤：步骤1，确定雷达阵列，所述雷达阵列包含雷达发射阵列和雷达接收阵列，所述雷达发射阵列和雷达接收阵列分别为N1×N2维平面阵，所述雷达接收阵列为1个阵元；雷达发射阵列发射雷达信号，雷达接收阵列接收检测范围内的雷达回波信号，并将所述检测范围设置为E1×E2×E3维三维空间，所述E1×E2×E3维三维空间包含目标，且所述E1×E2×E3维三维空间由E3个互相平行的平面组成，每个平面由E1×E2个栅格点组成，并确定E1×E2×E3维三维空间包含K个栅格点，K＝E1×E2×E3，E1、E2、E3分别为大于0的自然数；并分别将雷达回波信号的快拍次数记为M，将包含有目标空间位置的雷达回波信号记为观测矢量y，所述观测矢量y为M×1维；步骤2，计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A，所述雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A观测E1×E2×E3维三维空间包含的目标；步骤3，计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0，并计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值δ；步骤4，分别计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的初始高斯矢量和G1、雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的初始误差H1、雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的初始代价函数L1和雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的优化恢复矢量的门限值ω；步骤5，初始化：令n为迭代次数，且n的初始值为1，n∈{1,2,…,N}，N表示设定的最大迭代次数；并分别令δ(1)为雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量的最大值的初始值，且δ(1)＝δ，δ表示雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值；令β(1)为雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的幅度补偿因子的初始值，且β(1)＝1；步骤6，根据第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量的最大值δ(n)，计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵W(n)；步骤7，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A、第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量的最大值δ(n)和第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵W(n)，计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵的映射矢量ζ(n)；步骤8，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A、第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的幅度补偿因子β(n)和第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵的映射矢量ζ(n)，计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的初始恢复矢量r(n)；步骤9，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A、M×1维观测矢量y和第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的初始恢复矢量r(n)，计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的步长因子步骤10，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0、第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵的映射矢量ζ(n)和第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的步长因子计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量步骤11，如果第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的优化恢复矢量的最大值大于设定的雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值δ0，且当前迭代次数n小于N，则令n加1，且令返回步骤6；如果第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的优化恢复矢量的最大值小于或等于设定的雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值δ0，或当前迭代次数n大于或等于N，则将第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量作为雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的最终恢复矢量r；步骤12，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的最终恢复矢量r，计算得到多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：第一，由于本专利技术采用接收天线接收到的小样本回波数据作为载有目标空间位置的雷达回波信号矩阵，因而不用估计协方差矩阵，克服了现有技术中由于样本数不足造成协方差矩阵估计不准导致目标三维成像性能下降甚至失效的问题，使得本专利技术在小样本情况下仍然能够获取目标的三维空域完备信息，进而实现目标的超分辨三维成像。第二，由于本专利技术通过将目标空间进行划分计算雷达接收阵列的目标观测矩阵，克服了现有技术的稀疏恢复方法中由于字典不完备，导致稀疏恢复性能下降，使得本专利技术能够在字典较稀疏时仍然有较好的稀疏恢复性能，从而实现目标超分辨三维成像。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1是本专利技术的一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法流程图；图2是本专利技术的原始目标场景图；图3是使用本专利技术方法得到的目标场景恢复图。具体实施方式参照图1，为本专利技术的一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法流程图；所述多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，包括以下步骤：步骤1，确定雷达阵列，所述雷达阵列包含雷达发射阵列和雷达接收阵列，所述雷达发射阵列为N1×N2维平面阵，所述雷达接收阵列为1个阵元；所述N1×N2维平面阵在xoy平面，且所述N1×N2维平面阵的中心为原点o，且雷达接收阵列的1个阵元在原点o处；雷达发射阵列的阵元间距为d，每个阵元的发射频率为f，f为随机频率值，且f∈[fmin,fmax]，fmin表示每个阵元的发射频率最小值，fmax表示每个阵元发射频率的最大值；N1、N2分别为大于零的整数；本实施例中，N1＝N2＝5，d＝2m，fmin＝200MHz，fmax＝400MHz。雷达发射阵列发射雷达信号，雷达接收阵列接收检测范围内的雷达回波信号，并将所述检测范围设置为E1×E2×E3维三维空间，所述E1×E2×E3维三维空间分别对应x轴、y轴和z竖轴，所述E1×E2×E3维三维空间包含目标，且所述E1×E2×E3维三维空间由E3个互相平行的平面组成，每个平面由E1×E2个栅格点组成，并确定E1×E2×E3维三维空间包含K个栅格点，K＝E1×E2×E3，E1、E2、E3分别为大于0的自然数；本实施例中，E1＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定雷达阵列，所述雷达阵列包含雷达发射阵列和雷达接收阵列，所述雷达发射阵列和雷达接收阵列分别为N

【技术特征摘要】
1.一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，确定雷达阵列，所述雷达阵列包含雷达发射阵列和雷达接收阵列，所述雷达发射阵列和雷达接收阵列分别为N1×N2维平面阵，所述雷达接收阵列为1个阵元；雷达发射阵列发射雷达信号，雷达接收阵列接收检测范围内的雷达回波信号，并将所述检测范围设置为E1×E2×E3维三维空间，所述E1×E2×E3维三维空间包含目标，且所述E1×E2×E3维三维空间由E3个互相平行的平面组成，每个平面由E1×E2个栅格点组成，并确定E1×E2×E3维三维空间包含K个栅格点，K＝E1×E2×E3，E1、E2、E3分别为大于0的自然数；并分别将雷达回波信号的快拍次数记为M，将包含有目标空间位置的雷达回波信号记为观测矢量y，所述观测矢量y为M×1维；M为大于0的自然数；步骤2，计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A，所述雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A观测E1×E2×E3维三维空间包含的目标；步骤3，计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0，并计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值δ；步骤4，分别计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的初始高斯矢量和G1、雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的初始误差H1、雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的初始代价函数L1和雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的优化恢复矢量的门限值ω；步骤5，初始化：令n为迭代次数，且n的初始值为1，n∈{1,2,…,N}，N表示设定的最大迭代次数；并分别令δ(1)为雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量的最大值的初始值，且δ(1)＝δ，δ表示雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值；令β(1)为雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的幅度补偿因子的初始值，且β(1)＝1；步骤6，根据第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量的最大值δ(n)，计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵W(n)；步骤7，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A、第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量的最大值δ(n)和第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵W(n)，计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵的映射矢量ζ(n)；步骤8，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A、第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的幅度补偿因子β(n)和第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵的映射矢量ζ(n)，计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的初始恢复矢量r(n)；步骤9，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A、M×1维观测矢量y和第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的初始恢复矢量r(n)，计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的步长因子步骤10，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0、第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的高斯矩阵的映射矢量ζ(n)和第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的步长因子计算第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量步骤11，如果第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的优化恢复矢量的最大值大于设定的雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值δ0，且当前迭代次数n小于N，则令n加1，且令返回步骤6；如果第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的优化恢复矢量的最大值小于或等于设定的雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值δ0，或当前迭代次数n大于或等于N，则将第n次迭代后雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的恢复矢量作为雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的最终恢复矢量r；步骤12，根据雷达接收阵列的M×K维观测矩阵的最终恢复矢量r，计算得到多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像。2.如权利要求1所述的一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，其特征在于，在步骤1中，所述N1×N2维平面阵，还包括：所述N1×N2维平面阵在xoy平面，且所述N1×N2维平面阵的中心为原点o，且雷达接收阵列的1个阵元在原点o处；雷达发射阵列的阵元间距为d，每个阵元的发射频率为f，f为随机频率值，且f∈[fmin,fmax]，fmin表示每个阵元的发射频率最小值，fmax表示每个阵元发射频率的最大值；N1、N2分别为大于零的整数；所述E1×E2×E3维三维空间还包括：所述E1×E2×E3维三维空间包含K个栅格点，若第k个栅格点存在目标，则第k个栅格点处的散射系数为ρk，ρk≠0；若第k'个栅格点无目标，则第k'个栅格点处的散射系数为0，k∈{1,2,…,K}，k'∈{1,2,…,K}，k≠k'；每个栅格点对应后向散射信号，所述后向散射信号为雷达发射阵列到达该栅格点处的雷达信号乘以该栅格点处的散射系数；每个栅格点对应的后向散射信号传播至雷达接收阵列并被雷达接收阵列接收，雷达接收阵列对接收到的后向散射信号分别进行模数转换，成为雷达回波信号；然后分别将雷达回波信号的快拍次数记为M，将包含有目标空间位置的雷达回波信号记为观测矢量y，其维数为M×1，M为大于0的自然数。3.如权利要求1所述的一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，其特征在于，在步骤2中，所述计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A，其过程为：(2a)设定M×K维矩阵该M×K维矩阵中第m行第k列的元素记为其计算表达式为：其中，m∈{1,2,…,M}，k∈{1,2,…,K}，M表示雷达回波信号的快拍次数，K表示E1×E2×E3维三维空间包含的栅格点个数，e表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位，xk表示第k个栅格点在x轴的坐标，yk表示第k个栅格点在y轴的坐标，zk表示第k个栅格点在z轴的坐标，表示第m次快拍时第k个栅格点的方位角，θm,k表示第m次快拍时第k个栅格点的俯仰角，k＝1,2,…,K，K表示E1×E2×E3维三维空间包含的栅格点个数，λ表示雷达阵列的中心波长；(2b)当令m＝1时，分别令k取1至K，进而分别得到M×K维矩阵中第1行第1列的元素至M×K维矩阵中第1行第K列的元素并记为M×K维矩阵的第1行元素；然后分别令m取2至M，分别得到M×K维矩阵的第2行元素至M×K维矩阵的第M行元素，然后将此时得到的M×K维矩阵的第1行元素至M×K维矩阵的第M行元素，作为雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A，所述雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A观测E1×E2×E3维三维空间包含的目标。4.如权利要求1所述的一种多随机频率雷达阵列的超分辨三维成像方法，其特征在于，步骤3的子步骤为：(3a)计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的右逆矩阵B，其表达式为：B＝AH(A·AH)-1(3b)计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0，其表达式为：r0＝B·y(3c)计算雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的恢复矢量r0的最大值δ，其表达式为：δ＝|r0|max其中，A表示雷达接收阵列的M×K维观测矩阵，上标H表示共轭转置操作，上标-1表示求逆操作，·表示点乘，B表示雷达接收阵列的M×K维观测矩阵A的右逆矩阵；y表示M×1维观测矢量，|·|表示取模值操作，max表示取最大值操作。5.如权利要求1所述的一种多随机频率雷达阵列的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾操，胡明明，李军，朱圣棋，廖桂生，申一伟，陈佳东，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61