一种扫描雷达回波计算方法技术

本发明专利技术公开了一种扫描雷达回波计算方法，包括下述步骤：首先根据雷达系统工作参数，获得天线主瓣采样向量，并使用该向量构造卷积矩阵；然后，根据成像扇区边缘目标反射率函数对回波数据的影响，分别对天线主瓣采样序列构建的卷积矩阵进行结构变换；最后，将变换后的卷积矩阵与成像扇区目标反射率函数沿方位向采样向量进行乘积，并对乘积的结果叠加噪声向量，从而得到扫描雷达成像扇区回波数据。本发明专利技术相比现有技术具有以下优点：实现了扫描雷达前视成像扇区回波数据获取过程的精确表征，为后续实现雷达平台前视区域二维高分辨成像提供了新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种扫描雷达回波计算方法
本专利技术涉及一种雷达成像
，特别是一种特别涉及扫描雷达前视成像方法。
技术介绍
达平台正前视区域二维高分辨成像，在对地搜索、对海探测与成像、飞机盲降、地形匹配、对地攻击、导弹末制导等领域有着迫切的应用需求。合成孔径雷达成像方法和多普勒波束锐化技术均能实现二维高分辨成像，受成像机理约束，这两种方法都不适用于雷达平台正前视区域二维高分辨成像。扫描雷达根据天线波束掠过成像场景的时间先后关系，融合目标在空间散射的先验信息，使用数学计算的方法处理成像扇区的回波信号，实现前视探测区域的二维高分辨成像。扫描雷达前视成像的方位分辨率受发射信号波长和天线孔径的制约。理论上可通过增加雷达天线尺寸或降低信号波长，提高雷达角分辨率。现阶段这两种途径都无法满足应用需求。降低发射信号波长会造成雨衰更加严重，而增加天线孔径会限制雷达对平台的适应性。因此，需要寻找新的技术途径，突破系统参数对扫描雷达成像角分辨率的限制，实现雷达前视方位向高分辨成像。文献“LiDongye，HuangYulinandYangJianyu.Motionplatformforward-lookingreal-beamradarechomodeling.IEEECIEInternationalConferenceonRadar.IEEE2012，1370-1373”(李东野，黄钰林，杨建宇，《运动平台前视波束雷达回波建模》，国际雷达会议。IEEE20121370-1373)提出了一种实波束扫描雷达回波建模方法。该方法将实波束扫描雷达方位向回波数据表征为天线波束采样序列与成像扇区目标反射率分布函数沿方位向采样序列的卷积。该方法虽可获得成像扇区目标回波数据，但是无法定量给出实波速扫描雷达成像扇区边缘目标反射系数对回波数据的影响。因此，使用该方法表征回波数据获取过程时，存在一定的误差，需对其进行一系列的预处理之后，才能用于雷达前视成像。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供了一种扫描雷达回波计算方法，针对是否考虑成像扇区边缘目标散射系数对回波数据的影响，本专利技术分别构造对应的卷积矩阵，实现了成像扇区回波数据获取过程的精确数学表征。本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种扫描雷达回波计算方法，包括下述步骤：首先根据雷达系统工作参数，获得天线主瓣采样向量，并使用该向量构造卷积矩阵；然后，根据成像扇区边缘目标反射率函数对回波数据的影响，分别对天线主瓣采样序列构建的卷积矩阵进行结构变换；最后，将变换后的卷积矩阵与成像扇区目标反射率函数沿方位向采样向量进行乘积，并对乘积的结果叠加噪声向量，从而得到扫描雷达成像扇区回波数据。具体上，分解为以下具体的步骤：步骤一：扫描雷达回波获取；步骤二：回波数据距离向脉冲压缩；步骤三：距离走动校正；步骤四：扫描雷达方位向回波的数学表征；步骤五：扫描雷达方位向回波计算。更具体的，步骤一：扫描雷达回波获取本专利技术中假设雷达平台速度为V；雷达天线的扫描速度为ω；波束俯仰角为θ；目标方位角为发射信号的载频为fc，脉冲重复时间为PRI；场景中目标到雷达天线的初始斜距记为R0。经过时间t，雷达平台与场景中位于(x，y)点处目标的距离R(x，y，t)可表示为为了保证理论与实际验证情况相符，本专利技术对距离向和方位向进行了离散处理。假设场景回波距离向采样点数记为Nr；方位向采样点数记为Na。扫描雷达成像区域的方位向时间向量记为Ta＝[-PRI·Na/2，-PRI·(Na/2-1)，…，PRI·(Na/2-1)]；距离向时间向量记为Tr＝[-1/fs·Nr/2，-1/fs·(Nr/2-1)，…，1/fs·(Nr/2-1)]，其中fs表示距离向采样率。假设雷达发射线性调频信号其中表示矩形信号，Tp为发射脉冲持续时间，k为调频斜率，τ为快时间。对于成像区域Ω，回波可表示为发射信号与目标的卷积叠加噪声的结果。即，其中，(x，y)表示场景Ω中，目标的位置；f(x，y)为点(x，y)处目标的散射函数；ωa为慢时间域的窗函数，表示天线方向图函数在方位向的调制；为天线方位角初始时刻；Tβ是目标在3dB天线波束宽度的驻留时间；c为电磁波传播速度；W1(τ，η)表示回波中的噪声；本专利技术在操作时采用(2)的离散形式：其中，W2(τ，η)为W1(τ，η)的离散化形式；步骤二：回波数据距离向脉冲压缩构造距离向脉冲压缩处理的参考信号其中，τref表示成像区域距离向的参考时间，k表示线性调频信号的调频斜率；将sref与回波数据g2(τ，η)进行最大自相关运算，完成回波信号沿距离向脉冲压缩处理。脉冲压缩后的信号可以表示为：其中，B为发射信号带宽，W3(τ，η)为g2(τ，η)在进行脉冲压缩操作后引入系统的噪声；步骤三：距离走动校正从步骤一的分析可知，成像场景区域Ω中的点(x，y)在时刻t与雷达平台之间的斜距历史为由于距离R(x，y，t)是关于时间t的变量，本步骤目的是消除时间变量t对雷达平台与目标距离函数R(x，y，t)的影响。首先，对斜距历史R(x，y，t)在t＝0处进行泰勒级数展开。展开结果可表示为：在实际应用时，由于雷达作用距离远、成像扇区小、扫描速度快，斜距历史可以近似表示为：又因为θ与较小，导致cosθ≈1，因此，雷达与目标的距离函数可近似表示为：R(x，y，t)≈R0-Vt(7)其中，雷达平台速度V和时间t，可通过雷达平台的惯导设备获取。在此基础上，对数据g3(τ，η)进行尺度变换，消除距离走动后的回波信号在数据平面内的表达式为：其中，W4(τ，η)为g3(τ，η)进行距离走动校正操作后引入的总噪声。步骤四：扫描雷达方位向回波的数学表征本步骤从步骤三出发，将扫描雷达前视成像回波建模为天线波束采样序列与成像扇区目标反射率分布函数沿方位向采样蓄力卷积并叠加噪声的结果。在此假设下，(8)表示为g＝Hf+W(9)的形式。其中g表示回波数据距离徙动校正后方位向数据向量；H表示天线波束采样序列构建的卷积矩阵；f表示成像区域方位向目标散射稀系数向量；W表示噪声向量。为了便于描述，本专利技术中将(9)表示成矩阵-向量的形式。假设天线主瓣采样序列为h＝[…，0，0，h-m，h-m+1，…，h0，…，hm-1，hm，0，0，…](10)成像扇区目标反射来分布函数沿方位向采样向量为其中，hi(i＝-m，…，0，…，m)表示天线波束采样点；fi(i＝-m+1，…，0，…n+m)表示成像扇区目标反射率分布函数的采样点。因此，(9)的矩阵-向量形式为其中，gi(i＝1，2，…，n)表示回波数据采样点，wi(i＝1，…，n)表示噪声元素。为了在构建卷积矩阵时，定量表示成像扇区边缘散射系数对回波数据的影响，本专利技术将(12)表示成g＝Hleftfleft+Hcenterfcenter+Hrightfright+W(13)其中，步骤五：扫描雷达方位向回波计算在步骤四的基础上，针对成像扇区边缘目标反射率函数对成像扇区回波数据影响的差异，分别给出两种不同的卷积矩阵变换方法。情形一：在扫描雷达前视成像回波建模时，若忽略成像扇区边缘目标反射率函数对回波数据的影响。那么，扫描成像扇区目标反射率分布函数沿方位向采样向量中fleft＝0，fright＝0。其中fleft、frigh本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扫描雷达回波计算方法，其特征在于，包括下述步骤：首先根据雷达系统工作参数，获得天线主瓣采样向量，并使用该向量构造卷积矩阵；然后，根据成像扇区边缘目标反射率函数对回波数据的影响，分别对天线主瓣采样序列构建的卷积矩阵进行结构变换；最后，将变换后的卷积矩阵与成像扇区目标反射率函数沿方位向采样向量进行乘积，并对乘积的结果叠加噪声向量，从而得到扫描雷达成像扇区回波数据。

【技术特征摘要】
1.一种扫描雷达回波计算方法，其特征在于，包括下述步骤：首先根据雷达系统工作参数，获得天线主瓣采样向量，并使用该向量构造卷积矩阵；然后，根据成像扇区边缘目标反射率函数对回波数据的影响，分别对天线主瓣采样序列构建的卷积矩阵进行结构变换；最后，将变换后的卷积矩阵与成像扇区目标反射率函数沿方位向采样向量进行乘积，并对乘积的结果叠加噪声向量，从而得到扫描雷达成像扇区回波数据。2.根据权利要求1所述的一种扫描雷达回波计算方法，其特征在于，包括以下具体的步骤：步骤一：扫描雷达回波获取；步骤二：回波数据距离向脉冲压缩；步骤三：距离走动校正；步骤四：扫描雷达方位向回波的数学表征；步骤五：扫描雷达方位向回波计算。3.根据权利要求2所述的一种扫描雷达回波计算方法，其特征在于，步骤一：扫描雷达回波获取具体包括：假设雷达平台速度为V；雷达天线的扫描速度为ω；波束俯仰角为θ；目标方位角为发射信号的载频为fc，脉冲重复时间为PRI；场景中目标到雷达天线的初始斜距记为R0，经过时间t，雷达平台与场景中位于(x，y)点处目标的距离R(x，y，t)表示为为了保证理论与实际验证情况相符，对距离向和方位向进行离散处理，假设场景回波距离向采样点数记为Nr；方位向采样点数记为Na，扫描雷达成像区域的方位向时间向量记为Ta＝[-PRI·Na/2，-PRI·(Na/2-1)，…，PRI·(Na/2-1)]；距离向时间向量记为Tr＝[-1/fs·Nr/2，-1/fs·(Nr/2-1)，…，1/fs·(Nr/2-1)]，其中fs表示距离向采样率；假设雷达发射线性调频信号其中表示矩形信号，Tp为发射脉冲持续时间，k为调频斜率，τ为快时间，对于成像区域Ω，回波表示为发射信号与目标的卷积叠加噪声的结果，即，其中，(x，y)表示场景Ω中，目标的位置；f(x，y)为点(x，y)处目标的散射函数；ωa为慢时间域的窗函数，表示天线方向图函数在方位向的调制；为天线方位角初始时刻；Tβ是目标在3dB天线波束宽度的驻留时间；c为电磁波传播速度；W1(τ，η)表示回波中的噪声；在操作时采用(2)的离散形式：其中，W2(τ，η)为W1(τ，η)的离散化形式。4.根据权利要求3所述的一种扫描雷达回波计算方法，其特征在于，所述步骤二：回波数据距离向脉冲压缩具体包括：构造距离向脉冲压缩处理的参考信号其中，τref表示成像区域距离向的参考时间，k表示线性调频信号的调频斜率；将sref与回波数据g2(τ，η)进行最大自相关运算，完成回波信号沿距离向脉冲压缩处理，脉冲压缩后的信号表示为：其中，B为发射信号带宽，W3(τ，η)为g2(τ，η)在进行脉冲压缩操作后引入系统的噪声。5.根据权利要求4所述的一种扫描雷达回波计算方法，其特征在于，步骤三：距离走动校正具体包括：从步骤一的分析可知，成像场景区域Ω中的点(x，y)在时刻t与雷达平台之间的斜距历史为由于距离R(x，y，t)是关于时间t的变量，本步骤目的是消除时间变量t对雷达平台与目标距离函数R(x，y，t)的影响；首先，对斜距历史R(x，y，t)在t＝0处进行泰勒级数展开，展开结果表示为：在实际应用时，由于雷达作用距离远、成像扇区小、扫描速度快，斜距历史近似表示为：又因为θ与较小，导致cosθ≈1，因此，雷达与目标的距离函数近似表示为：R(x，y，t)≈R0-Vt...

【专利技术属性】
技术研发人员：查月波，李武，兰天鸽，沙祥，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：安徽,34