一种适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法，包括如下步骤：首先，建立存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型；对存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型进行稀疏信号表示；然后，根据时变雷达回波模型的稀疏信号表示形式，将对存在遮挡效应的旋转目标的成像过程转化为2维Fused Lasso模型的稀疏优化过程，并利用凸优化工具包CVX求解2维Fused Lasso模型的稀疏优化过程，得到稀疏后向散射强度矩阵B的估计矩阵最后，取估计矩阵中各行的最大值构成等效后向散射强度向量，即实现成像。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法
本专利技术属于雷达成像
，涉及一种适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法，可用于对存在遮挡效应的旋转目标进行成像。
技术介绍
多普勒成像方法能够提供目标在距离维和横向距离维的精确信息，是实现对3维旋转目标进行2维成像的一种常用方法。针对不同的旋转目标设计有效的多普勒成像方法在实际应用中具有重要意义。例如，对太空碎片进行多普勒成像是空间碎片监测系统中的关键技术之一。目前，随着人类空间活动的日益频繁，空间碎片的数量也在与日俱增，已成为了外太空中极具危害的一种污染源。它们不仅拥有庞大的数量，还具有很高的运动速度，通常在近地轨道上能够达到10km/s，从而极易与在轨飞行器发生碰撞，导致大灾难的发生。有效的太空碎片多普勒成像在防撞指示、碰撞程度预测以及碎片的回收清理等工作中均具有重要的指导意义。在多普勒成像过程中，目标的雷达回波在整个观测时间段内都被看作位于单个距离单元内，并且被一系列的雷达发射脉冲序列采样。根据散射中心模型理论，多普勒成像的关键在于估计目标上主要散射中心的位置和后向散射强度，并且估计精度需要尽可能地高。仅用多普勒信息的传统单快拍成像方法，其假设在整个成像过程中观测目标上所有散射中心始终对于雷达是可见的。但在实际中，当目标的自旋轴与雷达视线不一致时，会导致目标上的部分散射中心在部分观测间隔内对于雷达是不可见的，即遮挡效应，此时的遮挡效应相当于对目标在方位向进行了非均匀采样，这个因素在已有成像算法中没有被涉及到。一般而言，雷达成像的过程可看作是由测量场景的电磁散射信号来反推场景信息的过程。根据雷达成像的数学模型，可以将雷达成像的过程看成是一个逆问题。由于遮挡效应的存在，测量数据的信息量通常是有限的，无法满足人们对场景信息详细程度的要求。所以，上述逆问题是病态的，无法通过经典的最小二乘估计方法得以很好地解决。传统的多普勒成像方法通过对最小二乘估计中不可逆或不稳定的部分作近似处理来实现成像，但代价是具有一定的主瓣宽度和旁瓣效应，即造成场景图像中的细节信息有所损失。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法，可实现对存在遮挡效应的旋转目标进行成像，并且能够自适应地估计遮挡区域。本专利技术的实现思路是：将对存在遮挡效应的旋转目标进行多普勒成像的过程看作是求解一个逆问题的过程，利用目标上的散射中心是稀疏分布的(观测场景具有一定的稀疏性)以及目标上各个散射中心的后向散射现象随时间缓慢变化(慢变)这两个假设，在多普勒成像过程中增加相应的稀疏约束，将病态的逆问题转化成良态的2维FusedLasso模型来求解，从而实现成像。为达到上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。一种适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型；步骤2，对存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型进行稀疏信号表示；步骤3，根据时变雷达回波模型的稀疏信号表示形式，将对存在遮挡效应的旋转目标的成像过程转化为2维FusedLasso模型的稀疏优化过程；步骤4，利用凸优化工具包CVX来求解2维FusedLasso模型的稀疏优化过程，得到稀疏后向散射强度矩阵B的估计矩阵步骤5，取估计矩阵中各行的最大值构成等效后向散射强度向量，即实现成像。本专利技术的有益效果是：将对存在遮挡效应的旋转目标进行多普勒成像的过程看作是求解逆问题的过程，利用目标上的散射中心是稀疏分布的以及目标上各个散射中心的后向散射现象具有慢变特性这两个假设，在多普勒成像过程中引入稀疏约束，将病态的逆问题转化成良态的2维FusedLasso模型来求解，从而实现对存在遮挡效应的旋转目标的多普勒成像，同时自适应地估计目标的遮挡区域。附图说明下面结合附图说明和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1是本专利技术的流程图。图2是用本专利技术对不同遮挡比例下的旋转目标的成像结果图，其中：图2a是本专利技术对遮挡比例为30％的旋转目标的成像结果图；图2b是本专利技术对遮挡比例为60％的旋转目标的成像结果图；图2c是本专利技术对遮挡比例为90％的旋转目标的成像结果图；图2d是本专利技术对遮挡比例为95％的旋转目标的成像结果图。图3是本专利技术对不同信噪比下遮挡比例为50％的旋转目标的成像结果图，其中：图3a是本专利技术对20dB信噪比下遮挡比例为50％的旋转目标的成像结果图；图3b是本专利技术对15dB信噪比下遮挡比例为50％的旋转目标的成像结果图；图3c是本专利技术对10dB信噪比下遮挡比例为50％的旋转目标的成像结果图。图4是电磁仿真的目标模型示意图。图5是电磁仿真目标的一维高分辨距离像随时间的变化图。图6是本专利技术对电磁仿真数据的成像结果图。具体实施方式参照图1，本专利技术的适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法，包括以下步骤：步骤1，建立存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型。假设旋转目标由K个散射中心构成，当宽带雷达带宽的距离分辨率大于目标尺寸时，旋转目标上各个散射中心的雷达子回波都被看作是来自于同一个距离单元。未考虑遮挡效应时，旋转目标的各次雷达回波均为目标上K个散射中心的雷达子回波的线性叠加。因此，未考虑遮挡效应的旋转目标的第n次雷达回波s(n)可表示为：其中，Ak是第k个散射中心的后向散射系数，λ是雷达发射波波长，ω为旋转目标的旋转角速度，Fr是雷达脉冲重复频率，rk和θk分别为第k个散射中心的半径和起始角度，N为雷达回波次数。考虑到噪声的影响，根据式(1)可以将未考虑遮挡效应的旋转目标的N次雷达回波表示为s＝Φα+w(2)其中，s＝[s(0),s(1),...,s(N-1)]T表示未考虑遮挡效应的旋转目标的雷达回波向量，上标T为转置，Φ为N×K维矩阵，该矩阵中第n+1行第k列元素为(Φ)(n+1)k＝exp[-j4πrksin(θk+n(ω/Fr))/λ]，α为K维后向散射强度向量，α＝[A1,A2,...,AK]T，w为复高斯噪声。对于未考虑遮挡效应的情况，各个时刻的雷达回波均为目标上所有散射中心雷达子回波的线性叠加。实际上，当目标作旋转运动时，目标体上部分区域被遮挡而且被遮挡的区域是在不停地变换着的。具体来说，在不同的观测时刻，目标上的散射中心轮流进入遮挡区。进入遮挡区的散射中心对目标的雷达回波是没有贡献的，即这些散射中心的雷达子回波为零。因此，每个时刻的雷达回波是动态变化的，是未被遮挡的散射中心的雷达子回波的线性叠加。对应地，式(2)中的后向散射强度向量α随时间是动态变化的，各个时刻的后向散射强度向量α中仅有部分元素为非零值。此时，遮挡效应相当于对目标在方位向进行了非均匀采样。根据存在遮挡效应时后向散射强度向量α的动态变化特性及式(2)，可得到存在遮挡效应的旋转目标在第t时刻的雷达回波so(t)为：so(t)＝φtαt+wt,t＝0,...,N-1(3)其中，φt为矩阵Φ的第t+1行，αt为第t时刻的后向散射强度向量，wt为第t时刻的复高斯噪声。令so＝[so(0),so(1),…,so(N-1)]T，so表示存在遮挡效应的旋转目标的雷达回波向量，后向散射强度矩阵A由各个时刻的后向散射强度向量构成，A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型；步骤2，对存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型进行稀疏信号表示；步骤3，根据时变雷达回波模型的稀疏信号表示形式，将对存在遮挡效应的旋转目标的成像过程转化为2维Fused Lasso模型的稀疏优化过程；步骤4，利用凸优化工具包CVX来求解2维Fused Lasso模型的稀疏优化过程，得到稀疏后向散射强度矩阵B的估计矩阵步骤5，取估计矩阵中各行的最大值构成等效后向散射强度向量，即实现成像。

【技术特征摘要】
1.一种适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型；步骤2，对存在遮挡效应的旋转目标的时变雷达回波模型进行稀疏信号表示；步骤3，根据时变雷达回波模型的稀疏信号表示形式，将对存在遮挡效应的旋转目标的成像过程转化为2维FusedLasso模型的稀疏优化过程；其中，所述2维FusedLasso模型描述为：其中，稀疏后向散射强度矩阵B由各时刻的稀疏后向散射强度向量βt，t＝0，…，N-1构成；Bm，l表示第(l-1)时刻第m个可能散射中心的稀疏后向散射强度；τ1和τ2分别为任一时刻的稀疏后向散射强度向量β的稀疏度控制参数及光滑性控制参数；步骤4，利用凸优化工具包CVX来求解2维FusedLasso模型的稀疏优化过程，得到稀疏后向散射强度矩阵B的估计矩阵步骤5，取估计矩阵中各行的最大值构成等效后向散射强度向量，即实现成像。2.如权利要求1所述的适用于存在遮挡效应的旋转目标稀疏多普勒成像方法，其特征在于，所述步骤1的具体子步骤为：假设旋转目标由K个散射中心构成，当宽带雷达带宽的距离分辨率大于目标尺寸时，旋转目标上各个散射中心的雷达子回波都被看作是来自于同一个距离单元；因此，未考虑遮挡效应的旋转目标的第n次雷达回波s(n)可表示为其中，Ak是第k个散射中心的后向散射系数，λ是雷达发射波波长，ω为旋转目标的旋转角速度，Fr是雷达脉冲重复频率，rk和θk分别为第k个散射中心的半径和起始角度，N为雷达回波次数；考虑到噪声的影响，根据式(1)可以将未考虑遮挡效应的旋转目标的N次雷达回波表示为s＝Φα+w(2)其中，s＝[s(0)，s(1)，...，s(N-1)]T表示未考虑遮挡效应的旋转目标的雷达回波向量，上标T为转置，Φ为N×K维矩阵，该矩阵中第n+1行第k列元素为(Φ)(n+1)k＝exp...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴奉周，刘宏伟，洪灵，
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