一种实波束扫描雷达前视角超分辨成像方法技术

本发明专利技术公开了一种实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，属于一种使用成像区域散射系数的全变差泛函作为先验信息的解卷积实现扫描雷达前视角超分辨成像方法。本发明专利技术中将扫描雷达方位向回波信号建模为天线波束沿方位向采样序列与目标反射率分布函数沿方位向采样序列的卷积并叠加噪声的结果，从而将扫描雷达前视角超分辨成像问题转化成解卷积问题；然后，融合成像区域散射系数的全变差泛函，作为解卷积问题的先验信息，将解卷积问题转化为约束优化问题；最后，使用交叉方向迭代法求解约束优化问题的全局最优值，实现扫描雷达前视角超分辨成像。

Front view super resolution imaging method of real beam scanning radar

The invention discloses a radar beam scanning angle before super resolution imaging method, which belongs to a regional scattering coefficient of total variation of functional imaging as a priori information of the deconvolution scanning radar angle super-resolution imaging method before. The invention of the scanning radar azimuth echo signal modeling for the antenna beam to the sampling sequence and the target reflectance distribution function along the azimuth sampling sequence and convolution noise results along the azimuth, the former perspective scanning radar super-resolution imaging problem into the deconvolution problem; then, the total variation functional fusion region scattering imaging as the deconvolution problem of prior information, the deconvolution problem into a constrained optimization problem; finally, the use of cross direction iterative method for solving global optimal constrained optimization problems, realize the former perspective of super resolution imaging scanning radar.

【技术实现步骤摘要】
一种实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法
本专利技术涉及一种成像方法，尤其涉及一种实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法。
技术介绍
雷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、地形跟随、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高分辨成像。实波束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回波信号，实现前视探测区域的二维高分辨成像。扫描雷达的角分辨率为其中，∝表示正比关系，l是发射信号波长，D表示天线孔径尺寸。由此可知，扫描雷达角分辨率受发射信号波长和天线孔径的制约。所以，增加雷达天线尺寸或降低信号波长，提高雷达角分辨率。然而，上述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，需要寻找新的成像途径，突破系统参数对雷达角分辨率的限制，实现雷达前视方位向高分辨成像。
技术实现思路
为解决面目标雷达角超分辨成像时边缘模糊的技术问题，本专利技术提供一种实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法。本专利技术的解决方案是：一种实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，其包括以下步骤：步骤一：扫描雷达回波建模，基于置有雷达的机载平台与场景中目标的几何关系建立前视扫描雷达的运动几何模型以获取回波数据；步骤二：回波数据距离向脉冲压缩，构造距离向脉压参考信号；再将该距离向脉压参考信号与该回波数据进行最大自相关运算，实现该回波数据在距离向的脉冲压缩；步骤三：距离走动校正，消除时间变量对机载平台与目标的距离函数的影响；步骤四：扫描雷达角超分辨成像问题的数学表征，目标反射率分布函数的方位采样序列与天线波束方位采样序列的线性卷积，并叠加噪声的结果，将扫描雷达角超分辨成像问题转化成对应的卷积反演问题，通过求解卷积反演的问题实现扫描雷达角超分辨成像；步骤五：交叉方法迭代解卷积，将目标信息由数据域投影到图像域，实现扫描雷达角超分辨成像。作为上述方案的进一步改进，在步骤一中，令载机平台的移动速度为V；雷达天线的扫描速度为ω；雷达的波束俯仰角为θ；目标的方位角为记发射信号的载频为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，载机平台与场景中位于(x,y)点处目标的距离，记为R(x,y,t)；此时目标到雷达的斜距表示为作为上述方案的进一步改进，对距离向和方位向进行了离散处理；其中，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为距离向采样率；设雷达发射信号为其中，表示矩形信号，其定义为Tp为发射脉冲持续时间，k为调频斜率，t是快时间；对于成像区域Ω，回波数据表示为发射信号与目标的卷积加上噪声的结果，其解析表达式写成：其中，(x,y)为场景中目标的位置；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；N1(τ,η)表示回波数据中的噪声；将式(1)表示成离散形式为：其中，N2(τ,η)为N1(τ,η)的离散化形式。作为上述方案的进一步改进，步骤二中：构造距离向脉压参考信号其中，τref表示距离向参考时间，k表示发射信号调频斜率；再将sref与回波数据g2(τ,η)进行最大自相关运算，实现回波数据在距离向的脉冲压缩，脉冲压缩后的信号表示为下式：其中，B为发射信号带宽，N3(τ,η)为g2(τ,η)在进行脉冲压缩操作后引入系统的噪声。作为上述方案的进一步改进，步骤三中：对斜距历史R(x,y,t)在t＝0处进行泰勒级数展开，得到雷达平台与目标的距离函数简化为：R(x,y,t)≈R0-Vt；其中，机载平台的移动速度V、时间t通过惯导设备获取。作为上述方案的进一步改进，对数据g3(τ,η)进行尺度变换，得到数据平面内，消除距离徙动后的回波信号表达式如下：其中，N4(τ,η)为g3(τ,η)进行距离走动校正操作后引入系统的总噪声。作为上述方案的进一步改进，步骤四中：首先将式(4)转化成矩阵与向量的运算形式；即g＝Hf+n(5)其中，上标T表示转置运算；式(5)中的卷积矩阵H结构如下：其中，矩阵H是一个NrNa×NrNa的矩阵；H是由Nr个Na×Na的Toeplitz矩阵Hi(i＝1,2…Nr)构成。作为上述方案的进一步改进，Hi的构造方法如下：假设在第i(i＝1,2,…Nr)个距离向，对应的天线波束采样序列为其中，表示对天线波束主瓣自左向右的第k个采样点，由式(7)中的h(i)，可构建矩阵Hi为在解卷积过程中，使用了f的全变差泛函作为先验信息，因此，求解式(5)中f的问题可转化为下列约束优化问题：其中，ε表示误差门限，根据凸优化理论，约束优化问题式(9)的全局最优解与的全局最优解是相同的，其中，无约束优化问题式(10)中的μ＞0，表示权重系数。作为上述方案的进一步改进，引入新变量yi替换变量Dif(i＝1,2,…M)，将无约束优化问题式(10)投影为高维空间中的约束优化问题：通过优化问题从低维空间到高维空间的投影，实现了目标函数中变量f的分离；在求式(11)最优值时，将式(11)中的约束条件yi＝Dif(i＝1,2,…M)融合到目标函数中，实现yi＝Dif(i＝1,2,…M)对目标函数全局最优值的约束作用，因此，式(11)对应的增广拉格朗日函数为其中，λi表示拉格朗日乘子的第i个分量；β表示惩罚系数。作为上述方案的进一步改进，首先，选取初始迭代值fk和λk作为迭代初始值，按照下列顺序依次求解各变量的最小值其中，式(13)中的LA(f,y,λ)如式(12)定义；求解式(13)中变量y的最小值问题的策略是分别根据给定的迭代初始变量fk,λk，对变量y中的分量yi(i＝1,2,…M)求最小值，使得变量y的最小值问题转化为：已知其中，表示点乘，sgn表示符号算子，在计算式(15)的时候，规定在获取式(15)对应的最小值yk+1和给定的λk初始值的基础上，求解式(13)中关于变量f的最小值问题表示为：在求解式(16)中关于变量f的最小值问题时，对目标函数求关于变量f的梯度并令计算结果等于零，然后经移向处理，变量f的最小值问题转化为最后，按照式(13)中给出的策略，对变量λ进行更新，即，λk+1＝λk-β(yk+1-Dfk+1)(18)当满足迭代终止条件时，根据式(17)得到的f，将目标信息由数据域投影到图像域，实现扫描雷达角超分辨成像。本专利技术将雷达方位向回波序列建模为天线波束沿方位采样序列与目标反射率分布函数的沿方位采样序列的线性卷积并叠加噪声的结果。在此基础上，使用本专利技术提出的解卷积方法，反演出成像区域目标反射率分布，实现扫描雷达前视角超分辨成像。本专利技术的创新点在于：将前视扫描雷达本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤一：扫描雷达回波建模基于置有雷达的机载平台与场景中目标的几何关系建立前视扫描雷达的运动几何模型以获取回波数据；步骤二：回波数据距离向脉冲压缩构造距离向脉压参考信号；再将该距离向脉压参考信号与该回波数据进行最大自相关运算，实现该回波数据在距离向的脉冲压缩；步骤三：距离走动校正消除时间变量对机载平台与目标的距离函数的影响；步骤四：扫描雷达角超分辨成像问题的数学表征目标反射率分布函数的方位采样序列与天线波束方位采样序列的线性卷积，并叠加噪声的结果，将扫描雷达角超分辨成像问题转化成对应的卷积反演问题，通过求解卷积反演的问题实现扫描雷达角超分辨成像；步骤五：交叉方法迭代解卷积将目标信息由数据域投影到图像域，实现扫描雷达角超分辨成像。

【技术特征摘要】
1.一种实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤一：扫描雷达回波建模基于置有雷达的机载平台与场景中目标的几何关系建立前视扫描雷达的运动几何模型以获取回波数据；步骤二：回波数据距离向脉冲压缩构造距离向脉压参考信号；再将该距离向脉压参考信号与该回波数据进行最大自相关运算，实现该回波数据在距离向的脉冲压缩；步骤三：距离走动校正消除时间变量对机载平台与目标的距离函数的影响；步骤四：扫描雷达角超分辨成像问题的数学表征目标反射率分布函数的方位采样序列与天线波束方位采样序列的线性卷积，并叠加噪声的结果，将扫描雷达角超分辨成像问题转化成对应的卷积反演问题，通过求解卷积反演的问题实现扫描雷达角超分辨成像；步骤五：交叉方法迭代解卷积将目标信息由数据域投影到图像域，实现扫描雷达角超分辨成像。2.如权利要求1所述的实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，其特征在于：在步骤一中，令载机平台的移动速度为V；雷达天线的扫描速度为ω；雷达的波束俯仰角为θ；目标的方位角为记发射信号的载频为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，载机平台与场景中位于(x,y)点处目标的距离，记为R(x,y,t)；此时目标到雷达的斜距表示为3.如权利要求2所述的实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，其特征在于：对距离向和方位向进行了离散处理；其中，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为距离向采样率；设雷达发射信号为其中，表示矩形信号，其定义为Tp为发射脉冲持续时间，k为调频斜率，t是快时间；对于成像区域Ω，回波数据表示为发射信号与目标的卷积加上噪声的结果，其解析表达式写成：其中，(x,y)为场景中目标的位置；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；N1(τ,η)表示回波数据中的噪声；将式(1)表示成离散形式为：其中，N2(τ,η)为N1(τ,η)的离散化形式。4.如权利要求3所述的实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，其特征在于：步骤二中：构造距离向脉压参考信号其中，τref表示距离向参考时间，k表示发射信号调频斜率；再将sref与回波数据g2(τ,η)进行最大自相关运算，实现回波数据在距离向的脉冲压缩，脉冲压缩后的信号表示为下式：其中，B为发射信号带宽，N3(τ,η)为g2(τ,η)在进行脉冲压缩操作后引入系统的噪声。5.如权利要求4所述的实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，其特征在于：步骤三中：对斜距历史R(x,y,t)在t＝0处进行泰勒级数展开，得到雷达平台与目标的距离函数简化为：R(x,y,t)≈R0-Vt；其中，机载平台的移动速度V、时间t通过惯导设备获取。6.如权利要求5所述的实波束扫描雷达前视角超分辨率成像方法，其特征在于：对数据g3(τ,η)进行尺度变换，得到数据平面内，消除距离徙动后的回波信号表达式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：查月波，罗健，沙祥，王月，刘露，
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