一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法技术

本发明专利技术提出了一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法，属于雷达探测与成像领域。本发明专利技术通过边扫描‑边获取‑边处理的方式，对当前相邻相干处理间隔(CPI)的回波信号，采用快速迭代加权最小二乘估计实现多普勒波束锐化(DBS)超分辨成像，再利用相邻CPI方位回波的空间相关性，对下一CPI加权最小二乘估计结果进行递归更新，从而提升收敛速度，极大降低计算复杂度。与传统DBS成像技术相比，本发明专利技术不仅可以有效提高成像分辨率，还可以减少迭代次数，提高收敛速度，保证成像分辨率的同时，满足了成像的实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法
本专利技术属于雷达探测与成像领域，特别涉及一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法。
技术介绍
多普勒波束锐化(DBS)成像具有成像视角宽，实时性好的特点，广泛应用于地面侦察、地形测绘、飞机导航等。传统DBS成像主要基于快速傅里叶变换(FFT)谱分析方法，分辨率低下，在慢速情况下，如直升机自主着陆等应用中无法满足成像分辨率要求，因此，基于超分辨谱估计算法的DBS成像技术被广泛研究。为了提高DBS成像分辨率，现有技术中有一种DBS超分辨成像方法，该方法能够提高DBS成像分辨率，该方法需要矩阵乘法和矩阵求逆等运算，无法实现DBS实时超分辨成像；还有一种DBS超分辨成像方法，通过快速傅里叶变换和低位移秩表示，实现了矩阵快速相乘，避免了矩阵求逆，该方法虽然提高了DBS超分辨成像的运算效率，但其过多的迭代次数为实际工程应用带来运算负担。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在计算复杂度高及冗余迭代等导致无法实现DBS实时超分辨成像的缺陷，提出了一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法，通过边扫描-边获取-边处理的方式，对当前相邻相干处理间隔(CPI)的回波信号，采用快速迭代加权最小二乘估计实现DBS超分辨成像，再利用相邻CPI方位回波的空间相关性，对下一CPI加权最小二乘估计结果进行递归更新，从而提升收敛速度，极大降低计算复杂度。与传统DBS成像技术相比，本专利技术不仅可以有效提高成像分辨率，还可以实现边扫描-边成像实时信号处理。一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法，包括以下步骤：S1、获取当前相干处理间隔(Coherentprocessinterval，CPI)回波信号，对回波信号进行脉冲压缩和距离走动校正处理；S2、判断当前回波信号是否为第一个CPI序号，若当前回波信号为第一个CPI回波信号，流程进入步骤S3；否则流程进入步骤S4；S3、计算当前第一CPI回波信号的自相关矩阵，流程进入步骤S5；S4、更新前一CPI回波信号迭代收敛后的自相关矩阵得到当前CPI回波信号的自相关矩阵，流程进入步骤S5；S5、对当前CPI回波信号的自相关矩阵进行求逆运算，得到自相关矩阵的逆矩阵；S6、投影当前CPI回波信号，得到该CPI回波信号的多普勒波束锐化(Dopplerbeamsharpening，DBS)成像结果。进一步地，所述步骤S1包括以下流程：载机平台的飞行高度为H，运动方向沿X轴方向，速度为V，初始位置的波束俯仰角和水平方位角分别为和θ0，空间方位角为α0，有雷达波束以速度w对成像场景进行扫描，载机平台初始时刻与目标之间的距离为R0，则空间中一目标P(x,y)，在初始时刻，载机平台与目标的瞬时距离为其中，t为方位向慢时间变量；雷达天线发射线性调频(linearfrequencymodulation，LFM)信号，在回波信号的频域乘以脉冲压缩匹配函数和距离走动校正因子再变换到时域，其中，f为距离向频率变量，Kr为发射信号调频斜率，α为各方位目标空间方位角度，c为电磁波传播速度，经过脉冲压缩和距离走动校正后的回波信号的时域表达式为其中，τ为距离向快时间变量，σ为目标散射系数，A(θ)为天线方向图图函数在方位向的调制，B为发射线性调频信号的带宽，f0为载波频率。进一步地，所述步骤S3包括以下流程：当前CPI回波信号为第一个CPI回波信号时，将经过处理的回波信号表示为离散形式，s(m,n)表示第m个距离单元和第n个方位角单元的回波，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N，第m个距离单元的回波向量S＝[s(1,m),s(2,m),...,s(N,m)]T为其中，ak＝[ej2πk/K,ej2π2k/K,...,ej2πNk/K]T，k＝0,1...,K-1，[a1,a2,...,ak,...,aK]为多普勒相位矩阵，K为多普勒频域采样点数，T为转置运算，[σ(1,m),σ(2,m),...,σ(K,m)]T为第m个距离单元内每一个多普勒频率点的目标散射系数，e＝[e(1,m),e(2,m),...,e(N,m)]T为系统加性高斯白噪声；根据加权最小二乘准则，自相关矩阵为其中，表示初始迭代时，第一个CPI的自相关矩阵；n＝0,1,...,N-1，*表示共轭运算，且n的其值范围为-N+1,...,-1,0,1,...,N-1，通过k点快速傅里叶变换(FFT)得到p的初始值，R的首行向量通过IFFT得到，根据自相关矩阵R具有Hermitian特征和Toeplitz矩阵结构，可通过一行元素的计算，获得自相关矩阵的计算结果；根据协方差矩阵和自相关矩阵的关系Qk＝R-pkak(ak)H，及矩阵求逆原理，得到σk的最优估计其中，且P＝diag(p)，pk＝||σk||2表示在频率网格点2πk/K处的功率估计值，每一次迭代更新pk。进一步地，所述步骤S4包括以下流程：根据所述步骤S3，当迭代加权最小二乘估计到收敛时，相邻迭代的自相关矩阵有其中，表示第i次迭代后，第n-1个CPI的自相关矩阵，i＝1,...,ξ，n＝2,...,N；根据相邻CPI回波信号的空间相关性，从第二个CPI起，对回波信号处理序列中散射系数的初始化可迭代更新为其中，表示第i次迭代后，第n-1个CPI的最终散射系数，n＝2,...,N；第n个CPI的自相关矩阵的初值可迭代更新为其中，为第n个CPI的自相关矩阵的迭代初始值。进一步地，所述步骤S5包括以下流程：通过对角加载对自相关矩阵进行处理从而保持矩阵满秩，更新后自相关矩阵表示为其中，I为单位矩阵，λ为正则化参数；采用Gohberg-Semencul分解算法，更新后的自相关矩阵的逆矩阵表示为其中，L(u,Z)＝(u,Du,D2u,...,DN-1u)，D为转移矩阵，且有根据自相关矩阵特性，利用Levinson-Durbin算法求得向量u和根据式直接计算自相关矩阵的逆矩阵R'-1；根据分子为对R'-1S做FFT处理，分母为通过Toeplitz矩阵向量运算可获取ρ的值，对ρ做IFFT变换，可获得分母的值；最终计算得到第一次迭代的值；相邻迭代归一化相对误差为其中，为L2范数，归一化相对误差门限设置为Δσ，当相邻迭代结果的归一化误差小于误差门限值，即迭代收敛，获得该次CPI的结果。进一步地，所述步骤S6包括以下流程：根据设定的归一化相对误差门限Δσ判断了迭代是否收敛，得到在回波信号距离-多普勒域中的运算结果，沿多普勒频率方向，根据目标成像区域的回波多普勒分布范围，投影该CPI回波成像结果至回波距离-方位域，获得该CPI回波信号的DBS成像结果。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法，根据机载扫描雷达回波录取规律，基于DBS成像中相邻CPI回波之间的空间相关性，用前一个CPI回波的自相关矩阵更新当前CPI回波自相关矩阵的迭代初始值，此时可避免自相关矩阵的运算，接着采用Levinson-Durbin算法、Toeplitz矩阵与向量快速相乘完成自相关矩阵快速求逆，实现目标散射系数的快速估计。本专利技术可以减少迭代次数，提高收敛速度，在保证成像分辨率的同时，满足了成像的实时性。附图说明图1为本专利技术实施例提供的流程图。图2为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取当前相干处理间隔(Coherent process interval，CPI)回波信号，对回波信号进行脉冲压缩和距离走动校正处理；S2、判断当前回波信号是否为第一个CPI序号，若当前回波信号为第一个CPI回波信号，流程进入步骤S3；否则流程进入步骤S4；S3、计算当前第一CPI回波信号的自相关矩阵，流程进入步骤S5；S4、更新前一CPI回波信号迭代收敛后的自相关矩阵得到当前CPI回波信号的自相关矩阵，流程进入步骤S5；S5、对当前CPI回波信号的自相关矩阵进行求逆运算，得到自相关矩阵的逆矩阵；S6、投影当前CPI回波信号，得到该CPI回波信号的多普勒波束锐化(Doppler beam sharpening，DBS)成像结果。

【技术特征摘要】
1.一种机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取当前相干处理间隔(Coherentprocessinterval，CPI)回波信号，对回波信号进行脉冲压缩和距离走动校正处理；S2、判断当前回波信号是否为第一个CPI序号，若当前回波信号为第一个CPI回波信号，流程进入步骤S3；否则流程进入步骤S4；S3、计算当前第一CPI回波信号的自相关矩阵，流程进入步骤S5；S4、更新前一CPI回波信号迭代收敛后的自相关矩阵得到当前CPI回波信号的自相关矩阵，流程进入步骤S5；S5、对当前CPI回波信号的自相关矩阵进行求逆运算，得到自相关矩阵的逆矩阵；S6、投影当前CPI回波信号，得到该CPI回波信号的多普勒波束锐化(Dopplerbeamsharpening，DBS)成像结果。2.如权利要求1所述的机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下流程：载机平台的飞行高度为H，运动方向沿X轴方向，速度为V，初始位置的波束俯仰角和水平方位角分别为和θ0，空间方位角为α0，有雷达波束以速度w对成像场景进行扫描，载机平台初始时刻与目标之间的距离为R0，则空间中一目标P(x,y)，在初始时刻，载机平台与目标的瞬时距离为其中，t为方位向慢时间变量；雷达天线发射线性调频(linearfrequencymodulation，LFM)信号，在回波信号的频域乘以脉冲压缩匹配函数和距离走动校正因子再变换到时域，其中，f为距离向频率变量，Kr为发射信号调频斜率，α为各方位目标空间方位角度，c为电磁波传播速度，经过脉冲压缩和距离走动校正后的回波信号的时域表达式为其中，τ为距离向快时间变量，σ为目标散射系数，A(θ)为天线方向图图函数在方位向的调制，B为发射线性调频信号的带宽，f0为载波频率。3.如权利要求2所述的机载雷达实时多普勒波束锐化超分辨成像方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下流程：当前CPI回波信号为第一个CPI回波信号时，将经过处理的回波信号表示为离散形式，s(m,n)表示第m个距离单元和第n个方位角单元的回波，m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N，第m个距离单元的回波向量S＝[s(1,m),s(2,m),...,s(N,m)]T为其中，ak＝[ej2πk/K,ej2π2k/K,...,ej2πNk/K]T，k＝0,1...,K-1，[a1,a2,...,ak,...,aK]为多普勒相位矩阵，K为多普勒频域采样点数，T为转置运算，[σ(1,m),σ(2,m),...,σ(K,m)]T为第m个距离单元内每一个多普勒频率点的目标散射系数，e＝[e(1,m),e(2,m),....

【专利技术属性】
技术研发人员：张永超，毛德庆，康瑶，徐帆云，庹兴宇，张启平，张寅，黄钰林，杨建宇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51