一种资源优化配置的分布式雷达成像方法技术

本发明专利技术公开一种资源优化配置的分布式雷达成像方法，应用于雷达成像探测领域，针对发射机和接收机资源有限时的高分辨成像问题，本发明专利技术方法通过对分布式雷达波数域空间谱规律进行分析，导出了分布式雷达成像几何模型和空间谱信号模型；其次，通过分析测量矩阵的奇异值分布，确定信号发射带宽与雷达收发通道个数对空间谱的影响，从而得到最优的发射信号带宽和收发雷达数量；最后，基于最优的发射信号带宽和收发雷达数量重新产生系统回波与系统观测矩阵，利用截断奇异值分解算法实现分布式雷达成像；本发明专利技术的方法实现了通过降低雷达收发数量，增加系统发射信号带宽，提高分布式雷达的成像分辨率。

A distributed radar imaging method for optimal allocation of resources

【技术实现步骤摘要】
一种资源优化配置的分布式雷达成像方法
本专利技术属于雷达成像探测领域，特别涉及一种分布式雷达成像技术。
技术介绍
雷达利用电磁波的反射，能实现对目标的检测、定位、跟踪、识别。与光学成像相比，它能全天时、全天候地对目标进行成像，不受天气、遮蔽物等的影响，在远距离目标追踪、自然灾害检测等民用和军用领域都具有重要的作用。与合成孔径雷达(SAR)利用相对运动实现较大的孔径相比，分布式雷达成像可利用发射机和接收机的空间分集关系，形成较大的观测孔径。文献“XingbinHan,XiaoyongDu,WeidongHu,andWenxianYu,Theimagingprincipleandmethodbasedondistributedmulti-channelradars[C].CIEInternationalConferenceonRadar,2006,pp.696–700.”中，作者利用逆快速傅里叶变换(IFFT)方法实现波数域数据的成像，其发射及接收雷达的通道数量较多，在收发数量逐渐较少时，该类基于傅里叶变换方法的成像性能下降迅速，甚至无法获取有效信息。文献“R.BaraniukandP.Steeghs,Compressiveradarimaging[C].2007IEEERadarConference.IEEE,2007,pp.128–133.”中，作者提出了一种基于压缩感知(CS)的稀疏成像方法，该方法虽然能够在空间谱稀疏填充时获得目标的高分辨成像，但此时目标会产生off-grid问题。
技术实现思路
针对上述的发射机和接收机资源有限时的高分辨成像问题，本专利技术提出一种资源优化配置的分布式雷达成像方法。本专利技术采用的技术方案为：一种资源优化配置的分布式雷达成像方法，包括：S1、确定分布式雷达成像几何模型和空间谱信号模型；S2、基于空间谱信号模型确定最优的发射信号带宽、系统采样点数及收发雷达数量；S3、根据步骤S2得到的最优的发射信号带宽与系统采样点数，重新产生系统回波矩阵和系统观测矩阵；S4、通过对步骤S3重新生成的系统观测矩阵进行截断奇异值分解处理，得到目标散射系数；S5、根据步骤S4中的目标散射系数实现场景内目标的反演成像。进一步地，步骤S1所述的雷达成像几何模型为：M个发射机，N个接收机，第m个发射机的位置为第n个接收机的位置为目标散射点的位置为其中，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，rm表示第m个发射机到球坐标系原点的距离，θm表示第m个发射机在球坐标系中的俯仰角，表示第m个发射机在球坐标系中的方位角，rn表示第n个接收机到球坐标系原点的距离，θn表示第n个接收机在球坐标系中的俯仰角，表示第n个接收机在球坐标系中的方位角，r表示目标散射点到球坐标系原点的距离，θ表示目标散射点在球坐标系中的俯仰角，表示目标散射点在球坐标系中的方位角。更进一步地，步骤S1所述空间谱信号模型表达式为：其中，fm表示第m个发射机的发射信号载频，f为频率变量，c表示电磁波的传播速度。进一步地，步骤S2具体过程为：将空间谱信号模型表达式，通过恒等变换表示为一系列的空间谱的填充圆形式；其中，λ表示当前工作频率所对应的信号波长；表示频率采样点，ws＝1,...,WS，WS为采样点数，填充圆的半径由fm决定，填充圆的圆心由发射机方位角和接收机的方位角决定，不同填充圆之间的交点即为空间谱；在不同发射信号件不发生混叠的情况下，基于上述空间谱的填充圆形式，定义空间谱等效外接矩形面积：通过求解空间谱等效外接矩阵面积最大值，得到得到最优的发射信号的带宽B、最优的系统采样点数WS及收发雷达数量；所述收发雷达数量为：发射机个数M，接收机个数N。更进一步地，所述最优的发射信号的带宽B、最优的系统采样点数WS及收发雷达数量的计算式为：当观测矩阵最接近于方阵时，根据下式得到最优的系统采样点数WS；其中，ceil(·)表示向上取整，R表示成像场景划分的行数，L表示成像场景划分的列数。进一步地，步骤S4所述目标散射系数的计算过程为：对步骤S3重新产生的系统观测矩阵进行奇异值分解：其中，λi表示步骤S3重新产生的系统观测矩阵的奇异值，i＝1，2，...，Q，U为酉矩阵，V为酉矩阵U＝(u1,u2,...uQ)，V＝(v1,v2,...vQ)，且满足UUT＝VVT＝IQ，IQ为Q阶单位矩阵，D是由矩阵H的奇异值降序排列的对角矩阵，D＝diag(λ1,λ2,...λQ)，商标T表示转置；从Q个奇异值中选取最大的K个奇异值作为阶段奇异值参数，根据选出的K个奇异值计算目标散射系数：其中，Σ+表示Σ的广义逆，ε表示信号传播过程中产生的噪声，σ表示目标散射系数的真实值。本专利技术的有益效果：本专利技术通过优化发射信号带宽和频带内采样点数，获取最优的系统参数与采样点数，并通过截断奇异值方法，实现资源优化配置条件下的分布式雷达成像；通过本专利技术方法得到系统最优资源配置，可通过较低雷达收发数量，增加系统发射信号带宽，实现分布式雷达的高分辨成像。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为本专利技术实施例提供的分布式雷达几何模型图；图3为本专利技术实施例提供的不同系统配置的空间谱分布；其中，图3(a)为系统配置A对应的空间谱填充样式，图3(b)为系统配置B对应的空间谱填充样式；图4为本专利技术实施例提供的截断奇异值参数与发射信号带宽的关系图图5为本专利技术实施例提供的目标原始场景图；图6为本专利技术实施例提供的不同系统配置下的成像结果；其中，图6(a)为系统配置A对应的成像结果，图6(b)是系统配置B对应的成像结果。具体实施方式本专利技术中各步骤均在MATLABR2018a平台上进行了仿真。如图1所示为本专利技术的方法流程图，本专利技术的一种资源优化配置的分布式雷达成像方法，通过计算最优发射信号带宽与最佳采样点数，并根据最佳带宽与采样点数构建回波矩阵与观测矩阵，从而计算得到目标散射系数矩阵，根据目标散射系数矩阵实现场景内目标的反演。具体包括以下步骤：S1、确定分布式雷达成像几何模型和空间谱信号模型；S2、基于空间谱信号模型确定最优的发射信号带宽、系统采样点数；S3、根据步骤S2得到的最优的发射信号带宽与系统采样点数，重新产生系统回波矩阵和系统观测矩阵；S4、通过对步骤S3重新生成的系统观测矩阵进行截断奇异值分解处理，得到目标散射系数；S5、根据步骤S4中的目标散射系数实现场景内目标的反演成像。步骤S1具体为：分布式雷达成像几何模型如图2所示。设第m个发射机的位置为第n个接收机的位置为目标散射点的位置为其中分别表示发射机、接收机和目标点在球坐标系中与原点距离、俯仰角和方位角。以二维成像场景为例，设发射信号均为带宽为B(B＜＜fm)的窄带信号，第m个发射机的发射信号表达式为其中，Am(t)表示幅度包络，fm表示第m个发射机的发射信号载频，φm表示初始相位，不同的发射信号的幅度包络相互正交。第n个接收机接收到的第m个发射信号的回波为其中，Ω表示二维成像区域，表示目标散射点的位置，x,y,z分别表示目标点在三维直角坐标系中的坐标。σ(r)表示目标散射系数，τmn(r)表示发射信号发射经过目标点发射并被接收的传播延迟，εmn(t)表示传播过程中产生的噪声。经过远场近似，回波延迟可以表示为τmn(r)≈[rm-Pm(r)+本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种资源优化配置的分布式雷达成像方法，其特征在于，包括：S1、确定分布式雷达成像几何模型和空间谱信号模型；S2、基于空间谱信号模型确定最优的发射信号带宽、系统采样点数；S3、根据步骤S2得到的最优的发射信号带宽与系统采样点数，重新产生系统回波矩阵和系统观测矩阵；S4、通过对步骤S3重新生成的系统观测矩阵进行截断奇异值分解处理，得到目标散射系数；S5、根据步骤S4中的目标散射系数实现场景内目标的反演成像。

【技术特征摘要】
1.一种资源优化配置的分布式雷达成像方法，其特征在于，包括：S1、确定分布式雷达成像几何模型和空间谱信号模型；S2、基于空间谱信号模型确定最优的发射信号带宽、系统采样点数；S3、根据步骤S2得到的最优的发射信号带宽与系统采样点数，重新产生系统回波矩阵和系统观测矩阵；S4、通过对步骤S3重新生成的系统观测矩阵进行截断奇异值分解处理，得到目标散射系数；S5、根据步骤S4中的目标散射系数实现场景内目标的反演成像。2.根据权利要求1所述的一种资源优化配置的分布式雷达成像方法，其特征在于，步骤S1所述的雷达成像几何模型为：M个发射机，N个接收机，第m个发射机的位置为第n个接收机的位置为目标散射点的位置为其中，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，rm表示第m个发射机到球坐标系原点的距离，θm表示第m个发射机在球坐标系中的俯仰角，表示第m个发射机在球坐标系中的方位角，rn表示第n个接收机到球坐标系原点的距离，θn表示第n个接收机在球坐标系中的俯仰角，表示第n个接收机在球坐标系中的方位角，r表示目标散射点到球坐标系原点的距离，θ表示目标散射点在球坐标系中的俯仰角，表示目标散射点在球坐标系中的方位角。3.根据权利要求2所述的一种资源优化配置的分布式雷达成像方法，其特征在于，步骤S1所述空间谱信号模型表达式为：其中，fm表示第m个发射机的发射信号载频，f为频率变量，c表示电磁波的传播速度。4.根据权利要求3所述的一种资源优化配置的分布式雷达成像方法，其特征在于，步骤S2具体过程为：将空间谱信号模型表达式，通过恒等变换表示为一系列的空间谱的填充圆形式；其中，λ表示当前工作频率所对应的信号波长；λ＝c/(fm+f...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄钰林，徐帆云，张永伟，张永超，张寅，裴季方，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