一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法，具体包括以下步骤：步骤一、补偿提出；步骤二、关系推导；步骤三、补偿校正；步骤四、成像处理；步骤五、全孔径成像，本发明专利技术涉及雷达成像技术领域。该基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法，通过各子孔径的图像经过相参积累后，在各散射点图像的中心像素处，其强度由于同相相加而得到增强、周围像素点的强度因为正负抵消而变弱，即相对于各子孔径图像，合成图像中各散射体的图像亮点在速度方向上变得更窄，从而使得侧向分辨力得以提高，且能够达到全孔径相参积累的名义侧向距离分辨力，有效获得高分辨率的目标图像，提高成像效果。提高成像效果。提高成像效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法


[0001]本专利技术涉及雷达成像
，具体为一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法。

技术介绍

[0002]为了提升合成宽带成像制导雷达在超/高超声速应用情况下的目标探测、低截获以及抗干扰能力，高重频随机跳频合成宽带波形已开始应用，在高超声速应用中，由于雷达平台的高速运动，在目标回波信号中存在严重的距离—多卜勒耦合。在随机跳频情况下，雷达信号频率在每个合成宽带帧内的脉间变化是随机的，距离—多卜勒耦合相位项与脉冲周期序号之间的关系是随机/非线性的，距离—多卜勒耦合将导致目标距离像的严重散焦/模糊，影响到目标的成像、探测与识别。
[0003]基于广义二维匹配滤波以及多卜勒前置处理，提出了短积累时间、高超声速应用、随机跳频合成宽带情况下的距离—多卜勒二维成像以及多速度通道一维距离成像算法，在短积累时间情况下，目标的相对运动可以用匀速直线运动来近似；如果目标的距离走动不超过一个采样单元对应的距离宽度则根据跳频雷达的典型参数设计，通过各采样点片段图像的拼接，可以自动实现跨采样单元距离走动的自动校正以及信号能量的相参积累，但是，为了获得较高的侧向距离分辨能力，通常需要相对较长的成像积累时间，在高超声速应用情况下，目标在积累时间内的距离走动可能会达到几个甚至几十个采样单元所对应的距离宽度，且目标的相对运动也不能用匀直运动来描述；因此，高超声速应用/长积累时间/随机跳频体制情况下的高分辨率成像是需要解决的问题。
[0004]针对常规的宽带(瞬时宽带或步进频率合成宽带)成像体制，研究了长积累时间情况下的高分辨成像问题，子孔径合成成像方法是常用的方法，该方法可以避免目标散射系数在全孔径内的变化所引起的成像质量的下降，且利于流水线实时并行处理，并可以获得全孔径长度所对应的侧向距离分辨力。
[0005]在雷达成像中，为了获得高的侧向距离分辨能力，需要较长的成像积累时间；在高超声声速前斜视成像应用中，由于平台与目标之间的高速相对运动，目标在积累时间内存在大范围的跨采样单元移动；对于随机跳频合成宽带成像雷达，由于平均跳频间隔的限制，难以在全孔径内通过各采样点片段图像的拼接实现跨大范围跨采样单元移动情况下的自动包络对齐与相参积累，为此，特提出一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法，将子孔径合成成像的基本原理应用于随机跳频合成宽带雷达，通过基于惯导信息的加速度补偿、合理的子孔径划分、亚像素级距离走动情况下的子孔径成像、子孔径合成及相参积累可以有效实现高超声速/长积累时间/随机跳频合成宽带情况下的距离—多卜勒二维成像，可以有效获得高分辨率的目标图像，提高成像效果。

技术实现思路

[0006](一)解决的技术问题
[0007]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法，解决了上述的问题。
[0008](二)技术方案
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法，具体包括以下步骤：
[0010]步骤一、补偿提出：提出了一种基于多普勒预处理的距离
‑
多普勒成像方法用于子孔径成像，以补偿随机跳频引起的特殊距离多普勒耦合效应；
[0011]步骤二、关系推导：推导最佳子孔径长度与平均随机跳频间隔之间的关系，以便将全孔径更为合理地划分为若干子孔径；
[0012]步骤三、补偿校正：在长时间积累情况下的子孔径合成成像中，根据惯导信息在各子孔径内进行加速度补偿，并自动对子孔径内测距校正；
[0013]步骤四、成像处理：针对不同的速度通道的目标计算其在子孔径间的像素级及亚像素级距离走动偏移量，并根据亚像素级偏移量在各子孔径内进行距离插值与成像处理；
[0014]步骤五、全孔径成像：根据像素级偏移量对各子孔径图像进行包络对齐与相参积累，得到全孔径图像。
[0015]通过采用上述技术方案，有效获得高分辨率的目标图像，提高成像效果。
[0016]本专利技术进一步设置为：所述步骤一中多普勒预处理的距离
‑
多普勒成像方法具体包括以下步骤：
[0017]S11、合成复帧：
[0018]设T为每个合成宽带帧的跳频点数，T为脉冲重复周期，t为脉冲宽度，将M个合成宽带帧组合成一个复帧，RFH雷达的发射信号在每个传输的复帧表示为：
[0019][0020]其中m为复帧中帧的序号(m＝0，1，...M
‑
1)，n为每帧脉冲周期序号，t
mn
是一个时间变量，从第m帧的第n个周期的开始时间开始，f
m
为第m帧信号的基频，在天线带宽内随机变化；Δf
d
是由直接数字合成器DDS的最小量化电平决定的最小跳频间隔，i
mn
是一个整数，它是根据一定的RFH模式在集合[0,1,2,
···
,ΔF/Δf
d
‑
1]中随机选择的(同一帧内不能出现相同的值)，其中ΔF为每帧的合成带宽，f
m
+Δf
d
i
mn
为第m帧第n周期传输信号的载频，A为信号幅值，是由DDS控制的随机初始相位，能够被相干接收抵消，Re{.}表示复数的实部。
[0021]S12、接受/采样回波信号，构建HVB雷达成像几何模型：
[0022]在高脉冲重复频率HPRF情况下，来自海面雷达波束主瓣照射区域的回波延迟τ
H
远大于T，T适当设计以满足n
s
T＜τ
H
＜(n
s
+1)T，其中n
s
是整数，假设每个接收复帧都滞后于发送复帧n
s
周期，并且每个周期在接收复帧中重新编号(n|m)，通过使用n
s
周期延迟的RFH模式构建本地参考信号，在cn
s
T/2
‑
c(n
s
+1)T/2范围内的散射回波被相干接收和采样，采样间隔等于脉宽τ，每个周期的采样点总数为K＝INT(T/τ)(这里表示向下取整)，以每个周期的开始时间为基准，对应的采样时间为τ，2τ，
…
，Kτ；分别被编号为k＝0,1,...,K
‑
1，其中k为采样单元编号，对于选定范围内的任意点散射，根据雷达原理，接收/采样的回波信号表示为：
[0023]x(n|m，k)＝Aexp{j2π[(f
m
+Δf
d
i
mn
)2R
mnk
/c]}
[0024]其中2R
mnk
/c是回波信号相对于本地参考信号的延迟时间，R
mnk
是第m个接收复帧的第n个周期的第k个采样时间散射的模糊范围，即：
[0025]R
mnk
＝R
′...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、补偿提出：提出了一种基于多普勒预处理的距离
‑
多普勒成像方法用于子孔径成像，以补偿随机跳频引起的特殊距离多普勒耦合效应；步骤二、关系推导：推导最佳子孔径长度与平均随机跳频间隔之间的关系，以便将全孔径更为合理地划分为若干子孔径；步骤三、补偿校正：在长时间积累情况下的子孔径合成成像中，根据惯导信息在各子孔径内进行加速度补偿，并自动对子孔径内测距校正；步骤四、成像处理：针对不同的速度通道的目标计算其在子孔径间的像素级及亚像素级距离走动偏移量，并根据亚像素级偏移量在各子孔径内进行距离插值与成像处理；步骤五、全孔径成像：根据像素级偏移量对各子孔径图像进行包络对齐与相参积累，得到全孔径图像。2.根据权利要求1所述的一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法，其特征在于：所述步骤一中多普勒预处理的距离
‑
多普勒成像方法具体包括以下步骤：S11、合成复帧：设T为每个合成宽带帧的跳频点数，T为脉冲重复周期，t为脉冲宽度，将M个合成宽带帧组合成一个复帧，RFH雷达的发射信号在每个传输的复帧表示为：其中m为复帧中帧的序号(m＝0，1，...M
‑
1)，n为每帧脉冲周期序号，t
mn
是一个时间变量，从第m帧的第n个周期的开始时间开始，f
m
为第m帧信号的基频，在天线带宽内随机变化；Δf
d
是由直接数字合成器DDS的最小量化电平决定的最小跳频间隔，i
mn
是一个整数，它是根据一定的RFH模式在集合[0,1,2,
…
,ΔF/Δf
d
‑
1]中随机选择的(同一帧内不能出现相同的值)，其中ΔF为每帧的合成带宽，f
m
+Δf
d
i
mn
为第m帧第n周期传输信号的载频，A为信号幅值，是由DDS控制的随机初始相位，能够被相干接收抵消，Re{.}表示复数的实部。S12、接受/采样回波信号，构建HVB雷达成像几何模型：在高脉冲重复频率HPRF情况下，来自海面雷达波束主瓣照射区域的回波延迟τ
H
远大于T，T适当设计以满足n
s
T＜τ
H
＜(n
s
+1)T，其中n
s
是整数，假设每个接收复帧都滞后于发送复帧n
s
周期，并且每个周期在接收复帧中重新编号(n|m)，通过使用n
s
周期延迟的RFH模式构建本地参考信号，在cn
s
T/2
‑
c(n
s
+1)T/2范围内的散射回波被相干接收和采样，采样间隔等于脉宽τ，每个周期的采样点总数为K＝INT(T/τ)(这里表示向下取整)，以每个周期的开始时间为基准，对应的采样时间为τ，2τ，
…
，Kτ；分别被编号为k＝0,1,...,K
‑
1，其中k为采样单元编号，对于选定范围内的任意点散射，根据雷达原理，接收/采样的回波信号表示为：x(n|m，k)＝Aexp{j2π[(f
m
+Δf
d
i
mn
)2R
mnk
/c]}其中2R
mnk
/c是回波信号相对于本地参考信号的延迟时间，R
mnk
是第m个接收复帧的第n个周期的第k个采样时间散射的模糊范围，即：R
mnk
＝R
′
mnk
mod cT/2＝R
′
mnk
‑
cn
s
T/2
其中，R
′
mnk
为散射体的实际范围。根据高超声速俯冲轨迹，构建雷达成像几何模型，假设平台俯冲角为θ
M
(平台运动方向与水平面的夹角)，平台飞行速度为V
M
，初始高度为H，发射复帧开始时散射的初始范围为R
′
，相对于雷达平台的方位角和俯仰角为α和β，即运动模型为：R
′
mnk
＝{[V
M
sin(θ
M
)Φ(m，n，k)
‑
R
′
sin(β)]2+[R
′
cos(β)cos(α)
‑
V
M
cos(θ
M
)Φ(m，n，k)]2+[R
′
cos(β)sin(α)]2}
1/2
其中，Φ(m，n，k)＝n
s
T+mNT+nT+kτ+τ。对于高超音速应用，目标从一个采样单元连续移动到另一个相邻的采样单元，这称为交叉采样单元距离行走，考虑到多帧内交叉采样单元的距离游走，只有当m和n满足不等式kcτ/2＜R
mnk
＜(k+1)cτ/2时，回波信号才被第k个采样单元采样，因此，对于不满足上述不等式的(k，n，m)组合，x(n|m，k)＝0，对于复杂目标，回波x
T
(n|m，k)表示为多次散射的回波之和。3.根据权利要求2所述的一种基于高超声速平台随机跳频雷达子孔径合成成像方法，其特征在于：所述步骤二的具体方法为：S21、短积累时间情况下的距离
‑
多普勒成像：在短积累时间、即MNT比较小的情况下，目标在积累时间内的运动用匀速直线运动来近似，即：R
′
mnk
≈R
′‑
V(n
s
T+mNT+nT+kτ+τ)x(n|m,k)＝Aexp{j2π
×
2(f
m
+Δf
d
i
mn
)
×
[R
‑
V(mNT+nT+kτ+τ])/c}式中，R＝R
′‑
Vn
s
T
‑
cn
s
T/2，R
″
＝R
′‑
Vn
s
T、V分别为点目标在接收复帧起始时刻的实际距离与径向速度(面向雷达运动时速度为正)，且V＝V
M
cos(θ
M
)cos(α)cos(β)+V
M
sin(θ
M
)sin(β)；设每帧的合成带宽为ΔF，则平均跳频间隔为Δf＝ΔF/N，根据跳频雷达成像原理，则每个采样点的片段图像的成像景深(不模糊距离范围)为R
p
＝c/(2Δf)，将成像景深R
p
等间隔地划分为N个分辨单元，显然，分辨单元的距离宽度为ΔR＝c/(2ΔF)，恰为随机跳频信号的合成带宽ΔF所对应的名义距离分辨力；积累时间MNT对应的名义速度分辨力为Δv＝c/(2f0MNT)，根据径向速度公式以及二维匹配滤波原理，以ΔR、Δv为像素在距离、速度方向上的宽度，按下式在每个采样点k进行片段成像，即全孔径成像模型为：式中，{P(l
u
,l
v
,k)|l
u
＝0,1,
…
,N
‑
1；l
v
∈Ψ}称为采样点k处的片段图像，l
u
为像素在距离方向的编号，l
v
为速度通道的编号，Ψ为速度波门内的速度通道变化范围；S22、长积累时间情况下的子孔径合成成像：根据步骤S1中推导出的运动模型，在长时间积累的情况下，该运动模型不能被近似为匀速直线运动模型，不能忽略因加速度而产生的二次相位对成像的影响。根据x较小情况下的泰勒级数展开式：
只保留Φ(m,n,k)的零次项、一次项以及二次项，则运动模型表示为：R
′
mnk
≈R
′‑
VΦ(m，n，k)+[V
M
Φ(m，n，k)]2/(2R
′
)
‑
[VΦ(m，n，k)]2/...

【专利技术属性】
技术研发人员：张露，何松华，朱济民，欧建平，刘盛启，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：