一种基于SBRIM的多重叠动目标位置与速度估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SBRIM的多重叠动目标位置与速度估计方法，针对基于谱估计的相关方法在低信噪比情况下无法有效估计多个重叠的动目标的准确位置的问题，它通过提取多重叠动目标在图像域的多通道信号的幅度和相位信息，构建线性观测模型及相应的测量矩阵，利用动目标在速度谱中的稀疏性，通过SBRIM稀疏重构算法实现了在低信噪比情况下的多动目标的准确位置估计与高精度径向速度估计。本发明专利技术能够突破瑞利限制，在速度谱中的多个重叠的动目标，对其真实位置进行准确估计，并实现高精度的速度估计；有效解决了较低信噪比情况下的多重叠动目标难以进行准确位置估计的问题。重叠动目标难以进行准确位置估计的问题。重叠动目标难以进行准确位置估计的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SBRIM的多重叠动目标位置与速度估计方法


[0001]本专利技术属于雷达
，它特别涉及机载多通道合成孔径雷达成像中多重叠动目标位置与速度估计领域。
技术背景
[0002]合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种高分辨成像雷达技术，由于电磁波的穿透特性，其可以全天候、全天时地获取地面目标的高分辨图像。SAR动目标检测和参数估计技术可实现的动目标成像、检测及测速定位等功能，在军事、民用等方面具有重要的研究意义。
[0003]SAR动目标检测的概念是在20世纪70年代由Raney首次提出的。SAR动目标检测分为单通道动目标检测和多通道动目标检测，传统的单通道SAR动目标检测系统在接收到由动目标反射回来的回波数据之后，根据动目标回波的特性区别于静止目标的回波特性的原理，实现动目标的检测。该系统结构比较简单，杂波信号的频谱展宽，在实际使用的时候，大量的强杂波会使得慢速目标难以被检测出来。多通道SAR动目标检测系统中使用了更多的天线接收通道，动目标的回波数据中保留了更多的运动目标的信息，使用这些更加丰富的运动目标的信息，能够有效的抑制前杂波带来的影响，实现对动目标的检测和位置估计；然后再对成像场景中的运动目标的多普勒参数和运动参数进行估计，并补偿回波信号，实现运动目标的成像。该系统可以工作在强杂波的环境下，与单通道动目标检测系统相比，具有更好的检测效果，实际应用价值更高。
[0004]在多通道SAR动目标检测中，在多个运动目标密集出现的情况下，由于动目标真实位置不同，速度不同，导致不同速度的动目标在图像域中可能会叠加在同一分辨单元中，从而在成像之后无法在图像域中分离它们，难以实现不同速度的动目标的准确位置估计，造成“速度叠影”问题。
[0005]VSAR技术在一定程度上解决了这一问题，VSAR技术通过对多个重叠动目标所在分辨单元的多通道信号进行DFT操作，在速度谱中实现了多重叠动目标的分离，对动目标的真实位置进行了估计。然而，由于DFT瑞利边界的限制，当重叠动目标之间的速度间隔小于基于DFT方法获得的速度分辨率时，此时执行DFT操作便无法在速度谱中实现多个重叠动目标的准确位置估计。针对这个问题，G.Li等人将超分辨谱估计方法应用到多重叠动目标的分离中，获得了比传统方法更高的速度分辨率，实现了不错的效果，然而这是在理想环境下进行的仿真实验，没有考虑到实际噪声带来的影响。
[0006]近年来，稀疏重构的理论广泛应用于SAR成像领域中，当原始信号是稀疏的，根据建立的线性观测模型，则可以用少量的采样观测信号通过稀疏重构算法重构出原始信号，从而不再受奈奎斯特采样定理的限制，也有效解决了系统实现困难、大量数据存储及传输等问题。目前，有许多学者提出了不同类型的稀疏重构算法。在诸多的重构算法中，迭代最小化稀疏贝叶斯(Sparsity Bayesian Recovery via Iterative Minimum,SBRIM)算法克服了贝叶斯算法(BCS)需要设置过多参数的不足，它不需要预设稀疏度，输入参数少，利用
观测模型的先验概率分布，可实现原始信号的精确重构。
[0007]为了在低信噪比的情况下依然能够实现多重叠动目标的位置与速度估计，本专利技术提出了一种基于迭代最小化稀疏贝叶斯(SBRIM)算法的多重叠动目标位置和速度估计方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术公开了一种基于SBRIM算法的多重叠动目标位置与速度估计方法，它是通过将SBRIM算法引入到多重叠动目标位置和速度估计问题中。通过提取多重叠动目标在图像域的多通道信号的幅度和相位信息，构建了线性观测模型及相应的测量矩阵，利用动目标在速度谱中的稀疏性，通过SBRIM稀疏重构方法实现了多重叠动目标的位置与速度估计。该方法能够突破瑞利限制，在速度谱中分离多个重叠的动目标，对其真实位置进行准确估计，并实现高精度的速度估计；同时，在低信噪比(SNR≤10dB，甚至SNR＝0dB)的情况下，该方法也能够实现多重叠动目标的准确位置估计和高精度径向速度估计，有很好的抗噪性能。
[0009]为了方便描述本专利技术的内容，首先作以下术语定义：
[0010]定义1、机载多通道合成孔径雷达
[0011]机载多通道合成孔径雷达是将线性阵列天线沿载荷平台运动航迹方向固定于载荷运动平台上，载荷平台匀速运动，采用单发多收工作模式，由参考通道发射线性调频信号，所有天线同时接收回波信号，通过增加空间上数据维度的方式，实现空、时两域的联合处理，克服单通道系统在运动目标检测中的不足，有效实现动目标的检测。
[0012]定义2、合成孔径雷达原始回波仿真方法
[0013]合成孔径雷达原始回波仿真方法是指基于合成孔径雷达成像原理仿真出一定系统参数条件下具有合成孔径雷达回波信号特性的原始信号的方法，详见文献“张朋，合成孔径雷达回波信号仿真研究，西北工业大学博士论文，2004”。
[0014]定义3、标准BP成像算法
[0015]BP成像算法是一种基于时域处理的成像算法，使用限制小、通用性高。该算法通过对非等间距航过数据的等距离向分辨单元直接进行时域积累，避免了通过插值等操作进行非等间距校正的过程，同时也避免了对从不同角度得到的复图像进行配准的过程；而且由于每个目标点到各方位向时间的距离可以直接计算，因此在BP成像处理过程中没有任何的几何近似，成像结果准确，详见“三维合成孔径雷达，张晓玲等著，国防工业出版社”。
[0016]定义4、范数
[0017]设X是复数域C上的线性空间，其中C表示复数域，若它满足如下性质：‖X‖≥0，并且当‖X‖＝0仅有X＝0；‖αX‖＝α‖X‖，其中α为任意常数；‖X1+X2‖≤‖X1‖+‖X2‖，则称‖X‖为X空间上的范数(norm)，其中X1和X2为X空间上的任意两个值。对于N
×
1维离散信号向量X＝[x1,x2,
…
,x
N
]T
，向量X的P范数表达式为其中x
i
为向量X的第i个元素，∑|
·
|表示绝对值求和运算符号，T表示矩阵的转置运算；向量X的L1范数表达式为|表示绝对值求和运算符号，T表示矩阵的转置运算；向量X的L1范数表达式为向量X的L2范数表达式为向量X的L0范数表达式为向量X的L0范数表达式为并且x
i
≠0。详见“矩阵理论，黄廷祝等编著，高等教育出版社出版”。
[0018]定义5、共轭转置
[0019]共轭转置即对复数矩阵进行转置并取共轭，记为A
H
，可通过标准的共轭转置方法计算得到。详见“线性代数，同济大学数学系编，高等教育出版社”。
[0020]定义6、标准的矩阵求逆方法
[0021]假设矩阵A和矩阵B，如果AB＝E，其中E为单位矩阵，则称矩阵B是矩阵A的右逆矩阵，通常将矩阵B写为A
‑1，根据矩阵A，通过标准的矩阵求逆方法计算出矩阵A
‑1。详见“矩阵理论，黄本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SBRIM的多重叠动目标位置与速度估计方法，其特征是它包括以下步骤：步骤1、初始化机载多通道SAR系统参数初始化机载多通道SAR系统参数包括：多通道SAR系统天线阵列的通道数目，记为M；天线阵列的编号，记为1，
…
，M，其中第1个天线阵元同时发射和接收信号，其余天线阵元只接收信号；天线之间的间距，记为d；雷达平台飞行速度，记为v
a
；发射波束斜视角，记为θ
q
；发射波束下视角，记为α；雷达发射信号载频，记为f
c
；雷达发射信号的调频斜率，记为f
dr
；雷达系统的脉冲重复频率，记为PRF；雷达发射信号带宽，记为B
r
；电磁波在空气中的传播速度，记为C；距离向快时刻，记为t，t＝1，2，
…
，T，T为距离向快时刻总数；方位向慢时刻，记为l，l＝1，2，
…
，K，K为方位向慢时刻总数；根据SAR成像系统方案和观测方案设计，SAR成像方法需要的参数均为已知。步骤2、初始化机载多通道SAR的观测场景目标空间参数初始化机载多通道SAR的观测场景目标空间参数包括：场景中心位置矢量，记为P
center
；以雷达波束照射区域地平面和垂直于该地平面向上的单位向量所构成的空间直角坐标系作为机载多通道SAR的观测场景目标空间，记为Ω，其中Ω中有Q
x
×
Q
y
像素，Q
x
为观测场景目标空间在距离向的像素数，Q
y
为观测场景目标空间在方位向的像素数；将观测场景目标空间Ω均匀划分为大小相等的单元网格，称为分辨单元，d
x
为分辨单元在距离向的长度，d
y
为分辨单元在方位向的长度，分辨单元的大小为机载多通道SAR系统传统理论成像分辨率；观测场景目标空间的距离向宽度记为W
z
；观测场景目标空间的方位向宽度记为W
y
，Q＝Q
x
×
Q
y
为平面维成像空间单元网格总数；距离向、方位向构成平面成像空间，在平面成像空间上第q个元素的位置，记为其中q
x
＝1，2，
…
，Q
x
，q
y
＝1，2，
…
，Q
y
，场景中心位置的坐标记为P
center
，P
center
(1)为场景中心位置距离向横坐标，P
center
(2)为场景中心位置方位向纵坐标；本发明所需要的机载多通道SAR的观测场景目标空间参数均为已知。步骤3、生成斜视多通道SAR原始回波数据在多基线SAR的第m个通道中，第l个方位向慢时刻和第t个距离向快时刻的原始回波数据记为s(t，l，m)，其中原始回波数据距离向快时刻的下标记为t，t＝1，2，
…
，T，T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数；原始回波数据方位向慢时刻的下标记为l，l＝1，2，
…
，K，K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数；通道的编号记为m，m＝1，2，
…
，M，M为步骤1中初始化得到的天线阵列的通道数目；在多通道合成孔径雷达实际成像中，原始回波数据s(t，l，m)，t＝1，2，
…
，T，l＝1，2，
…
，K，m＝1，2，
…
，M，由数据接收机提供。步骤4、BP成像处理和VSAR杂波抑制与动目标检测采用定义3中的标准BP成像算法对步骤3中得到的原始回波数据s(t，l，n)，t＝1，2，
…
，T，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，任钰，胡远林，韦顺军，师君，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：