一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法，首先建立毫米波雷达方位多帧超分辨成像模型，然后进行移位估计并获取初始高分辨估计帧，接着构造凸集约束，利用多帧回波数据之间的方位向残差对初始高分辨估计帧进行方位向投影，最终实现方位超分辨成像。本发明专利技术的方法解决了传统毫米波实波束成像方法方位分辨率低的问题，能够充分利用多帧回波数据之间的互补信息，获得比现有超分辨方法更高的方位分辨率，提高了毫米波雷达的方位成像分辨率。像分辨率。像分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法


[0001]本专利技术属于雷达成像
，具体涉及一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法。

技术介绍

[0002]毫米波雷达具有小型化、成本低和抗干扰能力强等优点，可全天候、全天时工作，近年来在交通监测和辅助驾驶等领域得到了广泛应用。然而，受天线孔径大小限制，导致成像结果方位分辨率低，因此，开展基于多帧重建的毫米波雷达方位分辨提升方法研究具有重要意义。
[0003]文献“Sadjadi,F.Radar beam sharpening using an optimum FIR filter Circuits Systems and Signal Processing,2000,19(2):121
–
129”将维纳逆滤波用于提升雷达方位分辨率，然而在实际应用中，该方法超分辨结果存在过平滑现象，分辨率提升有限；文献“Q.Zhang,Y.Zhang,Y.Huang,Y.Zhang,W.Li and J.Yang,"Total variation superresolution method for radar forward
‑
looking imaging,"2019 6th Asia
‑
Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar(APSAR),2019,pp.1
‑
4”提出一种TV正则化雷达前视方位超分辨方法，该方法通过在正则化框架下引入TV范数约束实现方位超分辨，但该方法对噪声敏感，在低信噪比情况下，分辨性能较差；文献“Y.Zhang,Y.Zhang,W.Li,Y.Huang and J.Yang,"Angular superresolution for real beam radar with iterative adaptive approach,"2013 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium
‑
IGARSS,2013,pp.3100
‑
3103”提出一种迭代自适应的方位超分辨方法，该方法采用加权最小二乘准则来求解超分辨问题，可以实现低信噪比情况下稳健的方位分辨提升，但是分辨率提升倍率较低，难以满足实际应用需求。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法。
[0005]本专利技术采用的技术方案为：一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法，具体步骤如下：
[0006]步骤一、建立毫米波雷达多帧超分辨成像模型；
[0007]在毫米波雷达成像过程中采用多发多收方式快速获取多帧低分辨回波数据，建立多帧低分辨回波数据之间的成像模型：
[0008]y
k
＝D
k
M
k
F
k
x+n
k k＝1,2,...,K
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0009]其中，K表示低分辨回波数据帧数，y
k
表示经过传统方位超分辨方法处理后的第k帧低分辨回波数据，D
k
表示多帧低分辨回波数据之间的移位矩阵，M
k
表示降采样矩阵，F
k
表示模糊矩阵，x表示原始高分辨场景，n
k
表示加性噪声。
[0010]基于多帧重建的超分辨过程看作上述成像过程的逆过程，即求解如下无约束优化
问题：
[0011][0012]其中，表示高分辨估计回波数据。
[0013]为了获得稳定解，采用凸集投影方法进行求解。
[0014]步骤二、定义超分辨模型的凸集约束；
[0015]对于Hilbert空间H中的N个凸集约束：C1～C
N
，采用投影的方式进行求解，即：
[0016]f
i+1
＝P
N
P
N
‑1…
P1f
i (3)
[0017]其中，P
N
表示第N个凸集约束的投影算子，f
i
表示第i次迭代后的解。
[0018]利用凸集投影方法实现多帧超分辨模型求解，首先对多帧低分辨回波数据进行移位估计，获取移位矩阵D，接着选取一帧低分辨回波数据y
k
作为初始参考帧，对其进行双三次插值获得初始高分辨估计回波数据然后定义凸集约束C：
[0019][0020]其中，W
k
(m,n)表示高分辨估计回波数据与第k帧低分辨回波数据y
k
之间的方位向残差，m,n分别表示低分辨回波数据y
k
中的距离维坐标和方位维坐标，η表示投影阈值。
[0021]步骤三、计算回波数据之间的方位向残差；
[0022]高分辨估计回波数据与第k帧低分辨回波数据y
k
之间的方位向残差W
k
(m,n)具体可以表示为：
[0023][0024]其中，y
k
(m,n)表示第k帧低分辨回波数据在(m,n)点处的幅值；(m
′
,n
′
)表示高分辨估计回波数据中与第k帧低分辨回波数据y
k
(m,n)中点(m,n)所对应位置的点，m
′
,n
′
分别表示高分辨估计回波数据中的距离维坐标和方位维坐标，点(m,n)与点(m
′
,n
′
)之间的映射关系为F(n
′
,n
″
)表示归一化的点扩散函数。
[0025]步骤四、方位向投影实现超分辨成像；
[0026]对高分辨估计回波数据按如下方式进行投影：
[0027][0028]其中，表示对的投影过程。
[0029]由于回波数据幅值应当大于等于0，因此在投影过程中引入幅值约束：
[0030][0031]利用投影算子P，即式(6)对高分辨估计回波数据进行投影修正，通过若干次迭代，使最终的解约束在凸集的交集之中，从而实现方位超分辨成像。
[0032]本专利技术的有益效果：本专利技术的方法首先建立毫米波雷达方位多帧超分辨成像模型，然后进行移位估计并获取初始高分辨估计帧，接着构造凸集约束，利用多帧回波数据之间的方位向残差对初始高分辨估计帧进行方位向投影，最终实现方位超分辨成像。本专利技术的方法解决了传统毫米波实波束成像方法方位分辨率低的问题，能够充分利用多帧回波数据之间的互补信息，获得比现有超分辨方法更高的方位分辨率，提高了毫米波雷达的方位成像分辨率。
附图说明
[0033]图1为本专利技术的一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法的流程图。
[0034]图2为本专利技术实施例中针对实测数据的仿真结果图。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多帧重建的毫米波雷达方位超分辨方法，具体步骤如下：步骤一、建立毫米波雷达多帧超分辨成像模型；在毫米波雷达成像过程中采用多发多收方式快速获取多帧低分辨回波数据，建立多帧低分辨回波数据之间的成像模型：y
k
＝D
k
M
k
F
k
x+n
k k＝1,2,...,K
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，K表示低分辨回波数据帧数，y
k
表示经过传统方位超分辨方法处理后的第k帧低分辨回波数据，D
k
表示多帧低分辨回波数据之间的移位矩阵，M
k
表示降采样矩阵，F
k
表示模糊矩阵，x表示原始高分辨场景，n
k
表示加性噪声；基于多帧重建的超分辨过程是上述成像过程的逆过程，即求解如下无约束优化问题：其中，表示高分辨估计回波数据；为了获得稳定解，采用凸集投影方法进行求解；步骤二、定义超分辨模型的凸集约束；对于Hilbert空间H中的N个凸集约束：C1～C
N
，采用投影的方式进行求解，即：f
i+1
＝P
N
P
N
‑1…
P1f
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，P
N
表示第N个凸集约束的投影算子，f
i
表示第i次迭代后的解；利用凸集投影方法实现多帧超分辨模型求解，首先对多帧低分辨回波数据进行移位估计，获取移位矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永超，黄钰林，刘帅迪，张寅，杨伟，杨海光，杨建宇，张永伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：