一种高分辨率雷达距离成像波形设计方法与成像方法技术

本发明专利技术涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及雷达成像技术中对具有稀疏结构的目标高分辨率距离成像的波形设计与成像方法，包括以下步骤：选取雷达波形与滤波器参数；进行目标结构分析与高分辨距离成像建模；优化波形与滤波器；雷达高分辨距离成像处理。相比当前的线性调频信号成像，本发明专利技术设计的波形和滤波器对稀疏目标进行距离成像时，能够在获得高距离分辨力的同时有效解决强散射点掩盖弱散射点的现象，成像结果更加逼近目标的真实形状。成像结果更加逼近目标的真实形状。

【技术实现步骤摘要】
一种高分辨率雷达距离成像波形设计方法与成像方法


[0001]本专利技术属于雷达信号处理
，尤其涉及雷达成像技术中对具有稀疏结构的目标高分辨率距离成像的波形设计方法与成像方法。

技术介绍

[0002]近年来，信息感知技术在国家战略安全和国民经济中占据愈发重要的地位。雷达作为无线电信息感知系统的关键一环，通过向空间中辐射电磁信号，接收反射的回波信号，完成感兴趣目标的信息感知。随着雷达技术的发展，越来越多的雷达关注于目标成像与识别技术。
[0003]当前，一维距离成像雷达普遍采取发射大带宽的信号实现目标的距离维度成像，最具有代表性的是线性调频信号。一方面，线性调频信号的距离分辨能力与其带宽成反比，为了提升目标的分辨能力需要使用非常大的发射带宽。在电磁频谱日益拥挤的今天，大的发射带宽很容易在某些频段 (或频点)上受到射频干扰。另一方面，线性调频信号经匹配滤波处理后的最高副瓣电平约为
‑
13dB，因此容易出现强散射目标淹没相邻弱散射目标的现象。出现以上两个现象的原因在于，使用线性调频信号对感兴趣目标进行一维距离成像时并未考虑到目标本身可能具有特殊结构这一现象，当目标具有特殊结构时，线性调频信号的一维距离成像性能可能会急剧下降。伴随着电子信息技术的不断发展，雷达波形发生器普遍具备产生多种发射波形的能力，并且可以采取非匹配滤波的形式进行成像处理。与此同时，在对感兴趣目标进行探测与成像时，雷达也往往具有目标的先验信息，使用针对目标特有的结构设计雷达的发射波形以及与之相适应的信号处理手段，能够显著提高雷达的成像能力。
[0004]鉴于此，针对感兴趣目标的特殊结构，研究适合感兴趣目标的一维距离成像波形以及对应的成像处理方法，可有效弥补传统线性调频信号与匹配滤波成像方法在成像能力方面的不足，提升对感兴趣目标的成像性能与识别能力。

技术实现思路

[0005]针对传统的线性调频信号无法适配目标结构，所存在的分辨率不高，强目标掩盖弱目标的问题，本专利技术提供一种能够匹配目标稀疏结构的高分辨率雷达距离成像波形设计与成像方法，该波形能够充分利用目标的稀疏结构，并结合之相适应的成像方法，有效解决强目标掩盖弱目标的问题，并且具有高的目标距离向分辨能力。
[0006]本专利技术采用的技术方案为一种匹配目标稀疏结构的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，本方法的实现步骤如下：
[0007]S1、选取雷达波形与滤波器参数；
[0008]S2、进行目标结构分析与高分辨距离成像建模；
[0009]S3、优化波形与滤波器。
[0010]进一步地；
[0011]S11、距离成像雷达发射相位编码波形；
[0012]S12、根据感兴趣目标在场景中的位置以及结构，确定雷达波形的编码长度以及接收滤波器权系数的长度；
[0013]S13、根据雷达期望得到的目标距离向分辨力，确定雷达波形的编码速率(雷达系统采样率)。
[0014]进一步地；距离成像雷达发射相位编码波形，其离散的基带波形用向量s＝[s(1),s(2),...,s(N)]T
表示；
[0015]其中N表示发射波形的码元长度，s(i)表示雷达发射波形的第i个采样点，上标T表示向量转置操作；
[0016]雷达接收机的滤波器权系数用w＝[w(1),w(2),...,w(N)]T
表示，其中w(i)表示滤波器的第i个权系数；雷达系统的采样率为f
s
，那么雷达发射波形的总时宽为N/f
s
，每个采样点对应的距离分辨率为c/(2f
s
)，其中c表示光速；
[0017]根据感兴趣目标的实际尺寸以及雷达系统期望获得的分辨率选取参数 N和f
s
，选取方法为：一方面，目标实际尺寸越大，参数N则需要越大，确保雷达系统具有多自由度，
[0018]假定感兴趣目标尺寸为L个雷达分辨距离单元，选取设置码元长度 N＞10L；
[0019]另一方面，雷达期望获得的距离分辨率越高，系统的采样率f
s
也越大，以确保c/(2f
s
)小于所期望的雷达距离分辨率。
[0020]进一步地；
[0021]S21、采用非匹配滤波的方式进行目标距离成像，理想的波形与滤波器互相关序列为具有钉子状的冲击函数；
[0022]S22、将理想的互相关序列作为模板，通过分析感兴趣目标在场景中的位置，并利用目标的稀疏性结构，确定互相关序列的权重，采用加权最小二乘的方法匹配该模板；
[0023]S23、将感兴趣目标存在的区域和不感兴趣的背景区域进行权重值设置，
[0024]S24、根据成像波形与滤波器权值建立联合优化模型。
[0025]进一步地；
[0026]发射波形s和滤波器权系数w的互相关序列形状决定了雷达距离成像的性能，在完成雷达波形参数选取的基础上，发射波形s和滤波器权系数w 的互相关序列y是一个长度为2N
‑
1的列向量，表示为：
[0027]y＝w*s，
[0028]其中*表示卷积算子，将上式表示成矩阵形式得到：
[0029]y＝Ws＝Sw
[0030]其中，
[0031][0032]理想的波形与滤波器互相关序列为具有钉子状的冲击函数，设为y0，互相关序列y0的第N个元素为1，其余元素均为0；
[0033]雷达为了实现高的成像性能，波形与滤波器的互相关序列y应当趋近y0，使用欧式空间的2范数度量y和y0的差异程度；另一方面考虑到感兴趣目标在空间具有稀疏结构，使用权向量α＝[α(1),α(2),...,α(2N
‑
1)]T
对y和y0的差异度进行加权处理，确保感兴趣的目标区域，受到更多关注，而不感兴趣的背景区域得以忽略，即α(N
‑
L)至α(N+L)这2L+1个权值设置为大值，而其余权值设置为小值；
[0034]雷达波形和滤波器的设计旨在最小化加权意义下互相关序列y和理想互相关序列y0的差异程度，通过优化下式实现：
[0035][0036]其中，Λ＝diag(α)为权向量α沿对角线排列的对角矩阵，||
·
||2为欧式空间的2 范数；
[0037]此外，考虑到雷达波形使用相位编码信号，具有恒定的模值，在优化式时，对雷达波形添加恒模约束后，将雷达高分辨距离成像的波形与滤波器设计建模为如下优化问题
[0038][0039]进一步地；
[0040]S31、发射波形优化与滤波器权矢量优化；
[0041]S32、交替循环进行直到收敛，在发射波形优化步骤中，滤波器权矢量保持固定，优化变量为发射波形每个快时域采样点的相位码元；
[0042]S33、在滤波器权矢量优化步骤中，发射波形保持固定，优化变量为滤波器权矢量的幅度与相位。
[0043]进一步地；
[0044]发射波形优化
[0045]在第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选取雷达波形与滤波器参数；S2、进行目标结构分析与高分辨距离成像建模；S3、优化波形与滤波器。2.如权利要求1所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11、距离成像雷达发射相位编码波形；S12、根据感兴趣目标在场景中的位置以及结构，确定雷达波形的编码长度以及接收滤波器权系数的长度；S13、根据雷达期望得到的目标距离向分辨力，确定雷达波形的编码速率。3.如权利要求2所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于：距离成像雷达发射相位编码波形，其离散的基带波形用向量s＝[s(1),s(2),...,s(N)]
T
表示；其中N表示发射波形的码元长度，s(i)表示雷达发射波形的第i个采样点，上标
T
表示向量转置操作；雷达接收机的滤波器权系数用w＝[w(1),w(2),...,w(N)]
T
表示，其中w(i)表示滤波器的第i个权系数；雷达系统的采样率为f
s
，那么雷达发射波形的总时宽为N/f
s
，每个采样点对应的距离分辨率为c/(2f
s
)，其中c表示光速；根据感兴趣目标的实际尺寸以及雷达系统期望获得的分辨率选取参数N和f
s
，选取方法为：一方面，目标实际尺寸越大，参数N则需要越大，确保雷达系统具有多自由度，假定感兴趣目标尺寸为L个雷达分辨距离单元，选取设置码元长度N＞10L；另一方面，雷达期望获得的距离分辨率越高，系统的采样率f
s
也越大，以确保c/(2f
s
)小于所期望的雷达距离分辨率。4.如权利要求3所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21、采用非匹配滤波的方式进行目标距离成像，理想的波形与滤波器互相关序列为具有钉子状的冲击函数；S22、将理想的互相关序列作为模板，通过分析感兴趣目标在场景中的位置，并利用目标的稀疏性结构，确定互相关序列的权重，采用加权最小二乘的方法匹配该模板；S23、将感兴趣目标存在的区域和不感兴趣的背景区域进行权重值设置，S24、根据成像波形与滤波器权值建立联合优化模型。5.如权利要求4所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于：发射波形s和滤波器权系数w的互相关序列形状决定了雷达距离成像的性能，在完成雷达波形参数选取的基础上，发射波形s和滤波器权系数w的互相关序列y是一个长度为2N
‑
1的列向量，表示为：y＝w*s，其中*表示卷积算子，将上式表示成矩阵形式得到：y＝Ws＝Sw其中，
理想的波形与滤波器互相关序列为具有钉子状的冲击函数，设为y0，互相关序列y0的第N个元素为1，其余元素均为0；雷达为了实现高的成像性能，波形与滤波器的互相关序列y应当趋近y0，使用欧式空间的2范数度量y和y0的差异程度；另一方面考虑到感兴趣目标在空间具有稀疏结构，使用权向量α＝[α(1),α(2),...,α(2N
‑
1)]
T
对y和y0的差异度进行加权处理，确保感兴趣的目标区域，受到更多关注，而不感兴趣的背景区域得以忽略，即α(N
‑
L)至α(N+L)这2L+1个权值设置为大值，而其余权值设置为小值；雷达波形和滤波器的设计旨在最小...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓涛，徐舟，范崇祎，王建，冯东，陈乐平，宋勇平，谢壮，杜华贵，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：