CN103605131B - 基于联合多波位的高分辨dbs成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于联合多波位的高分辨DBS成像方法。主要解决现有DBS成像分辨率较低的问题。其实现过程为：（1）利用雷达照射地面点目标的时间计算雷达相干积累脉冲数和需要联合的波位数；（2）根据需要联合的波位数对雷达多个波位的数据进行合并；（3）对合并后的数据进行距离向的脉冲压缩和方位向的傅里叶变换，得到多普勒通道数据；（4）取出多普勒通道数据中雷达主波束范围对应的部分，并计算该对应部分的数据在地面上的坐标；（5）利用求得的地面坐标将雷达主波束范围数据标记到地面上得到图像。本发明能在飞机飞行过程通过雷达进行机械扫描，对地面进行成像，极大地提高了图像的分辨率，可用于对地面运动目标的检测和定位。

Description

基于联合多波位的高分辨DBS成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体地说是一种高分辨率多普勒波束锐化DBS成像方法，可用于目标检测和跟踪。

背景技术

雷达是由二战中的军事需求发展起来的，最初用于跟踪恶劣天气及黑夜中的飞机和舰船，早期的雷达系统利用时间延迟来测量雷达与目标之间的距离，从而对目标进行跟踪监视。随着相关技术的发展，雷达应用已不再局限于对目标的简单跟踪，目前，对目标类型进行分类和识别，获得监视范围内高分辨的图像信息等成为了雷达研究的新热点。

1951年6月，美国Goodyear公司的Carl Wiley首次提出了通过对多普勒频移进行处理的方法来改善运动平台雷达的方位分辨率，将这种通过信号分析技术来构建一个等效长天线的思想称为合成孔径雷达SAR。合成孔径雷达通过对地面散射体进行长时间观测能获得较高分辨率，但其观测场景范围有限，不具备快速再访能力，且很难对远距离、大范围内的目标进行实时监测跟踪。而扫描运动目标识别采用方位向扫描的方式可以对远距离、大范围进行快速扫描，其再访能力高，是一种“非聚焦”SAR体制。扫描运动目标识别即广域GMTI，它不但具有非常重要的军事意义，在民用方面也能发挥很大的作用，可以用于快速营救、缉私以及高速公路的交通监视等方面。

采用广域扫描模式进行监视的同时使用多普勒波束锐化DBS技术可以提高雷达方位分辨率。多普勒波束锐化DBS通过分析多普勒，将同一波束内的回波按不同的方位锐化成一组多普勒波束，使得不同多普勒波束对应不同的多普勒频率，从而利用平台运动导致的多普勒扩散来分辨不同方向的回波，提高雷达方位分辨率。它具有运算量小、成像面积大和再访能力强的优势，因此在战场侦察等领域有着广泛的应用。1953年，美国在DC-3飞机上进行了试飞，此后，国内外在DBS领域研究的发展很快，美国的现役战斗机均拥有DBS功能，如海军的S-3，空军的F-16等多种预警机、战斗机和无人机均装有具有DBS功能的雷达系统，扇扫时的锐化比可达到40：1，小区域成像时可以达到60：1。我国DBS研究开展了近二十年，1984年，北京航空航天大学在中航607所的资助下展开了DBS的研究；张直中在PD雷达上获得了非实时DBS成像；张庆文等对DBS运动补偿进行了深入研究。

国内外对DBS的成像研究大多集中在图像拼接方法和载机运动补偿两个方面，很少有学者在提高DBS图像分辨率方面做深入研究。从本质上来说，扫描模式的DBS成像属于非聚焦成像，因而其方位分辨率与条带模式和聚束模式相比比较低，不能满足载机对地的高分辨观测要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述DBS成像技术方位分辨率较低这一不足之处，在充分利用雷达相干积累脉冲数的基础上，提出了一种基于联合多波位的高分辨DBS的成像方法，以实现雷达在飞机飞行过程中进行机械扫描时对地面的高分辨DBS成像。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)将雷达安装在飞机上，雷达在飞机飞行过程中进行机械扫描，且扫描波位随着时间变化，雷达共扫描N个波位，N≥2；将雷达开机工作扫描的起始波位作为第1个波位，每扫描一个波位雷达录取一次地面回波数据；

(2)建立第1个波位对应的地面坐标系X₁O₁Y₁，读取飞机在正东方向速度v_E1，正北方向速度v_N1，得到飞机的航向角θ₁＝atan(v_E1/v_N1)；

(3)建立雷达在第i个波位照射地面点目标p的几何模型；

(4)利用步骤(3)中建立的模型求雷达在第i个波位照射地面点目标的时间t_i，进而求得雷达相干积累脉冲数K_i＝floor(t_i·f_r)，确定要联合的波位数为：

B_i＝floor(K_i/K)，

其中，f_r为雷达发射脉冲重复频率，K为每个波位发射的脉冲数，floor代表向下取整；i为扫描波位数，其起始为1，终止为N；

(5)取出第i到i+B_i-1共B_i个波位雷达录取的回波数据，将取出的B_i个波位的数据合并，得到波位数据矩阵A；

(6)利用相关函数法估计出波位数据矩阵A的多普勒中心频率f_dc，得到多普勒中心通道；

(7)对上述波位数据矩阵A分别进行距离向的脉冲压缩和方位向的加权傅里叶变换，得到波位数据矩阵A的距离-多普勒图；

(8)根据步骤（6）中得到的多普勒中心通道，分别取多普勒中心通道两侧各L个通道，得到覆盖主波束范围的2L+1个多普勒通道的数据矩阵B；

(9)建立第i个波位对应的地面坐标系X_iO_iY_i，求得多普勒通道数据矩阵B中任意一个点b在该地面坐标系X_iO_iY_i下的坐标(x_bi,y_bi)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{bi}}=\frac{\mathrm{\λ}{R}_b}{2V_i}{f}_d\\ y_{\mathrm{bi}}=\sqrt{R_b^2-H^2-\frac{{\mathrm{\λ}}^2{R}_b^2}{4V_i^2}{f}_d^2}\end{array}\right.,$

其中，λ是雷达发射信号波长，R_b表示雷达与点b之间的距离，f_d是点b的多普勒频率，H是飞机高度，V_i是飞机在第i个波位的速度；

(10)读取飞机在第i个波位的正东方向速度v_Ei，正北方向速度v_Ni，得到飞机在该波位的航向角θ_i＝atan(v_Ei/v_Ni)，求出飞机航向角在第i个波位与第1个波位之间的夹角α_i：

α_i＝θ_i-θ₁＝atan(v_Ei/v_Ni)-atan(v_E1/v_N1)；

(11)求得点b在第1个波位坐标系X₁O₁Y₁下的坐标(x_b1,y_b1)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{b1}=\cos {\mathrm{\α}}_i{x}_{\mathrm{bi}}-\sin {\mathrm{\α}}_i{y}_{\mathrm{bi}}\\ y_{b1}=\sin {\mathrm{\α}}_i{x}_{\mathrm{bi}}+\cos {\mathrm{\α}}_i{y}_{\mathrm{bi}}\end{array}\right.;$

(12)利用步骤（11）的公式，求出多普勒通道数据矩阵B中所有点在第1个波位对应的地面坐标系X₁O₁Y₁下的坐标，根据求出的地面坐标，将数据矩阵B中的所有点标记到其坐标对应的地面位置上；

(13)令i＝i+1，重复步骤(3)～(12)，直到处理完所有雷达扫描波位的数据，即i＝N时，显示出全部波位数据在地面的DBS图像。

本发明由于将雷达多个波位的回波数据进行合并，有效增加了雷达相干积累脉冲个数，充分利用了雷达的相干脉冲积累时间；同时由于对合并后的回波数据进行方位向的加权傅里叶变换，使得雷达成像分辨率有很大的提高。

用雷达的实测数据成像，其结果表明本发明与现有DBS成像方法相比，具有很高的分辨率，有利于后续对地面运动目标进行检测和定位，并且可以更准确的判断运动目标定位结果的精确程度，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是用现有方法对雷达实测数据的DBS成像结果；

图3是用本发明方法对雷达实测数据的DBS成像结果。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，将雷达安装在飞机上，雷达平面法线方向和飞机机身方向垂直，雷达在飞机飞行过程中进行机械扫描，且扫描波位随着时间变化，雷达在一个周期内共扫描N个波位，N≥2；将雷达开机工作扫描的起始波位作为第1个波位，每扫描一个波位雷达录取一次地面回波数据。

步骤2，以雷达在第1个波位时飞机在地面的投影位置为原点O₁，飞机飞行方向为X轴，垂直于飞机飞行方向为Y轴，建立第1个波位对应的地面坐标系X₁O₁Y₁，在第1个波位对应的地面坐标系X₁O₁Y₁下，读取飞机在正东方向速度v_E1，正北方向速度v_N1，得到飞机的航向角θ₁＝atan(v_E1/v_N1)，并将该航向角θ₁作为飞机参考航向角。

步骤3，建立雷达在第i个波位照射地面点目标p的几何模型：

将雷达第i个波位波束前沿照射到点p时的飞机位置设为O′_pi，将雷达第i个波位波束正中心照射到点p时的飞机位置设为O_pi，并以O_pi为原点，飞机飞行方向为X轴，垂直于飞机飞行方向为Y轴，构成第i个波位对应的平面坐标系X_piO_piY_pi，在该平面坐标系中，雷达第i个波位照射地面任意点目标p到X轴的垂直距离为R_i，雷达第i个波位波束中心方向与Y轴方向的夹角为η_i，雷达第i个波位波束前沿方向与Y轴方向的夹角为ξ_i，其中，i为扫描波位数，其起始为1，终止为N。

步骤4，利用步骤(3)中建立的几何模型，求雷达在第i个波位照射地面点目标的时间t_i。

(4.1)根据几何模型，得到雷达在第i个波位波束前沿照射到点p时飞机的位置O′_pi与波束正中心照射到点p时飞机位置O_pi之间的距离S_o′o公式为：

S_o′o＝V_it_o′o＝R_i(tanη_i-tanξ_i)，

其中，R_i为雷达在第i个波位照射的地面点目标p到X轴的垂直距离，η_i为雷达第i个波位波束中心方向与Y轴方向的夹角，ξ_i为雷达第i个波位波束前沿方向与Y轴方向的夹角，V_i为飞机在第i个波位的速度，t_o′o为飞机从O′_pi飞到O_pi的时间，i为扫描波位数，其起始为1，终止为N；

(4.2)对步骤（4.1）中的公式进行变形，得到飞机从O′_pi飞到O_pi的时间t_o′o：

$t_{o\′o}=\frac{R_i(\tan {\mathrm{\η}}_i-\tan {\mathrm{\ξ}}_i)}{V_i};$

(4.3)根据雷达在第i个波位照射点目标p的时间t_i和飞机从O′_pi飞到O_pi的时间t_o′o这两者之间的关系t_i＝2t_o′o，得到该时间t_i的计算公式为：

$t_i=\frac{2R_i(\tan {\mathrm{\η}}_i-\tan {\mathrm{\ξ}}_i)}{V_i};$

(4.4)利用步骤（4.3）中的公式求得雷达在第i个波位照射点目标p的时间t_i，计算雷达相干积累脉冲数K_i＝floor(t_i·f_r)，确定要联合的波位数为：

B_i＝floor(K_i/K)，

其中，f_r为雷达发射脉冲重复频率，K为每个波位发射的脉冲数，floor代表向下取整；i为扫描波位数，其起始为1，终止为N。

步骤5，取出第i到i+B_i-1共B_i个波位雷达录取的回波数据，将取出的B_i个波位的数据合并，合并时直接将相邻的波位数据在方位向进行首尾依次相接，得到包含B_i个波位的波位数据矩阵A。

步骤6，对上述波位数据矩阵A分别进行距离向的脉冲压缩和方位向的切比雪夫加权傅里叶变换，得到波位数据矩阵A的距离-多普勒图。

步骤7，利用相关函数法估计出波位数据矩阵A的多普勒中心频率f_dc，得到多普勒中心通道；

步骤8，根据步骤（6）中得到的多普勒中心通道，分别取多普勒中心通道两侧各L个通道，得到覆盖主波束范围的2L+1个多普勒通道的数据矩阵B。

步骤9，以雷达在第i个波位时飞机在地面的投影位置为原点O_i，飞机飞行方向为X轴，垂直于飞机飞行方向为Y轴，建立第i个波位对应的地面坐标系X_iO_iY_i，求得多普勒通道数据矩阵B中任意一点b在该地面坐标系X_iO_iY_i下的坐标(x_bi,y_bi)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{bi}}=\frac{\mathrm{\λ}{R}_b}{2V_i}{f}_d\\ y_{\mathrm{bi}}=\sqrt{R_b^2-H^2-\frac{{\mathrm{\λ}}^2{R}_b^2}{4V_i^2}}{f}_d^2\end{array}\right.,$

其中，λ是雷达发射信号波长，R_b表示雷达与点b之间的距离，f_d是点b的多普勒频率，H是飞机高度，V_i是飞机在第i个波位的速度。

步骤10，在第i个波位对应的地面坐标系X_iO_iY_i下，读取飞机在第i个波位的正东方向速度v_Ei，正北方向速度v_Ni，得到飞机在该波位的航向角θ_i＝atan(v_Ei/v_Ni)，求出飞机航向角在第i个波位与第1个波位之间的夹角α_i：

α_i＝θ_i-θ₁＝atan(v_Ei/v_Ni)-atan(v_E1/v_N1)；

步骤11，求得点b在第1个波位坐标系X₁O₁Y₁下的坐标(x_b1,y_b1)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{b1}=\cos {\mathrm{\α}}_i{x}_{\mathrm{bi}}-\sin {\mathrm{\α}}_i{y}_{\mathrm{bi}}\\ y_{b1}=\sin {\mathrm{\α}}_i{x}_{\mathrm{bi}}+\cos {\mathrm{\α}}_i{y}_{\mathrm{bi}}\end{array}\right..$

步骤12，利用步骤（11）中的公式，求出多普勒通道数据矩阵B中所有点在第1个波位对应的地面坐标系X₁O₁Y₁下的坐标，根据求出的地面坐标，将数据矩阵B中的所有点标记到其坐标对应的地面位置上。

步骤13，令i＝i+1，重复步骤(3)～(12)，直到处理完所有雷达扫描波位的数据，即i＝N时，显示出全部波位数据在地面的DBS图像。

本发明的效果可通过以下实验进一步说明：

1、实验条件与参数

本实验中，雷达在飞机飞行过程中进行机械扫描，雷达在一个波位发射133个脉冲；脉冲重复频率是2700Hz；距离采样频率为60MHz；每个脉冲回波包含4096个距离单元；切比雪夫加权的权值为70dB。

2、实验内容及结果分析

在上述实验参数下，雷达对地面进行观测并录取回波数据，从观测起始到结束共录取到了106个波位的数据。

分别采用现有方法和本发明方法对上述雷达录取的数据进行DBS成像。其中，图2是现有方法对上述雷达录取数据的DBS成像结果，图3是本发明方法对上述雷达录取数据的DBS成像结果。

从图2与图3的对比可以看出，本发明方法对雷达录取数据进行DBS成像的图像清晰度和聚焦性都要明显优于现有方法，一些典型的地形地貌，如沟壑、田地、河流、公路等的清晰度相对于现有方法明显得到改善。

Claims (3)

1.一种基于联合多波位的高分辨DBS成像方法，包括如下步骤：

(1)将雷达安装在飞机上，雷达在飞机飞行过程中进行机械扫描，且扫描波位随着时间变化，雷达共扫描N个波位，N≥2；将雷达开机工作扫描的起始波位作为第1个波位，每扫描一个波位雷达录取一次地面回波数据；

(2)建立第1个波位对应的地面坐标系X₁O₁Y₁，读取飞机在正东方向速度v_E1，正北方向速度v_N1，得到飞机的航向角θ₁＝atan(v_E1/v_N1)；

(3)建立雷达在第i个波位照射地面点目标p的几何模型；

(4)利用步骤(3)中建立的模型求雷达在第i个波位照射地面点目标的时间t_i，进而求得雷达相干积累脉冲数K_i＝floor(t_i·f_r)，确定要联合的波位数为：

B_i＝floor(K_i/K)，

其中，f_r为雷达发射脉冲重复频率，K为每个波位发射的脉冲数，floor代表向下取整；i为扫描波位数，其起始为1，终止为N；

(5)取出第i到i+B_i-1共B_i个波位雷达录取的回波数据，将取出的B_i个波位的数据合并，得到波位数据矩阵A；

(6)利用相关函数法估计出波位数据矩阵A的多普勒中心频率f_dc，得到多普勒中心通道；

(7)对上述波位数据矩阵A分别进行距离向的脉冲压缩和方位向的加权傅里叶变换，得到波位数据矩阵A的距离-多普勒图；

(8)根据步骤(6)中得到的多普勒中心通道，分别取多普勒中心通道两侧各L个通道，得到覆盖主波束范围的2L+1个多普勒通道的数据矩阵B；

(9)建立第i个波位对应的地面坐标系X_iO_iY_i，求得多普勒通道数据矩阵B中任意一个点b在该地面坐标系X_iO_iY_i下的坐标(x_bi,y_bi)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{bi}}=\frac{\mathrm{\λ}{R}_b}{2V_i}{f}_d\\ y_{\mathrm{bi}}=\sqrt{R_b^2-H^2-\frac{{\mathrm{\λ}}^2{R}_b^2}{4{V_i}^2}{f}_d^2}\end{array}\right.,$

其中，λ是雷达发射信号波长，R_b表示雷达与点b之间的距离，f_d是点b的多普勒频率，H是飞机高度，V_i是飞机在第i个波位的速度；

(10)读取飞机在第i个波位的正东方向速度v_Ei，正北方向速度v_Ni，得到飞机在该波位的航向角θ_i＝atan(v_Ei/v_Ni)，求出飞机航向角在第i个波位与第1个波位之间的夹角α_i：

α_i＝θ_i-θ₁＝atan(v_Ei/v_Ni)-atan(v_E1/v_N1)；

(11)求得点b在第1个波位坐标系X₁O₁Y₁下的坐标(x_b1,y_b1)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{b1}=\cos {\mathrm{\α}}_i{x}_{\mathrm{bi}}-\sin {\mathrm{\α}}_i{y}_{\mathrm{bi}}\\ y_{b1}=\sin {\mathrm{\α}}_i{x}_{\mathrm{bi}}+\cos {\mathrm{\α}}_i{y}_{\mathrm{bi}}\end{array}\right.;$

(12)利用步骤(11)的公式，求出多普勒通道数据矩阵B中所有点在第1个波位对应的地面坐标系X₁O₁Y₁下的坐标，根据求出的地面坐标，将数据矩阵B中的所有点标记到其坐标对应的地面位置上；

(13)令i＝i+1，重复步骤(3)～(12)，直到处理完所有雷达扫描波位的数据，即i＝N时，显示出全部波位数据在地面的DBS图像。

2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的建立雷达在第i个波位照射地面点目标p的几何模型，是将雷达第i个波位波束前沿照射到点p时的飞机位置设为O′_pi，将雷达第i个波位波束正中心照射到点p时的飞机位置设为O_pi，并以O_pi为原点，飞机飞行方向为X轴，垂直于飞机飞行方向为Y轴，构成第i个波位对应的平面坐标系X_piO_piY_pi，在该平面坐标系中，雷达第i个波位照射地面任意点目标p到X轴的垂直距离为R_i，雷达第i个波位波束中心方向与Y轴方向的夹角为η_i，雷达第i个波位波束前沿方向与Y轴方向的夹角为ξ_i，其中，i为扫描波位数，其起始为1，终止为N。

3.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于步骤(4)所述的利用几何模型求得雷达在第i个波位照射地面点目标p的时间t_i，按如下步骤进行：

(4a)根据几何模型，得到雷达在第i个波位波束前沿照射到点p时飞机的位置O′_pi与波束正中心照射到点p时飞机位置O_pi之间的距离S_o′o公式为：

S_o′o＝V_it_o′o＝R_i(tanη_i-tanξ_i)，

其中，R_i为雷达在第i个波位照射的地面点目标p到X轴的垂直距离，η_i为雷达第i个波位波束中心方向与Y轴方向的夹角，ξ_i为雷达第i个波位波束前沿方向与Y轴方向的夹角，V_i为飞机在第i个波位的速度，t_o′o为飞机从O′_pi飞到O_pi的时间，i为扫描波位数，其起始为1，终止为N；

(4b)对步骤(4a)中的公式进行变形，得到飞机从O′_pi飞到O_pi的时间t_o′o：

$t_{o^{\′}o}=\frac{R_i(\tan {\mathrm{\η}}_i-\tan {\mathrm{\ξ}}_i)}{V_i};$

(4c)根据雷达在第i个波位照射点目标p的时间t_i和飞机从O′_pi飞到O_pi的时间t_o′o这两者之间的关系t_i＝2t_o′o，得到该时间t_i的计算公式为：

$t_i=\frac{2R_i(\tan {\mathrm{\η}}_i-{\tan \mathrm{\ξ}}_i)}{V_i}.$