CN104020456A - 一种基于多特显点线阵成像雷达系统幅相误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多特显点线阵成像雷达系统幅相误差校正方法，该方法首先对成像区域进行分块，在每一小块区域中布置一个特显点目标，利用线阵成像雷达系统采集的所有区域中特显点目标回波估计系统幅相误差，利用该估计值完成线阵成像雷达系统幅相误差校正。该方法解决了当观测场景分布较广，尤其是当观测场景线阵方向尺寸远远大于线阵长度时，系统幅相误差难于精确估计使得线阵雷达成像质量下降的问题。

Description

一种基于多特显点线阵成像雷达系统幅相误差校正方法

技术领域：

本发明涉及线性阵列合成孔径雷达系统技术领域，具体涉及一种基于多特显点的线阵成像雷达系统幅相误差校正方法。

背景技术：

线阵成像雷达系统原理是通过在距离向发射大时宽-带宽的电磁波信号，利用脉冲压缩得到距离向的高分辨；在方位方向布置线性阵列，通过开关网络控制阵元依次导通完成该方向的数据采集，进而利用孔径合成获得阵列向的高分辨，将两者结合就可以对目标场景进行高分辨率二维成像。

实际线阵成像雷达系统采用多阵元发射多阵元接收，属于一种多通道雷达系统，由于各通道间材料性能，加工工艺，传输线长度、阵元参数等不可能保证完全相同，使得目标回波信号在不同的阵元位置有不同的幅度和相位加权，即线阵成像雷达系统中存在多通道幅相误差问题。如不校正直接成像会严重降低成像质量，当幅相误差严重时，甚至无法成像。因此，将各通道的幅相误差校正成一致，是获得高精度雷达图像的前提。

对于多通道幅相误差校正，属于阵列信号处理的基本问题，通常将误差模型建立在以阵列流形矩阵表示的信号和噪声模型中，通过有源的或自校正的方法消除误差对高分辨率谱估计算法的影响。和阵列信号处理中幅相误差校正以一定角度、距离范围内的波达方向估计为目标不同，本文研究的幅相误差校正是以系统应用于雷达成像为目标，即考虑对整个场景中所有目标都进行高精度幅相误差校正以获得整个场景的聚焦图像。按照该思路研究幅相误差补偿的文献主要有以下三篇：韩阔业，王彦平，谭维贤，等.阵列天线微波成像多通道相位误差校正方法[J].中国科学院研究生院学报，2012，29(5)：630-635.；侯颖妮.基于稀疏阵列天线的雷达成像技术研究[D].[博士论文].中国科学院电子学研究所，2010；Qi Yao-long,TanWei-xian,and Peng Xue-ming,et al.Application of optimized sparse antennaarray in near range 3D microwave imaging [J].IEICE transactions oncommunications,2013,96(10):2542-2552。但是，上述文献中的这些方法都是只利用一个外设参考目标(又称为单特显点)回波来估计幅相误差，利用单特显点估计系统幅相误差和目标有关，现有方法存在估计误差，当观测场景集中时，估计误差影响不大，可以用该方法估计的结果进行幅相误差校正；当观测场景分布较广，尤其是当其线阵方向尺寸超过线阵长度时，估计误差影响不能忽略，此时不能再利用现有方法估计的结果进行幅相误差校正了。本发明提供了一种基于多特显点线阵成像雷达系统幅相误差校正方法，当观测场景分布较广，尤其是当观测场景线阵方向尺寸远远大于线阵长度时，该方法可以精确校正线阵成像雷达系统幅相误差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于多特显点的线阵成像雷达系统幅相误差校正方法。

根据本发明提出的基于多特显点的线阵成像雷达系统幅相误差校正方法包括以下步骤：

步骤S1：场景区域划分，在该步骤，以θ为角度间隔将雷达视角范围为的场景划分为N个部分，

其中，ceil(·)表示向上取整函数；arcsin(·)表示反正弦函数；由场景区域大小确定，其变化范围是从0°到180°；N的范围是从1到13。

步骤S2：多特显点布置，在该步骤，在步骤S1划分的每一个小区域的中心位置，布置一个特显点目标，在整个场景中布置N个特显点目标；

步骤S3：多特显点回波数据采集，在该步骤，线阵成像雷达系统采集步骤S2布置的N个特显点目标回波信号；

步骤S4：单特显点幅相误差估计，在该步骤，对于每一个通道的幅相误差利用步骤S3采集的多特显点回波数据估计出N个值；

步骤S5：系统幅相误差估计，在该步骤，利用步骤S4得到的每一个通道幅相误差的N个估计值取平均，得到该通道幅相误差最终估计结果；

步骤S6：系统幅相误差校正，在该步骤，利用步骤S5得到的每个通道的幅相误差估计值在频域完成幅相误差校正再变换回时域，得到校正完幅相误差后的信号。本发明的基于多特显点的线阵成像雷达系统幅相误差校正方法与已有方法比，该方法可以完成当观测场景分布较广时线阵成像雷达系统的幅相误差校正。

附图说明

图1一种基于多特显点的线阵成像雷达系统幅相误差校正方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明针对线阵成像雷达系统中存在幅相误差使得直接成像造成重建的雷达图像质量降级的问题，提出了一种基于多特显点的线阵成像雷达系统幅相误差校正方法。该方法首先根据场景大小将场景划分为若干区域，在每一个小区域中放置一个特显点目标，利用每个特显点目标估计的幅相误差取平均得到系统总的幅相误差估计，利用该估计结果完成对系统接收回波中幅相误差的校正。

图1为本发明基于多特显点的线阵成像雷达系统幅相误差校正方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下各步骤：

步骤S1：场景区域划分，在该步骤，以θ为角度间隔将雷达视角范围为的场景划分为N个部分，

其中，ceil(·)表示向上取整函数；arcsin(·)表示反正弦函数；由场景区域大小确定，其变化范围是从0°到180°；N的范围是从1到13。

步骤S2：多特显点布置，在该步骤，在步骤S1划分的每一个小区域的中心位置，布置一个特显点目标，在整个场景中布置N个特显点目标；

步骤S3：多特显点回波数据采集，在该步骤，线阵成像雷达系统采集步骤S2布置的N个特显点目标回波信号：

$s_R(t,u_m)=G\left(u_m\right)\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_n{s}_T(t-{\mathrm{\τ}}_n\left(u_m\right)-\mathrm{\τ}\left(u_m\right))$

其中，s_T(t)为发射信号，s_R(t,u_m)为位于(0,u_m)位置处的收发阵元接收到的目标回波信号，其中，t表示时间变量，u_m表示收发阵元位置变量，设阵列长度为2L，一般2L为几米量级，具体地，L大于等于0米，小于等于10米，则u_m的取值范围是从-L到L；σ_n、τ_n(u_m)分别为位于(x_n,y_n)位置处的第n个特显点目标的雷达散射系数和其到(0,u_m)的时间延时。其中，x_n表示第n个特显点目标在直角坐标系的横坐标，y_n表示第n个特显点目标在直角坐标系的纵坐标，n的取值为从1到N；G_e(u_m)、τ_e(u_m)分别为线阵成像雷达系统通道m的幅度误差和相位误差，m与阵列长度和工作波长有关，从几十到几百不等，具体地，m是小于等于1000的自然数。

步骤S4：单特显点幅相误差估计，在该步骤，对于每一个通道的幅相误差利用步骤S3采集的多特显点回波数据估计出N个值：

$\left\{\begin{array}{c}{\tilde{G}}_{e1}\left(u_m\right),{\tilde{G}}_{e2}\left(u_m\right),...,{\tilde{G}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right),...,{\tilde{G}}_{\mathrm{eN}}\left(u_m\right)\\ {\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{e1}\left(u_m\right),{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{e1}\left(u_m\right),...,{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right),...,{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{eN}}\left(u_m\right)\end{array}\right.$

其中，和分别表示通道m利用第n个特显点数据估计得到的幅度误差和相位误差。

步骤S5：系统幅相误差估计，在该步骤，利用步骤S4得到的每一个通道幅相误差的N个估计值取平均，得到该通道幅相误差最终估计结果：

$\tilde{G}\left(u_m\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{G}}_{\mathrm{ei}}\left(u_m\right),\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(u_m\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{ei}}\left(u_m\right)$

其中，和分别表示通道m的幅度误差和相位误差估计值。

步骤S6：系统幅相误差校正，在该步骤，利用步骤S5得到的每个通道的幅相误差估计值在频域完成幅相误差校正再变换回时域，得到校正完幅相误差后的信号s_{R_c}(t,u_m)：

$s_{R\_c}(t,u_m)=\frac{s_R(t+\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(u_m\right),u_m)}{\tilde{G}\left(u_m\right)}$

根据本发明的实施例，所述的和的估计步骤是：

步骤S41：对步骤S3采集的多特显点回波信号s_R(t,u_m)做时域Fourier变换，得S_R(f,u_m)

$\begin{array}{c}{S}_R(f,u_m)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{s}_R(t,u_m)\·\exp (-j2\mathrm{\πft})\·\mathrm{dt}\\ =S_T\left(f\right)\·G\left(u_m\right)\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_n\exp (-j2\mathrm{\πf}({\mathrm{\τ}}_n\left(u_m\right)+\mathrm{\τ}\left(u_m\right)))\end{array}$

其中，为s_T(t)的时域Fourier变换；f表示电磁波信号的频率。

步骤S42：对由步骤S41得到的S_R(f,u_m)做匹配滤波，得到照射特显点目标的一维距离像s_M(t,u_m)。

$s_M(t,u_m)=G\left(u_m\right)\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_n\mathrm{psf}(t-{\mathrm{\τ}}_n\left(u_m\right)-\mathrm{\τ}\left(u_m\right))$

其中， $\mathrm{psf}\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\left|S_T\left(f\right)\right|}^2\·\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\·\mathrm{df}$ 表示点扩展函数；

步骤S43：对由步骤S42得到的s_M(t,u_m)提取每个特显点目标的一维距离像s_Mn(t,u_m)

s_Mn(t,u_m)＝G(u_m)·σ_n·psf(t-τ_n(u_m)-τ(u_m))

步骤S44：取由步骤S43得到的s_Mn(t,u_m)的峰值点幅度值除以σ_n估计 ${\tilde{G}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right)$

${\tilde{G}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right)=\frac{\max \left(\right|s_{\mathrm{Mn}}(t,u_m)\left|\right)}{{\mathrm{\σ}}_n}$

其中，max(·)表示取最大值函数。

步骤S45：对每个通道，提取由步骤S43得到的s_Mn(t,u_m)的峰值点对应时刻 ${\tilde{t}}_n\left(u_m\right){|}_{s_{\mathrm{Mn}}({\tilde{t}}_n\left(u_m\right),u_m)=\max \left(\right|s_{\mathrm{Mn}}(t,u_m)\left|\right)};$

步骤S46：将由步骤S45得到的和u_m组成数据点根据p_m到曲线投影点的距离平方和最小为目标函数，拟合出一条高次曲线S，拟合的目标函数为

f(S)＝∑_m[dist(p_m，S)]²→min

其中，dist(p_m,S)表示p_m到S的投影距离；

步骤S47：提取由步骤S46得到的拟合曲线的顶点 和u_vex分别表示拟合曲线顶点横、纵坐标；

步骤S48：由步骤S47得到的p_vex计算峰值点对应的理想时刻

${\tilde{t}}_{n\_\mathrm{iedal}}\left(u_m\right)=2\sqrt{{\left(\frac{c\·{\tilde{t}}_n\left(u_{\mathrm{vex}}\right)}{2}\right)}^2+{(u_m-u_{\mathrm{vex}})}^2}/c$

其中，c表示电磁波在真空中的传播速度；

步骤S49：将由步骤S45得到的和由步骤S48得到的做差，得到

${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right)={\tilde{t}}_n\left(u_m\right)-{\tilde{t}}_{n\_\mathrm{iedal}}\left(u_m\right).$

根据本发明实施例，所述的系统幅相误差校正步骤是：

步骤S61：将由步骤S41得到的S_R(f,u_m)除以由步骤S5得到的完成幅度误差校正，校正后的信号为S_{R_AC}(f,u_m)

$S_{R\_\mathrm{AC}}(f,u_m)=S_R\left(f{,u}_m\right)/\tilde{G}\left(u_m\right)$

步骤S62：将由步骤S61得到的S_{R_AC}(f,u_m)乘以完成相位误差校正，校正后的信号为S_{R_c}(f,u_m)

$S_{R\_c}(f,u_m)=S_{R\_\mathrm{AC}}(f,u_m)\·\exp \left(j2\mathrm{\πf}\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(u_m\right)\right)$

步骤S63：将由步骤S62得到的S_{R_c}(f,u_m)变换到时域，得到s_{R_c}(t,u_m)

$\begin{array}{c}{s}_{R\_c}(t,u_m)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{S}_{R\_c}(f,u_m)\·\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\·\mathrm{df}\\ =\frac{s_R(t+\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(u_m\right),u_m)}{\tilde{G}\left(u_m\right)}\end{array}$

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多特显点线阵成像雷达系统幅相误差校正方法，其特征在于，该方法包括步骤：

步骤S1：场景区域划分，在该步骤，以θ为角度间隔将雷达视角范围为的场景划分为N个部分，

其中，ceil(·)表示向上取整函数；arcsin(·)表示反正弦函数；由场景区域大小确定，其变化范围是从0°到180°；N的范围是从1到13；

步骤S2：多特显点布置，在该步骤，在步骤S1划分的每一个小区域的中心位置，布置一个特显点目标，在整个场景中布置N个特显点目标；

步骤S3：多特显点回波数据采集，在该步骤，线阵成像雷达系统采集步骤S2布置的N个特显点目标回波信号；

步骤S4：单特显点幅相误差估计，在该步骤，对于每一个通道的幅相误差利用步骤S3采集的多特显点回波数据估计出N个值；

步骤S5：系统幅相误差估计，在该步骤，利用步骤S4得到的每一个通道幅相误差的N个估计值取平均，得到该通道幅相误差最终估计结果；

步骤S6：系统幅相误差校正，在该步骤，利用步骤S5得到的每个通道的幅相误差估计值在频域完成幅相误差校正再变换回时域，得到校正完幅相误差后的信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3，所述N个特显点目标回波信号表达式为：

$s_R(t,u_m)=G\left(u_m\right)\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_n{s}_T(t-{\mathrm{\τ}}_n\left(u_m\right)-\mathrm{\τ}\left(u_m\right))$

其中，s_T(t)为发射信号，s_R(t,u_m)为位于(0,u_m)位置处的收发阵元接收到的目标回波信号，其中，t表示时间变量，u_m表示收发阵元位置变量，设阵列长度为2L，则u_m的取值范围是从-L到L；σ_n、τ_n(u_m)分别为位于(x_n,y_n)位置处的第n个特显点目标的雷达散射系数和其到(0,u_m)的时间延时。其中，x_n表示第n个特显点目标在直角坐标系的横坐标，y_n表示第n个特显点目标在直角坐标系的纵坐标，n的取值为从1到N；G_e(u_m)、τ_e(u_m)分别为线阵成像雷达系统通道m的幅度误差和相位误差。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S4估计出的N个值分别为

$\left\{\begin{array}{c}{\tilde{G}}_{e1}\left(u_m\right),{\tilde{G}}_{e2}\left(u_m\right),...,{\tilde{G}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right),...,{\tilde{G}}_{\mathrm{eN}}\left(u_m\right)\\ {\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{e1}\left(u_m\right),{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{e1}\left(u_m\right),...,{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right),...,{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{eN}}\left(u_m\right)\end{array}\right.$

其中，和分别表示通道m利用第n个特显点数据估计得到的幅度误差和相位误差。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所得到的通道幅相误差最终估计结果为：

$\tilde{G}\left(u_m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{G}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right),\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(u_m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right)$

其中，和分别表示通道m的幅度误差和相位误差估计值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S6，得到的校正完幅相误差后的信号s_{R_c}(t,u_m)表示为：

$s_{R\_c}(t,u_m)=\frac{s_R(t+\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(u_m\right),u_m)}{\tilde{G}\left(u_m\right)}$

6.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，所述的和的估计步骤是：

步骤S41：对步骤S3采集的多特显点回波信号s_R(t,u_m)做时域Fourier变换，得S_R(f,u_m)

$\begin{array}{c}{S}_R(f,u_m)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{s}_R(t,u_m)\·\exp (-j2\mathrm{\πft})\·\mathrm{dt}\\ =S_T\left(f\right)\·G\left(u_m\right)\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_n\exp (-j2\mathrm{\πf}({\mathrm{\τ}}_n\left(u_m\right)+\mathrm{\τ}\left(u_m\right)))\end{array}$

其中，为s_T(t)的时域Fourier变换；f表示电磁波信号的频率。

步骤S42：对由步骤S41得到的S_R(f,u_m)做匹配滤波，得到照射特显点目标的一维距离像s_M(t,u_m)。

$s_M(t,u_m)=G\left(u_m\right)\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_n\mathrm{psf}(t-{\mathrm{\τ}}_n\left(u_m\right)-\mathrm{\τ}\left(u_m\right))$

其中， $\mathrm{psf}\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\left|S_T\left(f\right)\right|}^2\·\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\·\mathrm{df}$ 表示点扩展函数；

步骤S43：对由步骤S42得到的s_M(t,u_m)提取每个特显点目标的一维距离像s_Mn(t,u_m)

s_Mn(t,u_m)＝G(u_m)·σ_n·psf(t-τ_n(u_m)-τ(u_m))

步骤S44：取由步骤S43得到的s_Mn(t,u_m)的峰值点幅度值除以σ_n估计 ${\tilde{G}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right)$

${\tilde{G}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right)=\frac{\max \left(\right|s_{\mathrm{Mn}}(t,u_m)\left|\right)}{{\mathrm{\σ}}_n}$

其中，max(·)表示取最大值函数；

步骤S45：对每个通道，提取由步骤S43得到的s_Mn(t,u_m)的峰值点对应时刻 ${\tilde{t}}_n\left(u_m\right){|}_{s_{\mathrm{Mn}}({\tilde{t}}_n\left(u_m\right),u_m)=\max \left(\right|s_{\mathrm{Mn}}(t,u_m)\left|\right)};$

步骤S46：将由步骤S45得到的和u_m组成数据点根据p_m到曲线投影点的距离平方和最小为目标函数，拟合出一条高次曲线S，拟合的目标函数为

f(S)＝∑_m[dist(p_m，S)]²→min

其中，dist(p_m,S)表示p_m到S的投影距离；

步骤S47：提取由步骤S46得到的拟合曲线的顶点 和u_vex分别表示拟合曲线顶点横、纵坐标；

步骤S48：由步骤S47得到的p_vex计算峰值点对应的理想时刻

${\tilde{t}}_{n\_\mathrm{iedal}}\left(u_m\right)=2\sqrt{{\left(\frac{c\·{\tilde{t}}_n\left(u_{\mathrm{vex}}\right)}{2}\right)}^2+{(u_m-u_{\mathrm{vex}})}^2}/c$

其中，c表示电磁波在真空中的传播速度；

步骤S49：将由步骤S45得到的和由步骤S48得到的做差，得到

${\widetilde{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{en}}\left(u_m\right)={\tilde{t}}_n\left(u_m\right)-{\tilde{t}}_{n\_\mathrm{iedal}}\left(u_m\right).$

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的系统幅相误差校正步骤是：

步骤S61：将由步骤S41得到的S_R(f,u_m)除以由步骤S5得到的完成幅度误差校正，校正后的信号为S_{R_AC}(f,u_m)

$S_{R\_\mathrm{AC}}(f,u_m)=S_R\left(f{,u}_m\right)/\tilde{G}\left(u_m\right)$

步骤S62：将由步骤S61得到的S_{R_AC}(f,u_m)乘以完成相位误差校正，校正后的信号为S_{R_c}(f,u_m)

$S_{R\_c}(f,u_m)=S_{R\_\mathrm{AC}}(f,u_m)\·\exp \left(j2\mathrm{\πf}\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(u_m\right)\right)$

步骤S63：将由步骤S62得到的S_{R_c}(f,u_m)变换到时域，得到s_{R_c}(t,u_m)

$\begin{array}{c}{s}_{R\_c}(t,u_m)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{S}_{R\_c}(f,u_m)\·\exp \left(j2\mathrm{\πft}\right)\·\mathrm{df}\\ =\frac{s_R(t+\widetilde{\mathrm{\τ}}\left(u_m\right),u_m)}{\tilde{G}\left(u_m\right)}\end{array}.$