CN105137426A - 一种高分辨距离像的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨距离像的获取方法，针对调频连续波发射的雷达，采用Dechirp技术实现接收连续波信号向频域变换，并利用Capon方法实现目标散射点在距离上的分辨，从而获得目标的高分辨HRRP。本发明方法可用于雷达高分辨一维距离像形成，由于引入的Capon方法不用事先定阶等处理，具有良好的应用前景。

Description

一种高分辨距离像的获取方法

技术领域

本发明涉及一种高分辨距离像的获取方法，属于雷达技术领域。

背景技术

雷达一般采用脉冲压缩技术实现距离上的高精度分辨，从而获得高分辨一维距离像(HRRP)。具有较大时宽与带宽积的信号可以兼顾能量与距离分辨力。如何进一步采用提高距离上的分辨率对于采用一维距离像进行目标识别具有重要意义。当系统的设计带宽一定，分辨率越高，从一维距离像提取到的目标特征就越多。对于目标识别而言，更多的特征意味着更好的识别效果。

目前的距离维的超分辨技术一般采用MUSIC方法、Prony方法等，这些方法的缺点在于模型的使用需要实现定阶。定阶即确定模型的阶数，这对于未知目标特性而言无法实现。而传统的脉冲压缩或者Dechirp技术往往由于分辨能力受到限制而达不到理想的性能。因此采用合适的技术实现距离上的高分辨性能具有重要意义。

发明内容

本发明针对调频连续波发射的雷达，提供了一种高分辨距离像的获取方法，采用Dechirp技术实现接收连续波信号向频域变换，并利用Capon方法实现目标散射点在距离上的分辨，从而获得目标的高分辨HRRP。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高分辨距离像的获取方法，包括以下步骤：

(1)发射调频连续波信号，

雷达发射线性调频连续波信号s(t)，具有如下形式：

s(t)＝exp{j(2πf₀t+0.5μt²)}(1)

其中，f₀为载频，t为时间变量，μ为带宽与脉宽的比，exp{j(·)}为复数表示；

(2)接收回波信号，

$y\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\exp \{-j2\mathrm{\π}\[f_0(t-{\mathrm{\τ}}_i)+0.5\mathrm{\μ}{(t-{\mathrm{\τ}}_i)}^2\]\}+n\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，y(t)为回波信号，N表示散射点个数，τ_i为第i个散射点的时延，α_i为散射点复包络，n(t)为高斯白噪声；

(3)进行Dechirp处理，

Dechirp处理采用如下核函数u(t)实现：

u(t)＝exp{-j2π(f₀t+0.5μt²)}(3)

对回波信号y(t)进行Dechirp变换形式如下：

$\begin{array}{c}z\left(t\right)=y\left(t\right)\·u^{*}\left(t\right)\\ =\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\exp \{-j2\mathrm{\π}(-{\mathrm{\μ\τ}}_{i}t-f_0{\mathrm{\τ}}_i+0.5{\mathrm{\μ\τ}}_i^2)\}+n\left(t\right)\end{array}---\left(4\right)$

其中，z(t)为y(t)经Dechirp变换后得到的信号，[·]^*表示共轭运算；

(4)采用Capon谱计算HRRP，得到：

$P=\frac{R^{-1}A\left(\mathrm{\ω}\right)}{A^H\left(\mathrm{\ω}\right)R^{-1}A\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(6\right)$

其中，P为高分辨距离像，

A(ω)＝[a(ω₀),a(ω₁),…,a(ω_K-1)]， $a\left({\mathrm{\ω}}_i\right)={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{-{\mathrm{j\ω}}_i}& \mathrm{...}& e^{-j(K-1){\mathrm{\ω}}_i}\end{array}\right]}^T,$ ω_i为第i个离散角频率，K为离散角频率的个数，

[·]^T为转置运算，[·]^H表示共轭转置，

R为信号z(t)的自相关矩阵，采用下式计算：

R＝E[VV^H](7)

式(7)中，E[·]为数学期望，向量V具有如下形式：

其中，L为采样点数，z(-L+1)，z(-L+2)，……，z(0)，z(1)，……，z(M-1)为经过Dechirp处理的信号z(t)的离散时间序列，M为时延。

本发明用于雷达高分辨一维距离像形成，由于引入的Capon方法不用事先定阶等处理，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的高分辨距离像获取方法流程图；

图2为本发明的实施例采用常规的Dechirp处理获得的HRRP性能；

图3为本发明的实施例采用本发明的Dechirp+Capon方法获得的HRRP性能。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明的采用线性调频连续波发射信号，结合Dechirp变换与Capon技术实现距离维高分辨一维距离像的原理框图如图1所示。

该方法包含步骤主要如下：

(1)发射调频连续波信号

雷达发射线性调频连续波信号s(t)，具有如下形式：

s(t)＝exp{j(2πf₀t+0.5μt²)}(1)

其中，f₀为载频，t为时间变量，μ为带宽与脉宽的比，exp{j(·)}为复数表示，设调频连续波的调制周期为T。

(2)接收回波信号

$y\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\exp \{-j2\mathrm{\π}\[f_0(t-{\mathrm{\τ}}_i)+0.5\mathrm{\μ}{(t-{\mathrm{\τ}}_i)}^2\]\}+n\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，y(t)为回波信号，N表示散射点个数，τ_i为第i个散射点的时延，α_i为散射点复包络，n(t)为高斯白噪声。

(3)传统的Dechirp处理

Dechirp技术采用如下核函数u(t)实现：

u(t)＝exp{-j2π(f₀t+0.5μt²)}(3)

对回波信号y(t)进行Dechirp变换形式如下：

$\begin{array}{c}z\left(t\right)=y\left(t\right)\·u^{*}\left(t\right)\\ =\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\exp \{-j2\mathrm{\π}(-{\mathrm{\μ\τ}}_{i}t-f_0{\mathrm{\τ}}_i+0.5{\mathrm{\μ\τ}}_i^2)\}+n\left(t\right)\end{array}---\left(4\right)$

其中，z(t)为y(t)经Dechirp变换后得到的信号，[·]^*表示共轭运算。

传统的Dechirp处理采用傅里叶变换求取距离频谱，距离频谱可以直接与距离门对应：

$U\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{t=0}{\overset{t=T}{\∫}}z\left(t\right)e^{-j\mathrm{\ω}t}dt---\left(5\right)$

式中，U(ω)为距离频谱，ω为模拟角频率。

(4)距离维Capon谱计算

在本发明中不采用式(5)的傅里叶变换的方法求取距离维的频率而计算HRRP，而采用Capon谱估计计算HRRP，该方法可以利用Capon谱的高分辨性能提高HRRP的分辨率：

$P=\frac{R^{-1}A\left(\mathrm{\ω}\right)}{A^H\left(\mathrm{\ω}\right)R^{-1}A\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(6\right)$

式中，P为高分辨距离像，

A(ω)＝[a(ω₀),a(ω₁),…,a(ω_i),…,a(ω_K-1)]， $a\left({\mathrm{\ω}}_i\right)={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{-{\mathrm{j\ω}}_i}& \mathrm{...}& e^{-j(K-1){\mathrm{\ω}}_i}\end{array}\right]}^T$ (i＝0,1,……,K-1)，ω_i为第i个离散角频率，K为离散角频率的个数，

[·]^T为转置运算，[·]^H表示共轭转置，

R为信号z(t)的自相关矩阵，采用下式计算：

R＝E[VV^H](7)

式(7)中，E[·]为数学期望，向量V具有如下形式：

其中，L为采样点数，z(-L+1)，z(-L+2)，……，z(0)，z(1)，……，z(M-1)为经过Dechirp处理的信号z(t)的离散时间序列，M为时延。

现通过计算机仿真验证本发明方法的效果。仿真的目标存在两个散射点，散射点所处的距离门位置分别为88，96，两个散射点系数的强度分别为0.6exp{-j1.4}和1。发射调频连续波的调频带宽为50MHz，采样率为200MHz，调频周期20μs，信噪比30dB。观察的距离门取200个，Capon算法自相关矩阵维数取值为512。采用常规的Dechirp处理获得的HRRP如图2所示，两个散射点并未明显的分开。采用本发明的Dechirp+Capon方法获得的HRRP见图3所示，可见本发明方法可以有效地区分两个散射点，具有更好的特征提取能力。

Claims (1)

1.一种高分辨距离像的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)发射调频连续波信号，

雷达发射线性调频连续波信号s(t)，具有如下形式：

s(t)＝exp{j(2πf₀t+0.5μt²)}(1)

其中，f₀为载频，t为时间变量，μ为带宽与脉宽的比，exp{j(·)}为复数表示；

(2)接收回波信号，

$y\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\exp \{-j2\mathrm{\π}\[f_0(t-{\mathrm{\τ}}_i)+0.5\mathrm{\μ}{(t-{\mathrm{\τ}}_i)}^2\]\}+n\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，y(t)为回波信号，N表示散射点个数，τ_i为第i个散射点的时延，α_i为散射点复包络，n(t)为高斯白噪声；

(3)进行Dechirp处理，

Dechirp处理采用如下核函数u(t)实现：

u(t)＝exp{-j2π(f₀t+0.5μt²)}(3)

对回波信号y(t)进行Dechirp变换形式如下：

$\begin{array}{c}z\left(t\right)=y\left(t\right)\·u^{*}\left(t\right)\\ =\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\exp \{-j2\mathrm{\π}(-{\mathrm{\μ\τ}}_{i}t-f_0{\mathrm{\τ}}_i+0.5{\mathrm{\μ\τ}}_i^2)\}+n\left(t\right)\end{array}---\left(4\right)$

其中，z(t)为y(t)经Dechirp变换后得到的信号，[·]^*表示共轭运算；

(4)采用Capon谱计算HRRP，得到：

$P=\frac{R^{-1}A\left(\mathrm{\ω}\right)}{A^H\left(\mathrm{\ω}\right)R^{-1}A\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(6\right)$

其中，P为高分辨距离像，

A(ω)＝[a(ω₀),a(ω₁),…,a(ω_K-1)]，ω_i为第i个离散角频率，K为离散角频率的个数，

[·]^T为转置运算，[·]^H表示共轭转置，

R为信号z(t)的自相关矩阵，采用下式计算：

R＝E[VV^H](7)

式(7)中，E[·]为数学期望，向量V具有如下形式：

其中，L为采样点数，z(-L+1)，z(-L+2)，……，z(0)，z(1)，……，z(M-1)为经过Dechirp处理的信号z(t)的离散时间序列，M为时延。