CN105182332A - 一种二维波束锐化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维波束锐化方法,包含以下步骤:获取整个实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布及差波束方向图的二维频域分布;对目标区域采用实孔径雷达进行成像,获得实孔径成像结果,即目标区域回波和通道信号的二维频域分布以及目标区域回波差通道信号的二维频域分布;采用波束锐化公式对实孔径成像结果进行二维波束锐化,获得实孔径成像结果的二维波束锐化结果。本发明主要是对雷达方向图函数以及回波信号进行处理,以获得高分辨的微波图像,能同时降低一维波束锐化方法对高信噪比的要求以及一维波束锐化方法只能对某一维进行波束锐化的缺陷,使得实孔径成像技术有更好的工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及微波雷达技术领域,具体涉及一种二维波束锐化方法,用以在微波雷达实孔径成像技术中同时提高方位维和俯仰维的分辨率。
背景技术
实孔径成像技术是利用实孔径雷达探测目标区域的回波幅度分布来对目标区域进行微波成像。其成像分辨率受天线波束的限制,无法分辨波束宽度内的目标,很难得到高分辨率的微波成像结果。这就需要利用波束锐化技术来提高成像结果的分辨率。
多普勒波束锐化也是常见的波束锐化方法,然而其波束锐化方法是通过利用平台与目标的移动产生多普勒来完成波束锐化的。这和在实孔径成像系统中,利用波束关系来完成波束锐化,有着本质的区别。
目前,常见的波束锐化技术是通过一维波束锐化来提高方位维或俯仰维的分辨率。现有技术中,公开号为CN102608607的专利文献公开了一种天气雷达波束锐化和逆量化,是基于估计的量化反射率数据来调整某一列的量化反射率数据,该估计的量化反射率数据与该接收的某一列量化反射率数据关联更大的天线的波束图来相关联,利用概念上的“期望天线”来使波束锐化方法快速收敛,这是一种一维的波束锐化方法,而且其并不利用天线的和差波束的关系,来进行波束锐化,另外其迭代计算估计值与测量值的MSE使其最小来完成波束锐化,需要更多的计算量。再如,公开号为CN104502904的专利文献公开了一种鱼雷自导波束锐化方法,是针对鱼雷自导声基阵,通过对基阵各个阵元接收信号选取不同加权系数进行加权求和来完成的,该方法仍然只能提高一维(方位维)的分辨率。现有技术中,非专利文献,2010年的电子科技大学硕士学位论文《实孔径雷达波束锐化算法研究》,是利用Richardson-Lucy超分辨算法来完成了波束锐化,该算法是基于迭代完成的,其波束锐化比随着迭代次数增加而增加,要获得高的波束锐化比就意味着很大的迭代次数,进而需要更多的运算量。另外,其利用一维解卷积的波束锐化方法来进行一维波束锐化,然而其在信噪比为-30dB的情况下,仍然不能利用波束锐化分辨目标。一维解卷积的波束锐化方法,对信噪比要求很高。再比如,非专利文献2013年的电子科技大学硕士学位论文,《基于反卷积的方位超分辨研究》及发表在火控雷达技术上非专利文献《解卷积锐化算法在导引头前视成像中的应用》(Vol.43No.1(Series167)Mar.2014)也是涉及了一维解卷积波束锐化方法。其仍然具有一维解卷积波束锐化方法的缺点——对回波的信噪比要求很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维波束锐化方法,主要是对雷达方向图函数以及回波信号进行处理,以获得高分辨的微波图像,能同时降低一维波束锐化方法对高信噪比的要求以及一维波束锐化方法只能对某一维进行波束锐化的缺陷,使得实孔径成像技术有更好的工程应用。
为了达到上述目的,本发明通过以下技术方案实现:一种二维波束锐化方法,用于对实孔径雷达成像进行锐化,其特点是,包含以下步骤:
S1、获取整个实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布及差波束方向图的二维频域分布;
S2、对目标区域采用实孔径雷达进行成像,获得实孔径成像结果,即目标区域回波和通道信号的二维频域分布以及目标区域回波差通道信号的二维频域分布;
S3、采用波束锐化公式对实孔径成像结果进行二维波束锐化,获得实孔径成像结果的二维波束锐化结果。
所述的步骤S1包含:
S1.1、测量实孔径雷达各个馈源的二维复数方向图;
S1.2、根据实孔径雷达各个馈源的二维复数方向图及实孔径雷达各个馈源的位置关系,计算得到整个实孔径雷达的和波束二维方向图以及差波束二维方向图;
S1.3、以方位角和俯仰角为坐标构成一个二维矩阵,分别对整个实孔径雷达的和波束二维方向图以及差波束二维方向图进行二维傅里叶变换得到整个实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布并取其共轭及差波束方向图的二维频域分布并取其共轭。
所述的步骤S1.1包含:
S1.1.1、在无目标信号的情况下,分别对实孔径雷达的各个馈源通道进行噪声采集,并计算每一馈源通道的噪声平均功率;
S1.1.2、测试实孔径雷达的每一个馈源通道的幅度方向图和相位方向图;
S1.1.3、将将馈源通道的幅度方向图除以对应馈源通道的噪声平均功率进行加权,获得调整幅度一致性后的实孔径雷达的各个馈源通道幅度方向图,将调整幅度一致性后的实孔径雷达的各个馈源通道幅度方向图与对应的馈源通道的相位方向图进行结合得到实孔径雷达各个馈源的二维复数方向图。
所述的步骤S2包含:
S2.1、使用实孔径雷达对目标区域进行成像,每一个馈源通道分别采集目标区域回波信号的幅度和相位;
S2.2、对每一个馈源通道,以方位角和俯仰角为坐标,构成一个回波信号的幅度和相位二维复数矩阵,每一个馈源通道二维复数矩阵;
S2.3、对不同馈源通道信号进行加减计算目标区域内回波信号的和通道信号以及目标区域内回波信号的差通道信号;
S2.4、对获得的目标区域内回波信号的和通道信号和差通道信号分别进行二维傅里叶变换得到目标区域回波和通道信号的二维频域分布以及目标区域回波差通道信号的二维频域分布。
所述的步骤S3中波束锐化公式为:
其中,IFFT2(·)表示二维逆傅里叶变换,θ,分别为方位角和俯仰角,ωθ和分别表示进行傅里叶变换后的频域分布坐标,表示目标区域回波和通道信号的二维频域分布,表示目标区域回波差通道信号的二维频域分布,表示实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布的共轭,表示实孔径雷达的差波束方向图的二维频域分布的共轭。
本发明一种二维波束锐化方法与现有技术相比具有以下优点:本发明利用了二维雷达方向图以及二维目标区域回波信号,进行二维处理获得二维波束锐化结果,并且充分利用了目标区域回波信号的幅度信息和相位信息;本发明可以直接完成二维波束锐化,其运算量相对于其他需迭代的方法(如RL法)运算量要低,并且可以获得高分辨率的微波图像;本发明采用二维波束锐化,可以一次性获得二维的波束锐化效果,在同等波束宽度处理的情况下,对目标区域回波信号的信噪比要求比一维解卷积波束锐化方法要低,可以对更远距离的实孔径图像进行波束锐化,其波束锐化比可以达到1/60。
附图说明
图1为本发明一种二维波束锐化方法的流程图;
图2为无噪声的情况下一维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果图;
图3为信噪比为43dB时的一维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果图;
图4为信噪比为40dB时的一维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果图;
图5为无噪声的情况下二维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果图;
图6为信噪比为17dB时的二维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果图;
图7为信噪比为13dB时的二维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图,通过详细说明一个较佳的具体实施例,对本发明做进一步阐述。
如图1所示,一种二维波束锐化方法,用于对实孔径雷达成像进行锐化,包含以下步骤:
S1、获取整个实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布并取其共轭及差波束方向图的二维频域分布并取其共轭。
S1.1、测量实孔径雷达各个馈源的二维方向图;
S1.1.1、在无目标信号的情况下,分别对实孔径雷达的各个馈源通道进行噪声采集,并计算每一馈源通道的噪声平均功率,并将每一馈源通道的噪声平均功率作为每一馈源通道幅度一致性的调整参数,此时认为各个馈源接收到的噪声相当,对于4个馈源通道的实孔径雷达测得其各个馈源通道的平均噪声功率分别为P1,P2,P3,P4;
S1.1.2、测试实孔径雷达的每一个馈源通道在各个方位角和俯仰角组合上的增益幅度和相位,构成一个复数矩阵用 表示,即为各个馈源通道的二维复数方向图;
S1.1.3、将步骤S1.1.1中获得的每一馈源通道的噪声平均功率进行加权,调整实孔径雷达的各个馈源通道的幅度一致性,得到调整后的每一馈源通道的二维复数方向图,调整后的每一馈源通道的二维复数方向图分别为:
S1.2、根据实孔径雷达各个馈源的二维方向图及实孔径雷达各个馈源的位置关系,计算得到整个实孔径雷达的和波束二维方向图以及差波束二维方向图,其中整个实孔径雷达的和波束二维方向图表示为:整个实孔径雷达的差波束二维方向图表示为:
S1.3、以方位角和俯仰角为坐标构成一个二维矩阵,进行二维傅里叶变换得到整个实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布及差波束方向图的二维频域分布,其中整个实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布的共轭为整个实孔径雷达的差波束方向图的二维频域分布的共轭为
S2、对目标区域采用实孔径雷达进行成像,获得实孔径成像结果,即目标区域回波和通道信号的二维频域分布以及目标区域回波差通道信号的二维频域分布;
在现有技术的实孔径成像过程中,天线收集到的回波信号只取用其幅度值,而不利用其相位信息。然而天线的波束是一个既有幅度又有相位的一个函数,这种处理浪费了大量有用信息。在进行二维波束锐化时,对采集到的目标回波,既需要各个角度单元的幅度值也需要采集各个角度单元的相位值。收到的回波幅度和相位值以方位角和俯仰角为坐标构成一个二维的复数矩阵。在对不同馈源通道的接收信号进行幅度一致性处理后,计算得到其二维频域分布,具体地:
S2.1、使用实孔径雷达对目标区域进行成像,采集目标区域回波信号的幅度和相位;
S2.2、以每一个方位角和俯仰角组合对应的回波信号的幅度和相位构成一个二维矩阵,表示为:
S2.3、计算目标区域内回波信号的和通道信号以及目标区域内回波信号的差通道信号,其中目标区域内回波信号的和通道信号表示为目标区域内回波信号的差通道信号表示为
S2.4、计算目标区域回波和通道信号的二维频域分布以及目标区域回波差通道信号的二维频域分布,其中目标区域回波和通道信号的二维频域分布表示为目标区域回波差通道信号的二维频域分布表示为
S3、采用波束锐化公式对实孔径成像结果进行二维波束锐化,获得实孔径成像结果的二维波束锐化结果。
波束锐化公式为:
其中,IFFT2(·)表示二维逆傅里叶变换,θ,分别为方位角和俯仰角,表示目标区域回波和通道信号的二维频域分布,表示目标区域回波差通道信号的二维频域分布,表示实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布的共轭,表示实孔径雷达的差波束方向图的二维频域分布的共轭。
效果对比:结合图2~图7所示,对比一维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果与二维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果。如图2所示,一维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果,目标为3个点分别在0°,0.02°,0.04°,实孔径雷达波束宽度为0.6°,无噪声的情况下,成像范围为-5°~5°,解卷积波束为-5°~5°;如图3所示,信噪比变为43dB时的一维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果;如图4所示,信噪比变为40dB时的一维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果;如图5所示,为二维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果,目标为5个点分别在(0°,0°),(0°,0.02°),(0°,0.04°),(0.02°,0.02°),(0.04°,0.02,0.04°)上,实孔径雷达波束宽度为0.6°,无噪声的情况下,成像范围为方位维-5°~5°,俯仰维-5°~5°,解卷积波束为方位维-5°~5°,俯仰维-5°~5°;如图6所示,信噪比变为17dB时的二维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果;如图7所示,信噪比变为13dB时的二维解卷积波束锐化方法的波束锐化仿真结果。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种二维波束锐化方法,用于对实孔径雷达成像进行锐化,其特征在于,包含以下步骤:
S1、获取整个实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布及差波束方向图的二维频域分布;
S2、对目标区域采用实孔径雷达进行成像,获得实孔径成像结果,即目标区域回波和通道信号的二维频域分布以及目标区域回波差通道信号的二维频域分布;
S3、采用波束锐化公式对实孔径成像结果进行二维波束锐化,获得实孔径成像结果的二维波束锐化结果。
2.如权利要求1所述的二维波束锐化方法,其特征在于,所述的步骤S1包含:
S1.1、测量实孔径雷达各个馈源的二维复数方向图;
S1.2、根据实孔径雷达各个馈源的二维复数方向图及实孔径雷达各个馈源的位置关系,计算得到整个实孔径雷达的和波束二维方向图以及差波束二维方向图;
S1.3、以方位角和俯仰角为坐标构成一个二维矩阵,分别对整个实孔径雷达的和波束二维方向图以及差波束二维方向图进行二维傅里叶变换得到整个实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布并取其共轭及差波束方向图的二维频域分布并取其共轭。
3.如权利要求1所述的二维波束锐化方法,其特征在于,所述的步骤S1.1包含:
S1.1.1、在无目标信号的情况下,分别对实孔径雷达的各个馈源通道进行噪声采集,并计算每一馈源通道的噪声平均功率;
S1.1.2、测试实孔径雷达的每一个馈源通道的幅度方向图和相位方向图;
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4.如权利要求1所述的二维波束锐化方法,其特征在于,所述的步骤S2包含:
S2.1、使用实孔径雷达对目标区域进行成像,每一个馈源通道分别采集目标区域回波信号的幅度和相位;
S2.2、对每一个馈源通道,以方位角和俯仰角为坐标,构成一个回波信号的幅度和相位二维复数矩阵,每一个馈源通道二维复数矩阵;
S2.3、对不同馈源通道信号进行加减计算目标区域内回波信号的和通道信号以及目标区域内回波信号的差通道信号;
S2.4、对获得的目标区域内回波信号的和通道信号和差通道信号分别进行二维傅里叶变换得到目标区域回波和通道信号的二维频域分布以及目标区域回波差通道信号的二维频域分布。
5.如权利要求1所述的二维波束锐化方法,其特征在于,所述的步骤S3中波束锐化公式为:
域回波和通道信号的二维频域分布,表示目标区域回波差通道信号的二维频域分布,表示实孔径雷达的和波束方向图的二维频域分布的共轭,表示实孔径雷达的差波束方向图的二维频域分布的共轭。
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