CN105223573B - 宽域高分辨率多目标逆合成孔径雷达成像技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空时处理的宽域高分辨率多目标逆合成孔径雷达成像系统设计方法及信号处理方法，主要解决了现有的ISAR系统无法同时实现宽域多目标高分辨成像的问题。本发明的实现步骤是：(1)整个天线阵列沿横向快速扫描发射信号；(2)各个接收通道同时接收回波信号；(3)将各个接收通道得到的回波信号进行空时处理分离各个子波束回波；(4)对分离后的各个子波束回波分别进行多目标成像处理。本发明采用横向快速扫描发射带宽信号，然后对各通道接收回波进行空时处理的方法，在保证系统功率要求的前提下，同时实现了宽域高分辨多目标ISAR成像。

Description

宽域高分辨率多目标逆合成孔径雷达成像技术
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达成像技术领域中的逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)宽域高分辨率多目标成像技术。
背景技术
逆合成孔径雷达能对空间目标进行全天时、全天候、远距离成像，在战略防御、雷达天文学等军用和民用领域都有重要的应用价值，是现代雷达的研究热点之一。
同时实现高分辨率宽域多目标监测成像是雷达成像技术的追求目标。高分辨图像可以提供目标更多的细节特征，以便于后续目标识别。逆合成孔径雷达通过发射宽带信号获取高距离分辨率，而方位分辨率则依靠目标与雷达之间相对运动形成的合成阵列来获取。为了提高方位分辨率，最直接的方法是通过提高相干处理时间(Coherent ProcessingInterval,CPI)。但是目标在长CPI里往往表现出较强的机动性，使得成像处理非常困难，甚至无法得到清晰的图像。为解决此问题，研究人员们提出了多种方案，例如采用压缩感知和多通道技术等等。但这些方法都只针对单个运动目标进行高分辨成像。
在实际中，很多雷达应用要求同时对宽域多目标进行成像，例如海域和空域国土安全监测等。为了扩大成像范围，可通过采用小面积天线或低载频雷达发射宽波束，但是小天线难以发射高功率信号，而低载频则不利于高分辨成像。另一个宽域成像方案是采用电子扫描雷达技术。该技术通过扫描发射多个脉冲实现宽域监测成像。但是由于该技术在发射一个脉冲后立即切换到接收模式，因此不同子波束范围内的目标无法同时实现监测成像。
综上所述，如何利用现有的雷达硬件条件，同时实现宽域高分辨ISAR成像是一项新的挑战。
发明内容
本发明针对上述现有ISAR技术面临的问题，提出了一种基于空时处理的宽域高分辨多目标ISAR成像体制，并给出了相应的成像处理方法，有效地解决了宽域高分辨多目标成像的问题。
为实现上述目的，本发明的主要步骤如下：
(1)整个天线阵面沿横向快速扫描发射信号；
(2)各个接收阵元同时接收回波信号；
(3)将各个接收阵元得到的回波信号进行空时处理以分离各个子波束回波；
(4)对分离后的各个子波束回波分别进行多目标成像处理。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
本发明通过沿横向快速扫描发射多个宽带脉冲，实现宽域高分辨多目标成像监测，克服了传统ISAR系统无法同时对宽域多目标进行高分辨成像监测的技术问题。
附图说明
图1为本发明的设计方法流程图；
图2雷达发射接收脉冲时序图；
图3雷达波束指向示意图；
图4成像斜距几何示意图；
图5为本发明的信号处理流程图；
图6子波束分离前的成像结果；
图7子波束分离后的成像结果；
具体实施方式
参照附图1，本发明的具体实施步骤如下：
步骤1，整个天线阵列沿横向快速扫描发射信号
如图2所示，雷达在一个脉冲重复间隔(PRI)内连续扫描发射N个子脉冲信号。各个子脉冲信号完全相同，只是波束指向角不同。子脉冲的发射间隔可以为一个子脉冲宽度，也可以根据系统具体情况选择其它合适的发射间隔，只要其大于子脉冲宽度，同时整个发射接收时间满足系统时序图要求。如图3所示，发射子脉冲1时，雷达波束指向为图中所示的子波束1；子脉冲1发射完毕，雷达立即切换波束指向为子波束2，同时发射子脉冲2；……；直至发射完N个子脉冲，然后切换至接收模式，同时接收所有子波束回波，接着进行下一轮发射接收。这里发射信号采用线性调频脉冲信号，如下式所示：
其中，τ为距离时间，fc为发射信号载频，γ为发射脉冲调频率，wr(τ)为发射信号包络，N为子脉冲个数，Δτn为第n个子脉冲相对第一个子脉冲的发射延时。
步骤2，各个接收通道同时接收回波信号。
发射完N个子脉冲后，雷达切换至接收模式，所有通道同时接收各个子脉冲的回波。不失一般性，假设各个子波束中均只有一个目标，且各个目标只考虑一个散射中心，则第m个(m＝1,…,M，其中M为接收通道数，且M≥N)通道接收回波为
其中，σs,n为第n个目标的后向散射系数，nm(τ)为接收通道噪声，rtr,n和rm,n分别为第n个目标至发射天线和第m个接收通道的斜距，如图4所示。根据成像几何关系可知
rm,n≈r1,n+dm·cosαn
其中，αn为第n个目标的方位角。由此，各通道接收回波可近似为
假设N个目标间的斜距满足
则各个目标的回波将重叠在一起。由此，各通道接收回波可进一步写为
步骤3，将各个接收通道得到的回波信号进行空时处理以分离各个子波束回波。
由于各子脉冲回波来自不同的方位角，因此结合各接收阵元间的空间关系，可将混叠在一起的各子脉冲回波分离开。如图5所示，首先对各子波束回波进行距离压缩，得到
其中，pr(τ)为距离压缩后脉冲包络。当dmcosαn的大小相对于斜距分辨率来说不可忽略时，可对各接收通道回波相对第一个接收通道进行距离配准，得到
其中，
an(τ)＝σs,npr(τ-Δτ)·exp(-j2πfcΔτ)
忽略τ，用矢量形式表达回波接收信号可得，
其中，
s＝[s1,rc(τ),s2,rc(τ)…,sM,rc(τ)]T
n＝[n1(τ),n2(τ),…,nM(τ)]T
表示矩阵转置。若各个目标的方位角αn已知，则可通过简单的矩阵求解将各个an(τ)分离开，从而实现子波束分离。但在实际中，由于各个目标的方位角未知，且通常都占据一定的角度范围，因此无法采用简单的矩阵求解实现各目标回波的精确分离。但是各子波束的角度范围是已知的，并由雷达系统参数决定。这样，我们可通过后续空时处理来尽量保持拟提取子波束范围内的目标能量，抑制所有来自其它波束角范围内的目标，即解以下优化问题
其中，
pn0为拟提取目标的导向矢量，θ1和θ4为雷达子波束的最小和最大方位角，如图3所示，Δθ为子波束宽度，为拟提取目标所在的子波束中心指向角，ξ为副瓣水平。易知，R0和R1均为对称正定矩阵，因此上述优化问题可归结为凸优化问题。在实际中，由于雷达系统参数是已知的，可提前求得权矢量ω作为后续处理的输入参数，以提高处理效率。
步骤4，对分离后的各个子波束回波分别进行多目标成像处理。
子波束分离后，可采用传统多目标成像方法对各个子波束回波分别进行ISAR成像处理，最终得到宽域多目标ISAR图像。
下面结合仿真数据实验对本发明的效果做进一步的说明。
1、仿真条件：
ISAR系统的仿真参数如下表所示，雷达坐标为(0m，0m)。3个目标分别位于3个子波束里，其方位向大小均为32m，相邻目标的中心斜距差均为1.5km。由于子脉冲的发射延时为10us，3个目标刚好同时到达接收阵元，从而混叠在一起。我们对四种情况分别进行了仿真：
情况一、各目标均位于各子波束中心，目标3至雷达的斜距为10km；
情况二、各目标均偏离子波束中心0.43o，目标3至雷达的斜距为10km；
情况三、各目标均位于各子波束中心，目标3至雷达的斜距为2km；
情况四、各目标均偏离子波束中心0.43o，目标3至雷达的斜距为2km；
2、仿真数据包实验分析：
图6给出了进行子波束分离前的运动目标成像结果。由于各个目标的回波混叠在一起，直接对其成像无法将其分离。图7给出利用本发明所述的方法进行子脉冲分离后的目标3成像结果，其中图7(a)为情况一的成像结果，图7(b)为情况二的成像结果，图7(c)为情况三的成像结果，图7(d)为情况四的成像结果。目标1和目标2的成像结果与目标3类似，因此不再赘述。由图7可知，利用本发明所述方法可以得到运动目标的清晰图像，从而实现宽域高分辨多目标成像。

Claims (2)

1.宽域高分辨率多目标逆合成孔径雷达成像技术，包括如下步骤：
(1)整个天线阵列沿横向快速扫描分时发射多个子脉冲信号；
(2)发射多个子脉冲信号后，各个接收通道同时接收回波信号；
(3)将各个接收通道得到的回波信号在时域通过求解以下凸优化问题将各个子波束进行分离
其中，ω为分离目标所需的权矢量，为拟提取目标的导向矢量，R0为拟提取目标所在子波束范围内所有可能信号构成的协方差矩阵，R1为除拟提取目标所在子波束以外的所有其他子波束范围内的所有可能信号构成的协方差矩阵，ξ为副瓣水平，上标H表示共轭转置；
(4)对分离后的各个子波束回波分别进行多目标成像处理。
2.根据权利要求1所述的宽域高分辨率多目标逆合成孔径雷达成像技术，其特征在于：雷达在一个脉冲重复周期(PRF)内连续扫描发射N个子脉冲信号，各个子脉冲信号完全相同，只是波束指向方向不同，子脉冲的发射间隔可以为一个子脉冲宽度，也可以根据系统具体情况选择其它合适的发射间隔，只要其大于子脉冲宽度，同时整个发射接收时间满足系统时序图要求，所有通道在发射N个子脉冲信号后同时接收回波信号。
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