CN105589070A - 基于频率分集阵列的雷达目标成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于频率分集阵列的雷达目标成像方法，通过对成像区域中任意一个网格点进行时延补偿，得到频率分集阵列的各个阵元关于该网格点处的回波幅值；将频率分集阵列的所有阵元处的回波幅值进行叠加，得出该频率分集阵列关于该网格点处的总的回波响应；改变频率分集阵列的频率偏置，重复上述步骤，得出当前频率偏置下频率分集阵列关于该网格点处的总的回波响应；重复上述步骤，并将所有回波响应取模后进行叠加，即可得出该网格点处的像素值；遍历成像区域，计算出成像区域所有网格点的像素值，即可完成目标成像。本发明实现了FDA雷达各阵元单发单收机制下信号回波距离和角度解耦，从而直接对FDA雷达目标定位成像。

Description

基于频率分集阵列的雷达目标成像方法

技术领域

本发明属于阵列信号处理领域，具体涉及一种基于频率分集阵列(FrequencyDiverseArray，FDA)的雷达目标成像方法。

背景技术

频率分集阵列相对于普通均匀线阵最大的区别是相邻两个阵元之间有一个远小于基准载频的频率偏置。这使得它的波束方向图不仅与角度有关，且依赖于距离和时间，这在雷达目标探测成像中有很大的应用前景。

雷达成像技术在军事和民用领域都有广泛的应用需求。传统的雷达成像技术有合成孔径雷达、相控阵雷达实孔径成像等，它们都通过发射宽带信号或脉冲压缩信号来获得距离向的高分辨率。而由于频率分集阵列波束方向图依赖于距离和角度，通过相关方法各阵元只需发射窄带信号即可实现雷达目标定位成像。目前，FDA雷达成像方法多是在各阵元单发单收模式下，采用多个FDA子阵或用频率分集阵列与相控阵联合收发的方式提取出目标距离和角度信息进行定位和成像，实现方式较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是FDA天线单发单收模式下回波响应距离和角度耦合的问题，提供一种基于频率分集阵列的雷达目标成像方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于频率分集阵列的雷达目标成像方法，包括以下步骤：

步骤1，构造单发单收的频率分集阵列；

步骤2，利用频率分集阵列发射信号对成像区域进行扫描；

步骤3，将成像区域按距离和角度划分网格点，对成像区域中任意一个网格点进行时延补偿，得到频率分集阵列的各个阵元关于该网格点处的回波幅值；

步骤4，将频率分集阵列的所有阵元处的回波幅值进行叠加，得出该频率分集阵列关于该网格点处的总的回波响应；

步骤5，改变频率分集阵列的频率偏置，重复步骤2到步骤4，得出当前频率偏置下频率分集阵列关于该网格点处的总的回波响应；

步骤6，重复M-2次步骤5，并将所有M个回波响应取模后进行叠加，即可得出该网格点处的像素值；遍历成像区域，计算出成像区域所有网格点的像素值，即可完成目标成像；其中M为设定的频率偏置的个数。

步骤1中，所构造的频率分集阵列的各个阵元仅接收自身发出的信号。

步骤1中，所构造的频率分集阵列的每个阵元的发射频率依次线性增加，第n个阵元发射信号的载频f_n为：

f_n＝f₀+n△f₁n＝0,1,…,N-1

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，△f₁为频率分集阵列的初始频率偏置，N为频率分集阵列的阵元个数。

步骤3中，对成像区域中任意一个网格点q进行时延补偿，该网格点q的位置为(R_q,q_q)，得出第n个阵元关于网格点q处的回波幅值r_1,n(R_q,q_q)为：

$r_{1,n}(R_q,{\mathrm{\θ}}_q)=\exp \left\{j4{\mathrm{\πf}}_n(\frac{R_q-R_p}{c}-\frac{nd({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}$

式中，f_n为第n个阵元发射信号的载频，n＝0,1,…,N-1，N为该频率分集阵列的阵元个数，q_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的法向夹角，R_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的距离，q_q为网格点q与频率分集阵列的参考阵元的法向夹角，R_q为网格点q与频率分集阵列的参考阵元的距离，c为光速，d为频率分集阵列的阵元间隔。

步骤4中，将频率分集阵列所有N个阵元处的回波幅值进行叠加，得出频率分集阵列关于网格点(R_q,q_q)处的总的回波响应r₁(R_q,q_q)为；

$\begin{array}{c}{r}_1(R_q,{\mathrm{\θ}}_q)=\\ \exp \left\{j2{\mathrm{\πf}}_0\frac{2(R_q-R_p)}{c}\right\}\×\exp \left\{j(N-1)\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}\×\\ \frac{\sin \left\{N\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}}{\sin \left\{\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}}\end{array}$

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，△f₁为频率分集阵列的初始频率偏置，q_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的法向夹角，R_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的距离，q_q为网格点与频率分集阵列的参考阵元的法向夹角，R_q为网格点与频率分集阵列的参考阵元的距离，c为光速，d为频率分集阵列的阵元间隔，n＝0,1,…,N-1，N为该频率分集阵列的阵元个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明利用FDA雷达回波距离-角度依赖的特点，实现了FDA雷达各阵元单发单收机制下信号回波距离、角度解耦，从而直接对FDA雷达目标定位成像；

2)本发明用信号叠加的方法实现二维成像较现有方法更为简单，易于实现。

附图说明

图1为FDA阵列结构图。

图2为本发明成像场景图。

图3为仅采用一组频偏时单目标成像结果图。

图4为采用两组频偏时单目标成像结果图。

图5为采用22组频偏时单目标成像结果图。

图6为采用两组频偏时多目标成像结果图。

图7为采用22组频偏时多目标成像结果图。

具体实施方式

一种基于频率分集阵列的雷达目标成像方法，其具体实施步骤如下：

步骤1，在所述基于频率分集阵列的雷达中，构造单发单收频率分集阵列的阵列结构模型，如图1所示，该频率分集阵列的基准载频为f₀，该频率分集阵列的初始频率偏置为△f₁，该频率分集阵列的阵元间隔为d，该频率分集阵列为具有N个阵元的均匀线阵。

FDA雷达天线阵列每个阵元的发射频率依次线性增加，阵列第n个阵元发射信号的载频f_n表示为：

f_n＝f₀+n△f₁n＝0,1,…,N-1

步骤2，利用步骤1所述频率分集阵列发射信号对成像区域进行扫描，当频率偏置为△f₁时第n个阵元的发射信号为s_1,n(t)，接收信号为r_1,n(t)，n＝0,1,2,…,N-1，t表示时间变量。

其具体子步骤为：

用所述频率分集阵列发射窄带信号，则FDA第n个阵元发射的信号s_n(t)可简单表示为一个复指数函数：

s_1,n(t)＝exp{j2πf_nt}

对于远场成像区域中的一个观测目标点p，其沿阵列射线的法向夹角为q_p，与参考阵元的距离为R_p。观测目标点p即为成像目标所在位置，q_p和R_p在整个成像过程中为固定量，其包含在所接收到的回波信号中。则第n个阵元的回波信号时延为：

${\mathrm{\τ}}_n=\frac{2(R_p-nd{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c}$

利用所述频率分集阵列接收远场目标回波信号，第n个阵元接收到的回波信号为：

$r_{1,n}\left(t\right)=\exp \left\{j2{\mathrm{\πf}}_n(t-\frac{2R_p}{c}+\frac{2nd{\mathrm{sin\θ}}_p}{c})\right\}$

步骤3，将成像区域按距离和角度划分网格点，对成像区域中任意一点q进行时延补偿，其位置处于(R_q,q_q)。得到所述阵列第n个阵元关于点q处的回波幅值r_1,n(R_q,q_q)。网格点q即为成像网格中的任意一点，其q_q和R_q在整个成像过程中为遍历量。

其具体子步骤为：

将成像区域按距离和角度划分网格点，如图2所示，对于成像区域中任意一点(R_q,q_q)，其与FDA第n个阵元的距离为R_q-ndsinq_q，求得双程时延：

$t_{nq}=\frac{2(R_q-nd{\mathrm{sin\θ}}_q)}{c}$

对每个阵元回波进行时延补偿，可得出FDA第n个阵元关于点(R_q,q_q)处的回波幅值r_1,n(R_q,q_q)：

$r_{1,n}(R_q,{\mathrm{\θ}}_q)=\exp \left\{j4{\mathrm{\πf}}_n(\frac{R_q-R_p}{c}-\frac{nd({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}$

步骤4，将所述阵列所有N个阵元处的回波幅值进行叠加，得出所述阵列关于点(R_q,q_q)处的总的回波响应r₁(R_q,q_q)；

$r_1(R_q,{\mathrm{\θ}}_q)=\exp \left({\mathrm{j\φ}}_1\right)\·\frac{sin\left\{N\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}}{sin\left\{\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}}$

其中， $\exp \left({\mathrm{j\φ}}_1\right)=\exp \left\{j2{\mathrm{\πf}}_0\frac{2(R_q-R_p)}{c}\right\}$

$\exp \left\{j(N-1)\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}$

可知，r₁(R_q,q_q)的幅度是一个类似sinc函数的表示形式，由sinc函数的性质可知，当满足：

$\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})=k\mathrm{\π},k=0,\±1,\±2,...$

时，r₁(R_q,q_q)的幅度值达到最大，令k＝0，解得幅度最大值所在曲线距离和角度的关系：

$R_q=R_p+\frac{f_{0}d}{{\mathrm{\Δf}}_1}({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)$

由上式可知，幅度最大值所在曲线与距离、角度有关，但距离、角度耦合使得无法确定目标位置。由于R_q和sinq_q呈线性关系，其斜率与频率偏置有关，通过下面步骤实现目标定位成像。

步骤5，改变所述频率分集阵列频率偏置，重复步骤2到步骤4，得出当前频率偏置下阵列关于点(R_q,q_q)处的总的回波响应。

步骤6，再重复M-2次步骤5，并将所有M个回波响应取模后进行叠加，即可得出点(R_q,q_q)处的像素值r(R_q,q_q)，遍历成像区域，分别计算出成像区域所有网格点的像素值，即可完成目标成像。其中对回波响应取模是指对所有的回波响应求绝对值，只保留回波响应的幅度，而去除回波响应的相位。

为了使频率分集阵列各阵元只接收自身发出的信号，在频率分集阵列各阵元接收端接一个只允许自身发出的信号通过的窄带滤波器。

本发明的效果可以由以下仿真结果进一步说明：

1)仿真条件

频率分集阵列天线模型采用如图1所示的均匀线阵，其中阵列阵元数为21，雷达信号基准载频为10GHz，阵元间距为半个波长，初始频率偏置为1050KHz。

成像区域距离范围：9.95km10.05km，距离域扫描间隔为0.5m；方位角度范围：-20°20°，方位角扫描角度间隔为0.5°。

2)仿真内容与结果

仿真1，设置一个点目标，相对于FDA天线，其方位角为0°，距离为10km，采用本发明进行单目标成像。参照图3，为不改变频偏仅发射一组信号下的成像结果，可以看出，成像结果是一条距离-角度耦合的能量分布曲线，并没有在目标点位置形成聚焦。图4为改变一次频偏，频偏取△f＝[-1050,1050]KHz发射两组信号后采用本发明得到的成像结果，可以看到叠加后能量在目标点位置形成了聚焦，实现成像。说明对于单目标仅需改变一次频偏发射两组信号即可实现成像。但通过更多次的改变频偏来发射信号有利于成像效果的提高，如图5即为频偏数M为22，频偏取值为△f＝[-1050,-950,...,950,1050]KHz时的成像结果，可明显看出目标点位置与背景对比度增大，成像效果提高。

仿真2，设置两个点目标，相对于FDA天线，第一个目标方位角为0°，距离为10km；第二个目标方位角为10°，距离为10km，采用本发明进行多目标成像。图6为仅改变一次频偏，频偏取△f＝[-1050,1050]KHz时得到的成像结果，可以看出与单目标情况不同的是，能量不仅在两个目标位置形成了聚焦，在另外两个位置也形成了假象。这是由于多目标情况下，不同目标产生的能量曲线也会进行叠加，对于多个目标情况，过小的M值会使得目标周围存在严重的旁瓣和噪声，甚至产生虚像和假象。图7是频偏数为22，频偏取值为△f＝[-1050,-950,...,950,1050]KHz时的成像结果，可以看出成像效果较为理想。

综述所述，本发明为频率分集阵列应用于雷达探测成像提供了可能，仿真实验验证了本发明的有效性。希望对本发明方法的所有实现形式进行保护。

Claims (5)

1.基于频率分集阵列的雷达目标成像方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，构造单发单收的频率分集阵列；

步骤2，利用频率分集阵列发射信号对成像区域进行扫描；

步骤3，将成像区域按距离和角度划分网格点，对成像区域中任意一个网格点进行时延补偿，得到频率分集阵列的各个阵元关于该网格点处的回波幅值；

步骤4，将频率分集阵列的所有阵元处的回波幅值进行叠加，得出该频率分集阵列关于该网格点处的总的回波响应；

步骤5，改变频率分集阵列的频率偏置，重复步骤2到步骤4，得出当前频率偏置下频率分集阵列关于该网格点处的总的回波响应；

步骤6，重复M-2次步骤5，并将所有M个回波响应取模后进行叠加，即可得出该网格点处的像素值；遍历成像区域，计算出成像区域所有网格点的像素值，即可完成目标成像；其中M为设定的频率偏置的个数。

2.根据权利要求1所述基于频率分集阵列的雷达目标成像方法，其特征是，步骤1中，所构造的频率分集阵列的各个阵元仅接收自身发出的信号。

3.根据权利要求1所述基于频率分集阵列的雷达目标成像方法，其特征是，步骤1中，所构造的频率分集阵列的每个阵元的发射频率依次线性增加，第n个阵元发射信号的载频f_n为：

f_n＝f₀+n△f₁n＝0,1,…,N-1

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，△f₁为频率分集阵列的初始频率偏置，N为频率分集阵列的阵元个数。

4.根据权利要求1所述基于频率分集阵列的雷达目标成像方法，其特征是，步骤3中，对成像区域中任意一个网格点q进行时延补偿，该网格点q的位置为(R_q,θ_q)，得出第n个阵元关于网格点q处的回波幅值r_1,n(R_q,θ_q)为：

$r_{1,n}(R_q,{\mathrm{\θ}}_q)=\exp \left\{j4{\mathrm{\πf}}_n(\frac{R_q-R_p}{c}-\frac{nd({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}$

式中，f_n为第n个阵元发射信号的载频，n＝0,1,…,N-1，N为该频率分集阵列的阵元个数，θ_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的法向夹角，R_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的距离，θ_q为网格点q与频率分集阵列的参考阵元的法向夹角，R_q为网格点q与频率分集阵列的参考阵元的距离，c为光速，d为频率分集阵列的阵元间隔。

5.根据权利要求1所述基于频率分集阵列的雷达目标成像方法，其特征是，步骤4中，将频率分集阵列所有N个阵元处的回波幅值进行叠加，得出频率分集阵列关于网格点(R_q,θ_q)处的总的回波响应r₁(R_q,θ_q)为；

$\begin{array}{c}{r}_1(R_q,{\mathrm{\θ}}_q)=\\ \exp \left\{j2{\mathrm{\πf}}_0\frac{2(R_q-R_p)}{c}\right\}\×\exp \left\{j(N-1)\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}\×\\ \frac{\sin \left\{N\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}}{\sin \left\{\mathrm{\π}(\frac{2{\mathrm{\Δf}}_1(R_q-R_p)}{c}-\frac{2f_{0}d({\mathrm{sin\θ}}_q-{\mathrm{sin\θ}}_p)}{c})\right\}}\end{array}$

式中，f₀为频率分集阵列的基准载频，△f₁为频率分集阵列的初始频率偏置，θ_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的法向夹角，R_p为观测目标点与频率分集阵列的参考阵元的距离，θ_q为网格点与频率分集阵列的参考阵元的法向夹角，R_q为网格点与频率分集阵列的参考阵元的距离，c为光速，d为频率分集阵列的阵元间隔，n＝0,1,…,N-1，N为该频率分集阵列的阵元个数。