CN105607055A - 一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，包括以下步骤：(1)将测试的和通道数据和测试的差通道数据进行和差比幅测角；(2)计算实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角；(3)给出求解实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K的优化模型；(4)根据第m个距离单元的第n个脉冲的和通道数据、差通道数据，计算第m个距离单元第n脉冲的散射点目标真实角度；(5)在第m个距离单元中，将具有相同散射点目标真实角度的所有脉冲中，每个脉冲的和通道数据进行非相干累加，得到该散射点目标的幅度值，进而得到所有散射点目标的幅度值，即实现对空间散射点目标及所在场景的前视成像。

Description

一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，可用于飞机的对地侦察攻击，自主导航，海洋搜索以及导弹的末端匹配制导。

背景技术

机载雷达通过发射大的时宽带宽积信号来提高距离向分辨率，利用载机平台与地面目标的相对运动所引起的多普勒带宽来提高方位向分辨率，常用的如合成孔径雷达(SAR)和多普勒波束锐化(DBS)技术等，通常具有全天时，全天候，高分辨的特点。但当雷达工作在前视条件下，载机航迹方向与天线波束指向重合，回波信号的多普勒变化率非常小，致使方位分辨率急剧下降，形成前视盲区，无法对前视场景进行成像。现有的SAR及DBS成像主要工作在侧视和斜视条件下，应用具有一定的局限。对于此类成像，如载机着陆时对前方跑道的成像，导弹下落时对打击区域的成像等，往往采用实波束成像方法完成，但这种方法的方位分辨率完全由波束主瓣宽度确定，难以得到更清晰的地面图像。

单脉冲测角技术是一种广泛用于跟踪雷达系统的高精度测角方法，能够对波束内目标的方位、俯仰角进行精确估计。人们提出将单脉冲测角技术引入雷达成像处理中，利用测角实现图像质量的改善，从而产生了单脉冲成像算法。但是，单脉冲成像受测角技术的影响，当实际天线方向图与理想天线方向图失配时，成像质量下降。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，以获得前视场景下的机载雷达高分辨图像。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对机载雷达的原始回波信号的和通道数据、差通道数据分别进行距离向的脉冲压缩和匹配滤波处理，得到距离脉压后的和通道数据和距离脉压后的差通道数据；

步骤2，分别对距离脉压后的和通道数据、距离脉压后的差通道数据在距离频域内乘以距离走动校正因子H(f，t)，得到距离徙动校正后的和通道数据和距离徙动校正后的差通道数据；

步骤3，将测试的和通道数据∑和测试的差通道数据Δ进行和差比幅测角，得到实际的天线方向图的相位误差向量

步骤4，获取理想的天线方向图的相位误差向量根据理想的天线方向图的相位误差向量和实际的天线方向图的相位误差向量计算实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角

步骤5，根据实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角对实际的天线系统进行相位补偿，给出求解实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K的优化模型，求解该优化模型，得到实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K；

步骤6，在距离徙动校正后的和通道数据中，设定第m个距离单元的第n个脉冲的和通道数据为S_∑(m，n)；在距离徙动校正后的差通道数据中，设定第m个距离单元的第n个脉冲的差通道数据为S_Δ(m，n)；对第m个距离单元的第n个脉冲的和通道数据S_∑(m，n)和第m个距离单元的第n个脉冲的差通道数据S_Δ(m，n)进行相位误差补偿，计算第m个距离单元的第n脉冲的虚部值y(m，n)；其中，m＝1，2，...，M，M为距离单元个数，n＝1，2，...，N，N为脉冲个数；

步骤7，根据第m个距离单元的第n脉冲的虚部值y(m，n)和实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K，计算第m个距离单元的第n脉冲的散射点目标相对于主波束的角度偏离量dθ_m，n；其中，m＝1，2，...，M，M为距离单元个数，n＝1，2，...，N，N为脉冲个数；

步骤8，根据第m个距离单元的第n脉冲的散射点目标相对于主波束的偏离量角度dθ_m，n和实际的波束指向θ_time，计算第m个距离单元第n脉冲的散射点目标真实角度θ(m，n)，θ(m，n)＝θ_time+dθ_m，n；其中，m＝1，2，...，M，M为距离单元个数，n＝1，2，...，N，N为脉冲个数；

步骤9，在第m个距离单元中，将具有相同散射点目标真实角度的所有脉冲中每个脉冲的和通道数据进行非相干累加，得到该散射点目标的幅度值，进而得到所有散射点目标的幅度值，即实现对空间散射点目标及所在场景的前视成像；其中，m＝1，2，...，M，M为距离单元个数。

本发明的有益效果为：

(1)本发明充分利用了实际方向图与理想方向图之间的相位差异，拟合出实际天线方向图的鉴角曲线。利用相位差异对机载雷达的回波数据进行补偿，通过实际的鉴角曲线对前视场景进行单脉冲测角，因此本发明的方法更加稳健。

(2)本发明方法在具体实现时，不需要对现有的机载雷达进行硬件改进，只需通过软件升级便可在实际工程中实现应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的流程图；

图2是传统方法的单脉冲前视成像结果图；

图3是本发明方法的单脉冲前视成像结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，包括以下具体步骤：

步骤1，对机载雷达的原始回波信号的和通道数据、差通道数据分别进行距离向的脉冲压缩和匹配滤波处理，得到距离脉压后的和通道数据和距离脉压后的差通道数据。

步骤2，分别对距离脉压后的和通道数据、距离脉压后的差通道数据在距离频域内乘以距离走动校正因子H(f，t)，得到距离徙动校正后的和通道数据和距离徙动校正后的差通道数据。

所述距离走动校正因子H(f，t)，其表达式为：

$H(f,t)=\exp \left(\frac{-j4\mathrm{\π}fR\left(t\right)}{c}\right)$

其中，R(t)≈R₀-v·t·cosθ₀，v为载机平台的速度，θ₀为机载雷达的波束视线与载机运动方向的夹角，R₀为机载雷达与散射点目标间的初始斜距，f为距离频率，t为慢时间，c为光速。

步骤3，将测试的和通道数据∑和测试的差通道数据Δ进行和差比幅测角，得到实际的天线方向图的相位误差向量

所述实际的天线方向图的相位误差向量其表达式为：

其中，angle(·)表示求角度运算。

步骤4，获取理想的天线方向图的相位误差向量根据理想的天线方向图的相位误差向量和实际的天线方向图的相位误差向量计算实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角

所述实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角其表达式为：

其中，mean(·)表示求均值。

步骤5，根据实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角对实际的天线系统进行相位补偿，给出求解实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K的优化模型，求解该优化模型，得到实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K。

所述求解实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K的优化模型为：

其中，δ为鉴角曲线截距误差，θ为一个波束范围内的角度，∑表示测试的和通道数据，Δ表示测试的差通道数据，|·|₂表示求2范数。

步骤6，在距离徙动校正后的和通道数据中，设定第m个距离单元的第n个脉冲的和通道数据为S_∑(m，n)；在距离徙动校正后的差通道数据中，设定第m个距离单元的第n个脉冲的差通道数据为S_Δ(m，n)；对第m个距离单元的第n个脉冲的和通道数据S_∑(m，n)和第m个距离单元的第n个脉冲的差通道数据S_Δ(m，n)进行相位误差补偿，计算第m个距离单元的第n脉冲的虚部值y(m，n)；其中，m＝1，2，...，M，M为距离单元个数，n＝1，2，...，N，N为脉冲个数。

所述第m个距离单元的第n脉冲的虚部值y(m，n)，其表达式为：

其中，Im(·)表示求虚部运算，为实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角。

步骤7，根据第m个距离单元的第n脉冲的虚部值y(m，n)和实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K，计算第m个距离单元的第n脉冲的散射点目标相对于主波束的角度偏离量dθ_m，n。

所述第m个距离单元的第n脉冲的散射点目标相对于主波束的角度偏离量dθ_m，n，其表达式为：

${\mathrm{d\θ}}_{m,n}=\frac{y(m,n)-\mathrm{\δ}}{K}$

其中，δ为鉴角曲线截距误差，K为实际的天线系统的鉴角曲线的斜率，m＝1，2，...，M，M为距离单元个数，n＝1，2，...，N，N为脉冲个数。

步骤8，根据第m个距离单元的第n脉冲的散射点目标相对于主波束的角度偏离量dθ_m，n和实际的波束指向θ_time，计算第m个距离单元第n脉冲的散射点目标真实角度θ(m，n)，θ(m，n)＝θ_time+dθ_m，n。

步骤9，在第m个距离单元中，将具有相同散射点目标真实角度的所有脉冲中每个脉冲的和通道数据进行非相干累加，得到该散射点目标的幅度值，进而得到所有散射点目标的幅度值，即实现对空间散射点目标及所在场景的前视成像。

本发明的优点可通过以下仿真实验作进一步说明。

1)仿真实验环境：

实验环境：MATLABR2009b，Intel(R)Pentium(R)2CPU2.7GHz，Window7旗舰版。

2)仿真实验内容及结果分析：

将机载雷达获取的回波数据，在仿真实验环境下，分别应用传统的单脉冲成像算法和本发明方法进行成像，获得传统的单脉冲前视成像结果和本发明方法的单脉冲前视成像结果，分别如图2和图3所示。成像角度范围是载机正前方正负15°的范围。

从图2中可以看出，由于受实际天线方向图相位误差影响，传统的单脉冲前视成像结果具有一定的模糊性。

从图3中可以看出，本发明方法的单脉冲前视成像结果中，河流及周围地貌等的成像质量较好，说明本发明方法具有稳健性，可以提高单脉冲前视成像的效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对机载雷达的原始回波信号的和通道数据、差通道数据分别进行距离向的脉冲压缩和匹配滤波处理，得到距离脉压后的和通道数据和距离脉压后的差通道数据；

步骤2，分别对距离脉压后的和通道数据、距离脉压后的差通道数据在距离频域内乘以距离走动校正因子H(f,t)，得到距离徙动校正后的和通道数据和距离徙动校正后的差通道数据；

步骤3，将测试的和通道数据Σ和测试的差通道数据Δ进行和差比幅测角，得到实际的天线方向图的相位误差向量

步骤4，获取理想的天线方向图的相位误差向量根据理想的天线方向图的相位误差向量和实际的天线方向图的相位误差向量计算实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角

步骤5，根据实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角对实际的天线系统进行相位补偿，给出求解实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K的优化模型，求解该优化模型，得到实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K；

步骤6，在距离徙动校正后的和通道数据中，设定第m个距离单元的第n个脉冲的和通道数据为S_Σ(m,n)；在距离徙动校正后的差通道数据中，设定第m个距离单元的第n个脉冲的差通道数据为S_Δ(m,n)；对第m个距离单元的第n个脉冲的和通道数据S_Σ(m,n)和第m个距离单元的第n个脉冲的差通道数据S_Δ(m,n)进行相位误差补偿，计算第m个距离单元的第n脉冲的虚部值y(m,n)；其中，m＝1,2,...,M，M为距离单元个数，n＝1,2,...,N，N为脉冲个数；

步骤7，根据第m个距离单元的第n脉冲的虚部值y(m,n)和实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K，计算第m个距离单元的第n脉冲的散射点目标相对于主波束的角度偏离量dθ_m,n；

步骤8，根据第m个距离单元的第n脉冲的散射点目标相对于主波束的角度偏离量dθ_m,n和实际的波束指向θ_time，计算第m个距离单元第n脉冲的散射点目标真实角度θ(m,n)，θ(m,n)＝θ_time+dθ_m,n；

步骤9，在第m个距离单元中，将具有相同散射点目标真实角度的所有脉冲中每个脉冲的和通道数据进行非相干累加，得到该散射点目标的幅度值，进而得到所有散射点目标的幅度值，即实现对空间散射点目标及所在场景的前视成像。

2.如权利要求1所述的一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，其特征在于，步骤2中，所述距离走动校正因子H(f,t)，其表达式为：

$H(f,t)=\exp \left(\frac{-j4\mathrm{\π}fR\left(t\right)}{c}\right)$

其中，R(t)≈R₀-v·t·cosθ₀，v为载机平台的速度，θ₀为机载雷达的波束视线与载机运动方向的夹角，R₀为机载雷达与散射点目标间的初始斜距，f为距离频率，t为慢时间，c为光速。

3.如权利要求1所述的一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，其特征在于，步骤3中，所述实际的天线方向图的相位误差向量其表达式为：

其中，angle(·)表示求角度运算。

4.如权利要求1所述的一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，其特征在于，步骤4中，所述实际的天线方向图与理想的天线方向图的相位误差角其表达式为：

其中，mean(·)表示求均值。

5.如权利要求1所述的一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，其特征在于，步骤5中，所述求解实际的天线系统的鉴角曲线的斜率K的优化模型为：

其中，δ为鉴角曲线截距误差，θ为一个波束范围内的角度，|·|₂表示求2范数。

6.如权利要求1所述的一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，其特征在于，步骤6中，所述第m个距离单元的第n脉冲的虚部值y(m,n)，其表达式为：

其中，Im(·)表示求虚部运算。

7.如权利要求1所述的一种基于天线方向图的机载雷达单脉冲前视成像方法，其特征在于，步骤7中，所述第m个距离单元的第n脉冲的散射点目标相对于主波束的角度偏离量dθ_m,n，其表达式为：

${\mathrm{d\θ}}_{m,n}=\frac{y(m,n)-\mathrm{\δ}}{K}$

其中，δ为鉴角曲线截距误差。