CN108427105B - 改进的基于de模型的频带拼接方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的基于DE模型的频带拼接方法、装置、设备及介质，其中方法包括以下步骤：采用旋转不变技术估计信号参数方法联合各频段数据估计散射中心位置；使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数；计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，进行P‑1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子；根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，完成频带拼接。本发明相对于基于GTD模型的频带拼接方法而言对数据的拟合更为准确，相对于传统的DE模型频带拼接方法而言对大带宽的数据的拼接效果更好。

Description

改进的基于DE模型的频带拼接方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及微波雷达技术领域，尤其涉及一种改进的基于DE模型的频带拼接方法、装置、设备及介质。

背景技术

雷达实测获取的回波数据带宽通常较窄，不能满足对目标进行高分辨特征提取的需求。为此，需要对多段不相邻的频域数据进行频带拼接。目前常用的频带拼接方法主要包括基于GTD模型的频带拼接方法和基于DE模型的频带拼接方法。其中，GTD模型参数提取较为复杂，且对回波数据的拟合能力不及DE模型。而DE模型因为忽视了散射中心随频率的变化规律，因此对于大带宽的数据难以达到良好的拼接效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有基于DE模型的频带拼接方法对于大带宽的数据的拼接效果不佳的缺陷，提供一种改进的基于DE模型的频带拼接方法、装置、设备及介质。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种改进的基于DE模型的频带拼接方法，该方法包括：

采用旋转不变技术估计信号参数方法联合各频段数据估计散射中心位置；

使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数；

计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子；

根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，完成频带拼接。

在根据本发明的改进的基于DE模型的频带拼接方法中，优选地，所述根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，包括：

通过以下公式生成缺失频带数据：

其中，y_q(n)为待估计的第q段缺失频带中第n个频点对应的雷达回波数据，f_qn为待估计的第q段缺失频带的第n个频点的频率，1≤q≤P-1；

为第q段缺失频带的幅度校正因子，A_m为第1段频带的数据中第m个散射中心的散射复幅度，r_m表示所述散射中心位置，即第m个散射中心相对于零相位参考面的距离；M为散射中心个数，c代表光速，e_qn为第q段缺失频带的第n个频点对应的测量噪声。

在根据本发明的改进的基于DE模型的频带拼接方法中，优选地，所述采用旋转不变技术估计信号参数方法联合各频段数据估计散射中心位置，包括：

联合各频段数据生成信号子空间E_S：

对Ψ进行特征值分解，求得散射中心位置r_m的估计：

其中，E₁表示E_s去掉最后一行后形成的矩阵，E₂表示E_s去掉第一行后形成的矩阵，λ_m表示Ψ的第m个特征值，angle(·)表示求相角运算，c代表光速，Δf为步进频率间隔。

在根据本发明的改进的基于DE模型的频带拼接方法中，优选地，所述使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数，包括：

由最小二乘法得到对第一段频带的幅度系数向量Amp₁的估计为：

Amp₁＝(A^HA)^-1A^HY₁

Y₁＝[y₁(1)，y₁(2)，…，y₁(N)]，y₁(n)为第一段频带的第n个频点对应的回波数据，1≤n≤N，N为第一段频带的回波总数，A＝[a(r₁)^T，a(r₂)^T，…a(r_M)^T]，a(r_m)为第一段频带的第m个散射中心对应的导向矢量；

根据Amp₁＝[A₁，A₂，…，A_M]估计第1段频带的数据中第m个散射中心的散射复幅度A_m，1≤m≤M。

在根据本发明的改进的基于DE模型的频带拼接方法中，优选地，所述计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，包括：

用最小二乘法求第二段频带至第P段频带的幅度系数向量Amp_i的估计，i＝2，…，P；

其中，A＝[a(r₁)^T，a(r₂)^T，…a(r_M)^T]，a(r_m)为第一段频带的第m个散射中心对应的导向矢量，Y_i＝[y_i(1)，y_i(2)，…，y_i(n)]，y_i(n)为第i段频带的第n个频点对应的回波数据；

由此上式获得对幅度校正因子的估计：

k_im为第i段频带的第m个散射中心的幅度校正因子。

在根据本发明的改进的基于DE模型的频带拼接方法中，优选地，所述进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子，包括：

对第m个散射中心，估计该散射中心在缺失频带的幅度校正因子，P段数据的幅度校正因子组成向量k＝[k_1m，k_2m，…k_Pm]，对k进行P-1次多项式拟合：

其中，f_ci为第i段频带的中心频率；

求解上述P元一次方程组，共有P个方程，求解b₀，b₁，…，b_P-1的值，将第q段缺失频带的中心频率代入上式，获得第q段频段的幅度校正因子

本发明第二方面，提供了一种改进的基于DE模型的频带拼接装置，包括：

散射中心位置估计单元，用于采用旋转不变技术估计信号参数方法联合各频段数据估计散射中心位置；

散射幅度系数估计单元，用于使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数；

幅度校正因子计算单元，用于计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子；

频带拼接单元，用于根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，完成频带拼接。

在根据本发明的改进的基于DE模型的频带拼接装置中，优选地，所述频带拼接单元通过以下公式生成缺失频带数据：

其中，y_q(n)为待估计的第q段缺失频带中第n个频点对应的雷达回波数据，f_qn为待估计的第q段缺失频带的第n个频点的频率，1≤q≤P-1；

为第q段缺失频带的幅度校正因子，A_m为第1段频带的数据中第m个散射中心的散射复幅度，r_m表示所述散射中心位置，即第m个散射中心相对于零相位参考面的距离；M为散射中心个数，c代表光速，e_qn为第q段缺失频带的第n个频点对应的测量噪声。

本发明第三方面，提供了一种执行改进的基于DE模型的频带拼接方法的设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如前所述的方法。

本发明第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如前所述的方法。

实施本发明的改进的基于DE模型的频带拼接方法、装置、设备及计算机可读存储介质，具有以下有益效果：本发明对DE模型进行改进，引入幅度校正因子来估计DE模型的参数，重构缺失频带数据，完成频带拼接，相对于基于GTD模型的频带拼接方法而言对数据的拟合更为准确，相对于传统的DE模型频带拼接方法而言对大带宽的数据的拼接效果更好。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例的改进的基于DE模型的频带拼接方法的流程图；

图2为根据本发明第二实施例的改进的基于DE模型的频带拼接方法的流程图；

图3为根据本发明优选实施例的改进的基于DE模型的频带拼接装置的模块框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明对DE模型进行改进，引入幅度校正因子来估计DE模型的参数。首先将各段频带数据联合起来估计散射中心的位置参数，再分别估计各个频带数据散射中心的幅度以及幅度校正因子。接下来估计出缺失频带的幅度校正因子，重构缺失频带数据，完成频带拼接。

请参阅图1，为根据本发明第一实施例的改进的基于DE模型的频带拼接方法的流程图。如图1所示，该实施例提供改进的基于DE模型的频带拼接方法包括以下步骤：

首先，在步骤S101中，执行散射中心位置估计步骤，采用旋转不变技术估计信号参数方法(ESPRIT)联合各频段数据估计散射中心位置。

随后，在步骤S102中，执行散射幅度系数估计步骤，使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数。

随后，在步骤S103中，执行幅度校正因子计算步骤，计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子。

最后，在步骤S104中，执行频带拼接步骤，根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，完成频带拼接。

本发明采用改进的DE模型，引入幅度校正因子来估计DE模型的参数，从而完成频带拼接，可应用于雷达目标特征提取方面。

基于现有的DE模型，认为雷达后向散射回波观测序列可以表示为：

其中，y(n)代表雷达的第n个频点对应的回波观测数据；M为散射中心个数；A_m是第m个散射中心的复散射强度系数；r_m表示第m个散射中心相对于零相位参考面的距离；f_n是频率，c代表光速；e_n为测量噪声，这里假设为独立的高斯白噪声。

为了表示散射中心幅度随频率的变化关系，本发明引入了幅度校正因子k，由于散射中心幅度系数的模值随频率变化明显，而幅度系数的相位与频率相关性较小，因此，设定k为实数。则P段带宽、频率间隔均相等的同一目标不同频带的回波数据可表示为：

其中，y₁(n)，y₂(n)，...，y_P(n)数据的中心频率依次增加且频带互不相邻，k_1m＝1。

将上式改写为矩阵形式：

Y＝As+e (3)

其中，Y＝[Y₁，Y₂，…，Y_P]，Y_i＝[y_i(1)，y_i(2)，…，y_i(N)]^T，y_i(n)为第i段频带的第n个频点所对应的回波数据；

A＝[a(r₁)^T，a(r₂)^T，…a(r_M)^T]，a(r_m)为第m个散射中心对应的导向矢量：a(r_m)＝[1，exp(w_m)，exp(2w_m)，…，exp(Nw_m)]，w_m＝-j4τnΔfr_m/c；Δf为步进频率间隔，N为第1段频带的回波数据总数，c代表光速；

s＝[s₁，s₂，…s_P]，

A_m为第1段频带数据第m个散射中心的散射复幅度，k_im为第i段频带数据第m个散射中心的幅度校正因子，f_ic为第i段频带数据的中心频率；M为散射中心个数；

e＝[e₁(n)，e₂(n)，…，e_P(n)]；e_i(n)＝[e_i1，e_i2，…e_iN]^T，e_in为第i段频带的第n个频点所对应的测量噪声。

因此，本发明基于上述改进的DE模型，即公式(2)完成频带拼接。

请结合参阅图2，为根据本发明第二实施例的改进的基于DE模型的频带拼接方法的流程图。如图2所示，该第二实施例提供的改进的基于DE模型的频带拼接方法具体包括以下步骤S201～S206：

其中，步骤S201～S203可以任意顺序先后执行或者同步执行：

在步骤S201中，执行散射中心位置估计步骤，采用旋转不变技术估计信号参数方法(ESPRIT)联合各频段数据估计散射中心位置。

优选地，该步骤中联合各频段数据生成信号子空间E_s：

对Ψ进行特征值分解，求得散射中心位置r_m的估计：

其中E₁表示E_s去掉最后一行后形成的矩阵，E₂表示E_s去掉第一行后形成的矩阵，λ_m表示Ψ的第m个特征值，angle(·)表示求相角运算，c代表光速，Δf为步进频率间隔。

在步骤S202中，执行散射幅度系数估计步骤，使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数。

优选地，该步骤中由最小二乘法得到对第一段频带的幅度系数向量Amp₁的估计为：

Amp₁＝(A^HA)^-1A^HY₁ (7)

Y₁＝[y₁(1)，y₁(2)，…，y₁(N)]，y₁(n)为第一段频带的第n个频点对应的回波数据，1≤n≤N，N为第一段频带的回波总数，A＝[a(r₁)^T，a(r₂)^T，…a(r_M)^T]，a(r_m)为第一段频带的第m个散射中心对应的导向矢量；

根据Amp₁＝[A₁，A₂，…，A_M]估计散射中心幅度系数即第1段频带的数据中第m个散射中心的散射复幅度A_m，1≤m≤M。

在步骤S203～S204中，执行，计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子。

其中，在步骤S203中，计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子；

优选地，该步骤S203用最小二乘法求第二段频带至第P段频带的幅度系数向量Amp_i的估计，i＝2，…，P；

其中，A＝[a(r₁)^T，a(r₂)^T，…a(r_M)^T]，a(r_m)为第一段频带的第m个散射中心对应的导向矢量，Y_i＝[y_i(1)，y_i(2)，…，y_i(n)]，y_i(n)为第i段频带的第n个频点的回波数据；

由此上式获得对幅度校正因子的估计：

k_im为第i段频带的第m个散射中心的幅度校正因子。

其中，在步骤S204中，进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子

优选地，该步骤S204对第m个散射中心，估计该散射中心在缺失频带的幅度校正因子，P段数据的幅度校正因子组成向量k＝[k_1m，k_2m，…k_Pm]，对k进行P-1次多项式拟合：

其中，f_ci为第i段频带的中心频率；

求解上述P元一次方程组，共有P个方程，求解b₀，b₁，…，b_P-1的值，将第q段缺失频带的中心频率代入上式，获得第q段频段的幅度校正因子

随后，在步骤S205和步骤S206中，执行频带拼接步骤；

在步骤S205中，根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据；

优选地，前述步骤已经得到已缺失频段的散射中心位置r_m，幅度校正因子

以及散射中心幅度系数A_m，就可以通过以下公式生成缺失频带数据：

其中，y_q(n)为待估计的第q段缺失频带中第n个频点对应的雷达回波数据，f_qn为待估计的第q段缺失频带的第n个频点的频率，1≤q≤P-1，这里假设观测雷达为频率步进雷达，则f_qn＝f_qc+n·Δf(1≤n≤N)，f_qc为待估计的第q段缺失频带的中心频率，Δf为步进频率间隔，N为频点总数。为第q段缺失频带的幅度校正因子，A_m为第1段频带的数据中第m个散射中心的散射复幅度，r_m表示所述散射中心位置，即第m个散射中心相对于零相位参考面的距离；M为散射中心个数，c代表光速，e_qn为第q段缺失频带的第n个频点对应的测量噪声。

基于相同的发明构思，本发明还提供了一种改进的基于DE模型的频带拼接装置。请参阅图3，为根据本发明优选实施例的改进的基于DE模型的频带拼接装置的模块框图。如图3所示，该实施例提供的装置300包括：散射中心位置估计单元301、散射幅度系数估计单元302、幅度校正因子计算单元303和频带拼接单元304。

其中，散射中心位置估计单元301用于采用旋转不变技术估计信号参数方法联合各频段数据估计散射中心位置。该散射中心位置估计单元301的处理过程与前述方法中散射中心位置估计步骤一致，在此不再赘述。

散射幅度系数估计单元302用于使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数。该散射幅度系数估计单元302的处理过程与前述方法中散射幅度系数估计步骤一致，在此不再赘述。

幅度校正因子计算单元303用于计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子。该幅度校正因子计算单元303的处理过程与前述方法中幅度校正因子计算步骤一致，在此不再赘述。

频带拼接单元304用于根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，完成频带拼接。该频带拼接单元304的处理过程与前述方法中频带拼接步骤一致，在此不再赘述。

本发明实施例还提供了一种执行改进的基于DE模型的频带拼接方法的设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中改进的基于DE模型的频带拼接方法。

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中改进的基于DE模型的频带拼接方法。

综上所述，本发明相对于基于GTD模型的频带拼接方法而言对数据的拟合更为准确，相对于传统的DE模型频带拼接方法而言，能够避免传统DE模型由于忽视了散射中心随频率的变化规律而难以对大带宽数据进行准确拼接的缺点，使得对于大带宽的数据的拼接效果更好。

应该理解地是本发明中改进的基于DE模型的频带拼接方法及装置的原理相同，因此对改进的基于DE模型的频带拼接方法的实施例的详细阐述也适用于改进的基于DE模型的频带拼接装置。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种改进的基于DE模型的频带拼接方法，其特征在于，该方法包括：

采用旋转不变技术估计信号参数方法联合各频段数据估计散射中心位置；

使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数；

计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子；

根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，完成频带拼接。

2.根据权利要求1所述的改进的基于DE模型的频带拼接方法，其特征在于，所述根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，包括：

通过以下公式生成缺失频带数据：

其中，y_q(n)为待估计的第q段缺失频带中第n个频点对应的雷达回波数据，f_qn为待估计的第q段缺失频带的第n个频点的频率，1≤q≤P-1；

为第q段缺失频带的幅度校正因子，A_m为第1段频带的数据中第m个散射中心的散射复幅度，r_m表示所述散射中心位置，即第m个散射中心相对于零相位参考面的距离；M为散射中心个数，c代表光速，e_qn为第q段缺失频带的第n个频点对应的测量噪声。

3.根据权利要求1所述的改进的基于DE模型的频带拼接方法，其特征在于，所述采用旋转不变技术估计信号参数方法联合各频段数据估计散射中心位置，包括：

联合各频段数据生成信号子空间E_S：

对Ψ进行特征值分解，求得散射中心位置r_m的估计：

其中E₁表示E_s去掉最后一行后形成的矩阵，E₂表示E_s去掉第一行后形成的矩阵，λ_m表示Ψ的第m个特征值，angle(·)表示求相角运算，c代表光速，Δf为步进频率间隔。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的改进的基于DE模型的频带拼接方法，其特征在于，所述使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数，包括：

由最小二乘法得到对第一段频带的幅度系数向量Amp₁的估计为：

Amp₁＝(A^HA)^-1A^HY₁

Y₁＝[y₁(1)，y₁(2)，…，y₁(N)]，y₁(n)为第一段频带的第n个频点对应的回波数据，1≤n≤N，N为第一段频带的回波总数，A＝[a(r₁)^T，a(r₂)^T，…a(r_M)^T]，a(r_m)为第一段频带的第m个散射中心对应的导向矢量；

根据Amp₁＝[A₁，A₂，…，A_M]估计第1段频带的数据中第m个散射中心的散射复幅度A_m，1≤m≤M。

5.根据权利要求4所述的改进的基于DE模型的频带拼接方法，其特征在于，所述计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，包括：

用最小二乘法求第二段频带至第P段频带的幅度系数向量Amp_i的估计，i＝2，…，P；

其中，A＝[a(r₁)^T，a(r₂)^T，…a(r_M)^T]，a(r_m)为第一段频带的第m个散射中心对应的导向矢量，Y_i＝[y_i(1)，y_i(2)，…，y_i(n)]，y_i(n)为第i段频带的第n个频点对应的回波数据；

由此上式获得对幅度校正因子的估计：

k_im为第i段频带的第m个散射中心的幅度校正因子。

6.根据权利要求5所述的改进的基于DE模型的频带拼接方法，其特征在于，所述进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子，包括：

对第m个散射中心，估计该散射中心在缺失频带的幅度校正因子，P段数据的幅度校正因子组成向量k＝[k_1m，k_2m，…k_Pm]，对k进行P-1次多项式拟合：

其中，f_ci为第i段频带的中心频率；

求解上述P元一次方程组，共有P个方程，求解b₀，b₁，…，b_P-1的值，将第q段缺失频带的中心频率代入上式，获得第q段频段的幅度校正因子

7.一种改进的基于DE模型的频带拼接装置，其特征在于，包括：

散射中心位置估计单元，用于采用旋转不变技术估计信号参数方法联合各频段数据估计散射中心位置；

散射幅度系数估计单元，用于使用第一段频带的数据估计散射中心幅度系数；

幅度校正因子计算单元，用于计算第二段频带至第P段频带的幅度校正因子，进行P-1次多项式拟合，将缺失频段中心频率代入获得缺失频带的幅度校正因子；

频带拼接单元，用于根据估计的散射中心位置、缺失频带的幅度校正因子和散射中心幅度系数生成缺失频带数据，完成频带拼接。

8.根据权利要求7所述的改进的基于DE模型的频带拼接装置，其特征在于，所述频带拼接单元通过以下公式生成缺失频带数据：

其中，其中，y_q(n)为待估计的第q段缺失频带中第n个频点对应的雷达回波数据，f_qn为待估计的第q段缺失频带的第n个频点的频率；

为第q段缺失频带的幅度校正因子，A_m为第1段频带的数据中第m个散射中心的散射复幅度，r_m表示所述散射中心位置，即第m个散射中心相对于零相位参考面的距离；M为散射中心个数，c代表光速，e_qn为第q段缺失频带的第n个频点对应的测量噪声。

9.一种执行改进的基于DE模型的频带拼接方法的设备，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～6中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，当所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～6中任一项所述的方法。

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