CN108594196A - 一种目标散射中心参数提取方法及装置 - Google Patents

一种目标散射中心参数提取方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种目标散射中心参数提取方法，包括构建目标雷达观测模型，预设目标的长度范围及散射中心个数范围，计算目标的径向长度范围[l1,l2]；构建目标回波模型，通过雷达回波计算一维距离像；选取一维距离像中一帧图像，求取该采样时刻下散射中心强度最大值，记录其强度Q1，对应的位置为Pp1，将其强度置为零；在与Pp1相距l2‑l1的范围内寻找最大值，若寻找到最大值，则记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零；在与位置Pp1相距l2‑l1的范围内继续寻找最大值，直至所有强度范围在[Q2±γ，Q1±γ]区间内的最大值选取完毕。该方法能够合理的简化目标模型，实现快速有效的散射中心提取。本发明还涉及一种目标散射中心参数提取装置，可减少提取时间。

Description

一种目标散射中心参数提取方法及装置
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种目标散射中心参数提取方法及装置。
背景技术
雷达散射截面积(RCS)是度量雷达目标对照射电磁波散射能力的物理量。为了详细地描述目标的电磁散射特性，必须对方位和俯仰、频率和极化维密集采样，形成海量的全空间、全极化、宽带数据，而要应用这些数据进行雷达系统仿真、目标的分类和识别等，需要建立简洁的数学模型。为了形成快速高效的对接，首先解决的是这些海量宽带数据高效压缩和快速、准确重构问题。
在高频区，散射体各部分之间的相互影响已变得很小，散射成为局部现象，而不再是积累的过程。这些为数不多的离散点，称为目标的散射中心。利用散射中心的特点可将复杂目标的散射问题大为简化，只需在分别研究各个散射中心特性的基础上，进行矢量叠加就可以得到整个目标的散射特性。通过测量系统的二维高分辨成像可以提取目标点散射中心参数，根据散射中心参数能够反演得到目标在相应角域内的宽带电磁散射特性数据，从而大大降低数据存储量，起到数据压缩的作用。目前常见的散射中心提取方法有基于压缩感知理论和几何绕射(GTD)模型的方法，它们都有各自的局限性，前者提取的散射中心数量较大，后者在散射中心参数提取和表征散射中心各向异性上仍需改进，且二者计算都较为复杂，耗费时间长。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有技术提取目标散射中心参数时，效率低、耗费时间长的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种目标散射中心参数提取方法，包括：
S1、构建目标雷达观测模型，预设目标的长度范围及散射中心个数范围，根据雷达的观测角的范围计算目标的径向长度范围[l1,l2]；
S2、根据目标雷达观测模型构建目标回波模型，通过雷达回波计算得到包含有目标所有散射中心强度及位置信息的一维距离像；
S3、选取所述一维距离像中对应一个采样时刻的一帧图像，求取该采样时刻下散射中心强度的最大值，记录其强度Q1，对应的位置为Pp1，将其强度置为零；
S4、在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若未寻找到最大值，则该采样时刻下只有一个散射中心，停止继续寻找；
若寻找到最大值，则记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零，继续步骤S5；
S5、在与位置Pp1相距l2-l1的范围内继续寻找最大值，若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间外，则停止寻找；若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间内，则记录其对应的位置，将其强度置为零，并继续寻找直至所有强度范围在[Q2±γ，Q1±γ]区间内的最大值选取完毕，其中γ为预设的强度范围参数。
优选地，还包括：S6、重复步骤S3至S5，直至求得一维距离像中所有采样时刻下的各个目标散射中心参数。
优选地，所述步骤S2中，采用与发射信号同样的信号与回波混频后，对混频后的信号进行快速傅里叶变换，得到一维距离像模型。
优选地，对于观测角τ方向，基于理想点散射模型的一维距离像x(r)表示为：
其中，r表示距离，σi(i＝1,…M)为散射函数，M为散射中心个数，Ri为观测角τ方向下第i个散射中心到雷达的距离。
优选地，所述步骤S2中通过雷达回波计算求得一维距离像矩阵H，其表达式为：
其中，t为采样点数，f为傅里叶变换的点数。
优选地，所述步骤S4中，与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值时，预设门限制κ，若该位置的强度值J＞κ，记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零；若该位置的强度值J＜＜κ，则认为该处没有散射中心。
优选地，所述门限值为幅度均值。
优选地，所述步骤S1中，通过先验知识对目标进行判断，预设目标的长度范围及散射中心个数范围。
本发明还提供了一种目标散射中心参数提取装置，包括：
目标预设模块，用于构建目标雷达观测模型，预设目标的长度范围及散射中心个数范围，根据雷达的观测角的范围计算目标的径向长度范围[l1,l2]；
一维距离像获取模块，用于根据目标雷达观测模型构建目标回波模型，通过雷达回波计算得到包含有目标所有散射中心强度及位置信息的一维距离像；
散射中心提取模块，用于选取所述一维距离像中对应一个采样时刻的一帧图像，求取该采样时刻下散射中心强度的最大值，记录其强度Q1，对应的位置为Pp1，将其强度置为零；
所述散射中心提取模块随后在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若未寻找到最大值，则该采样时刻下只有一个散射中心，停止继续寻找；若寻找到最大值，则记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零；
所述散射中心提取模块继续在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间外，则停止寻找；若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间内，则记录其对应的位置，将其强度置为零，并继续寻找直至所有强度范围在[Q2±γ，Q1±γ]区间内的最大值选取完毕，其中γ为预设的强度范围参数。
优选地，所述散射中心提取模块还用于继续选取另一帧图像，提取该采样时刻下目标散射中心参数，直至求得一维距离像中所有采样时刻下的目标散射中心参数。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于一维距离像的迭代寻优的目标散射中心参数提取方法，根据每一帧一维距离像中散射中心的位置和强度对目标的散射中心进行循环迭代，选取强度最大且位置最优的散射中心作为目标的强散射中心，提取效率高，在保证精度的情况下能够节省大量的计算时间。该方法能够合理简化目标模型，实现快速有效的提取散射中心。
附图说明
图1是本发明实施例中目标散射中心参数提取方法流程图；
图2是本发明实施例中圆锥目标雷达观测模型示意图；
图3是本发明实施例中目标散射中心参数提取装置结构示意图。
图中：1：雷达；2：圆锥目标；21：目标本体轴；100：目标预设模块；200：一维距离像获取模块；300：散射中心提取模块。
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。
如图1所示，本发明实施例提供的一种目标散射中心参数提取方法，包括：
S1、构建目标雷达观测模型，预设目标的长度范围及散射中心个数范围，根据雷达的观测角τ＝[τ1,τ2]的范围，计算目标在不同方位角下的径向长度范围[l1,l2]。
优选地，在步骤S1中，可通过先验知识对目标进行判断，估计目标的长度范围及散射中心个数M的范围。特别是以海量数据的应用为前提进行数据压缩时，充分利用先验知识，可以合理简化目标模型，实现快速有效的提取散射中心。
如图2所示，本实施例中以圆锥目标2为例进行说明，显然，在其他实施例中，该方法也可以应用于其他类型的目标。构造雷达观测模型，圆锥目标2的中心轴为目标本体轴21，雷达1位于圆锥目标2一侧，观测时雷达视线方向为Ra，以目标中心为原点，设圆锥目标2总长度为L，底面半径为R，圆锥目标2中心到锥顶的距离为L1，到锥底的距离为L2，显然有L＝L1+L2。根据散射中心理论，当电磁波前向入射时，圆锥目标2有三个强散射中心，分别为锥顶散射中心P1，两个锥底边缘散射中心P2和P3。
目标的一维距离像(HRRP)是指目标在雷达视线上的投影长度。令目标中心为相位零点，进行投影运算，当雷达视线角为τ时，则圆锥目标2的三个散射中心P1、P2和P3在雷达1视线上的投影位置分别为：
f([P1,P2,P3])＝[L1cosτ,-L2cosτ+Rsinτ,-L2cosτ-Rsinτ]
在实际使用中，由于雷达1通常距离目标较远，雷达1的视线角τ大于圆锥目标2的目标半锥角ε，根据电磁散射理论，在视线角τ大于目标半锥角ε的情况下，散射中心P3受到遮挡而不可见，则圆锥目标2径向长度为散射中心P1到P2径向投影距离：
f(P1)-f(P2)＝L1cosτ+L2cosτ-Rsinτ＝Lcosτ-Rsinτ
通过目标飞行过程中雷达视线角τ的大致变化范围[τ1,τ2]，即可求出圆锥目标2在不同雷达视线角τ范围内的径向长度范围l＝[l1,l2]，其中，l1＝min[f(P1)-f(P2)]，l2＝max[f(P1)-f(P2)]。
S2、根据目标雷达观测模型构建目标回波模型，通过已知的雷达回波计算得到每个角度下目标所有散射中心强度及位置信息的一维距离像。
假设雷达发射信号沿雷达视线Ra方向传播的平面波E＝E0exp(j2πft)，雷达1接收的回波可表示为：
其中，X(f)表示接收到的雷达回波，σi(i＝1,…M)为散射函数，M为散射中心个数，Ri为观测角τ方向下第i个散射中心到雷达的距离。
显见，使用与发射信号同样的信号与回波混频，然后对其进行快速傅里叶变换(FFT)，即可得一维距离像模型。基于理想点散射模型的一维距离像x(r)可表示为：
其中，σi(i＝1,…M)为散射函数，M为散射中心个数，Ri为观测角τ方向下第i个散射中心到雷达的距离。
它通过Ri反映了目标上散射点相对位置在雷达视线上的投影位置变化。
步骤S2中，通过雷达回波计算可求得各个采样时刻下实际的一维距离像矩阵H，其表达式为：
其中t为采样点数，f为傅里叶变换的点数。根据基于理想点散射模型的一维距离像x(r)与实际的一维距离像矩阵H的对应关系，即可知各个采样时刻下目标上散射点相对位置在雷达视线上的投影位置变化情况。
S3、选取一维距离像中对应一个采样时刻的一帧图像，求取该采样时刻下各位置散射中心强度的最大值，记录其对应的位置为P1，将其强度置为零。此处表示一个采样时刻的一帧图像，即实际的一维距离像矩阵H中的采样点数相同的一列数据。
为了去除噪声和旁瓣对散射中心的影响，对每一个采样时刻，直接提取强度最大的一维距离像，令该位置为当前采样时刻下目标强散射中心的位置，记录其强度Q1，即将该目标强散射中心的强度值赋予Q1，其对应的位置记录为Pp1，将其一维距离像中强度置为零，避免该最大值干扰后续步骤中提取其他散射中心。
S4、在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若未寻找到最大值，则该采样时刻下只有一个散射中心，停止继续寻找；
若寻找到最大值，则记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零，继续步骤S5。
优选地，在步骤S4中，优先在与最大值相距l2-l1位置附近寻找最大值，寻找时，预设门限值κ，若该位置的强度J＞κ，记录其强度为Q2，即令Q2＝J，其对应的位置为Pp2，将其一维距离像中强度置为零，避免该最大值干扰后续步骤中提取其他散射中心；若该位置的强度J＜＜κ，例如，J-κ＞20dB，则认为该处没有散射中心。本实施例中使用幅度均值作为门限值κ，在其他实施例中也可以根据需要预设其他门限值。
S5、在与位置Pp1相距l2-l1的范围内继续寻找最大值，依次记录其对应的位置，将其强度置为零，再寻找下一个最大值，直至所有强度范围在[Q2±γ，Q1±γ]区间内的最大值选取完毕。
其中γ为预设的强度范围参数，通过预设强度范围参数γ可限定筛选出的各个散射中心的最大值，避免提取到强度过小的局部最大值。[Q2±γ，Q1±γ]区间可根据实际需要选择，例如可选择[Q2-γ，Q1-γ]区间等。预设的强度范围参数γ可根据先验知识或实际情况的需求进行调整。
在另一个优选的实施例中，该目标散射中心参数提取方法还包括：
S6、重复步骤S3至S5，直至求得一维距离像中所有采样时刻下的各个目标散射中心参数。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种目标散射中心参数提取装置，包括：目标预设模块100，一维距离像获取模块200和散射中心提取模块300。
其中，目标预设模块100用于构建目标雷达观测模型，预设目标的长度范围及散射中心个数范围，根据雷达的观测角的范围计算目标的径向长度范围[l1,l2]。
一维距离像获取模块200用于根据目标雷达观测模型构建目标回波模型，通过雷达回波计算得到包含有目标所有散射中心强度及位置信息的一维距离像。
散射中心提取模块300用于选取所述一维距离像中对应一个采样时刻的一帧图像，求取该采样时刻下散射中心强度的最大值，记录其强度Q1，对应的位置为Pp1，将其强度置为零；
散射中心提取模块300随后在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若未寻找到最大值，则该采样时刻下只有一个散射中心，停止继续寻找；若寻找到最大值，则记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零；
散射中心提取模块300继续在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间外，则停止寻找；若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间内，则记录其对应的位置，将其强度置为零，并继续寻找直至所有强度范围在[Q2±γ，Q1±γ]区间内的最大值选取完毕，其中γ为预设的强度范围参数。
优选地，散射中心提取模块300还用于继续选取另一帧图像，提取该采样时刻下目标散射中心参数，直至求得一维距离像中所有采样时刻下的目标散射中心参数。
综上，本实施例提供了一种基于合作目标的电磁特性数据进行目标散射中心参数提取方法及装置，包括散射中心的位置参数和散射强度参数，该方法能够有效的提高散射中心提取效率，在保证精度的情况下能够节省大量的计算时间，具有很强的操作性和应用性，为海量目标的快速重构奠定了基础。
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)

1.一种目标散射中心参数提取方法，其特征在于，包括：
S1、构建目标雷达观测模型，预设目标的长度范围及散射中心个数范围，根据雷达的观测角的范围计算目标的径向长度范围[l1,l2]；
S2、根据目标雷达观测模型构建目标回波模型，通过雷达回波计算得到包含有目标所有散射中心强度及位置信息的一维距离像；
S3、选取所述一维距离像中对应一个采样时刻的一帧图像，求取该采样时刻下散射中心强度的最大值，记录其强度Q1，对应的位置为Pp1，将其强度置为零；
S4、在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若未寻找到最大值，则该采样时刻下只有一个散射中心，停止继续寻找；
若寻找到最大值，则记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零，继续步骤S5；
S5、在与位置Pp1相距l2-l1的范围内继续寻找最大值，若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间外，则停止寻找；若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间内，则记录其对应的位置，将其强度置为零，并继续寻找直至所有强度范围在[Q2±γ，Q1±γ]区间内的最大值选取完毕，其中γ为预设的强度范围参数。
2.根据权利要求1所述的目标散射中心参数提取方法，其特征在于，还包括：S6、重复步骤S3至S5，直至求得一维距离像中所有采样时刻下的各个目标散射中心参数。
3.根据权利要求1所述的目标散射中心参数提取方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用与发射信号同样的信号与回波混频后，对混频后的信号进行快速傅里叶变换，得到一维距离像模型。
4.根据权利要求3所述的目标散射中心参数提取方法，其特征在于，对于观测角τ方向，基于理想点散射模型的一维距离像x(r)表示为：
其中，r表示距离，σi(i＝1,…M)为散射函数，M为散射中心个数，Ri为观测角τ方向下第i个散射中心到雷达的距离。
5.根据权利要求1所述的目标散射中心参数提取方法，其特征在于，所述步骤S2中通过雷达回波计算求得一维距离像矩阵H，其表达式为：
其中，t为采样点数，f为傅里叶变换的点数。
6.根据权利要求1所述的目标散射中心参数提取方法，其特征在于：所述步骤S4中，与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值时，预设门限制κ，若该位置的强度值J＞κ，记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零；若该位置的强度值J＜＜κ，则认为该处没有散射中心。
7.根据权利要求6所述的目标散射中心参数提取方法，其特征在于：所述门限值为幅度均值。
8.根据权利要求1所述的目标散射中心参数提取方法，其特征在于：所述步骤S1中，通过先验知识对目标进行判断，预设目标的长度范围及散射中心个数范围。
9.一种目标散射中心参数提取装置，其特征在于，包括：
目标预设模块，用于构建目标雷达观测模型，预设目标的长度范围及散射中心个数范围，根据雷达的观测角的范围计算目标的径向长度范围[l1,l2]；
一维距离像获取模块，用于根据目标雷达观测模型构建目标回波模型，通过雷达回波计算得到包含有目标所有散射中心强度及位置信息的一维距离像；
散射中心提取模块，用于选取所述一维距离像中对应一个采样时刻的一帧图像，求取该采样时刻下散射中心强度的最大值，记录其强度Q1，对应的位置为Pp1，将其强度置为零；
所述散射中心提取模块随后在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若未寻找到最大值，则该采样时刻下只有一个散射中心，停止继续寻找；若寻找到最大值，则记录其强度为Q2，对应的位置为Pp2，将其强度置为零；
所述散射中心提取模块继续在与位置Pp1相距l2-l1的范围内寻找最大值，若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间外，则停止寻找；若该最大值在[Q2±γ，Q1±γ]区间内，则记录其对应的位置，将其强度置为零，并继续寻找直至所有强度范围在[Q2±γ，Q1±γ]区间内的最大值选取完毕，其中γ为预设的强度范围参数。
10.根据权利要求9所述的目标散射中心参数提取装置，其特征在于：
所述散射中心提取模块还用于继续选取另一帧图像，提取该采样时刻下目标散射中心参数，直至求得一维距离像中所有采样时刻下的目标散射中心参数。
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