CN109946696B - 基于目标先验信息的雷达凝视关联成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标先验信息的雷达凝视关联成像方法，其实现过程是：(1)构建雷达发射阵面；(2)生成雷达跳频信号；(3)生成发射信号中每个脉冲的旋转成像平面；(4)计算每个脉冲的旋转成像平面对应的发射信号的延时时间；(5)生成空时辐射场矩阵；(6)求解目标散射系数获得旋转成像平面中目标的图像。本发明利用了目标的的先验信息，克服了传统静止成像方法的空时辐射场的条件数和归一化的空间相干度较大和运动补偿方法中泰勒近似导致的目标成像误差的缺点，可以实现雷达对旋转成像平面中目标的高分辨成像。

Description

基于目标先验信息的雷达凝视关联成像方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达通信技术领域中的一种基于目标先验信息的雷达凝视关联成像方法。本发明可用于雷达微波波段对旋转运动平面上的目标进行高分辨成像。

背景技术

雷达凝视关联成像可以在雷达凝视照射下对平面中的目标进行高分辨成像，突破了传统雷达分辨率受天线孔径的限制，增强了雷达对固定区域的监测能力。现有关于雷达凝视关联成像方法的技术主要集中在解决静止平面中目标的雷达成像问题，实现对静止平面中的目标高分辨成像。实际场景中目标大多存在旋转运动，由于目标的旋转运动信息可以提前获取，因此利用目标的先验运动信息建立的凝视关联成像方法，提高雷达对旋转运动平面中目标的分辨能力，实现雷达对旋转运动平面中目标的高分辨成像。

中国科学技术大学在其申请的专利文献“微波凝视成像的方法”(专利申请号201110000699.8，公开号102141618B)中提出一种微波凝视成像的方法。该方法针对静止平面中目标，构造空时辐射场，将雷达回波数据与生成的空时辐射场进行关联处理，反演目标散射系数，实现对静止平面中目标的高分辨成像。该方法存在的不足之处是，由于利用静止平面生成的空时辐射场的条件数和归一化的空间相干度较大，进而雷达对平面中目标的分辨能力被削弱。

张海龙在其发表论文“动目标微波凝视关联成像中稀疏重构技术研究”(中国科学技术大学，硕士学位论文，2015)提出一种径向运动平面中目标的凝视关联成像方法。该方法首先对平面的径向运动速度进行估计，然后通过运动补偿方法使得构造的空时辐射场近似真实的空时辐射场，最后将回波信号与补偿得到空时辐射场进行关联处理，得到径向运动平面中目标图像。该方法存在的不足之处是，由于运动补偿方法中存在泰勒近似处理，导致生成的空时辐射场与真实的空时辐射场之间存在一定的差异，使得雷达对运动平面中的目标成像的均方根误差变大，使得目标成像变得模糊。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于目标先验信息的毫米波凝视关联成像方法，用于解决静止平面生成空时辐射场的条件数和归一化的空间相干度较大和动补偿方法中目标成像的均方根误差变大的问题，实现对旋转运动平面上的目标进行高分辨成像。

实现本发明目的的基本思路是：首先根据雷达的发射阵面和发射信号中每个脉冲的旋转成像平面，计算每个脉冲的旋转成像平面对应的发射信号的延时时间，然后结合雷达跳频信号生成空时辐射场矩阵，最后通过Focuss算法，将空时辐射场与接收的回波信号作关联处理，获取旋转平面中目标的图像。

为实现上述目的，本发明具体实现步骤包括如下：

(1)构建雷达发射阵面：

建立一个三维坐标系，该坐标系以雷达接收阵元为原点，雷达中的所有发射阵元均匀分布在该坐标系以原点为中心的圆形上，得到雷达发射阵面；

(2)生成雷达跳频信号：

(2a)生成一个长度雷达发射阵元总数相等的Costas序列，作为雷达发射信号中第一个脉冲的跳频编码；

(2b)将Costas序列依次循环左移一位，得到移位后的Costas序列，作为雷达发射信号中第二个脉冲的跳频编码；依此类推，生成雷达发射信号中每个脉冲的跳频编码；

(3)生成发射信号中每个脉冲的旋转成像平面：

将雷达发射信号的第一个脉冲中所有待成像目标，组成第一个脉冲的旋转成像平面，将雷达发射信号的第二个脉冲中所有待成像目标组成第二个脉冲的旋转成像平面，依此类推，得到发射信号中每个脉冲的旋转成像平面；

(4)计算每个脉冲的旋转成像平面对应的发射信号的延时时间：

(4a)将雷达g倍的瑞利限设置为待成像分辨率，其中，g在[1,8]范围内任意选取的一个值；

(4b)以待成像分辨率大小，将每个脉冲的旋转成像平面均分成多个网格；

(4c)利用下式，计算每个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心坐标值：

其中，x_m,p，y_m,p，z_m,p分别表示第m个脉冲的旋转成像平面中第p个网格中心的x轴、y轴、z轴的坐标值，

表示开平方根操作，x_1,p，y_1,p分别表示第一个脉冲的旋转成像平面中第p个网格中心的x轴、y轴的坐标值，*表示相乘操作，cos(·)表示余弦操作，ω表示第m个脉冲的旋转成像平面的角速度，该角速度是在单位为弧度每秒的[0,π/2]范围内任意选取的一个值；T_p表示雷达发射信号中脉冲之间的时间间隔，arctan(·)表示反正切操作，sin(·)表示正弦操作，R₀表示每个脉冲的旋转成像平面与其对应雷达发射阵面之间的距离，该距离是在单位为米的[600,10000]范围内任意选取一个值；

(4d)按照下式，计算雷达每个发射阵元的发射信号到达每个网格中心后反射到接收阵元的延时时间：

其中，τ_n,m,p表示第n个雷达发射阵元发射第m个脉冲信号到达其旋转成像平面中第p个网格中心后反射到接收阵元的延时时间，x_n，y_n，z_n分别表示第n个发射阵元的x轴、y轴、z轴的坐标值，c表示光速；

(5)生成空时辐射场矩阵：

(5a)按照空时辐射场公式，计算每个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值；

(5b)将第一个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值，按照该网格的次序排列成空时辐射场矩阵的第一行，将第二个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值，按照该网格的次序排列成空时辐射场矩阵的第二行，依此类推，生成空时辐射场矩阵；

(6)获取目标的图像：

利用Focuss算法，将接收的所有发射阵元发射的脉冲信号的回波信号与空时辐射场矩阵作关联处理，得到目标的散射系数，将散射系数按照其对应的旋转成像平面中网格的次序排列，得到旋转成像平面中目标的图像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明生成空时辐射场矩阵用来获取目标的图像，克服了利用静止平面生成的空时辐射场获取目标的图像过程中，生成的空时辐射场的条件数和归一化的空间相干度较大缺点，使得本发明有利于空时辐射场与回波数据的关联处理反演目标的散射系数，能够提高雷达的对旋转平面中目标的分辨能力。

第二，由于本发明计算每个脉冲的旋转成像平面对应的发射信号的延时时间用来获取目标的图像，克服了运动补偿方法中利用泰勒近似处理发射信号的延时时间用来获取目标的图像，目标图像的均方根误差较大的缺点，使得本发明能够对旋转平面中目标成像结果更加精确，图像更清晰。

附图说明

图1为本发明实现的流程图；

图2为本发明的雷达凝视关联成像系统的几何模型示意图；

图3为本发明仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，对本发明的实现步骤做进一步的描述。

步骤1，构建雷达发射阵面。

参照图2，对本发明的雷达凝视关联成像雷达系统几何模型作进一步说明。雷达参数配置如下：发射阵元数为N，接收阵元数为1，收发阵元共同放置在x-o-y面上，接收阵元位于原点处，发射阵元分布在以原点为中心的半径为r的圆形上，第n个发射阵元的位置坐标表示为(x_n,y_n,z_n)，其中，n＝1,2,...,N。旋转成像平面与x-o-y面距离为R₀，对旋转成像平面进行均匀划分网格，其中第p个网格中心位置坐标表示为(x_1,p,y_1,p,R₀)，其中，p＝1,2,...,P，P表示划分网格的总数。旋转成像平面以角速度ω进行旋转。

建立一个三维坐标系，该坐标系以雷达接收阵元为原点，雷达中的所有发射阵元均匀分布在该坐标系以原点为中心的圆形上，得到雷达发射阵面。

步骤2，生成雷达跳频信号。

生成一个长度雷达发射阵元总数相等的Costas序列，作为雷达发射信号中第一个脉冲的跳频编码。

将Costas序列依次循环左移一位，得到移位后的Costas序列，作为雷达发射信号中第二个脉冲的跳频编码；依此类推，生成雷达发射信号中每个脉冲的跳频编码。

步骤3，生成发射信号中每个脉冲的旋转成像平面。

将雷达发射信号的第一个脉冲中所有待成像目标，组成第一个脉冲的旋转成像平面，将雷达发射信号的第二个脉冲中所有待成像目标组成第二个脉冲的旋转成像平面，依此类推，得到发射信号中每个脉冲的旋转成像平面。

步骤4，计算每个脉冲的旋转成像平面对应的发射信号的延时时间。

将雷达g倍的瑞利限设置为待成像分辨率，其中，g在[1,8]范围内任意选取的一个值。

以待成像分辨率大小，将每个脉冲的旋转成像平面均分成多个网格。

利用下式，计算每个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心坐标值。

其中，x_m,p，y_m,p，z_m,p分别表示第m个脉冲的旋转成像平面中第p个网格中心的x轴、y轴、z轴的坐标值，

表示开平方根操作，x_1,p，y_1,p分别表示第一个脉冲的旋转成像平面中第p个网格中心的x轴、y轴的坐标值，*表示相乘操作，cos(·)表示余弦操作，ω表示第m个脉冲的旋转成像平面的角速度，该角速度是在单位为弧度每秒的[0,π/2]范围内任意选取的一个值；T_p表示雷达发射信号中脉冲之间的时间间隔，arctan(·)表示反正切操作，sin(·)表示正弦操作，R₀表示每个脉冲的旋转成像平面与其对应雷达发射阵面之间的距离，该距离是在单位为米的[600,10000]范围内任意选取一个值。

按照下式，计算雷达每个发射阵元的发射信号到达每个网格中心后反射到接收阵元的延时时间。

其中，τ_n,m,p表示第n个雷达发射阵元发射第m个脉冲信号到达其旋转成像平面中第p个网格中心后反射到接收阵元的延时时间，x_n，y_n，z_n分别表示第n个发射阵元的x轴、y轴、z轴的坐标值，c表示光速。

步骤5，生成空时辐射场矩阵。

按照空时辐射场公式，计算每个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值。

所述空时辐射场公式如下。

其中，φ_m,p表示第m个脉冲的旋转成像平面中第p个网格中心的空时辐射场的值，∑表示累加求和操作，E_n,m表示第n个发射阵元发射信号中的第m个脉冲，t表示第n个发射阵元发射第m个脉冲信号的时刻，τ_n,m,p表示第n个雷达发射阵元发射第m个脉冲信号到达其旋转成像平面中第p个网格中心后反射到接收阵元的延时时间。

将第一个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值，按照该网格的次序排列成空时辐射场矩阵的第一行，将第二个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值，按照该网格的次序排列成空时辐射场矩阵的第二行，依此类推，生成空时辐射场矩阵。

步骤6，获取目标的图像。

利用Focuss算法，将接收的所有发射阵元发射的脉冲信号的回波信号与空时辐射场矩阵作关联处理，得到目标的散射系数，将散射系数按照其对应的旋转成像平面中网格的次序排列，得到旋转成像平面中目标的图像。

所述Focuss算法的步骤如下：

第1步，利用下式，计算初始目标散射系数：

σ₀＝(Φ)⁺*R

其中，σ₀表示初始目标散射系数，(·)⁺表示伪逆操作，Φ表示空时辐射场矩阵，R表示接收的所有发射阵元发射的脉冲信号的回波信号；

第2步，利用下式，计算当前迭代时的目标散射系数：

其中，σ_l表示当前迭代时的目标散射系数，σ_l-1表示前一次迭代时的目标散射系数，若当前迭代次数为第一次时，则该值为初始目标散射系数，diag(·)表示创建对角矩阵操作，

表示前一次迭代时的目标散射系数的加权值，p₀表示取值为0.1的范数，H表示共轭转置操作，γ表示取值为20的正则化因子，Y表示单位矩阵，(·)^-1表示求逆操作；

第3步，利用下式，计算当前迭代时的目标散射系数误差：

error_l＝||σ_l-σ_l-1||₂/||σ_l-1||₂

其中，error_l表示当前迭代的目标散射系数误差，||·||₂表示2-范数操作；

第4步，判断当前迭代时的目标散射系数误差小于误差阈值ε，若是，则得到当前迭代时的目标散射系数，否则，执行本步骤的第2步，其中，ε表示取值为0.0001的误差阈值。

下面通过仿真实验对本发明的效果做进一步的说明。

1.仿真条件：

本发明仿真实验是使用MATLAB2014a的软件实现的。

本发明仿真实验的参数设置如下：发射阵元为19个，接收阵元为1个，发射信号的载频为26.5GHz，发射阵面的半径为0.15m，发射信号跳频大小为8.3MHz，成像分辨率为8倍的雷达瑞利限，发射信号的脉冲重复周期为0.1ms，旋转成像平面大小为45m X 45m，目标点数为4个，目标的散射系数为1，旋转平面与雷达发射阵面距离为600m，旋转成像平面的角速度为π/2rad/s，信噪比为30dB。

2.仿真内容及其结果分析：

本发明仿真实验有两个。

仿真实验1，是采用本发明方法和一个现有技术分别生成空时辐射场。所述的现有技术参见中国科学技术大学申请的专利“微波凝视成像的方法”(专利申请号201110000699.8，公开号102141618B)。

生成空时辐射场的随机性可以利用空时辐射场的条件数的归一化的空间度进行衡量，空时辐射场矩阵的条件数和归一化空间相干度越小，表明生成空时辐射场的随机性越好，代表雷达对目标的分辨能力越强。空时辐射场矩阵的条件数和归一化空间相干度的计算公式如下：

将本发明生成的空时辐射场代入空时辐射场的条件数和归一化的空间相干度的计算公式中，得到表1空时辐射场的条件数和归一化空间相干度结果。空时辐射场矩阵的条件数的计算公式为：cond(Φ)＝||Φ||₂||Φ^-1||₂，空时辐射场的归一化空间相干度计算公式为

Φ表示空时辐射场矩阵，||·||₂表示取2-范数，φ_i表示空时辐射场矩阵Φ的第i列向量，φ_j表示空时辐射场矩阵Φ的第j列向量，H表示共轭转置操作，|·|表示绝对值操作。

表1空时辐射场矩阵条件数和归一化空间相干度比较表

空时辐射场的生成方法	条件数	归一化空间相干度
			微波凝视成像的方法	24.7083dB	0.2628
本发明方法	22.8549dB	0.2602

从表1可以看出，本发明方法生成空时辐射场的条件数和归一化空间度都比现有技术微波凝视成像的方法小，说明本发明生成空时辐射场的随机性好，表明本发明方法对目标的分辨能力增强了。

仿真实验2，是采用本发明方法和一个现有技术分别对旋转平面中的目标进行成像得到旋转平面中的目标的散射系数。所述的现有技术参见张海龙发表的论文“动目标微波凝视关联成像中稀疏重构技术研究”(中国科学技术大学，硕士学位论文，2015)。

将仿真2得到的旋转平面中的目标的散射系数，代入目标图像的均方根误差的计算公式，得到表2重构目标图像的均方根误差比较表。目标图像的均方根误差越小，代表得到的目标图像越精确。

表2重构目标图像的均方根误差比较表

成像方法	重构目标图像的均方根误差
		运动补偿方法	1.6423
本发明方法	0.0522

目标图像的均方根误差计算公式为：

其中，RMSE表示目标图像的均方根误差，

表示开根号操作，∑表示求和操作，σ(p)表示获得的第p个网格处的目标的散射系数，σ_ref(p)表示设置的第p个网格处的目标的散射系数，P表示划分网格的总数。

从表2可以看出，本发明方法重构目标图像的均方根误差比运动补偿方法的小，表明本发明方法得到目标的图像比较精确。

将得到的目标散射系数转化成灰度图，得到目标图像如图3所示，其中，图3(a)为本发明仿真2使用的目标原始图像，图3(b)为本发明方法获得目标图像，图3(c)为运动补偿方法获得目标图像.其中，图3(a)中横坐标和纵坐标均表示方位向的分辨单元，图3(a)中白色的方框点表示目标原始图像。图3(b)中横坐标和纵坐标均表示方位向的分辨单元，图3(b)中白色的方框点表示本发明方法获得目标图像。图3(c)中横坐标和纵坐标均表示方位向的分辨单元，图3(c)中白色的方框点表示运动补偿方法得到目标图像。

从图3中的三个图像可以看出，本发明的方法对旋转成像平面中的目标较为清晰，现有技术运动补偿的方法得到目标图像较为模糊，说明本发明的方法可以对旋转平面中目标进行高分辨成像。

综上所述，本发明的方法减小了生成的空时辐射场的条件数和归一化的空间相干度，提高雷达的对旋转平面中目标的分辨能力。同时本发明的方法可以减小重构旋转成像平面中的目标图像的均方根误差，可以对旋转平面中目标进行高分辨成像。

Claims (3)

1.一种基于目标先验信息的雷达凝视关联成像方法，其特征在于，构建雷达发射阵面，生成雷达跳频信号，计算每个脉冲的旋转成像平面对应的发射信号的延时时间，生成空时辐射场矩阵，该方法的步骤包括如下：

(1)构建雷达发射阵面：

建立一个三维坐标系，该坐标系以仅含有1个雷达接收阵元为原点，雷达中的所有发射阵元均匀分布在该坐标系以原点为中心的圆形上，组成雷达发射阵面；

(2)生成雷达跳频信号：

(2a)生成一个长度雷达发射阵元总数相等的Costas序列，作为雷达发射信号中第一个脉冲的跳频编码；

(2b)将Costas序列依次循环左移一位，得到移位后的Costas序列，作为雷达发射信号中第二个脉冲的跳频编码，依此类推，生成雷达发射信号中每个脉冲的跳频编码；

(3)生成发射信号中每个脉冲的旋转成像平面：

将雷达发射信号的第一个脉冲中所有待成像目标，组成第一个脉冲的旋转成像平面，将雷达发射信号的第二个脉冲中所有待成像目标组成第二个脉冲的旋转成像平面，依此类推，得到发射信号中每个脉冲的旋转成像平面；

(4)计算每个脉冲的旋转成像平面对应的发射信号的延时时间：

(4a)将雷达g倍的瑞利限设置为待成像分辨率，其中，g在[1,8]范围内任意选取的一个值；

(4b)用待成像分辨率将每个脉冲的旋转成像平面均分成多个网格；

(4c)利用下式，计算每个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心坐标值：

其中，x_m,p，y_m,p，z_m,p分别表示第m个脉冲的旋转成像平面中第p个网格中心的x轴、y轴、z轴的坐标值，

表示开平方根操作，x_1,p，y_1,p分别表示第一个脉冲的旋转成像平面中第p个网格中心的x轴、y轴的坐标值，*表示相乘操作，cos(·)表示余弦操作，ω表示第m个脉冲的旋转成像平面的角速度，该角速度是在单位为弧度每秒的[0,π/2]范围内任意选取的一个值；T_p表示雷达发射信号中脉冲之间的时间间隔，arctan(·)表示反正切操作，sin(·)表示正弦操作，R₀表示每个脉冲的旋转成像平面与其对应雷达发射阵面之间的距离，该距离是在单位为米的[600,10000]范围内任意选取的一个值；

(4d)按照下式，计算雷达每个发射阵元的发射信号到达每个网格中心后反射到接收阵元的延时时间：

其中，τ_n,m,p表示第n个雷达发射阵元发射第m个脉冲信号到达其旋转成像平面中第p个网格中心后反射到接收阵元的延时时间，x_n，y_n，z_n分别表示第n个发射阵元的x轴、y轴、z轴的坐标值，c表示光速；

(5)生成空时辐射场矩阵：

(5a)按照空时辐射场公式，计算每个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值；

(5b)将第一个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值，按照该网格的次序排列成空时辐射场矩阵的第一行，将第二个脉冲的旋转成像平面中每个网格中心的空时辐射场的值，按照该网格的次序排列成空时辐射场矩阵的第二行，依此类推，生成空时辐射场矩阵；

(6)获取目标的图像：

利用Focuss算法，将接收的所有发射阵元发射的脉冲信号的回波信号与空时辐射场矩阵作关联处理，得到目标的散射系数，将散射系数按照其对应的旋转成像平面中网格的次序排列，得到旋转成像平面中目标的图像。

2.根据权利要求1所述的基于目标先验信息的雷达凝视关联成像方法，其特征在于：步骤(5a)中所述空时辐射场公式如下：

其中，φ_m,p表示第m个脉冲的旋转成像平面中第p个网格中心的空时辐射场的值，∑表示累加求和操作，E_n,m表示第n个发射阵元发射信号中的第m个脉冲，t表示第n个发射阵元发射第m个脉冲信号的时刻，τ_n,m,p表示第n个雷达发射阵元发射第m个脉冲信号到达其旋转成像平面中第p个网格中心后反射到接收阵元的延时时间。

3.根据权利要求1所述的基于目标先验信息的雷达凝视关联成像方法，其特征在于：步骤(6)中所述Focuss算法的步骤如下：

第一步，利用下式，计算初始目标散射系数：

σ₀＝(Φ)⁺*R

其中，σ₀表示初始目标散射系数，(·)⁺表示伪逆操作，Φ表示空时辐射场矩阵，R表示接收的所有发射阵元发射的脉冲信号的回波信号；

第二步，利用下式，计算当前迭代时的目标散射系数：

其中，σ_l表示当前迭代时的目标散射系数，σ_l-1表示前一次迭代时的目标散射系数，若当前迭代次数为第一次时，则该值为初始目标散射系数，diag(·)表示创建对角矩阵操作，

表示前一次迭代时的目标散射系数的加权值，p₀表示取值为0.1的范数，H表示共轭转置操作，γ表示取值为20的正则化因子，Y表示单位矩阵，(·)^-1表示求逆操作；

第三步，利用下式，计算当前迭代时的目标散射系数误差：

error_l＝||σ_l-σ_l-1||₂/||σ_l-1||₂

其中，error_l表示当前迭代的目标散射系数误差，||·||₂表示2-范数操作；

第四步，判断当前迭代时的目标散射系数误差小于误差阈值ε，若是，则得到当前迭代时的目标散射系数，否则，执行第二步，其中，ε表示取值为0.0001的误差阈值。

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