CN110082760A - 一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，应用于雷达探测与成像领域，针对传统的随机辐射雷达成像方法中，随着信号时宽的增长，沿空间距离维的成像分辨率急剧下降，导致无法进行三维成像的问题，本发明根据回波信号在采样时间上的非相关性，将传统的脉内调制转化为脉间调制工作方式，利用窄脉冲进行频率跳变以获得更多的观测方程，并改善空间距离维的分辨率，通过回波重排和递归处理，以获得不同距离切片的成像结果，最终实现目标场景的三维成像；本发明的方法发明通过改变信号发射形式及回波处理方式，提高了随机辐射雷达三维成像的空间距离维分辨率。

Description

一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法

技术领域

本发明属于雷达探测与成像领域，特别涉及一种随机辐射雷达成像技术。

背景技术

场景监视雷达与光学传感器相比，具有全天时和全天候的优势，在灾害监测和环境安全方面发挥着重要作用。

文献“Budillon,A.,Evangelista,A.and Schirinzi,G.,2011.Three-dimensional SAR focusing from multipass signals using compressive sampling.[J]IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,49(1),pp.488-499.”中，作者通过合成二维孔径来实现三维成像，该技术利用单天线多航过方法，实现了层析SAR三维成像，但由于多航过过程中，成像场景会随时间变化，以及不同航迹间的运动精度要求导致成像质量下降。文献“Weib,M.and Ender,J.H.G.,2005,October.A 3D imaging radar forsmall unmanned airplanes-ARTINO.[C]2005IEEE EURAD European Radar Conference,pp.209-212.”中，作者提出了一种基于阵列天线的三维下视合成孔径雷达(SAR)成像技术，该方法可以根据运动平台的单航过获得三维成像，但其天线孔径长度较大，导致应用场景受限。

除了运动孔径外，还可采用真实孔径实现雷达三维成像，即采用二维阵面形成的窄波束对成像场景进行扫描。文献“Ran Xu,Y.Li,and Mengdao Xing,et al.3-D ghostimaging with microwave radar.Imaging Systems and Techniques(IST),2014:190-194.”中，作者提出了一种雷达三维鬼成像技术，该技术根据相控阵雷达的幅度和相位调制，在空间上形成变化的天线方向图，但是其成像分辨率较低。文献“Dongze Li,etal.Three dimensional radar coincidence imaging,2013:223-238.”中，作者提出了一种雷达三维关联成像方法，采用随机跳频信号形成时空随机辐射场，该系统可获得不同俯仰角和方位角目标的散射系数，得到空间距离切片的成像结果。但传统的脉内跳频工作方式未考虑不同距离切片之间的相关性，其空间距离维的分辨率较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，通过将脉内调制改变为脉间调制，提升了随机辐射雷达空间距离分辨率，通过TSVD方法提升了随机辐射雷达成像切片内的俯仰方位分辨率。

本发明采用的技术方案为：一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，包括：

S1、根据随机辐射雷达回波信号在采样时间上的非相关性，将传统发射信号的脉内跳频调整为脉间跳频的工作方式；

S2、通过回波递归处理，采用截断奇异值方法，实现不同成像切面目标散射系数的求解；

S3、根据各距离切片间的回波时延关系，获得场景内目标三维成像结果。

进一步地，步骤S1还包括：采用窄脉冲进行频率跳变。

更进一步地，每个跳频间隔获得一组回波信号观测方程。

进一步地，步骤S2所述成像切面目标散射系数表达式为：

其中，t_q代表位于空间距离为R_q的距离切片的采样时间，Rec_1:Z(t_q)为不同脉冲中的R_q距离切片的回波矢量，E_p1:Z(t_q)为不同脉冲中的R_q距离切片生成的随机辐射场。

进一步地，步骤S1之前还包括：步骤S0、建立随机辐射雷达系统成像几何模型，包括MN-1个发射器和一个接收器，发射器与接收器位于同一平面上，天线阵列中阵元间距为d，以收发器为交点建立空间极坐标系，极坐标系的空间距离为r，极坐标系的方位角为θ和极坐标系的俯仰角为相邻成像切片间的距离为Δr，各发射单元发射时空随机跳频信号辐射目标。

更进一步地，根据步骤S0建立的随机辐射雷达系统成像几何模型，得到某距离切片的目标回波信号矩阵表达式为：

Rec＝E_pσ+N

其中，E_p表示发射天线的发射信号传播到目标场景后，目标点处发射信号的能量积累；σ表示目标散射系数矩阵，N表示系统加性噪声。

本发明的有益效果：本发明根据SRR中回波信号对采样时间的非相关性，将传统的脉内跳频信号调整为脉间跳频的工作方式，根据不同脉冲的脉间跳频间隔以获得更多的观测方程，对回波数据进行重排与递归处理，采用TSVD方法实现相同距离切片内目标的反演成像，根据不同距离切片对时间延迟的关系，获得空间内目标三维成像结果；具备以下优点：

1、根据回波信号在采样时间上的非相关性，将传统的脉内调制转化为脉间调制工作方式，考虑不同距离切片之间的相关性，提高了每个成像切片的空间距离分辨率；

2、采用截断奇异值(TSVD)方法，实现不同成像切面目标散射系数的求解，提升了随机辐射雷达成像切片内的俯仰方位分辨率。

附图说明

图1为本发明的方案流程图；

图2为本发明实施例提供的随机辐射雷达系统几何模型示意图；

图3为本发明实施例提供的点目标三维原始成像场景；

图4为本发明实施例提供的传统方法与回波重排方法成像结果对比；

图5为本发明实施例提供的x＝0m时成像切片成像结果对比；

图6为本发明实施例提供的沿(x，0，0)成像剖面比较。

具体实施方式

本发明通过仿真实验来验证所提出的随机辐射雷达三维成像方法的有效性。本发明中步骤、结果都在MATLAB仿真平台上进行了验证，本发明方法的具体实施步骤如下。

步骤一：随机辐射雷达系统初始化

本发明实施方案的成像处理流程图如图1所示，随机辐射雷达系统几何模型示意图如图2所示；雷达系统的仿真实验参数如表1所示。点目标三维原始成像场景如图3所示，目标相邻间距为(δx，δy，δz)＝(5m×3m×3m)。

表1仿真实验参数

参数	符号	数值
			天线阵元数	M×N	10×10
天线阵元间距	d	0.2m
			目标距离	r	500m
目标切片	Q	5m×3m×3m
			载波频率	f<sub>c</sub>	10GHz
采样率	f<sub>s</sub>	2GHz
			发射信号带宽	B	1GHz
发射信号时宽	T<sub>r</sub>	2us
			平台高度	H	1km
跳频速度	J	50MHz
			脉内跳频次数	L	100
脉冲重复频率	PRF	2kHz

随机辐射雷达(SRR)系统的成像几何模型如图2所示。该系统由MN-1＝99个发射器和一个接收器构成，发射器和接收器位于同一平面上，天线阵列元件(这里的天线阵列包括发射器与接收器)间距为d＝0.2m，以收发器为交点建立空间极坐标系，r、θ和分别代表极坐标系的空间距离，方位角和俯仰角。各发射单元发射时空随机跳频信号辐射目标相邻成像切片间的距离为Δr。

步骤二：随机辐射信号回波接收

根据步骤一建立的系统模型，当天线阵列工作时，第i个发射阵元的发射信号为

其中，T_r和f_c分别代表发射信号时宽和载波频率，A_i表示第i个天线阵元发射信号的包络，f_i(T)∈[-B/2,B/2]表示第i个天线阵元发射信号的调频，其中B表示跳频信号带宽，T＝T_r/L表示跳频间隔，L是每个发送脉冲的跳频时间，是初始相位。

三维成像场景中，目标用Q，W，K网格表示，q＝1,2,…,Q；w＝1,2,…,W；k＝1,2,…,K。当各个天线的发射信号传播至目标场景后，点发射信号的能量积累可由下式表示

其中，τ_ip＝R_ip/c,i＝1,2,…,MN-1表示发送信号的传播时延，R_ip表示发射阵元i与目标之间的距离，c为光速。

随机辐射场与目标场景作用后，场景的回波信号可表示为

其中，q＝q′,…,Q′表示位于脉冲时间宽度的传播范围内，此距离切片处的目标。σ(τ_iP)是目标的散射系数。τ_Pr表示目标和接收天线阵元之间的时延。随着采样时间的增加，接收到位于不同距离切片的目标回波信号，可表示为

其中，t＝(t₁,t₂,…,t_ρ)为不同信号的采样时间，ρ＝T_r*f_s＝4000由时宽T_r和采样频率f_s确定。假设加性噪声为N，公式(12)可以转化为矩阵形式为

Rec＝E_pσ+N (13)

步骤三：回波重排与递归处理

根据步骤二，将脉内跳频调整为脉间跳频的工作模式，发送窄脉冲以改善沿空间距离维的分辨率，根据不同脉冲的脉间跳频模式获得更多的观测方程，采用回波递归处理的成像方式，实现了不同距离切边目标的反演成像。

根据随机辐射雷达成像原理，每个跳频间隔可以获取一组观测方程，根据本发明提出的脉间跳频模式，不同脉冲的回波信号可以表示为

其中，Rec_z，E_pz和N_z分别代表每个脉冲的回波矢量，随机辐射场矩阵和加性噪声。且z＝1,2,…,Z代表脉冲数。对于每一个脉冲，可合理地假设场景在短的信号时宽内保持不变，即t₁时刻的回波信号可重排为

其中，σ′为第一距离切片的目标散射系数。经过回波重排后，根据同一跳频时宽在不同脉冲的回波信号，得到该距离切片的成像结果。

步骤四：目标反演与三维成像

为了区分位于相同距离切片的目标，在本发明中，采用TSVD方法用于反演每个距离切片的超分辨率成像。因此，可以通过计算获得R_Q距离切片的成像结果，其表达式如下所示

其中，t_q代表位于空间距离为R_q的距离切片的采样时间，Rec_1:Z(t_q)和E_p1:Z(t_q)分别为不同脉冲中的R_q距离切片的回波矢量和生成的随机辐射场，根据不同距离切片对时间延迟的关系，可以得到三维成像结果。

图4为传统方法与本发明方法的成像对比结果。如图4(a)所示，传统方法的成像结果可区分位于相同距离切片的目标，但空间距离方向的分辨率较低。如图4(b)所示，本发明提出方法不仅可以区分空间切片内的目标，还可获得空间距离维目标的高分辨成像。

图5给出了单一成像切片的成像结果对比，可以看出，本发明方法与传统随机辐射雷达三维成像均可实现每个距离切片的高分辨率成像。图6为沿(x，0，0)方向的成像剖面对比结果，可以看出，其空间距离维成像分辨率明显得到了提高，其成像分辨率可有传统方式的Δr＝T_rc/2＝300m提升至Δr＝T_rc/2/L＝3m。

综上，仿真结果验证了本发明方法不仅能够提升成像切片内的目标分辨率，还能够提升空间距离维度的成像分辨率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，其特征在于，包括：

S1、根据随机辐射雷达回波信号在采样时间上的非相关性，将传统发射信号的脉内跳频调整为脉间跳频的工作方式；

S2、通过回波递归处理，采用截断奇异值方法，实现不同成像切面目标散射系数的求解；

S3、根据各距离切片间的回波时延关系，获得场景内目标三维成像结果。

2.根据权利要求1所述的一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，其特征在于，步骤S1还包括：采用窄脉冲进行频率跳变。

3.根据权利要求2所述的一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，其特征在于，每个跳频间隔获得一组回波信号观测方程。

4.根据权利要求3所述的一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，其特征在于，步骤S2所述成像切面目标散射系数表达式为：

其中，t_q代表位于空间距离为R_q的距离切片的采样时间，Rec_1:Z(t_q)为不同脉冲中的R_q距离切片的回波矢量，E_p1:Z(t_q)为不同脉冲中的R_q距离切片生成的随机辐射场。

5.根据权利要求1所述的一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，其特征在于，步骤S1之前还包括：步骤S0、建立随机辐射雷达系统成像几何模型，包括MN-1个发射器和一个接收器，发射器与接收器位于同一平面上，天线阵列中阵元间距为d，以收发器为交点建立空间极坐标系，极坐标系的空间距离为r，极坐标系的方位角为θ和极坐标系的俯仰角为相邻成像切片间的距离为Δr，各发射单元发射时空随机跳频信号辐射目标。

6.根据权利要求5所述的一种随机辐射雷达三维高分辨成像方法，其特征在于，根据步骤S0建立的随机辐射雷达系统成像几何模型，得到某距离切片的目标回波信号矩阵表达式为：

Rec＝E_pσ+N

其中，E_p表示发射天线的发射信号传播到目标场景后，目标点处发射信号的能量积累；σ表示目标散射系数矩阵，N表示系统加性噪声。