CN110568410B - 一种空间频率色散的微波雷达超分辨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间频率色散的微波雷达超分辨方法，包括：设计口径面幅度相位分布可调的相位空变色散天线作为发射天线；优化天线口径面上的幅度相位分布；选取偏离天线各个可变相位中心的一点作为天线旋转中心，探测时色散天线绕旋转中心旋转扫描，以脉冲形式的信号作为发射信号，等效形成一个以旋转中心与各个可变相位中心间距为半径的可变相位中心多段弧形虚拟天线阵；以旋转中心作为参考点对应的相位空变信号作为参考信号，使用空间匹配滤波实现多段弧形虚拟天线阵的聚焦，当多段弧形虚拟天线阵的有效口径大于实际色散天线口径时，即可实现微波雷达角度超分辨。

Description

一种空间频率色散的微波雷达超分辨方法
技术领域
本发明涉及微波雷达系统设计与信号处理领域，具体涉及一种空间频率色散的微波雷达超分辨方法。
背景技术
微波雷达具有全天时、全天候的工作特点，是军用、民用领域目标探测的重要手段。微波雷达探测中，为了保证探测精度，要求雷达系统具备一定的分辨能力。对于天线孔径受限的应用场景，当雷达系统分辨能力受天线物理孔径限制无法满足探测精度要求时，需要采用超分辨方法来提高雷达分辨能力。
目前微波雷达超分辨方法主要包括：去卷积、统计计算、计算反演、扫描时间角度相关等技术，其中去卷积技术对信噪比敏感，统计计算和计算反演需要目标稀疏，扫描时间角度相关技术能够克服上述各类技术的缺点，是一种极具潜力的微波雷达超分辨技术，但是受探测机理限制，扫描时间角度相关技术要求发射信号具有空变特性，这使得其发展和应用受到限制。
在名称为“雷达前视超分辨方法”申请号CN102967858A的发明中，主要针对雷达前视成像问题，提出了一种基于方位向反解卷积的方位超分辨方法，在名称为“基于反卷积的雷达角超分辨成像方法”申请号CN104122549A的发明中，主要针对雷达角度超分辨成像问题，提出了一种复数域反解卷积的角度超分辨方法，这些反解卷积方法都能够有效实现雷达超分辨，虽然这类技术使用了幅度空变特性，但是依然无法摆脱去卷积超分辨技术对信噪比敏感的固有缺点。
在名称为“一种基于发射波形方位向调制的机载雷达前视成像方法”申请号为CN105717508A的发明中，主要针对机载雷达前视成像问题，提出了一种利用方位向调制波形来获得前视成像的方法，将距离向发射的线性调频信号在方位向缓慢调制，最终达到提高方位向分辨率的目的，该方法实际上只是时间角度相关超分辨技术在机载前视成像中的简单应用，并没有解决如何实现发射信号空变的问题。
发明内容
基于扫描时间角度相关技术，针对现有超分辨方法难以产生发射空变信号的问题，本发明提出了一种空间频率色散的微波雷达超分辨方法，利用天线口径面上幅度相位分布优化调控天线远场幅度方向图和相位方向图，使得各个可变相位中心偏离旋转中心，获得相位空变信号，利用相位空变信号的空域匹配滤波实现超分辨。该方法能够解决现有超分辨技术的各种问题，有效实现微波雷达角度超分辨。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种空间频率色散的微波雷达超分辨方法，包括以下步骤：
S1，设计口径面幅度相位分布可调的相位空变色散天线作为发射天线；
S2.优化天线口径面上的幅度相位分布，实现天线远场幅度方向图和相位方向图的调控，使得天线各个可变相位中心偏离天线口径面，在幅度方向图主瓣对应的角度范围内形成特定的相位空变信号；
S3.选取偏离天线各个可变相位中心的一点作为天线旋转中心，探测时色散天线绕旋转中心旋转扫描，以脉冲形式的信号作为发射信号，同时采集空间频率色散信号，实现特定位置目标相位空变信号的分时照射，等效形成一个以旋转中心与各个可变相位中心间距为半径的可变相位中心多段弧形虚拟天线阵；
S4.以旋转中心作为参考点对应的相位空变信号作为参考信号，使用空间匹配滤波实现多段弧形虚拟天线阵的聚焦，当多段弧形虚拟天线阵的有效口径大于实际色散天线口径时，即可实现微波雷达角度超分辨。
进一步地，所述的多段弧形虚拟天线阵的有效口径由各个可变相位中心-旋转中心间距决定，同时受幅度方向图主瓣宽度和各个可变相位中心有效角度范围约束。
进一步地，所述的可变相位中心位于天线口径面外，以其为参考点天线远场合成场相位对角度的导数在特定有效角度范围内等于零。
进一步地，所述的相位空变色散天线在天线幅度方向图主瓣对应的角度范围内，相位在角度域内存在特定调制，可以通过调整口径面上的幅度相位分布来调控天线远场幅度方向图主瓣宽度和对应的相位调制形式。
进一步地，所述的天线旋转中心用于天线旋转扫描，对特定位置目标分时照射相位空变信号，采集空间频率色散回波数据，天线旋转中心必须偏离天线各个可变相位中心。
进一步地，所述的空间匹配滤波，用于多段弧形虚拟天线阵的聚焦，其用于匹配滤波的参考信号来源于辐射的相位空变信号。
本发明与现有技术相比的优点在于：利用口径面上的幅度相位分布优化来实现远场幅度方向图和相位方向图的调控，使得各个可变相位中心偏离旋转中心，在幅度方向图主瓣对应的角度范围内，产生特定的相位调制信号，即相位空变信号，通过旋转扫描，实现特定位置目标不同相位空变信号回波的分时采集，形成各个可变相位中心多段弧形虚拟天线阵，利用相位空变信号的匹配滤波实现多段弧形虚拟天线阵的聚焦。该方法处理简单，能够有效实现微波雷达超分辨。本方法为扫描时间角度相关超分辨技术实现提供了一条有效解决途径，有助于推动扫描时间角度相关超分辨技术发展和应用。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为空间频率色散雷达超分辨方法原理框图；
图2为空间频率色散信号幅度相位特性；
图3为单点目标空间频率色散雷达超分辨方法的处理结果；
图4为空间频率色散雷达超分辨方法的超分辨效果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施案例对本发明中提出的一种空间频率色散的雷达超分辨方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本实施例中，一种空间频率色散的微波雷达超分辨方法具体实施流程如下：
如图1，将超表面天线当作口径面幅度相位分布可调的相位空变色散天线2，用以发射空间频率色散信号。
如图1，优化超表面天线口径面上的幅度相位分布，实现天线远场幅度方向图和相位方向图的调控，使得空间辐射的空间频率色散信号波束1具有主瓣边界5，同时让天线各个可变相位中心8(本实施例只有一个视在相位中心)偏离天线口径面，最终使得幅度方向图主瓣对应的角度范围内辐射特定的相位空变信号；
如图2，给出了优化获得的某个特定的相位空变信号在幅度方向图主瓣对应角度范围内的幅度相位特性。
如图1，选取偏离天线各个可变相位中心的一点作为天线旋转中心6，色散天线绕旋转中心6以旋转方向7旋转扫描，以脉冲形式的信号作为发射信号，边扫描，边辐射、边采集空间频率色散信号，实现特定位置目标相位空变信号的分时照射，等效形成一个以旋转中心6与各个可变相位中心8间距为半径的各个可变相位中心多段弧形虚拟天线阵4。
如图1，产生的相位空变信号作为参考信号，使用空间匹配滤波实现多段弧形虚拟天线阵4的聚焦，获得处理后的波束3。
如图3，给出了图2中的相位空变信号，使用空域匹配滤波实现多段弧形虚拟天线阵聚焦前、后的波束幅度随角度变化情况。可见处理后波束得到有效压缩。
当有效的多段弧形虚拟天线阵大于实际色散天线口径时，即可实现微波雷达角度超分辨。
进一步地，所述空间频率色散的微波雷达超分辨方法，能够突破天线实际孔径对角度分辨率的限制，实现角度超分辨，具体角度分辨能力主要由各个可变相位中心绕旋转中心旋转形成的多段弧形虚拟天线阵有效口径决定。
进一步地，所述多段弧形虚拟天线阵有效口径，主要由各个可变相位中心-旋转中心间距决定，同时受幅度方向图主瓣宽度和各个可变相位中心有效角度范围约束。
进一步地，所述的可变相位中心，位于天线口径面外，以其为参考点天线远场合成场相位对角度的导数在特定有效角度范围内等于零。
进一步地，所述相位空变色散天线，在天线幅度方向图主瓣对应的角度范围内，相位在角度域内存在特定调制，可以通过调整口径面上的幅度相位分布来调控天线远场幅度方向图主瓣宽度和对应的相位调制形式。
进一步地，所述天线旋转中心，用于天线旋转扫描，对特定位置目标分时照射相位空变信号，采集空间频率色散回波数据，天线旋转中心必须偏离天线各个可变相位中心；
进一步地，所述空间频率色散回波，类似SAR回波数据，为快时间-慢时间二维回波矩阵，快时间对应距离维，慢时间对应角度，能够使用停-走-停模式分析；
进一步地，所述空间匹配滤波，用于多段弧形虚拟天线阵的聚焦，其用于匹配滤波的参考信号来源于辐射的相位空变信号。
如图4，给出了图2中的相位空变信号，使用空域匹配滤波实现多段弧形虚拟天线阵聚焦，最终实现的超分辨效果。图中两个目标在角度上相距6度，相应超表面天线物理孔径决定的波束宽度为17.7度，物理孔径无法实现目标分辨，但是经处理后弧形虚拟孔径很好的实现超分辨，可见本方法具有良好的超分辨性能。
综上所述，本发明利用口径面上的幅度相位分布优化来实现远场幅度方向图和相位方向图的调控，使得各个可变相位中心偏离旋转中心，在幅度方向图主瓣对应的角度范围内，产生特定的相位调制信号，即相位空变信号，通过旋转扫描，实现特定位置目标不同相位空变信号回波的分时采集，形成各个可变相位中心多段弧形虚拟天线阵，利用相位空变信号的匹配滤波实现多段弧形虚拟天线阵的聚焦。本发明实现了微波雷达的超分辨，具有较好的经济效益
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种空间频率色散的微波雷达超分辨方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，设计口径面幅度相位分布可调的相位空变色散天线作为发射天线；
S2.优化天线口径面上的幅度相位分布，实现天线远场幅度方向图和相位方向图的调控，使得天线各个可变相位中心偏离天线口径面，在幅度方向图主瓣对应的角度范围内形成特定的相位空变信号；
S3.选取偏离天线各个可变相位中心的一点作为天线旋转中心，探测时色散天线绕旋转中心旋转扫描，以脉冲形式的信号作为发射信号，同时采集空间频率色散信号，实现特定位置目标相位空变信号的分时照射，等效形成一个以旋转中心与各个可变相位中心间距为半径的可变相位中心多段弧形虚拟天线阵；
S4.以旋转中心作为参考点对应的相位空变信号作为参考信号，使用空间匹配滤波实现多段弧形虚拟天线阵的聚焦，当多段弧形虚拟天线阵的有效口径大于实际色散天线口径时，即可实现微波雷达角度超分辨。
2.如权利要求1所述的空间频率色散的微波雷达超分辨方法，其特征在于，所述的多段弧形虚拟天线阵的有效口径由各个可变相位中心-旋转中心间距决定，同时受幅度方向图主瓣宽度和各个可变相位中心有效角度范围约束。
3.如权利要求1所述的空间频率色散的微波雷达超分辨方法，其特征在于，所述的可变相位中心位于天线口径面外，以该可变相位中心为参考点获得的天线远场合成场相位函数对角度的导数，在特定有效角度范围内等于零。
4.如权利要求1所述的空间频率色散的微波雷达超分辨方法，其特征在于，所述的相位空变色散天线在天线幅度方向图主瓣对应的角度范围内，相位在角度域内存在特定调制，可以通过调整口径面上的幅度相位分布来调控天线远场幅度方向图主瓣宽度和对应的相位调制形式。
5.如权利要求1所述的空间频率色散的微波雷达超分辨方法，其特征在于，所述的空间匹配滤波，用于多段弧形虚拟天线阵的聚焦，其用于匹配滤波的参考信号来源于辐射的相位空变信号。
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