CN111352107A - 基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法，该跟踪方法包括：使用多个通道接收原始回波信号；将多个通道接收的所述原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号与差通道信号；将所述和通道信号与所述差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合；根据所述距离单元集合，进行和差比幅测角，确定散射点的角度，并计算目标中心的角度；以及根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪。本公开提供的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法使用多通道接收目标回波信号，利用数字和差技术合成和差通道信号，减小了由于模拟和差网络通道间不平衡引起的误差。

Description

基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法
技术领域
本公开涉及雷达目标跟踪与成像技术领域，尤其涉及一种基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法。
背景技术
单脉冲雷达是一种经典的跟踪雷达，所使用的单脉冲测角技术可以使用一个脉冲内的回波信号获取目标的角度信息。一旦能够准确测量目标的角度信息，即可实现对目标的精准跟踪。在目标跟踪，尤其是军事目标跟踪领域，具有重要的应用价值。
逆合成孔径雷达(ISAR)是一种应用广泛的雷达成像技术，能够实现对运动目标的成像，且具有较高的分辨率，是一种重要的目标探测与识别技术。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，传统的单脉冲雷达采用模拟和差技术，雷达接收机接收到的信号通过模拟和差网络，得到和差通道信号，基于和差通道信号实现目标的距离与角度的测量与跟踪，但模拟和差电路通常存在幅度，相位不平衡等缺陷。而常规的逆合成孔径雷达无法对机动目标进行跟踪，难以实现长时间稳定观测。并且逆合成孔径成像依靠角度变化实现方位向分辨，对图像的方位向定标需要角速度信息。因此如何实现对机动目标的准确跟踪并得到高质量的像，是一个尚待解决的问题。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法，以缓解现有技术中的跟踪成像方法难以实现对目标的准确跟踪并得到高质量的像的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，包括：使用多个通道接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；将多个通道接收的所述原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号与差通道信号；将所述和通道信号与所述差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合；根据所述距离单元集合，进行和差比幅测角，确定散射点的角度，并计算目标中心的角度；以及根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪。
在本公开的一些实施例中，其中，所述原始回波信号满足下式：
Figure BDA0001966184080000021
其中，k＝1，2，3，4表示通道的序号；m＝1，2，3，...，M表示脉冲编号；n＝1，2，3，...，N表示每一个脉冲中的第n个采样点，每个脉冲总共采N个采样点，
Figure BDA0001966184080000022
表示第n个采样点的频率，B为信号带宽；i为目标上散射点的序号，散射强度为σi，在第m个脉冲时刻，距雷达的距离为Rim，Fki为第i个散射点回波信号被第k个通道接收时的方向图系数；fc为信号中心频率，c＝3e8m/s为电磁波的传播速度。
在本公开的一些实施例中，其中，将多个通道的所述原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号、方位差通道信号，以及俯仰差通道信号，并分别满足下式：
Ssum(m，n)＝S1(m，n)+S2(m，n)+S3(m，n)+S4(m，n)
Sdif_az(m，n)＝S1(m，n)+S4(m，n)-S2(m，n)-S3(m，n)
Sdif_el(m，n)＝S1(m，n)+S2(m，n)-S3(m，n)-S4(m，n)
其中Ssum(m，n)，Sdif_az(m，n)，Sdif_el(m，n)分别表示合成的和通道信号、方位差通道信号以及俯仰差通道信号。
在本公开的一些实施例中，其中，将所述和通道信号与所述差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合，包括：对所述和通道信号与所述差通道信号在快时间向进行处理，合成高分辨距离像；以及对所述和通道的所述高分辨距离像在慢时间向进行非相干积累，实施阈值检测，确定可能存在散射点的距离单元，构成目标距离单元集合，并得到目标距离单元对应的距离值。
在本公开的一些实施例中，其中，利用下式对所述目标距离单元集合进行和差比幅测角：
Figure BDA0001966184080000031
Figure BDA0001966184080000032
其中θbaz，kmaz分别表示方位向天线差波束的3dB波束宽度与单脉冲斜率，θbel，kmel分别表示俯仰向天线差波束的3dB波束宽度与单脉冲斜率，real表示取实部运算。
在本公开的一些实施例中，其中，根据和差比幅测角结果合成每个距离单元上散射点的角度，并计算目标中心的角度，包括：对每个所述目标距离单元内的和差比幅测角结果合成散射点的角度；以及根据所述散射点的角度，计算目标中心的角度。
在本公开的一些实施例中，其中，根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪，包括：根据所述目标中心角度，参考天线当前的角度，计算目标中心偏离天线的角度；以及将目标中心偏离天线的角度传输至伺服系统，调整天线指向，使天线波束保持对目标的实时照射。
在本公开的一些实施例中，该方法应用于逆合成孔径雷达。
根据本公开的另一个方面，还提供一种基于多通道数字和差的单脉冲的成像方法，包括：使用多个通道接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；将多个通道接收的所述原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号与差通道信号；将所述和通道信号与所述差通道信号合成高分辨距离像；以及将所述高分辨距离像进行存储，采用成像算法进行成像。
在本公开的一些实施例中，采用距离-多普勒算法实现逆合成孔径雷达成像。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
(1)使用多通道接收目标回波信号，利用数字和差技术合成和差通道信号，减小了由于模拟和差网络通道间不平衡引起的误差；
(2)发射宽带信号，对回波信号进行处理，得到高分辨距离像，实现对复杂目标的高分辨。依据复杂目标散射点的距离角度信息计算目标中心的坐标，减小测角误差，提高跟踪精度；
(3)采用距离-多普勒算法对目标实现逆合成孔径雷达成像，充分利用角度跟踪信息，实现对目标的方位向分辨与定标。
附图说明
图1为本公开实施例提供的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例中将和通道信号与差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合的具体步骤示意图。
图3为本发明实施例中根据所述距离单元集合，进行和差比幅测角，确定散射点的角度，并计算目标中心角度的具体步骤示意图。
图4为本发明实施例中根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪的具体步骤示意图。
图5为本公开实施例提供的基于多通道数字和差的单脉冲成像方法的步骤流程图。
图6为本公开实施例中仿真使用的目标散射点模型。
图7为本公开实施例中和通道高分辨距离像。
图8为本公开实施例中非相干积累曲线。
图9为本公开实施例中目标方位角度跟踪曲线。
图10为本公开实施例中目标俯仰角度跟踪曲线。
图11为本公开实施例中目标逆合成孔径雷达像。
具体实施方式
本公开提供的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法利用多通道采集回波信号，通过数字和差技术合成和差通道信号。发射宽带信号，获取目标的高分辨距离像，实现对复杂目标散射点的检测与分辨。利用多个散射点确定目标的中心坐标，提高角度测量的精度，保证对运动目标的稳定长时间观测。对回波信号进行后处理，可以实现在较长时间内对运动目标成像。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
根据本公开的一个方面，提供一种基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，如图1所示，包括：步骤S1：使用多个通道接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；步骤S2：将多个通道接收的原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号与差通道信号(和通道信号与差通道信号统称和差通道信号)；步骤S3：将和差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合；步骤S4：根据距离单元集合，进行和差比幅测角，确定散射点的角度，并计算目标中心的角度；以及步骤S5：根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪。
在本公开的一些实施例中，其中，步骤S1中原始回波信号满足下式：
Figure BDA0001966184080000051
其中，k＝1，2，3，4表示通道的序号；m＝1，2，3，...，M表示脉冲编号；n＝1，2，3，...，N表示每一个脉冲中的第n个采样点，每个脉冲总共采N个采样点，
Figure BDA0001966184080000052
表示第n个采样点的频率，B为信号带宽；i为目标上散射点的序号，散射强度为σi，在第m个脉冲时刻，距雷达的距离为Rim，Fki为第i个散射点回波信号被第k个通道接收时的方向图系数；fc为信号中心频率，c＝3e8m/s为电磁波的传播速度。
在本公开的一些实施例中，其中，步骤S2中，将多个通道的原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号、方位差通道信号，以及俯仰差通道信号，并分别满足下式：
Ssum(m，n)＝S1(m，n)+S2(m，n)+S3(m，n)+S4(m，n)
Sdif_az(m，n)＝S1(m，n)+S4(m，n)-S2(m，n)-S3(m，n)
Sdif_el(m，n)＝S1(m，n)+S2(m，n)-S3(m，n)-S4(m，n)
其中Ssum(m，n)，Sdif_az(m，n)，Sdif_el(m，n)分别表示合成的和通道信号、方位差通道信号以及俯仰差通道信号。
在本公开的一些实施例中，其中，步骤S3中，将和差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合，如图2所示，具体包括：步骤S31：对和差通道信号在快时间向进行处理，合成高分辨距离像；以及步骤S32对和通道的高分辨距离像在慢时间向进行非相干积累，实施阈值检测，确定可能存在散射点的距离单元，构成目标距离单元集合，并得到目标距离单元对应的距离值。
在本公开的一些实施例中，其中，步骤S4中，根据和差比幅测角结果合成每个距离单元上散射点的角度，并计算目标中心的角度，如图3所示，具体包括：步骤S41：根据目标距离单元集合，提取对应的和差通道信号，进行和差比幅测角；步骤S42：对每个目标距离单元内的和差比幅测角结果合成散射点的角度；以及步骤S43：根据散射点的角度，计算目标中心的角度。
在本公开的一些实施例中，其中，步骤S41中，利用下式对目标距离单元集合进行和差比幅测角：
Figure BDA0001966184080000061
Figure BDA0001966184080000062
其中θbaz，kmaz分别表示方位向天线差波束的3dB波束宽度与单脉冲斜率，θbel，kmel分别表示俯仰向天线差波束的3dB波束宽度与单脉冲斜率，real表示取实部运算。
在本公开的一些实施例中，其中，步骤S5中，根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪，如图4所示，具体包括：步骤S51：根据目标中心角度，参考天线当前的角度，计算目标中心偏离天线的角度；以及步骤S52：将目标中心偏离天线的角度传输至伺服系统，调整天线指向，使天线波束保持对目标的实时照射。
在本公开的一些实施例中，该方法应用于逆合成孔径雷达。
根据本公开的另一个方面，还提供一种基于多通道数字和差的单脉冲的成像方法，如图5所示，包括：步骤A：使用多个通道接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；步骤B：将多个通道接收的原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号与差通道信号；步骤C：将和差通道信号合成高分辨距离像；以及步骤D：将高分辨距离像进行存储，采用成像算法进行成像。
在本公开的一些实施例中，采用距离-多普勒算法实现逆合成孔径雷达成像。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法有了清楚的认识。
以下以一具体实施例验证本公开提供的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法的有效性：
在本实施例中，仿真对一个运动目标进行跟踪的过程，所使用的目标模型为由11个散射点组成的飞机轮廓，如图6所示，模型的尺寸为0.15×0.12m。雷达位于坐标原点，目标的初始坐标为(-10，30，1)，运动速度为vx＝2m/s，vy＝0.5m/s，vz＝1m/s。
本实施例提供的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法的具体步骤为：
步骤100：使用多个通道接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；
步骤200：将多个通道接收的原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号、方位差通道信号，以及俯仰差通道信号；
步骤300：将和差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合，具体包括：
步骤301：对和差通道信号在快时间向进行处理，合成高分辨距离像(如图7所示)，在本实施例中，高分辨距离像是在快时间进行逆傅里叶变换实现的；以及
步骤302对和通道的高分辨距离像在慢时间向进行非相干积累(如图8所示)，实施阈值检测，确定可能存在散射点的距离单元，构成目标距离单元集合，并得到目标距离单元对应的距离值，实际应用时，实施目标检测的阈值检测方法并非唯一，在本实施例中，采用的是固定阈值法，即对一个非相干积累序列的中值乘以门限因子，得到检测阈值；
步骤400：根据距离单元集合，进行和差比幅测角，确定散射点的角度，并计算目标中心的角度，具体包括：
步骤401：根据目标距离单元集合，提取对应的和差通道信号，进行和差比幅测角；
步骤402：对每个目标距离单元内的和差比幅测角结果合成散射点的角度，每个目标距离单元的测角结果是一个慢时间序列，在本实施例中，采用线性拟合的方法合成散射点的角度；以及
步骤403：根据散射点的角度，计算目标中心的角度，在本实施例中，该目标中心指目标的几何中心；
步骤500：根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪，具体包括：
步骤501：根据目标中心角度，参考天线当前的角度，计算目标中心偏离天线的角度；以及
步骤502：将目标中心偏离天线的角度传输至伺服系统，调整天线指向，使天线波束保持对目标的实时照射(如图9至图10所示)；
步骤600：将高分辨距离像进行存储，在后处理阶段采用成像算法进行成像(如图11所示)，实际应用中，雷达成像算法并非唯一，在本实施例中，采用距离-多普勒算法实现逆合成孔径雷达成像，得到目标的像之后，依靠对目标的角度跟踪信息实现方位向定标。
综上所述，本公开提供的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪与成像方法利用多通道采集回波信号，通过数字和差技术合成和差通道信号，发射宽带信号，获取目标的高分辨距离像，实现对复杂目标散射点的检测与分辨，利用多个散射点确定目标的中心坐标，提高角度测量的精度，保证对运动目标的稳定长时间观测，对回波信号进行后处理，可以实现在较长时间内对运动目标成像。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，包括：
使用多个通道接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；
将多个通道接收的所述原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号与差通道信号；
将所述和通道信号与所述差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合；
根据所述距离单元集合，进行和差比幅测角，确定散射点的角度，并计算目标中心的角度；以及
根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪。
2.根据权利要求1所述的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，其中，所述原始回波信号满足下式：
Figure FDA0001966184070000011
其中，k＝1，2，3，4表示通道的序号；m＝1，2，3，...，M表示脉冲编号；n＝1，2，3，...，N表示每一个脉冲中的第n个采样点，每个脉冲总共采N个采样点，
Figure FDA0001966184070000012
表示第n个采样点的频率，B为信号带宽；i为目标上散射点的序号，散射强度为σi，在第m个脉冲时刻，距雷达的距离为Rim，Fki为第i个散射点回波信号被第k个通道接收时的方向图系数；fc为信号中心频率，c＝3e8m/s为电磁波的传播速度。
3.根据权利要求2所述的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，其中，将多个通道的所述原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号、方位差通道信号，以及俯仰差通道信号，并分别满足下式：
Ssum(m，n)＝S1(m，n)+S2(m，n)+S3(m，n)+S4(m，n)
Sdif_az(m，n)＝S1(m，n)+S4(m，n)-S2(m，n)-S3(m，n)
Sdif_el(m，n)＝S1(m，n)+S2(m，n)-S3(m，n)-S4(m，n)
其中Ssum(m，n)，Sdif_az(m，n)，Sdif_el(m，n)分别表示合成的和通道信号、方位差通道信号以及俯仰差通道信号。
4.根据权利要求1所述的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，其中，将所述和通道信号与所述差通道信号合成高分辨距离像，并根据和通道信号进行目标检测，确定散射点所在的距离单元集合，包括：
对所述和通道信号与所述差通道信号在快时间向进行处理，合成高分辨距离像；以及
对所述和通道的所述高分辨距离像在慢时间向进行非相干积累，实施阈值检测，确定可能存在散射点的距离单元，构成目标距离单元集合，并得到目标距离单元对应的距离值。
5.根据权利要求4所述的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，其中，利用下式对所述目标距离单元集合进行和差比幅测角：
Figure FDA0001966184070000021
Figure FDA0001966184070000022
其中θbaz，kmaz分别表示方位向天线差波束的3dB波束宽度与单脉冲斜率，θbel，kmel分别表示俯仰向天线差波束的3dB波束宽度与单脉冲斜率，real表示取实部运算。
6.根据权利要求5所述的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，其中，根据和差比幅测角结果合成每个距离单元上散射点的角度，并计算目标中心的角度，包括：
对每个所述目标距离单元内的和差比幅测角结果合成散射点的角度；以及
根据所述散射点的角度，计算目标中心的角度。
7.根据权利要求6所述的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，其中，根据目标中心的角度，控制伺服系统使天线转动对目标进行跟踪，包括：
根据所述目标中心角度，参考天线当前的角度，计算目标中心偏离天线的角度；以及
将目标中心偏离天线的角度传输至伺服系统，调整天线指向，使天线波束保持对目标的实时照射。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于多通道数字和差的单脉冲跟踪方法，该方法应用于逆合成孔径雷达。
9.一种基于多通道数字和差的单脉冲的成像方法，包括：
使用多个通道接收宽带信号经过目标散射后得到的原始回波信号；
将多个通道接收的所述原始回波信号进行数字和差处理，合成和通道信号与差通道信号；
将所述和通道信号与所述差通道信号合成高分辨距离像；以及
将所述高分辨距离像进行存储，采用成像算法进行成像。
10.根据权利要求9所述的基于多通道数字和差的单脉冲的成像方法，采用距离-多普勒算法实现逆合成孔径雷达成像。
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