CN112612026B - 基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，属于雷达信号处理技术领域。本发明针对现有逆合成孔径雷达成像技术在获取视线横向距离坐标时，受限于目标相对于雷达的转动角度的问题。包括：将两个雷达相互垂直放置，取各自探测视野内目标的原始回波数据；对于每个雷达：将原始回波数据中每一个脉冲快时间加窗处理后进行傅里叶变换，得到单个脉冲的频域下一维距离像；由每一幅频域下一维距离像结合雷达照射范围中所占宽度，得到角度距离像；再进行变换得到变换后角度距离像；将径向雷达的变换后角度距离像旋转九十度，与横向雷达的变换后角度距离像叠加，进行融合，得到目标角。本发明可实现目标的径向距离与横向距离的高分辨。

Description

基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法

技术领域

本发明涉及基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，属于雷达信号处理技术领域。

背景技术

雷达通过发射宽带信号(77GHz毫米波雷达带宽B可达2GHz以上)经匹配滤波或脉冲压缩技术可获得目标距离高分辨，其距离分辨率为C/2B＝0.075m，其中C为光速，从而可获得雷达视线方向的高分辨一维距离像。每个脉冲或调频信号周期对应一幅距离像。一维距离像表述了目标三维空间散射在雷达视线上的投影分布。雷达信号积累时间与目标在雷达波束中的驻留时间有关。假如雷达信号处理时间为P个chirp周期，则通过两维快速傅里叶变换可获得运动目标距离-速度谱(RV谱)。

目标在三维空间中存在着三维坐标，但在单个雷达视线范围内仅仅能够观测到其二维坐标，分别为沿着雷达视线的径向距离坐标和垂直于雷达视线的横向距离坐标。由于雷达发射宽带信号，因此在径向距离能够获得高距离分辨率，但是横向距离单从距离像无法获得或者提高距离分辨率。因此在一个雷达视线中，无法将两个或多个处于同一个横向距离的目标区分开来，距离像上体现的是一根距离像线。

想要获得横向距离的高分辨率，现有技术利用不同横向距离的目标相对于雷达的转动获得不同的多普勒，再将不同的多普勒对应到相应的横向距离来获得横向距离的高分辨率，即采用逆合成孔径雷达成像技术获得横向距离的高分辨率。但是存在如下问题：

1、如果旋转的角度即积累角度不够，依然无法获取较高的横向距离分辨率；

2、如果目标与雷达之间没有旋转，例如目标沿着雷达视线方向运动，则现有方法无法使用。

发明内容

针对现有逆合成孔径雷达成像技术在获取视线横向距离坐标时，受限于目标相对于雷达的转动角度的问题，本发明提供一种基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法。

本发明的一种基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，包括，

将两个雷达相互垂直放置，每个雷达分别获取各自探测视野内目标的原始回波数据；

对于每个雷达：将原始回波数据中每一个脉冲快时间加窗处理后进行傅里叶变换，得到单个脉冲的频域下一维距离像；将每一幅频域下一维距离像中每一个距离采样点对应的目标径向距离换算到雷达探测扇形区域内相应的位置处，根据雷达探测照射波束宽度和所有目标径向距离计算所有目标径向距离在雷达照射范围中所占宽度，得到角度距离像；

将角度距离像中与一维距离像中距离采样点对应位置的幅值全部用一维距离像中相应的幅值代替；得到每个雷达的变换后角度距离像；

将两个雷达中一个作为径向雷达，另一个作为横向雷达；将径向雷达的变换后角度距离像旋转九十度，与横向雷达的变换后角度距离像叠加，进行融合，得到目标角。

根据本发明的基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，

所述得到单个脉冲的频域下一维距离像的过程包括：

假设目标径向距离为R_t，原始回波数据

为：

式中

为脉冲快时间，

t为总的数据录取时间，m为整数，T为脉冲重复周期；t_m为慢时间，t_m＝mT，c为光速，T_p为探测照射波束脉宽，f_c为中心频率，γ为调频率；

设定R_Δ＝R_t-R_ref，式中R_ref为径向参考距离；

得到差频输出信号

式中参考信号

为：

T_ref为参考信号脉宽；

则得到：

以参考点时间为基准，将上式的时域信号对快时间作傅里叶变换，得到：

f_i为快时间傅里叶变换后的频域变量，A为回波信号幅值，

则不考虑慢时间后的解线性调频后差频输出信号

为：

再对上式作傅里叶变换，得到单个脉冲的频域下一维距离像S_if(f_i)：

根据本发明的基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，

得到角度距离像的过程包括：

假设雷达探测照射波束宽度为θ，一维距离像中目标径向距离为R，以雷达为圆心R为半径做一个弧度角为θ的圆弧，计算得到弧长l为：

l＝Rθ，

弧长l为目标在角度距离像中距离为R处所占的宽度。

根据本发明的基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，

得到每个雷达的变换后角度距离像的过程包括：

假设快时间采样点数为N点，则所述频域下一维距离像为一个1*N的向量A，所述向量A中每个单元代表一个目标径向距离，每个单元的值代表相应目标径向距离处所有目标回波的功率值之和；

构造N*N的矩阵B，矩阵B的其中一维与向量A一致，另一维作为极坐标系下的距离，即角度距离像；

根据不同距离采样点对应的不同弧长l，计算所述弧长l在矩阵B中相应目标径向距离处所占的单元数，并将所占的单元取值用向量A中相应的幅值代替；对矩阵B的所述另一维中所有单元进行所述向量A中相应的幅值代替处理，得到变换后角度距离像。

本发明的有益效果：本发明方法利用两个垂直放置的雷达进行目标回波数据的采集，通过对回波数据进行处理融合达到获取二维坐标高分辨的目的。其中每个雷达均可以获取各自探测视野内的目标的距离信息，结合雷达照射波束宽度可以获取目标的角度距离像；由于一个雷达能够实现其视线方向(径向距离)的距离高分辨，垂直于雷达方向的距离(横向距离)则无法实现高分辨，本发明方法将两个雷达垂直放置，各自获取目标的角度距离像，其中一个雷达的径向距离是另一个雷达的横向距离，将两个雷达各自的径向角度距离像进行融合，实现目标的径向距离与横向距离的高分辨。

本发明方法无需借助于目标相对于雷达的转动角度，即可实现对目标角的高分辨，提高了目标探测的准确度。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明所述基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法的融合场景示意图；

图3是距离像融合仿真实验模型一中径向雷达视角图；

图4是距离像融合仿真实验模型一中横向雷达视角图；

图5是模型一中径向雷达角度距离像；图中x为大地坐标系下的横坐标，y为大地坐标系下的纵坐标，m为米；

图6是模型一中横向雷达角度距离像；

图7是模型一中角度距离像在-100dB下的融合结果图；

图8是模型一中角度距离像在-40dB下的融合结果图；

图9是距离像融合仿真实验模型二中径向雷达视角图；

图10是距离像融合仿真实验模型二中横向雷达视角图

图11是模型二中径向雷达角度距离像；

图12是模型二中横向雷达角度距离像；

图13是模型二中角度距离像在-100dB下的融合结果图；

图14是模型二中角度距离像在-40dB下的融合结果图；

图15是实测数据场景一；

图16是采用本发明方法对场景一进行观测获得的径向雷达角度距离像；

图17是采用本发明方法对场景一进行观测获得的横向雷达角度距离像

图18是对图15和图16在-70dB下的融合结果图；

图19是对图15和图16在-40dB下的融合结果图；

图20是实测数据场景二；

图21是采用本发明方法对场景二进行观测获得的横向雷达角度距离像未放大图；

图22是图20的局部放大图；

图23是是采用本发明方法对场景二进行观测获得的径向雷达角度距离像未放大图；

图24是图22的局部放大图；

图25是对场景二下观测数据在-70dB下的融合结果未放大图；

图26是图24的局部放大图；

图27是对场景二下观测数据在-40dB下的融合结果未放大图；

图28是图26的局部放大图；

图29是相互垂直放置的两个雷达空间配准示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，包括，

将两个雷达相互垂直放置，每个雷达分别获取各自探测视野内目标的原始回波数据；

对于每个雷达：将原始回波数据中每一个脉冲快时间加窗处理后进行傅里叶变换，得到单个脉冲的频域下一维距离像；将每一幅频域下一维距离像中每一个距离采样点对应的目标径向距离换算到雷达探测扇形区域内相应的位置处，根据雷达探测照射波束宽度和所有目标径向距离计算所有目标径向距离在雷达照射范围中所占宽度，得到角度距离像；

将角度距离像中与一维距离像中距离采样点对应位置的幅值全部用一维距离像中相应的幅值代替；得到每个雷达的变换后角度距离像；

将两个雷达中一个作为径向雷达，另一个作为横向雷达；将径向雷达的变换后角度距离像旋转九十度，与横向雷达的变换后角度距离像叠加，进行融合，得到目标角。

在利用雷达距离像检测目标时，由于雷达仅仅能够分辨出不同目标的径向距离，横向距离需要一定的积累角度才能够进行分辨，并且当两个目标在单个雷达视线内处于同一距离处时，得到的距离像为同一条距离像线，此时无法将目标区分开来。若为静止目标或者相对雷达没有一定的积累角度时，均无法进行横向距离高分辨。本实施方式在此技术背景下提出，采用两个雷达垂直放置，分别利用各自径向距离的高分辨完成对目标二维坐标的高分辨。

结合图29所示，本发明方法在对数据进行融合前需要对两个雷达进行空间配准：

图29中，雷达1与雷达2有着各自的坐标系，分别为x₁O₁y₁与x₂O₂y₂坐标系，需要将这两个坐标系统一至大地坐标系xOy下进行处理。雷达1坐标系与大地坐标系之间距离O₁O为r₁,雷达2坐标系与大地坐标系之间距离O₂O为r₂。

设某一点在两个雷达坐标系下的坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，在大地坐标系下的坐标为(x0,y0)，定义两个平移矩阵Trans1与Trans2，作用是将O₁与O₂分别平移至O点，两个平移矩阵分别是：

对于雷达1坐标系其点(x1,y1)的坐标在大地坐标系下为：

同样的，对于雷达2坐标系其点(x2,y2)的坐标在大地坐标系下为：

平移完成之后，雷达1和雷达2坐标系就变换至同一个坐标系下即大地坐标系之下。

在实际中由于雷达有架设高度，因此需要加入尺度伸缩矩阵Scale1和Scale2。此尺度伸缩矩阵与雷达中心下视角有关，设两个雷达中心下视角分别为Ψ₁和Ψ₂，则有：

因此最后的变换结果为：

其中

接下来，对回波数据进行处理：

雷达采集到的数据为解线性调频后的回波数据，假设雷达发射信号

为：

其中

解线性频调是用一时间固定，而频率、调频率相同的LFM信号作为参考信号，用它和回波作差频处理。

进一步，所述得到单个脉冲的频域下一维距离像的过程包括：

假设目标径向距离为R_t，原始回波数据

为：

式中

为脉冲快时间，

t为总的数据录取时间，m为整数，T为脉冲重复周期；t_m为慢时间，t_m＝mT，c为光速，T_p为探测照射波束脉宽，f_c为中心频率，γ为调频率；

设定R_Δ＝R_t-R_ref，式中R_ref为径向参考距离；

得到差频输出信号

式中参考信号

为：

T_ref为参考信号脉宽，略大于脉冲重复周期T；

则得到：

以参考点时间为基准，将上式的时域信号对快时间作傅里叶变换，得到：

f_i为快时间傅里叶变换后的频域变量，A为回波信号幅值，

事实上S_if(f_i,t_m)中包含了回波即慢时间，而此发明中无需对所有的回波进行傅里叶变换，则不考虑慢时间后的解线性调频后差频输出信号

为：

再对上式作傅里叶变换，得到单个脉冲的频域下一维距离像S_if(f_i)：

再进一步，得到角度距离像的过程包括：

假设雷达探测照射波束宽度为θ，一维距离像中目标径向距离为R，以雷达为圆心R为半径做一个弧度角为θ的圆弧，计算得到弧长l为：

l＝Rθ，

其中θ的单位为弧度，弧长l为目标在角度距离像中距离为R处所占的宽度。角度距离像为本发明中提出的说法，将一维距离像与雷达照射波束宽度结合在一起，不同于单个回波或者多个回波得到的距离像，角度距离像中两维坐标均代表距离，但是整个图像为根据雷达实际照射宽度所做出的一个扇形，扇形角即为雷达所能探测到的角度范围，同一扇形角对于不同的距离，弧长也是不一样的，因此需要通过上面的推导来计算弧长l。

再进一步，得到每个雷达的变换后角度距离像的过程包括：

假设快时间采样点数为N点，则所述频域下一维距离像为一个1*N的向量A，所述向量A中每个单元代表一个目标径向距离，每个单元内的值代表相应目标径向距离处所有目标回波的功率值之和；

构造N*N的矩阵B，矩阵B的其中一维与向量A一致，另一维作为极坐标系下的距离，即角度距离像；

根据不同距离采样点对应的不同弧长l，计算所述弧长l在矩阵B中相应目标径向距离处所占的单元数，即计算处在矩阵B的径向距离维中所有表示距离为R_t的单元中弧长l所占的单元数，并将所占的单元取值用向量A中相应的幅值代替；对矩阵B的所述另一维中所有单元进行所述向量A中相应的幅值代替处理，得到变换后角度距离像。

对两个雷达数据均进行处理后，得到两个变换后角度距离像B1和B2。

将径向雷达变换后角度距离像旋转九十度后与横向雷达变换后角度距离像叠加即得到融合结果。

由于两个雷达垂直放置，将B1和B2其中任意一个角度距离像矩阵进行转置后与另一个角度距离像矩阵进行数据上的叠加即得到结果。

现有技术中处理的距离像为按雷达回波顺序进行排列得到的距离像，此种距离像可以体现出目标所处距离或距离像随着慢时间的变化情况，但是并不是雷达真正视野下的距离像。因为雷达有着一定的波束宽度，对不同的径向距离有着不同的横向距离探测范围。因此本发明中针对每一个回波得到一个距离像，根据距离像中的各个距离像线所处的位置和雷达波束宽度计算处所能够探测到的横向距离范围。最终得到的距离像是一个扇形距离像，这样更符合实际雷达的探测方式。将所述扇形距离像称为角度距离像。

结合图2至图28的仿真验证，从仿真结果来看，设置两个静止点目标，在从两个雷达距离像得到各自的角度距离像之后，有一个雷达有一根明显的距离像线，此时两个目标叠加在一起无法分辨开，而另一个雷达则有着两个距离像线，将二者融合后角度距离像中原来明显的线变为了点，实现了对目标的二维坐标的高分辨。同时对实际中汽车的模型进行仿真验证，两个雷达的距离像中均存在无法分辨开来的处于同一横向坐标的点，而进行融合之后的角度距离像中则能够将所设计模型中的所有散射点均区分开来。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (3)

1.一种基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，其特征在于包括，

将两个雷达相互垂直放置，每个雷达分别获取各自探测视野内目标的原始回波数据；

对于每个雷达：将原始回波数据中每一个脉冲快时间加窗处理后进行傅里叶变换，得到单个脉冲的频域下一维距离像；将每一幅频域下一维距离像中每一个距离采样点对应的目标径向距离换算到雷达探测扇形区域内相应的位置处，根据雷达探测照射波束宽度和所有目标径向距离计算所有目标径向距离在雷达照射范围中所占宽度，得到角度距离像；

将角度距离像中与一维距离像中距离采样点对应位置的幅值全部用一维距离像中相应的幅值代替；得到每个雷达的变换后角度距离像；

将两个雷达中一个作为径向雷达，另一个作为横向雷达；将径向雷达的变换后角度距离像旋转九十度，与横向雷达的变换后角度距离像叠加，进行融合，得到目标角；

所述得到单个脉冲的频域下一维距离像的过程包括：

假设目标径向距离为R_t，原始回波数据

为：

式中

为脉冲快时间，

t为总的数据录取时间，m为整数，T为脉冲重复周期；t_m为慢时间，t_m＝mT，c为光速，T_p为探测照射波束脉宽，f_c为中心频率，_γ为调频率；

设定R_Δ＝R_t-R_ref，式中R_ref为径向参考距离；

得到差频输出信号

式中参考信号

为：

T_ref为参考信号脉宽；

则得到：

以参考点时间为基准，将上式的时域信号对快时间作傅里叶变换，得到：

f_i为快时间傅里叶变换后的频域变量，A为回波信号幅值，

则不考虑慢时间后的解线性调频后差频输出信号

为：

再对上式作傅里叶变换，得到单个脉冲的频域下一维距离像S_if(f_i)：

2.根据权利要求1所述的基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，其特征在于，

得到角度距离像的过程包括：

假设雷达探测照射波束宽度为θ，一维距离像中目标径向距离为R，以雷达为圆心R为半径做一个弧度角为θ的圆弧，计算得到弧长l为：l＝Rθ，

弧长l为目标在角度距离像中距离为R处所占的宽度。

3.根据权利要求2所述的基于双雷达距离像融合的目标角分辨方法，其特征在于，

得到每个雷达的变换后角度距离像的过程包括：假设快时间采样点数为N点，则所述频域下一维距离像为一个1*N的向量A，所述向量A中每个单元代表一个目标径向距离，每个单元的值代表相应目标径向距离处所有目标回波的功率值之和；

构造N*N的矩阵B，矩阵B的其中一维与向量A一致，另一维作为极坐标系下的距离，即角度距离像；

根据不同距离采样点对应的不同弧长l，计算所述弧长l在矩阵B中相应目标径向距离处所占的单元数，并将所占的单元取值用向量A中相应的幅值代替；对矩阵B的所述另一维中所有单元进行所述向量A中相应的幅值代替处理，得到变换后角度距离像。

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