CN112986989B - 基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法 - Google Patents

基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法，包括：获取正交相位编码信号参数；基于正交相位编码信号参数，利用改进型遗传算法生成正交相位编码信号；该正交相位编码信号包括相互正交的L个相位编码信号；改进型遗传算法中的种群是以L个相位编码信号的子脉冲的相位为染色体的种群；染色体采用多进制实数编码；在L个连续的脉冲重复周期内依次间隔发射L个相位编码信号；接收回波信号，并使用目标区对应的目标相位编码信号对回波信号进行匹配滤波，得到目标区解模糊后的回波信号。本发明能够适应机载高速运动平台SAR高分辨、宽距离测绘带的需求，且计算量小，复杂度低，运算速度快。

Description

基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法
技术领域
本发明属于雷达成像技术领域，具体涉及一种基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)因为其全天时、全天候、高分辨和远距离的特性，自诞生以来便在地形测绘、海洋监测、战场侦查等军事和民用领域发挥着越来越重要的作用。其中，机载高速运动平台SAR因为具有灵活和机动的特点得到了广泛的应用。在实际应用中，SAR最为关键的两个指标是分辨率和测绘带宽。高分辨率是雷达实现目标检测、战场侦查等应用的前提，而宽测绘带可以减少观测时间，增大观测场景的范围。但是，因为脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，PRF)的限制，在机载高速运动平台SAR中，回波信号的方位带宽较大，需要较高的PRF以避免多普勒谱模糊，而为了获得宽的距离测绘带并且避免距离模糊，PRF又不能过高。
为了解决方位高分辨与宽距离测绘带之间矛盾，国内外学者提出了许多基于抑制距离模糊的思路，包括正负调频率技术、俯仰维多通道数字波束形成(DigitalBeamForming，DBF)技术、方位相位编码(Azimuth Phase Coding，APC)技术等。其中，正负调频率信号只有两组信号，只能抑制二倍距离模糊；俯仰维多通道数字波束形成技术主要用于星载多通道SAR，不适用于机载单通道SAR；方位相位编码技术所需的PRF必须等于成像区信号方位带宽的数倍，这会大幅降低距离测绘带的宽度。因此，急需一种适用于机载高速运动平台SAR成像的抑制距离模糊的方法，以适应机载高速运动平台SAR高分辨、宽距离测绘带的需求。
发明内容
为了适应机载高速运动平台SAR高分辨、宽距离测绘带的需求，本发明提供了一种基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法，包括：
获取正交相位编码信号参数；所述正交相位编码信号参数是根据机载高速运动平台SAR的系统参数所确定的；
基于所述正交相位编码信号参数，利用预设的改进型遗传算法生成正交相位编码信号；其中，所述正交相位编码信号包括相互正交的L个相位编码信号；所述改进型遗传算法中的种群是以所述L个相位编码信号的子脉冲的相位为染色体的种群；所述染色体采用多进制实数编码；
在L个连续的脉冲重复周期内依次间隔发射所述L个相位编码信号；
接收回波信号，并使用目标区对应的目标相位编码信号对所述回波信号进行匹配滤波，得到所述目标区解模糊后的回波信号；其中，所述目标相位编码信号为所述L个相位编码信号中的一个。
可选地，所述种群中，每行染色体分别对应一个所述相位编码信号，且每行染色体是由对应的相位编码信号的各个子脉冲的相位所组成的；
所述基于所述正交相位编码信号参数，利用预设的改进型遗传算法生成正交相位编码信号，包括：
基于所述正交相位编码信号参数和预设的遗传算法参数进行种群初始化；
基于多点交叉方法和轮盘赌算法对所述种群进行多次种群优化，得到优化后的种群；
基于优化后的种群生成正交相位编码信号。
可选地，所述基于多点交叉方法和轮盘赌算法对所述种群进行多次种群优化，得到优化后的种群，包括：
在每次种群优化中，采用多点交叉方法对当前的种群进行交叉操作，并根据变异的概率对该种群中的每个染色体进行离散变异操作，得到子代染色体；
将所述子代染色体插入到当前的种群中，得到新种群；
根据新种群中染色体的自相关值和互相关值计算染色体的适应度值；
根据染色体的适应度值，使用轮盘赌算法进行染色体选择，得到该次优化后的种群。
可选地，所述基于优化后的种群生成正交相位编码信号，包括：
按照优化后的种群中各行染色体所表示的子脉冲的相位，对应生成各个相位编码信号，作为正交相位编码信号。
可选地，所述使用目标区对应的目标相位编码信号对所述回波信号进行匹配滤波，得到所述目标区解模糊后的回波信号，包括：
根据目标区对应的目标相位编码信号计算该目标相位编码信号的系统匹配函数；
将计算的系统匹配函数与所述回波信号求取卷积，得到所述目标区解模糊后的回波信号。
可选地，所述方法还包括：
对所述目标区解模糊后的回波信号进行二维去耦、二次脉压以及方位聚焦处理，得到二维聚焦的成像信号。
本发明提供的基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法中，利用了基于正交波形信号本身具有很低的自相关旁瓣，并且不同信号之间的互相关性很弱这一特点，优化出一组性能满足雷达成像要求的正交相位编码信号作为发射信号；在此过程中，一方面，利用了遗传算法适用于多目标非线性优化问题的优势，实现了一种适用于机载高速运动平台SAR成像的抑制距离模糊的方法。另一方面，由于成像雷达信号的波形要求较大的时宽带宽积，使得相位编码信号的码长较长，优化求解的计算量巨大，采用常规的遗传方法难以求解计算，且常规的遗传算法不仅收敛速度慢，还容易陷入局部最优而非全局最优；因此，本发明采用改进型遗传算法优化正交相位编码信号；该改进型遗传算法中，使用多进制实数编码的方式，可以降低遗传算法的计算量和复杂度。由此，本发明将正交相位编码信号作为雷达的发射信号，依次间隔循环发射后，使用目标区发射的相位编码信号对有距离模糊的回波信号进行匹配滤波，匹配滤波后聚焦良好；模糊区的回波信号与目标区发射的相位编码信号因波形失配而散焦，从而达到了抑制距离模糊的效果。
在本发明的一个实施例中，使用多点交叉的方式，提高遗传算法的收敛速度，从而在有效时间内优化得到满足成像需求的正交相位编码信号。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法的流程图；
图2是本发明实施例中生成的正交相位编码信号互相关曲线图；
图3是本发明实施例中生成的的正交相位编码信号自相关曲线图；
图4是本发明实施例中应用改进型遗传算法生成正交相位编码信号的迭代过程图；
图5示出了一种SAR三维模型与目标分布图；
图6示出了一种SAR二维模型与目标分布图；
图7是现有技术采用LFM信号得到的成像区点目标A的成像图；
图8是现有技术采用LFM信号得到的成像区点目标A的二维等高线图；
图9是现有技术采用LFM信号得到的成像区点目标A的方位剖面图；
图10是现有技术采用LFM信号得到的成像区点目标A的距离剖面图；
图11是本发明实施例中正交相位编码信号的发射时序图；
图12是本发明实施例中采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的成像图；
图13是本发明实施例中采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的二维等高线图；
图14是本发明实施例中采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的方位剖面图；
图15是本发明实施例中采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的距离剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为了适应机载高速运动平台SAR高分辨、宽距离测绘带的需求，本发明实施例提供了一种基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法；参见图1所示，该方法包括以下步骤：
S10：获取正交相位编码信号参数；该正交相位编码信号参数是根据机载高速运动平台SAR的系统参数所确定的。
具体的，这里说的正交相位编码信号参数包括码长N、码数L和可选相位数M，且码长N满足：
N＝BTp；
其中，B表示信号的带宽，Tp表示信号的时宽。
在实际应用中，码数L和可选相位数M可以根据实际雷达平台的需求进行综合考虑后确定，码长N可以根据实际雷达平台的时宽和带宽来确定。
S20：基于正交相位编码信号参数，利用预设的改进型遗传算法生成正交相位编码信号；其中，正交相位编码信号包括相互正交的L个相位编码信号；该改进型遗传算法中的种群是以L个相位编码信号的子脉冲的相位为染色体的种群；染色体采用多进制实数编码。
这里，改进型遗传算法相对于现有的遗传算法而言，区别在于种群中的染色体采用多进制实数编码，现有的遗传算法是采用的二进制编码；本发明实施例中采用多进制实数编码，可以减少码元数量，提高编码速率，相应的可以减低遗传算法的复杂度。
该改进型遗传算法中的种群S可以表示为：
Figure BDA0002927931670000061
其中，
Figure BDA0002927931670000062
表示第l个相位编码信号的第n个子脉冲的相位，且
Figure BDA0002927931670000071
可以理解的是，该种群S中，每行染色体分别对应一个相位编码信号，且每行染色体是由对应的相位编码信号的各个子脉冲的相位所组成的。
相应的，基于正交相位编码信号参数，利用预设的改进型遗传算法生成正交相位编码信号，可以包括：
(1)基于正交相位编码信号参数和预设的遗传算法参数进行种群初始化。
这里，遗传算法参数包括种群大小，变异概率、交叉概率等等，初始化后得到种群参见上述的种群S。
(2)基于多点交叉方法和轮盘赌算法对该种群进行多次种群优化，得到优化后的种群。
其中，多点交叉方法用于对种群进行交叉、变异，生成子代染色体；将子代染色体插入到种群中后，种群中染色体的个数增多，故而采用轮盘赌算法对染色体进行选择，从而选出染色体数量不变、且较优的种群。后续将对基于多点交叉方法和轮盘赌算法对该种群进行多次种群优化的具体实现方式进行详细说明。
(3)基于优化后的种群生成正交相位编码信号。
具体而言，按照优化后的种群中各行染色体所表示的子脉冲的相位，对应生成各个相位编码信号，作为正交相位编码信号。
可以理解的是，生成各个相位编码信号的相位与优化后的种群中的各行染色体相对应。
S30：在L个连续的脉冲重复周期内依次间隔发射L个相位编码信号。
可以理解的是，该步骤中是在每个脉冲重复周期内发射一个相位编码信号，且每发射一个相位编码信号，变换一次雷达发射的点位，直至连续发射完全部的L个相位编码信号。
S40：接收回波信号，并使用目标区对应的目标相位编码信号对回波信号进行匹配滤波，得到目标区解模糊后的回波信号；其中，目标相位编码信号为L个相位编码信号中的一个。
该步骤中，所接收的回波信号是有距离模糊的回波信号，可以表示为：
Figure BDA0002927931670000081
其中，
Figure BDA0002927931670000082
Figure BDA0002927931670000083
Figure BDA0002927931670000084
上述多个式子中，
Figure BDA0002927931670000085
代表快时间，tm代表慢时间；RB代表目标所在的点位到雷达的距离；α1(·)，αl(·)…αL(·)分别为L个相位编码信号的波形窗函数，αa1(·)，αal(·)…αaL(·)分别为L个相位编码信号的方位窗函数。回波信号
Figure BDA0002927931670000086
由L个子回波信号组成，分别为目标区的信号
Figure BDA0002927931670000087
1次模糊区的信号
Figure BDA0002927931670000088
次模糊区的信号
Figure BDA0002927931670000089
这些子回波信号的斜距历程满足：
Figure BDA00029279316700000810
Figure BDA00029279316700000811
Figure BDA00029279316700000812
其中，R(tm；Rb)代表斜距历程，PRF表示脉冲重复周期，c代表电磁波传播的速度。
该步骤中，使用目标区对应的目标相位编码信号对回波信号进行匹配滤波，得到目标区解模糊后的回波信号，具体可以包括：
(1)根据目标区对应的目标相位编码信号计算该目标相位编码信号的系统匹配函数。
具体的，目标区对应的目标相位编码信号
Figure BDA0002927931670000091
的系统匹配函数
Figure BDA0002927931670000092
(2)将计算的系统匹配函数与回波信号求取卷积，得到目标区解模糊后的回波信号。
该目标区解模糊后的回波信号可以表示为：
Figure BDA0002927931670000093
其中，
Figure BDA0002927931670000094
为求卷积的符号。
本发明提供的基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法中，利用了基于正交波形信号本身具有很低的自相关旁瓣，并且不同信号之间的互相关性很弱这一特点，优化出一组性能满足雷达成像要求的正交相位编码信号作为发射信号；在此过程中，一方面，利用了遗传算法适用于多目标非线性优化问题的优势，实现了一种适用于机载高速运动平台SAR成像的抑制距离模糊的方法。另一方面，由于成像雷达信号的波形要求较大的时宽带宽积，使得相位编码信号的码长较长，优化求解的计算量巨大，采用常规的遗传方法难以求解计算，且常规的遗传算法不仅收敛速度慢，还容易陷入局部最优而非全局最优；因此，本发明采用改进型遗传算法优化正交相位编码信号；该改进型遗传算法中，使用多进制实数编码的方式，可以降低遗传算法的计算量和复杂度。由此，本发明将正交相位编码信号作为雷达的发射信号，依次间隔循环发射后，使用目标区发射的相位编码信号对有距离模糊的回波信号进行匹配滤波，匹配滤波后聚焦良好；模糊区的回波信号与目标区发射的相位编码信号因波形失配而散焦，从而达到了抑制距离模糊的效果。在距离脉冲压缩之后利用信号之间的正交性能达到抑制距离模糊的效果。
下面，对基于多点交叉方法和轮盘赌算法对该种群进行多次种群优化的实现方式进行详细说明。
具体而言，在每次种群优化中，采用多点交叉方法对当前的种群进行交叉操作，并根据变异的概率对该种群中的每个染色体进行离散变异操作，得到子代染色体；
然后，将得到的子代染色体插入到当前的种群中，得到新种群；接着，根据新种群中染色体的自相关值和互相关值计算染色体的适应度值；最后，根据染色体的适应度值，使用轮盘赌算法进行染色体选择，得到该次优化后的种群。
其中，根据新种群中染色体的自相关值和互相关值计算染色体的适应度值的过程可以参见如下：
首先，种群S中第l行染色体sl对应第l个相位编码信号，则该行染色体中第k个染色体的自相关值A(sl,k)的表达式为：
Figure BDA0002927931670000101
其次种群S中第p行染色体对应第p个相位编码信号sp，第q行染色体对应第q个相位编码信号sq，相应的，种群中任意两个染色体的互相关值的表达式为：
Figure BDA0002927931670000111
相应的，计算种群S中的染色体的适应度F的表达式为：
Figure BDA0002927931670000112
可选地，在一种实现方式中，本发明实施例提供的方法还可以包括：对目标区解模糊后的回波信号进行二维去耦、二次脉压以及方位聚焦处理，得到二维聚焦的成像信号。
其中，二维去耦可以使场景中不同距离单元的点目标的回波信号包络线的弯曲程度不随距离变化，使回波信号变成二维可分离的信号；二次脉压进行距离徙动校正，使得回波信号的包络线在二维平面内为一条直线；方位聚焦将回波信号在方位上散开的能量聚集，得到二维聚焦的成像信号。关于二维去耦、二次脉压以及方位聚焦的具体实现方式，非本发明实施例的发明点，可以参见已有相关技术，本发明实施例不再赘述。
下面采用仿真验证的方式对本发明实施例的有益效果进行说明。
仿真1：
雷达平台的系统参数所需信号带宽为40MHz，信号时宽为25.6μs，由此设计正交相位编码信号参数，包括：码长N为1024，码数L为4组，可选相位数M为4。设置初始的种群规模为300，变异概率Pm＝0.1，交叉概率Pc＝0.8；基于上述参数，在MATLAB2017a平台上进行仿真，对正交相位编码信号进行优化，并进行了20次独立重复仿真实验。实验结果参见图2、图3以及图4所示。
其中，图2是本发明实施例中生成的正交相位编码信号互相关曲线图；图3是本发明实施例中生成的正交相位编码信号自相关曲线图；图4是本发明实施例中应用改进型遗传算法生成正交相位编码信号的迭代过程图。
另外，通过20次独立重复仿真优化所得的最优的正交相位编码信号的自相关最大峰值旁瓣：-26.8704dB、互相关最大峰值：-26.8716dB，平均收敛代数为188.73。
由上述仿真实验可知，采用本发明实施例提供的方法可以将正交相位编码信号的自相关最大峰值旁瓣和互相关最大峰值从未优化前的-20dB左右优化至接近-27dB，较大幅度提升了正交相位编码信号的正交性。
仿真2：
图5示出了一种SAR三维模型与目标分布图，图6示出了一种SAR二维模型与目标分布；这两个模型中的SAR仿真参数参见表1所示：
表1 SAR仿真参数
载频 17GHz 脉冲重复频率 8KHz
带宽 40MHz 高度 4km
采样频率 80MHz 中心斜距 12km
脉冲宽度 25.6μs 载机飞行速度 850m/s
另外，图5和图6中，观测场景的距离向宽度是5km，方位向宽度是1km，有4个参考目标的位点，其中，A点为场景中心目标点，B点为一次模糊区的目标，C点为二次模糊区的目标，D点为三次模糊区的目标。
基于上述设定，首先使用现有的传统SAR中使用的线性调频信号(LinearFrequency Modulation，LFM)作为发射信号，生成目标A、目标B、目标C和目标D的回波数据；然后，采用现有的信号处理方法对生成的回波数据进行成像处理，得到目标A的成像结果如图7所示；另外，对目标A进行方位向冲击响应分析，结果如图8～10所示。其中，图8是采用LFM信号得到的成像区点目标A的二维等高线图；图9是采用LFM信号得到的成像区点目标A的方位剖面图；图10是采用LFM信号得到的成像区点目标A的距离剖面图。另外，采用LFM信号得到的成像区点目标A成像参数参见表2所示：
表2 采用LFM信号得到的成像区点目标A成像参数
距离向 方位向
峰值旁瓣比 -13.2525dB -10.5642dB
积分旁瓣比 -9.6102dB -3.0993dB
基于图7～10和表2可知，现有的传统SAR中使用的线性调频信号作为发射信号，在有距离模糊的情况下，聚焦效果并不理想。
对比的，基于图5和图6所示的模型以及表1所示的SAR参数，按照图10所示的正交相位编码信号的发射时序图，采用本发明实施例优化得到4组正交相位编码作为发射信号，由此生成目标A、目标B、目标C和目标D的回波数据；对回波数据进行距离解模糊后，得到成像区目标A的成像结果如图12所示；另外，对目标A进行方位向冲击响应分析，结果如图13～15。其中，图13是本发明实施例中采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的二维等高线图；图14是本发明实施例中采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的方位剖面图；图15是本发明实施例中采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的距离剖面图。
另外，本发明实施例采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的成像参数参见表3所示：
表3 采用正交相位编码信号得到的成像区点目标A的成像参数
距离向 方位向
峰值旁瓣比 -34.0513dB -25.5087dB
积分旁瓣比 -13.8340dB -10.6241dB
基于图11～14和表3可知，本发明实施例中采用正交相位编码信号作为SAR的发射信号，成像区点目标聚焦效果理想，实现了有效抑制距离模糊的目标。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于遗传算法的正交相位编码信号抑制距离模糊的方法，其特征在于，包括：
获取正交相位编码信号参数；所述正交相位编码信号参数是根据机载高速运动平台SAR的系统参数所确定的；
基于所述正交相位编码信号参数，利用预设的改进型遗传算法生成正交相位编码信号；其中，所述正交相位编码信号包括相互正交的L个相位编码信号；所述改进型遗传算法中的种群是以所述L个相位编码信号的子脉冲的相位为染色体的种群；所述染色体采用多进制实数编码；
在L个连续的脉冲重复周期内依次间隔发射所述L个相位编码信号；
接收回波信号，并使用目标区对应的目标相位编码信号对所述回波信号进行匹配滤波，得到所述目标区解模糊后的回波信号；其中，所述目标相位编码信号为所述L个相位编码信号中的一个；
所述使用目标区对应的目标相位编码信号对所述回波信号进行匹配滤波，得到所述目标区解模糊后的回波信号，包括：
根据目标区对应的目标相位编码信号计算该目标相位编码信号的系统匹配函数；
将计算的系统匹配函数与所述回波信号求取卷积，得到所述目标区解模糊后的回波信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述种群中，每行染色体分别对应一个所述相位编码信号，且每行染色体是由对应的相位编码信号的各个子脉冲的相位所组成的；
所述基于所述正交相位编码信号参数，利用预设的改进型遗传算法生成正交相位编码信号，包括：
基于所述正交相位编码信号参数和预设的遗传算法参数进行种群初始化；
基于多点交叉方法和轮盘赌算法对所述种群进行多次种群优化，得到优化后的种群；
基于优化后的种群生成正交相位编码信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于多点交叉方法和轮盘赌算法对所述种群进行多次种群优化，得到优化后的种群，包括：
在每次种群优化中，采用多点交叉方法对当前的种群进行交叉操作，并根据变异的概率对该种群中的每个染色体进行离散变异操作，得到子代染色体；
将所述子代染色体插入到当前的种群中，得到新种群；
根据新种群中染色体的自相关值和互相关值计算染色体的适应度值；
根据染色体的适应度值，使用轮盘赌算法进行染色体选择，得到该次优化后的种群。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于优化后的种群生成正交相位编码信号，包括：
按照优化后的种群中各行染色体所表示的子脉冲的相位，对应生成各个相位编码信号，作为正交相位编码信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述目标区解模糊后的回波信号进行二维去耦、二次脉压以及方位聚焦处理，得到二维聚焦的成像信号。
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