CN113064165B - 一种扫描雷达俯仰-方位二维超分辨方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扫描雷达俯仰‑方位二维超分辨方法,本发明的方法首先进行雷达回波建模,构造对空模式下三坐标雷达的回波卷积模型,将每个距离切片的回波等效为目标散射系数与天线的卷积,即将超分辨问题转化为二维解卷积问题;然后在正则化框架下,选择合理的范数约束作为惩罚项,构建目标函数;最后求解目标函数,同时提高俯仰‑方位的分辨率,实现二维超分辨成像。本发明的方法能够显著提升地对空、空对空三坐标雷达的俯仰和方位角分辨能力,大大拓展了扫描雷达超分辨技术的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于雷达成像技术领域,具体适合于地对空、空对空三坐标雷达目标探测与成像。
背景技术
在气象监测,以及地对空,空对空作战等领域,需要对目标空域进行俯仰-方位二维扫描探测。传统的三坐标雷达,由于受到天线波束宽度的限制,其俯仰-方位的分辨率较低,严重影响了雷达的探测性能。
针对方位分辨率提升的问题,在文献“Yulin Huang,Yuebo Zha,Yue Wang,andJianyu Yang,Forward looking radar imaging by truncated singular valuedecomposition and its application for adverse weather aircraft landing,vol.15,no.6,pp.14397–14414,2015.”中,将截断奇异值分解的方法用于扫描雷达超分辨成像。该方法通过截断受噪声影响大的小奇异值,从而实现方位超分辨成像;在文献“X.Tuo,Y.Zhang,Y.Huang and J.Yang,"Fast Sparse-TSVD Super-Resolution Methodof Real Aperture Radar Forward-Looking Imaging,"in IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing,doi:10.1109/TGRS.2020.3027053.”中,作者将稀疏与TSVD方法结合,进一步提高方位分辨率。
上述方法的本质是一维的超分辨技术,仅仅提高了回波的方位分辨率。然而在地对空、空对空扫描模式中,由于俯仰角是变化的,雷达获取的是距离-方位-俯仰的三维回波,因此需要同时提高俯仰-方位分辨率,而现有一维超分辨方法无法适用。
发明内容
本发明针对背景中所提到的三坐标雷达在对空模式下,回波的俯仰-方位分辨率较低的问题,本发明提出了一种扫描雷达俯仰-方位二维超分辨方法。
本发明的技术方案为:一种扫描雷达俯仰-方位二维超分辨方法,具体包括如下步骤:
步骤一:扫描雷达回波数据获取,
基于三坐标雷达的运动平台模型,雷达发射线性调频信号,接收到的回波信号为:
其中,σ表示场景中点目标的散射系数,h(·)表示天线方向图函数调制,θ表示方位角,θ0表示初始方位角,表示俯仰角,表示初始俯仰角,τ表示信号快时间,τd表示时延且R(t)表示目标的距离历史,rect(·)表示窗函数,Tr表示脉冲宽度,Kr表示线性调频斜率,f0表示载频,表示附加噪声。
步骤二:回波距离维处理,
将回波经过距离脉冲压缩和距离走动校正处理,实现距离维的高分辨,其回波信号变为:
步骤三:将超分辨问题转化为反卷积问题,具体过程如下:
对于某一固定的距离,其距离切片的回波可视为目标散射系数与天线的二维卷积,即:
对回波数据离散化处理后,将其转化为矩阵形式:
S=HσZT+N
其中,S表示某固定的距离切片回波矩阵,H表示由天线方向图方位采样构造的方位卷积矩阵,Z表示由天线方向图俯仰采样构造的俯仰卷积矩阵,N表示噪声矩阵;
步骤四:构造目标函数
在正则化框架下,选择一范数作为约束项,构建目标函数:
步骤五:求解目标函数
初始化:σ0=0,σ1=0,t0=t1=1,其中,0表示零矩阵。
然后迭代计算以下等式,直至收敛:
其中,sign表示符号函数,k表示下标,L是迭代步长。
本发明的有益效果:本发明的方法首先进行雷达回波建模,构造对空模式下三坐标雷达的回波卷积模型,将每个距离切片的回波等效为目标散射系数与天线的卷积,即将超分辨问题转化为二维解卷积问题;然后在正则化框架下,选择合理的范数约束作为惩罚项,构建目标函数;最后求解目标函数,同时提高俯仰-方位的分辨率,实现二维超分辨成像。本发明的方法能够显著提升地对空、空对空三坐标雷达的俯仰和方位角分辨能力,大大拓展了扫描雷达超分辨技术的应用范围。
附图说明
图1为本发明实施例方法的流程示意图;
图2为本发明实施例的仿真结果图;
其中,图2(a)为仿真原始场景,图2(b)为回波结果,图2(c)为二维超分辨成像结果。
图3为本发明实施例的剖面结果图;
其中,图3(a)为回波方位剖面结果图,图3(b)为超分辨方位剖面结果图,图3(c)为回波俯仰剖面结果图,图3(d)为超分辨俯仰剖面结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。
针对传统的扫描雷达超分辨技术局限于空对地扫描模式,仅能在方位向上提高分辨率。本发明提出了一种三坐标雷达俯仰-方位二维超分辨方法,通过构建俯仰-方位二维卷积模型,将超分辨成像转化为目标函数最优化的问题,并采用迭代策略求解目标函数。
本发明采用仿真实验来论证提出方法的有效性,本发明所有的步骤、结论都在Matlab2015 b仿真平台上进行验证,其具体实施步骤如图1所示。
步骤一:回波数据获取
机载雷达平台的具体系统参数如表1所示。
表1
仿真参数 | 数值 |
载频 | 10GHz |
时宽 | 2us |
带宽 | 15MHz |
采样频率 | 40MHz |
脉冲重复频率 | 100Hz |
方位扫描速度 | 10°/s |
方位扫描范围 | ±10° |
俯仰扫描速度 | 10°/s |
俯仰扫描范围 | ±10° |
方位波束宽度 | 3° |
俯仰波束宽度 | 3° |
仿真的场景如图2(a),场景中存在四个点目标,点目标之间的方位间隔为2°,俯仰间隔为2°。
依据表1中的参数,发射线性调频脉冲:
经过下变频处理,接收到的回波信号表示为:
步骤二:回波数据距离维处理
步骤三:将超分辨问题转化为反卷积问题
将回波数据离散化,并取模去掉相位后,将某距离切片的回波转化为下式:
S=HσZT+N
其中,[h-l…h0…hl]表示对天线方向图函数的方位采样,[z-f…z0…zf]表示对天线方向图函数的俯仰采样。
步骤四:构建目标函数
在正则化框架下,选择一范数作为惩罚项,构建下面的目标函数:
步骤五:求解目标函数
1.迭代初始化:
令σ0=σ1=0,t0=t1=0,其中,0表示大小为M×N的零矩阵,下标0和1表示迭代次数。
2.更新迭代项:
其中,k表示迭代次数(k≥1);L是步长,本次仿真中L=1×10-6;正则化参数μ=1。
在本次仿真中,为了模拟实际的环境,本次仿真加入了20dB的高斯白噪声。
仿真的结果如图2所示,图2(a)是目标的原始分布。由于点目标之间的方位间隔小于方位波束宽度,俯仰间隔小于俯仰波束宽度,所以其回波混叠,如图2(b)所示。图2(c)是本发明提出的二维超分辨成像的结果,经过本发明方法处理后,可以清晰看到场景中存在四个点目标,实现了方位-俯仰二维超分辨。
为进一步说明本发明方法的有效性,剖面结果如图3所示。图3(a)是回波的方位剖面,位于同一方位的两个点目标回波叠加在一起;图3(b)是二维超分辨成像结果的方位剖面,经过超分辨处理,实现了对位于同一方位的两个点目标的分辨。同理,图3(c)是回波的俯仰剖面,位于同一俯仰的两个点目标回波叠加在一起;图3(d)是二维超分辨成像结果的俯仰剖面,经过超分辨处理,实现了对位于同一俯仰的两个点目标的分辨。
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 (1)
1.一种扫描雷达俯仰-方位二维超分辨方法,具体包括如下步骤:
步骤一:扫描雷达回波数据获取,
基于三坐标雷达的运动平台模型,雷达发射线性调频信号,接收到的回波信号为:
其中,σ表示场景中点目标的散射系数,h(·)表示天线方向图函数调制,θ表示方位角,θ0表示初始方位角,表示俯仰角,表示初始俯仰角,τ表示信号快时间,τd表示时延且R(t)表示目标的距离历史,rect(·)表示窗函数,Tr表示脉冲宽度,Kr表示线性调频斜率,f0表示载频,表示附加噪声;
步骤二:回波距离维处理,
将回波经过距离脉冲压缩和距离走动校正处理,实现距离维的高分辨,其回波信号变为:
步骤三:将超分辨问题转化为反卷积问题,具体过程如下:
对于某一固定的距离,其距离切片的回波可视为目标散射系数与天线的二维卷积,即:
对回波数据离散化处理后,将其转化为矩阵形式:
S=HσZT+N
其中,S表示某固定的距离切片回波矩阵,H表示由天线方向图方位采样构造的方位卷积矩阵,Z表示由天线方向图俯仰采样构造的俯仰卷积矩阵,N表示噪声矩阵;
步骤四:构造目标函数
在正则化框架下,选择一范数作为约束项,构建目标函数:
步骤五:求解目标函数
初始化:σ0=0,σ1=0,t0=t1=1,其中,0表示零矩阵;
然后迭代计算以下等式,直至收敛:
其中,sign表示符号函数,k表示下标,L是迭代步长;
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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