CN113093136B - 一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法，该方法在线性频偏的频率分集阵列雷达系统中，由N个等间距的阵元线性排列构成，线性频率选择单元的一端与各阵元的基带信号生成器相连，另一端与成像算法单元相连，基带信号生成器将基带信号送入上变频器，基带信号经过上变频后得到发射信号，将发射信号送入各发射天线并将信号发射出去；信号经过目标反射后由接收天线接收回波信号，回波信号送入各阵元的滤波器，将信号送入下变频器，得到携带信息基带信号，最后将该信号送入成像算法单元中成像。该方法可以在发射两个频率偏置信号的情况下实现对多个目标成像；在成像算法单元处理中可以解决目标位置模糊问题。

Description

一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体是一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法。

背景技术

近年来，雷达成像技术在军用和民用领域得到广泛的应用。传统的成像雷达通过发射宽带信号来获取高分辨率，但是，由于发射机发射宽带信号，同时接收机也接收宽带信号，这对发射机和接收机的硬件要求比较高，同时也会带来更高的硬件成本。二十一世纪初期，美国空军实验室首次提出了频率分集阵列(Frequency Diverse Array，FDA)雷达，近些年FDA得到迅速发展。FDA各个阵元发射与传统宽带信号不同的单频信号，从而避免发射宽带信号。FDA发射波束方向图的距离和角度耦合的，由于这种耦合关系，无法直接对目标场景进行成像。当发射两个不同频率偏置的信号时，可以对单点目标进行，然而，对多点目标成像时，则会产生目标位置模糊。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的FDA距离角度存在耦合，无法直接对多目标成像，发射两次频率偏置信号对多目标进行成像时会产生目标位置模糊，发射随机频偏信号虽然能解模糊但是成像结果旁瓣较高等问题，而提供一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法。

实现本发明目的的技术方案是：

在线性频偏的频率分集阵列雷达系统中，由N个等间距的阵元线性排列构成，线性频率选择单元的一端与各阵元的基带信号生成器相连，另一端与成像算法单元相连，基带信号生成器将基带信号送入上变频器，基带信号经过上变频后得到发射信号，将发射信号送入各发射天线并将信号发射出去；信号经过目标反射后由接收天线接收回波信号，回波信号送入各阵元的滤波器，将信号送入下变频器，得到携带信息基带信号，最后将该信号送入成像算法单元。

一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法，包括如下步骤：

1)在频率分集阵列雷达系统有N个阵元，阵元间距d≤λ/2，通过调制信号生成器在该组阵元上产生一组频率偏置为Δf和一组频率偏置为-Δf的信号，对应的调制信号表达式s_n(t)为：

s_n(t)＝e^j2πnΔft+e^-j2πnΔft n＝1,2…,N (1)

其中，n表示阵元序号，j为虚数单位，t为时间；

2)N个阵元上的调制信号s_n(t)与载波信号

相乘，每个阵元得到相应的已调信号s′_n(t)，其表达式为：

3)N个阵元的发射天线将N个已调信号s′_n(t)发射出去，当信号遇到目标后，将发射信号反射回来；

4)N个阵元的接收天线接收遇到目标而反射回来的回波信号，设第n个接收天线接收的回波信号为r_n(t)：

其中，K表示目标个数，m表示第m个发射阵元，R_k表示第k个目标的参考距离，θ_k表示第k个目标的相对角度，d为阵元间距，接收阵元接收的回波信号经过滤波器进行滤波后进入成像算法单元；

5)将成像算法单元中的成像区域按距离和角度来划分网格，每一个网格对应一个像素点，计算每个网格到每一个阵元的距离，则第g个网格到第n个阵元的距离R_n(g)为：

R_n(g)＝R_g-nd sinθ_g (4)

其中R_g和θ_g分别表示第g个网格的参考距离和参考角度；

6)根据每个网格到每一个阵元的距离，计算出每个网格到每个阵元的双程时延τ_n(g)为：

其中，c为光速。

7)利用所得的双程时延对回波信号进行相位补偿，得到每个网格点对应第n个阵元的复像素值P_n(g)为：

8)在每个成像网格中，对所有已经相位补偿的2×N个信号进行累加求和得到P(g)为：

9)根据回波时延，该系统的回波信号的观测矩阵为：

因此，第k个目标点的点扩展函数为：

PSF_k＝Φ_m(:,k)^TΦ_m ^* (9)

其中，Φ_m(:,k)表示取矩阵Φ_m的第k列，[·]^T表示矩阵转置，[·]^*表示共轭。

10)将每个成像网格中对所有已经相位补偿的信号进行累加求和得到的结果P(g)作为处理矩阵DIRT_i，i＝0表示初始处理矩阵，其表达式为：

11)找出处理矩阵中的绝对值最大的点和该点所对应的位置(b_max,j)，其表达式为：

(b_max,j)＝max(|DIRT_i|) (11)

12)记录下处理矩阵中的绝对值最大点的数值后，再除以由P(g)叠加所带来的增益，将该值作为第k个目标散射系数的估计，其表达式为：

13)将处理矩阵中的绝对值最大点的点扩展函数记录下来，并与该点估计的散射系数相乘得：

14)从前一个处理矩阵DIRT_i-1中减去B_i：

DIRT_i＝DIRT_i-1-B_i (14)

15)重复步骤11)至步骤14)，直至最新的处理矩阵估计的散射点数达到设置或者最新的处理矩阵达到某一个阈值时，进入步骤16)，对这些点进行重估；

16)每次更新，将被减去的B_i重新加回得到DIRT_i′中，并且将已记录的最大值点的位置读取出，对该点散射系数重新估计：

更新每次减去的点的点扩展函数

得到更新的处理矩阵为：

DIRT_i′＝DIRT_i′-1-B_i′ (16)

17)循环步骤16)，直至更新完所有需要重估的点后，进入步骤18)；

18)判断更新的处理矩阵是否到达某一阈值，若到达这一阈值，则终止循环进入步骤19)，否则转到步骤12)开始继续循环，直到达到这一阈值为止；

19)将上述步骤中记录的目标点的散射系数乘以叠加所带来的增益，最后再与最新的处理矩阵相加，即可得到重构的成像矩阵：

本发明提供的一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法，与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明可以在发射两个频率偏置信号的情况下实现对多个目标成像。

2、由于发射两个频率偏置信号，所以在对多目标进行成像时必然会出现目标位置模糊，本发明在成像算法单元处理中可以解决目标位置模糊问题。

3、由于FDA波束方向图可知，发射线性频率偏置信号对目标进行成像时，能量不会聚集成在一个点，而是一条“S”型曲线上，因此旁瓣会很高，本发明对目标成像时，可以得到旁瓣很低的成像结果。

附图说明

图1为频率分集阵列雷达系统的结构框图；

图2为一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法的流程图；

图3为本发明的成像模型图；

图4为目标原始场景图；

图5为含有目标位置模糊的成像结果图；

图6为含有目标位置模糊的成像结果三维展示图；

图7为去目标位置模糊的成像结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

在频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像系统中，本实施例由N＝32个阵元排列成一个线阵，各个阵元之间的间隔相等，其间隔为d，阵元间距为d＝1.5cm，雷达载频f₀＝10GHz，两个频率偏置分别为Δf₁＝1500Hz、Δf₂＝-1500Hz；线性频率选择单元的一端与各阵元的基带信号生成器相连，另一端与成像算法单元相连，基带信号生成器将基带信号送入上变频器，基带信号经过上变频后得到发射信号，将发射信号送入各发射天线并将信号发射出去。信号经过目标反射后由接收天线接收回波信号，回波信号送入各阵元的滤波器，将信号送入下变频器，得到携带信息基带信号，最后将该信号送入成像算法单元，如图1所示。

一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法，如图2所示，包括如下步骤：

1)在频率分集阵列雷达系统有N个阵元，阵元间距d≤λ/2，通过调制信号生成器在该组阵元上产生一组频率偏置为Δf和一组频率偏置为-Δf的信号，对应的调制信号表达式s_n(t)为：

s_n(t)＝e^j2πnΔft+e^-j2πnΔft n＝1,2…,N (1)

其中，n表示阵元序号，j为虚数单位，t为时间。

2)N个阵元上的调制信号s_n(t)与载波信号

相乘，每个阵元得到相应的已调信号s′_n(t)，其表达式为：

3)N个阵元的发射天线将N个已调信号s′_n(t)发射出去，当信号遇到目标后，将发射信号反射回来；

4)N个阵元的接收天线接收遇到目标而反射回来的回波信号，设第n个接收天线接收的回波信号为r_n(t)：

其中，K表示目标个数，m表示第m个发射阵元，R_k表示第k个目标的参考距离，θ_k表示第k个目标的相对角度，d为阵元间距，接收阵元接收的回波信号经过滤波器进行滤波后进入成像算法单元；

5)将成像算法单元中的成像区域按距离和角度来划分网格，如图3所示，每一个网格对应一个像素点，计算每个网格到每一个阵元的距离，则第g个网格到第n个阵元的距离R_n(g)为：

R_n(g)＝R_g-ndsinθ_g (4)

其中R_g和θ_g分别表示第g个网格的参考距离和参考角度；

6)根据每个网格到每一个阵元的距离，计算出每个网格到每个阵元的双程时延τ_n(g)为：

其中，c为光速。

7)利用所得的双程时延对回波信号进行相位补偿，得到每个网格点对应第n个阵元的复像素值P_n(g)为：

8)在每个成像网格中，对所有已经相位补偿的2×N个信号进行累加求和得到P(g)为：

9)根据回波时延，该系统的回波信号的观测矩阵为：

因此，第k个目标点的点扩展函数为：

PSF_k＝Φ_m(:,k)^TΦ_m ^* (9)

其中，Φ_m(:,k)表示取矩阵Φ_m的第k列，[·]^T表示矩阵转置，[·]^*表示共轭。

10)将每个成像网格中对所有已经相位补偿的信号进行累加求和得到的结果P(g)作为处理矩阵DIRT_i，i＝0表示初始处理矩阵，其表达式为：

11)找出处理矩阵中的绝对值最大的点和该点所对应的位置(b_max,j)，其表达式为：

(b_max,j)＝max(|DIRT_i|) (11)

12)记录下处理矩阵中的绝对值最大点的数值后，再除以由P(g)叠加所带来的增益，将该值作为第k个目标散射系数的估计，其表达式为：

13)将处理矩阵中的绝对值最大点的点扩展函数记录下来，并与该点估计的散射系数相乘得：

14)从前一个处理矩阵DIRT_i-1中减去B_i：

DIRT_i＝DIRT_i-1-B_i (14)

15)重复步骤11)至步骤14)，直至最新的处理矩阵估计的散射点数达到设置或者最新的处理矩阵达到某一个阈值时，进入步骤16)，对这些点进行重估；

16)每次更新，将被减去的B_i重新加回得到DIRT_i′中，并且将已记录的最大值点的位置读取出，对该点散射系数重新估计：

更新每次减去的点的点扩展函数

得到更新的处理矩阵为：

DIRT_i′＝DIRT_i′-1-B_i′ (16)

17)循环步骤16)，直至更新完所有需要重估的点后，进入步骤18)；

18)判断更新的处理矩阵是否到达某一阈值，若到达这一阈值，则终止循环进入步骤19)，否则转到步骤12)开始继续循环，直到达到这一阈值为止；

19)将上述步骤中记录的目标点的散射系数乘以叠加所带来的增益，最后再与最新的处理矩阵相加，即可得到重构的成像矩阵：

实验场景：

雷达的成像场景范围：距离向为-25Km～25Km，方位向为-30°～30°。雷达载频f₀＝10GHz，阵元数为N＝32，阵元间距为d＝1.5cm，两个频率偏置分别为Δf₁＝1500Hz、Δf₂＝-1500Hz。三个目标点分别位于(0,-10°)、(0,10°)、(0,0°)，三个目标对应的散射系数分别为6、4、8。

实验结果：

成像原始场景如图4所示，图5和图6是采用发射两次频率偏置信号直接对多目标进行成像，从图中可以看到成像时产生了目标位置模糊。图7是最后得到的结果，可以看出本发明可以消除目标位置模糊，并且成像结果的旁瓣非常低，此方法得到高质量的成像结果。

Claims (1)

1.一种频率分集阵列雷达去目标位置模糊成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在频率分集阵列雷达系统有N个阵元，阵元间距d≤λ/2，通过调制信号生成器在该组阵元上产生一组频率偏置为Δf和一组频率偏置为-Δf的信号，对应的调制信号表达式s_n(t)为：

s_n(t)＝e^j2πnΔft+e^-j2πnΔft n＝1，2…，N (1)

其中，n表示阵元序号，j为虚数单位，t为时间；

2)N个阵元上的调制信号s_n(t)与载波信号

相乘，每个阵元得到相应的已调信号s′_n(t)，其表达式为：

3)N个阵元的发射天线将N个已调信号s′_n(t)发射出去，当信号遇到目标后，将发射信号反射回来；

4)N个阵元的接收天线接收遇到目标而反射回来的回波信号，设第n个接收天线接收的回波信号为r_n(t)：

其中，K表示目标个数，m表示第m个发射阵元，R_k表示第k个目标的参考距离，θ_k表示第k个目标的相对角度，d为阵元间距，接收阵元接收的回波信号经过滤波器进行滤波后进入成像算法单元；

5)将成像算法单元中的成像区域按距离和角度来划分网格，每一个网格对应一个像素点，计算每个网格到每一个阵元的距离，则第g个网格到第n个阵元的距离R_n(g)为：

R_n(g)＝R_g-nd sinθ_g (4)

其中R_g和θ_g分别表示第g个网格的参考距离和参考角度；

6)根据每个网格到每一个阵元的距离，计算出每个网格到每个阵元的双程时延τ_n(g)为：

其中，c为光速；

7)利用所得的双程时延对回波信号进行相位补偿，得到每个网格点对应第n个阵元的复像素值P_n(g)为：

8)在每个成像网格中，对所有已经相位补偿的2×N个信号进行累加求和得到P(g)为：

9)根据回波时延，该系统的回波信号的观测矩阵为：

因此，第k个目标点的点扩展函数为：

PSF_k＝Φ_m(:，k)^TΦ_m ^* (9)

其中，Φ_m(:，k)表示取矩阵Φ_m的第k列，[·]^T表示矩阵转置，[·]^*表示共轭；

10)将每个成像网格中对所有已经相位补偿的信号进行累加求和得到的结果P(g)作为处理矩阵DIRT_i，i＝0表示初始处理矩阵，其表达式为：

11)找出处理矩阵中的绝对值最大的点和该点所对应的位置(b_max，j)，其表达式为：

(b_max，j)＝max(|DIRT_i|) (11)

12)记录下处理矩阵中的绝对值最大点的数值后，再除以由P(g)叠加所带来的增益，将该值作为第k个目标散射系数的估计，其表达式为：

13)将处理矩阵中的绝对值最大点的点扩展函数记录下来，并与该点估计的散射系数相乘得：

14)从前一个处理矩阵DIRT_i-1中减去B_i：

DIRT_i＝DIRT_i-1-B_i (14)

15)重复步骤11)至步骤14)，直至最新的处理矩阵估计的散射点数达到设置或者最新的处理矩阵达到某一个阈值时，进入步骤16)，对这些点进行重估；

16)每次更新，将被减去的B_i重新加回得到DIRT_i′中，并且将已记录的最大值点的位置读取出，对该点散射系数重新估计：

更新每次减去的点的点扩展函数

得到更新的处理矩阵为：

DIRT_i′＝DIRT_i′-1-B_i′ (16)

17)循环步骤16)，直至更新完所有需要重估的点后，进入步骤18)；

18)判断更新的处理矩阵是否到达某一阈值，若到达这一阈值，则终止循环进入步骤19)，否则转到步骤12)开始继续循环，直到达到这一阈值为止；

19)将上述步骤中记录的目标点的散射系数乘以叠加所带来的增益，最后再与最新的处理矩阵相加，即可得到重构的成像矩阵：

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