CN114002664A - 和差波束成像目标检测及精确测角方法 - Google Patents

和差波束成像目标检测及精确测角方法 Download PDF

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CN114002664A CN202111147853.4A CN202111147853A CN114002664A CN 114002664 A CN114002664 A CN 114002664A CN 202111147853 A CN202111147853 A CN 202111147853A CN 114002664 A CN114002664 A CN 114002664A
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Abstract

本发明涉及光学成像、微波成像、雷达探测、无线通信、声呐、超声成像以及基于声、光、电等媒介的目标探测与成像识别技术领域，具体涉及一种和差波束成像目标检测及精确测角方法及其在上述各领域中的应用。本发明方法通过首先对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理，并对所得到的和波束成像结果进行目标检测和比幅法测角；然后对回波信号进行差波束成像处理，在此基础上结合和波束目标检测结果及其测角数据，用目标所对应的差波束零陷来精确测定其角度坐标，从而避免了差波束覆盖范围、形状和线性度对探测精度的影响，并且利用一次差波束成像即可获得所有目标的精确角度坐标，从而实现了精确、快速的目标角坐标测量。

Description

和差波束成像目标检测及精确测角方法
技术领域
本发明涉及光学成像、微波成像、雷达探测、无线通信、声呐、超声成像以及基于声、光、电等媒介的目标探测与成像识别技术领域，具体涉及一种和差波束成像目标检测及精确测角方法及其在上述各领域中的应用。
背景技术
传统雷达探测技术中，通常采用比幅法测定目标坐标，即用目标信号最强的方向作为其角度坐标，一般来说，比幅法坐标测量精度相对较低，难以满足高精度跟踪雷达对目标的跟踪需要。
为了更精确地测量目标角度坐标，有源相控阵雷达通常利用空间差波束获取精确的角度跟踪参数，即用多个不同空间分布的波束探测目标，通过取差获取目标的精确坐标，如附图1所示，用9个空间波束覆盖目标区域，各个不同探测波束获得的目标回波强度为An,则目标的精确角度跟踪坐标为：
Figure BDA0003286073270000011
Figure BDA0003286073270000012
然而，上述有源相控阵雷达探测技术仍具有许多缺陷和不足，一方面，采用空间多波束发射技术，需要生成多个探测脉冲，耗时长，受目标运动影响大，特别是针对高速运动目标，有可能导致探测失败；另一方面，采用空间多波束接收技术，虽然实时性较好，但合成差波束的覆盖范围、形状、线性度会严重影响探测精度。与此同时，无源相控阵雷达虽大多采用多模和差馈源实现单脉冲跟踪，但该技术无法用于有源相控阵，并且目前无源相控阵已逐步被有源相控阵所淘汰。
发明内容
为了克服有源相控阵雷达和无源相控阵雷达探测技术具有的上述缺陷和不足，本发明提供了一套解决方案：本发明先采用和波束成像进行目标检测，首先确定目标的数量，并用比幅法测定目标的坐标，然后进行差波束成像，用目标所对应的差波束零陷来精确测定其角度坐标，从而避免了差波束覆盖范围、形状和线性度对探测精度的影响，并且利用一次差波束成像即可获得所有目标的精确角度坐标。
成像理论证明，对阵列分布的复信号进行二维IFFT变换，其结果即为目标的像。
Figure BDA0003286073270000021
其中，
Figure BDA0003286073270000022
为目标的像，
Figure BDA0003286073270000023
为阵列单元接收信号，φF为聚焦相位加权值，A为阵列单元复加权系数，不同的A即构成不同的阵列方向图，当用针状波束方向图对应的复加权系数替代A，上述成像结果即为和波束成像结果。采用高增益针状波束方向图进行和波束成像，能够获得最大信噪比和最佳的目标检测性能。
和波束成像可以用来测角，通常采用比幅法测角，即用最大值方向作为目标的方向。但比幅法测角容易受各种误差、噪声等的影响，并且由于目标幅度分布在最大值方向变化较小，从而很难获得目标的精确角度坐标值。
当用差波束方向图对应的复加权系数替代A，上述成像结果即为差波束成像结果，差波束成像结果获得的目标信号电平虽有所降低，但是其差波束零陷则精确代表了目标的角度坐标，同时差波束零陷的位置不容易受误差和噪声的影响，并且容易测量，因而用差波束成像技术可以精确、稳定地测定目标角度坐标。
在上述认识的基础上，本发明提供了一种和差波束成像目标检测及精确测角方法，该方法通过首先对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理，获得和波束成像数据，并对所得到的和波束成像结果进行目标检测和比幅法测角；然后对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理，获得差波束成像数据，在此基础上结合和波束目标检测结果及其测角数据，精确测定每个目标的角度坐标。
具体而言，本发明和差波束成像目标检测及精确测角方法包括下述步骤：
步骤一：设计与检测目标相匹配的和波束方向图；
步骤二：对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理；
步骤三：进行目标检测及角坐标测量；
步骤四：设计与检测目标相匹配的差波束方向图；
步骤五：对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理；
步骤六：测定检测目标的角度坐标；
步骤七：输出检测目标的测定数据。
进一步地，本发明方法中所设计的和波束方向图为低副瓣高增益针状和波束方向图，所述低副瓣高增益针状和波束方向图系通过阵列幅度加权或相位加权方法设计获得；
所述阵列幅度加权方法包括但不限于均匀分布、余弦加权、汉明窗、Taylor分布、切比雪夫分布以及混合加权方式；
所述相位加权方法包括但不限于遗传算法、粒子群优化算法、神经网络以及混合优化方法。
进一步地，本发明方法步骤二中对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理时采用如下方法进行和波束成像：
Figure BDA0003286073270000031
其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，
Figure BDA0003286073270000032
为和波束像，
Figure BDA0003286073270000033
为阵列单元接收到的目标回波信号；A∑为和波束对应的阵列单元复加权值；
Figure BDA0003286073270000034
为聚焦相位加权系数，当目标足够远时，直接取φF＝0，(xm，yn)为阵列单元的坐标，R为目标斜距，
Figure BDA0003286073270000035
为波数，λ为波长，被动成像、半主动成像或相控阵波束扫描成像时η＝1，主动全息成像或合成孔径成像时η＝2，符号IFFT代表二维快速傅里叶逆变换。
进一步地，本发明方法步骤三中进行目标检测及角坐标测量时对和波束成像结果采用恒虚警法进行目标检测，对超过检测门限的目标，采用比幅法测定目标坐标，即用目标像的最大值方向作为目标的角度坐标；噪声门限采用单元平均法获得：
Figure BDA0003286073270000041
其中：
Figure BDA0003286073270000042
为噪声门限；Si为像场值，Ω取平均运算的单元数量，符号∑代表求和运算；
当像场值与噪声门限的比值大于系统检测信噪比SNR时，认为在该像场位置检测到目标。
进一步地，本发明方法中所设计的差波束方向图系由两个等幅、反相的照射平面波形成；当和波束方向图的3dB波束宽度为φ时，方位差波束平面波照射源为{(-θh,0),(θh,0)}，俯仰差波束平面波照射源为{(0,-θv),(0,θv)}，其中：θh＝θv＝γφ，根据零陷深度选择γ值，并要求γ∈(0,2]；进而获得差波束方向图对应的阵列单元复加权值为：
Figure BDA0003286073270000043
Figure BDA0003286073270000044
其中：
Figure BDA0003286073270000045
分别为方位差波束、俯仰差波束阵面复加权值，符号exp表示以e为底的指数函数，符号sin表示正弦函数，m、n分别x方向、y方向的阵列单元位置序号，Δx、Δy分别为x、y方向的阵列单元间距。
进一步地，本发明方法步骤五中对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理时采用如下方法进行方位和俯仰差波束成像：
Figure BDA0003286073270000046
Figure BDA0003286073270000047
其中：
Figure BDA0003286073270000048
分别为方位差波束像与俯仰差波束像，
Figure BDA0003286073270000049
分别为方位、俯仰差波束阵列复加权值，A为低副瓣幅度加权值。
进一步地，本发明方法步骤七输出检测目标的测定数据所输出的数据包括目标的幅度、相位以及角度坐标信息。
更具体地，本发明和差波束成像目标检测及精确测角方法根据差波束成像结果，进行目标角坐标精确测量；根据和波束成像结果以及比幅法角度测量结果，测量目标差波束成像的零陷所在坐标，该坐标即为目标的精确角度坐标。
同时，本发明还涉及上述方法在光学成像、微波成像、雷达探测、无线通信、声呐、超声成像以及声、光、电目标探测、成像识别、无线通信领域中的应用。
综上，本发明和差波束成像目标检测及精确测角方法通过将和波束成像和差波束成像技术有机结合，在和波束成像目标检测和比幅法角度测量的基础上，通过差波束成像用目标所对应的差波束零陷来精确测定其角度坐标，从而避免了差波束覆盖范围、形状和线性度对探测精度的影响，并且利用一次差波束成像即可获得所有目标的精确角度坐标，从而实现了精确、快速的目标角坐标测量。
另外，本发明方法具有良好的应用前景，可广泛应用于以声、光、电等为媒介的目标探测与通信技术领域，当探测媒介为电磁波时，本技术适用于微波成像、雷达探测、无线通信、合成孔径雷达、逆合成孔径雷达；当探测媒介为声波、超声波时，本技术适用于声呐、超声成像、合成孔径声呐；当探测媒介为光时，本技术适用于光学成像、合成孔径光学成像。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本发明实施例的技术方案，下面将对现有技术和本发明实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，以下附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为有源相控阵雷达利用空间差波束获取角度跟踪参数示意图。
图2为本发明方法的算法流程图。
图3为本发明和波束成像结果示意图。
图4为本发明差波束成像结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1：一种和差波束成像目标检测及精确测角方法(参见附图2-4)，包括：
步骤一：设计与检测目标相匹配的和波束方向图；
所设计的和波束方向图为低副瓣高增益针状和波束方向图，所述低副瓣高增益针状和波束方向图系通过阵列幅度加权方法设计获得；
所述阵列幅度加权方法包括均匀分布、余弦加权、汉明窗、Taylor分布、切比雪夫分布以及混合加权方式。
步骤二：对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理；
对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理时采用如下方法进行和波束成像：
Figure BDA0003286073270000071
其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，
Figure BDA0003286073270000072
为和波束像，
Figure BDA0003286073270000073
为阵列单元接收到的目标回波信号；A∑为和波束对应的阵列单元复加权值；
Figure BDA0003286073270000074
为聚焦相位加权系数，当目标足够远时，直接取φF＝0，(xm，yn)为阵列单元的坐标，R为目标斜距，
Figure BDA0003286073270000075
为波数，被动成像、半主动成像或相控阵波束扫描成像时η＝1，主动全息成像或合成孔径成像时η＝2，符号IFFT代表二维快速傅里叶逆变换。
和波束成像案例：工作频率60GHz，天线单元间距为半波长，阵列规模100*100，设置5个不同方向、不同幅度的远距离目标，和波束成像结果见附图3。
步骤三：进行目标检测及比幅法角坐标测量；
进行目标检测及角坐标测量时对和波束成像结果采用恒虚警法进行目标检测，对超过检测门限的目标，采用比幅法测定目标坐标，即用目标像的最大值方向作为目标的角度坐标；噪声门限采用单元平均法获得：
Figure BDA0003286073270000076
其中：
Figure BDA0003286073270000077
为噪声门限；Si为像场值，Ω为取平均运算的单元数量，符号∑代表求和运算；
当像场值与噪声门限的比值大于系统检测信噪比SNR时，认为在该像场位置检测到目标。
步骤四：设计与检测目标相匹配的差波束方向图；
所设计的差波束方向图系由两个等幅、反相的照射平面波形成；当和波束方向图的3dB波束宽度为φ时，方位差波束平面波照射源为{(-θh,0),(θh,0)}，俯仰差波束平面波照射源为{(0,-θv),(0,θv)}，其中：θh＝θv＝γφ，根据零陷深度选择γ值，并要求γ∈(0,2]；进而获得差波束方向图对应的阵列单元复加权值为：
Figure BDA0003286073270000081
Figure BDA0003286073270000082
其中：
Figure BDA0003286073270000083
分别为方位差波束、俯仰差波束阵面复加权值，符号exp表示以e为底的指数函数，符号sin表示正弦函数，m、n分别为阵列单元的位置序号，Δx、Δy分别为x、y方向的阵列单元间距。
步骤五：对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理；
对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理时采用如下方法进行方位和俯仰差波束成像：
Figure BDA0003286073270000084
Figure BDA0003286073270000085
其中：
Figure BDA0003286073270000086
分别为方位差波束像与俯仰差波束像，
Figure BDA0003286073270000087
分别为方位、俯仰差波束阵列复加权值，A为低副瓣幅度加权值。
差波束成像案例：工作频率60GHz，天线单元间距为半波长，阵列规模100*100，设置5个不同方向、不同幅度的远距离目标，差波束成像结果见附图4。
步骤六：测定检测目标的角度坐标；
根据差波束成像结果，结合和波束目标检测结果及其测角数据，测量目标差波束成像的零陷所在坐标，该坐标即为目标的精确角度坐标。
步骤七：输出检测目标的测定数据；
所输出的数据包括目标的幅度、相位以及角度坐标信息。
实施例2：一种和差波束成像目标检测及精确测角方法，包括：
步骤一：设计与检测目标相匹配的和波束方向图；
所设计的和波束方向图为低副瓣高增益针状和波束方向图，所述低副瓣高增益针状和波束方向图系通过相位加权方法设计获得；
所述相位加权方法包括遗传算法、粒子群优化算法、神经网络以及混合优化方法。
步骤二：对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理；
对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理时采用如下方法进行和波束成像：
Figure BDA0003286073270000091
其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，
Figure BDA0003286073270000092
为和波束像，
Figure BDA0003286073270000093
为阵列单元接收到的目标回波信号；A∑为和波束对应的阵列单元复加权值；
Figure BDA0003286073270000094
为聚焦相位加权系数，当目标足够远时，直接取φF＝0，(xm，yn)为阵列单元的坐标，R为目标斜距，
Figure BDA0003286073270000095
为波数，被动成像、半主动成像或相控阵波束扫描成像时η＝1，主动全息成像或合成孔径成像时η＝2，符号IFFT代表二维快速傅里叶逆变换。
步骤三：进行目标检测及比幅法角坐标测量；
进行目标检测及角坐标测量时对和波束成像结果采用恒虚警法进行目标检测，对超过检测门限的目标，采用比幅法测定目标坐标，即用目标像的最大值方向作为目标的角度坐标；噪声门限采用单元平均法获得：
Figure BDA0003286073270000096
其中：
Figure BDA0003286073270000097
为噪声门限；Si为像场值，Ω为取平均运算的单元数量，符号∑代表求和运算；
当像场值与噪声门限的比值大于系统检测信噪比SNR时，认为在该像场位置检测到目标。
步骤四：设计与检测目标相匹配的差波束方向图；
所设计的差波束方向图系由两个等幅、反相的照射平面波形成；当和波束方向图的3dB波束宽度为φ时，方位差波束平面波照射源为{(-θh,0),(θh,0)}，俯仰差波束平面波照射源为{(0,-θv),(0,θv)}，其中：θh＝θv＝γφ，根据零陷深度选择γ值，并要求γ∈(0,2]；进而获得差波束方向图对应的阵列单元复加权值为：
Figure BDA0003286073270000101
Figure BDA0003286073270000102
其中：
Figure BDA0003286073270000103
分别为方位差波束、俯仰差波束阵面复加权值，符号exp表示以e为底的指数函数，符号sin表示正弦函数，m、n分别为阵列单元的位置序号，Δx、Δy分别为x、y方向的阵列单元间距。
步骤五：对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理；
对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理时采用如下方法进行方位和俯仰差波束成像：
Figure BDA0003286073270000104
Figure BDA0003286073270000105
其中：
Figure BDA0003286073270000106
分别为方位差波束像与俯仰差波束像，
Figure BDA0003286073270000107
分别为方位、俯仰差波束阵列复加权值，A为低副瓣幅度加权值。
步骤六：测定检测目标的角度坐标；
根据差波束成像结果，结合和波束目标检测结果及其测角数据，测量目标差波束成像的零陷所在坐标，该坐标即为目标的精确角度坐标。
步骤七：输出检测目标的测定数据；
所输出的数据包括目标的幅度、相位以及角度坐标信息。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、替换等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种和差波束成像目标检测及精确测角方法，其特征在于，所述方法通过首先对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理，获得和波束成像数据，并对所得到的和波束成像结果进行目标检测和比幅法测角；然后对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理，获得差波束成像数据，在此基础上结合和波束目标检测结果及其测角数据，精确测定每个目标的角度坐标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤一：设计与检测目标相匹配的和波束方向图；
步骤二：对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理；
步骤三：进行目标检测及角坐标测量；
步骤四：设计与检测目标相匹配的差波束方向图；
步骤五：对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理；
步骤六：测定检测目标的角度坐标；
步骤七：输出检测目标的测定数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述和波束方向图为低副瓣高增益针状和波束方向图，所述低副瓣高增益针状和波束方向图系通过阵列幅度加权或相位加权方法设计获得；
所述阵列幅度加权方法包括均匀分布、余弦加权、汉明窗、Taylor分布、切比雪夫分布以及混合加权方式；
所述相位加权方法包括遗传算法、粒子群优化算法、神经网络以及混合优化方法。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中对阵列单元接收到的回波信号进行和波束成像处理时采用如下方法进行和波束成像：
Figure FDA0003286073260000011
其中：j为虚数单位，e为欧拉常数，
Figure FDA0003286073260000012
为和波束像，
Figure FDA0003286073260000013
为阵列单元接收到的目标回波信号；A∑为和波束对应的阵列单元复加权值；
Figure FDA0003286073260000014
为聚焦相位加权系数，当目标足够远时，直接取φF＝0，(xm，yn)为阵列单元的坐标，R为目标斜距，
Figure FDA0003286073260000021
为波数，λ为波长，被动成像、半主动成像或相控阵波束扫描成像时η＝1，主动全息成像或合成孔径成像时η＝2，符号IFFT代表二维快速傅里叶逆变换。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤三中进行目标检测及角坐标测量时对和波束成像结果采用恒虚警法进行目标检测，对超过检测门限的目标，采用比幅法测定目标坐标，即用目标像的最大值方向作为目标的角度坐标；噪声门限采用单元平均法获得：
Figure FDA0003286073260000022
其中：
Figure FDA0003286073260000023
为噪声门限；Si为像场值，Ω为取平均运算的单元数量，符号∑代表求和运算；
当像场值与噪声门限的比值大于系统检测信噪比SNR时，认为在该像场位置检测到目标。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述差波束方向图系由两个等幅、反相的照射平面波形成；当和波束方向图的3dB波束宽度为φ时，方位差波束平面波照射源为{(-θh,0),(θh,0)}，俯仰差波束平面波照射源为{(0,-θv),(0,θv)}，其中：θh＝θv＝γφ，根据零陷深度选择γ值，并要求γ∈(0,2]；进而获得差波束方向图对应的阵列单元复加权值为：
Figure FDA0003286073260000024
Figure FDA0003286073260000025
其中：
Figure FDA0003286073260000026
分别为方位差波束、俯仰差波束阵面复加权值，符号exp表示以欧拉常数e为底的指数函数，符号sin表示正弦函数，m、n分别为阵列单元x方向、y方向的位置序号，Δx、Δy分别为x、y方向的阵列单元间距。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤五中对阵列单元接收到的回波信号进行差波束成像处理时采用如下方法进行方位和俯仰差波束成像：
Figure FDA0003286073260000031
Figure FDA0003286073260000032
其中：
Figure FDA0003286073260000033
分别为方位差波束像与俯仰差波束像，
Figure FDA0003286073260000034
分别为方位、俯仰差波束阵列复加权值，A为低副瓣幅度加权值。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤七输出检测目标的测定数据所输出的数据包括目标的幅度、相位以及角度坐标信息。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法根据差波束成像结果，进行目标角坐标精确测量；根据和波束成像结果以及比幅法角度测量结果，测量目标差波束成像的零陷所在坐标，该坐标即为目标的精确角度坐标。
10.权利要求1-9任一项所述的方法在光学成像、微波成像、雷达探测、声呐、超声成像以及声、光、电目标探测、成像识别、无线通信领域中的应用。
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