CN116299445A - 一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，用于实现高速运动目标的高分辨成像。首先建立基于雷达发射调频步进信号的高速目标回波模型，该模型需要考虑脉内多普勒调制的影响；然后通过对不同帧回波具有相同频点的脉冲采用相推测速处理，得到高精度的速度信息，辅助后续的运动补偿和频谱拼接合成宽带处理。最后进行合成宽带成像处理。在补偿脉内多普勒调制和脉间距离徙动的基础上，采用包含调制因子的参考信号进行脉压处理，接着进行频谱截取拼接处理，并补偿拼接点的相位跳变，即可重构具有线性相位的宽频谱，获得高质量的合成宽带成像结果。

Description

一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，高速是指目标的速度不低于1000m/s。
背景技术
高分辨率雷达在目标识别、目标成像、微动特征提取等领域有着广泛的应用前景。传统方法通过增大信号带宽获得较高的距离分辨率，但是会增加系统复杂度和运算量。合成宽带信号通过对分时发射的不同载频的脉冲信号进行相参合成来提高分辨率，其具有良好的距离和多普勒分辨特性，且易于工程实现。但是，合成宽带信号对目标运动非常敏感。目标运动会引起距离速度耦合、信噪比损失、波形发散等问题。对于高速运动目标，还应考虑脉内多普勒调制和脉间距离徙动等影响。
目前常用的合成宽带信号处理方法是IFFT(Inverse fast Fourier transform)相参脉压法和频域拼接法。IFFT相参脉压法比较简单，但是在后续合成高分辨距离像时的抽取拼接处理会引起截断、栅瓣等问题。频域拼接法通过在频域上将不同信号的频谱进行拼接合成大带宽，进而获得高分辨距离像，但是该方法适用于静止或低速目标的合成宽带高分辨成像方法，未考虑高速目标带来的脉内多普勒调制和脉间距离徙动效应。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服已有技术的缺陷，实现高速运动目标的高分辨成像，提出一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法。
本发明方法是通过下述技术方案实现的：
一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，该方法的步骤包括：
步骤(1)，雷达发射脉冲信号后接收到高速运动目标的基带回波信号，并根据接收到的高速运动目标的基带回波信号建立基带回波信号模型；
步骤(2)，根据步骤(1)中基带回波信号模型中的每一个脉冲的脉压结果获得目标速度的粗估计值；
步骤(3)，根据步骤(2)得到的目标速度的粗估计值对步骤(1)中基带回波信号模型的脉内多普勒调制项和脉间距离徙动相位项进行补偿；
步骤(4)，对步骤(3)中补偿后的结果采用包含调制因子的参考信号进行脉冲压缩处理；
步骤(5)，对步骤(4)中进行脉冲压缩处理后的结果进行频谱截取拼接处理；
步骤(6)，对步骤(5)中的处理结果，补偿拼接点处的相位跳变；
步骤(7)，对步骤(6)中的结果进行逆傅里叶变换得到合成宽带成像结果，完成基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法。
所述的步骤(1)中，建立的基带回波信号模型sr(t)为：
Figure BDA0004013222460000021
其中，t'∈(0,Tr)表示快时间，即脉冲内采样时间，t'∈(0,Tr)，Tr为脉冲重复周期，Tp为脉冲宽度，f0为载频，Δf为频率跳变间隔，N为跳频数，K为调频率，
Figure BDA0004013222460000022
R为目标初始距离，v为目标速度，a为目标加速度，/>
Figure BDA0004013222460000023
为调制因子，c为电磁波传播速度；
所述的雷达发射的脉冲信号中，将雷达发射的N个具有步进载频的脉冲信号记为一帧信号，一帧信号中的脉冲序号依次记为：1,2,3,...,N，假设共需处理M帧信号，其帧序号依次记为：1,2,3,...,M；
所述的步骤(2)中，获得目标速度的粗估计值的方法为：
步骤(2.1)：对步骤(1)中的M帧回波信号的每一个脉冲进行脉冲压缩处理；
步骤(2.2)：选取M帧信号的第1个脉冲的脉冲压缩结果，并采用相推测速技术获得目标的速度测量值；
步骤(2.3)：依次选取M帧信号的第2,3，…，N个脉冲的脉冲压缩结果，并采用相推测速技术获得目标的速度测量值，最终获得所有M帧信号中N个脉冲的速度测量结果；
步骤(2.4)：对步骤(2.3)获得的速度测量结果进行平滑滤波处理，得到目标速度的粗估计值，记为
Figure BDA0004013222460000031
所述的步骤(3)中，对步骤(1)中的回波信号补偿脉内多普勒调制项和脉间距离徙动相位项，第n个脉冲需要补偿的脉内多普勒调制项为：
Figure BDA0004013222460000032
第n个脉冲需要补偿的脉间距离徙动相位项为：
Figure BDA0004013222460000033
其中，fn＝f0+nΔf，f指频率轴，ΔRn＝Rn-R0表示第n个脉冲和第1个脉冲的距离增量，R0表示第1个脉冲发射时刻目标的距离；
所述的步骤(4)中，对步骤(3)中补偿后的结果采用包含调制因子的参考信号进行脉冲压缩处理，其中需要构造的包含调制因子的参考信号表示为：
Figure BDA0004013222460000034
所述的步骤(5)中，对步骤(4)中结果进行频谱截取拼接处理，其中频谱截取的起始位置和结束位置分别为：
Figure BDA0004013222460000035
Figure BDA0004013222460000036
其中B为信号带宽；
所述的步骤(6)中，对步骤(5)中的结果，补偿拼接点处的相位跳变，其中需要补偿的拼接点处相位项为：
Figure BDA0004013222460000041
有益效果
(1)本发明通过采用相推测速方法获得目标速度的高精度估计结果，并基于回波模型反演，补偿目标高速运动引起的脉内多普勒调制和脉间距离徙动的影响，可以有效解决目标运动对合成宽带处理的影响。
(2)本发明通过采用包含调制因子的参考信号进行脉压处理，可以有效抑制调制因子对频谱拼接相参合成处理的影响。
(3)本发明设计的频谱截取的起始位置和结束位置以及对相位跳变的处理可以获得具有线性相位的无缝且平坦的宽频谱，进而实现合成宽带成像处理。
(4)本发明可获得高速运动目标的高质量高分辨距离像。
(5)本发明涉及一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，用于实现高速运动目标的高分辨成像。首先建立基于雷达发射调频步进信号的高速目标回波模型，该模型需要考虑脉内多普勒调制的影响；然后通过对不同帧回波具有相同频点的脉冲采用相推测速处理，得到高精度的速度信息，辅助后续的运动补偿和频谱拼接合成宽带处理。最后进行合成宽带成像处理。在补偿脉内多普勒调制和脉间距离徙动的基础上，采用包含调制因子的参考信号进行脉压处理，接着进行频谱截取拼接处理，并补偿拼接点的相位跳变，即可重构具有线性相位的宽频谱，获得高质量的合成宽带成像结果。
附图说明
图1为合成宽带处理流程图；
图2为包络测速结果图；
图3为包络测速误差图；
图4为相推测速结果图；
图5为相推测速误差图；
图6为本发明所提方法的合成距离像结果图；
图7为现有技术中所提方法的合成距离像结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。
本发明实施例提供一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法。
首先建立基于雷达发射调频步进信号的高速目标回波模型，该模型需要考虑脉内多普勒调制的影响；然后通过对不同帧回波具有相同频点的脉冲采用相推测速处理，得到高精度的速度信息，辅助后续的运动补偿和频谱拼接合成宽带处理。最后进行合成宽带成像处理。在补偿脉内多普勒调制和脉间距离徙动的基础上，采用包含调制因子的参考信号进行脉压处理，接着进行频谱截取拼接处理，并补偿拼接点的相位跳变，即可重构具有线性相位的宽频谱，获得高质量的合成宽带成像结果。
图1给出了本发明所提方法的处理流程图。结合图1，本发明所提方法的具体包括如下步骤：
步骤(1)
初始化一个发射调频步进信号的雷达系统，其针对高速运动目标的基带回波信号模型表示为：
Figure BDA0004013222460000051
其中，t'∈表示快时间，即脉冲内采样时间，t'∈(0,Tr)，Tr为脉冲重复周期，Tp为脉冲宽度，f0为载频，Δf为频率跳变间隔，N为跳频数，K为调频率，
Figure BDA0004013222460000061
n为第n个脉冲，R为目标初始距离，v为目标速度，a为目标加速度，
Figure BDA0004013222460000062
为调制因子，c为电磁波传播速度；
本步骤在充分分析高速目标的回波时延与考虑脉内多普勒调制的基础上，建立基于调频步进信号的雷达回波模型。后续的相关处理都是在此模型的基础上进行。
下面给出回波信号模型的具体建立过程。
调频步进信号是最常用的合成宽带信号，雷达通过发射具有步进载频的一系列线性调频脉冲串来实现合成宽带。相比于其他合成宽带信号，调频步进信号具有较大的时宽带宽积，可以探测远距离目标。将雷达发射的N个具有步进载频的脉冲信号记为一帧信号，其脉冲序号依次记为：1,2,3,...,N。假设共需处理M帧信号，其帧序号依次记为：1,2,3,...,M。
雷达发射的调频步进信号可以表示为：
Figure BDA0004013222460000063
Figure BDA0004013222460000064
其中B＝KTp为信号带宽。
假设目标沿着雷达视线方向运动，目标初始距离为R，速度为v，加速度为a，且定义目标远离雷达为正，靠近雷达为负。相推测速仅在相邻帧之间进行，一般来说，一帧数据时间很短，可以假定目标在一帧时间内近似做匀加速运动。在这个前提下，该方法同样适用于做变加速运动的目标。
此时目标回波时延为：
Figure BDA0004013222460000065
令t'∈表示快时间，即脉冲内采样时间，t'∈(0,Tr)。nTr(n＝0,1,...,N-1)表示慢时间，即脉冲间的采样时间。将时间表示成慢时间与快时间，即t＝t'+nTr。
目标加速度一般不大于100m/s2，因此可以忽略加速度对脉内的影响，仅考虑加速度对脉间的影响。此时回波时延可以表示为：
Figure BDA0004013222460000071
其中
Figure BDA0004013222460000072
忽略干扰和噪声的影响，与本振混频后的基带信号为：
Figure BDA0004013222460000073
将式(12)代入式(13)，整理化简后可得针对高速运动目标的基带回波信号为：
Figure BDA0004013222460000074
其中
Figure BDA0004013222460000075
为调制因子。
步骤(2)
依次按照以下步骤对步骤(1)中的回波信号的每一个脉冲的脉压结果计算目标速度的粗估计值；
步骤(2.1)：对步骤(1)中的M帧回波信号的每一个脉冲进行脉冲压缩处理；
步骤(2.2)：选取M帧信号的第1个脉冲的脉冲压缩结果。将其视为脉冲重复周期为NTr、载频为f0的线性调频脉冲串信号，并采用相推测速技术获得目标的速度测量值。通过相推测速处理可以得到目标高精度的速度估计结果。
步骤(2.3)：依次选取M帧信号的第2,3，…，N个脉冲的脉冲压缩结果，将其视为脉冲重复周期为NTr、载频为f0+(n-1)Δf(n表示选取脉冲序号n，取值为2,3，…，N)的线性调频脉冲串信号，并采用相推测速技术获得目标的速度测量值，最终获得所有M帧信号中N个脉冲的速度测量结果；
步骤(2.4)：对步骤(2.3)获得的速度测量结果进行平滑滤波处理，将其记为
Figure BDA0004013222460000083
本步骤实现对回波信号的相推测速处理。本步骤是后续合成宽带成像处理的基础。通过对不同帧回波具有相同载频的脉冲采用相推测速处理，得到高精度的速度信息，进而辅助后续的运动补偿和频谱拼接合成宽带处理。
步骤(3)
对步骤(1)中的回波信号补偿脉内多普勒调制项和脉间距离徙动相位项。
对步骤(1)中的回波信号补偿脉内多普勒调制项。第n个脉冲需要补偿的脉内多普勒调制项为：
Figure BDA0004013222460000081
在频域补偿对应的相位项完成脉间距离徙动相位项补偿处理，第n个脉冲需要补偿的脉间距离徙动相位项为：
Figure BDA0004013222460000082
其中fn＝f0+nΔf，ΔRn＝Rn-R0表示第n个脉冲和第1个脉冲的距离增量，R0表示第1个脉冲发射时刻目标的距离；
本步骤对回波信号补偿脉内多普勒调制项和脉间距离徙动相位项。本步骤是后续合成宽带成像处理的基础。在步骤(1)的基础上，采用步骤(2)获得的高精度速度测量结果，补偿目标高速运动对回波信号带来的影响，进而辅助后续的频谱拼接合成宽带处理。
步骤(4)
对步骤(3)中补偿后的结果采用包含调制因子的参考信号进行脉冲压缩处理，其中需要构造的包含调制因子的参考信号表示为：
Figure BDA0004013222460000091
本步骤在步骤(3)的基础上，通过构造包含调制因子的参考信号并进行脉压处理，抑制调制因子对频谱拼接相参合成处理的影响。下面分析抑制该影响的效果。
由式(14)可以看出，目标高速运动使得回波信号存在调制因子α，其会引起频谱带宽的展宽或压缩效应。为实现频谱拼接合成宽带成像处理，需要抑制该影响。
为抑制调制因子α对回波信号的影响，本发明提出构造包含调制因子的参考信号进行脉压处理，抑制调制因子对频谱拼接相参合成处理的影响。构造的参考信号如式(17)所示。
由傅里叶变换的尺度性质：
Figure BDA0004013222460000092
式(17)的频谱可以推导如下：
Figure BDA0004013222460000093
因此，脉冲压缩处理的输出频谱可以表示为：
Figure BDA0004013222460000094
由式(20)，输出频谱的包络可以近似认为是矩形，满足步骤(5)频谱截取拼接处理的要求。
步骤(5)
对步骤(4)中结果进行频谱截取拼接处理，其中频谱截取的起始位置和结束位置分别为：
Figure BDA0004013222460000101
Figure BDA0004013222460000102
其中B为信号带宽；
本步骤完成频谱截取拼接处理。频谱拼接处理是合成宽带信号常用的处理方法。调频步进信号可视为将多个小带宽信号分时发射的大带宽信号。频谱拼接处理通过将每个小带宽回波的频谱在频域进行拼接，合成一个大时宽带宽信号。频谱拼接处理的关键是重构一个无缝且平坦的宽频谱，且相位要保持线性。调频步进信号每个脉冲的带宽为B，相邻脉冲的载频间隔为Δf。通常情况下，调频步进信号在设计信号参数时要求Δf小于B，因此不同脉冲的频谱会产生重叠。这样合成后的带宽为(N-1)Δf+B。基于此，本发明设计的每个脉冲频谱需要抽取的频谱宽度为：
Figure BDA0004013222460000103
考虑到菲涅耳起伏的影响，每个脉冲的频谱尽量从中心位置处开始截取。因此将频谱截取的起始位置和结束位置分别设计为式(21)和式(22)所示形式。
步骤(6)
对步骤(5)中的结果，补偿拼接点处的相位跳变，其中需要补偿的拼接点处相位项为：
Figure BDA0004013222460000104
本步骤完成对拼接处的相位跳变的补偿处理。按照步骤(5)中的式(21)和式(22)进行截取拼接处理后，由于目标高速运动的影响，在拼接点处存在相位跳变，导致拼接后的相位不再满足线性关系。为保证合成频谱具有线性相位，需要在每个拼接点处补偿该相位跳变。拼接点处需要补偿的相位项可以推导如下：
Figure BDA0004013222460000111
步骤(7)
对步骤(6)中结果进行逆傅里叶变换得到合成宽带成像结果。
自此，就完成了基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像处理，获得了高质量的合成距离像结果。
为验证本发明提供方法的正确性，进行了仿真验证。仿真参数如表1所示，其中雷达工作在X波段。假设目标沿着雷达径向做匀加速运动。目标初始距离为500km，初始速度为4000m/s，加速度为10m/s2，观测时间为1s，其中单脉冲脉压后的信噪比为20dB。
目标的包络测速结果及其速度真值如图2所示。包络测速误差如图3所示。统计可得包络测速均方根误差为0.5599m/s，包络测速的理论精度为0.5335m/s。相推测速结果及其速度真值如图4所示，图4右下角为局部放大图。相推测速误差如图5所示，统计可得相推测速均方根误差为0.0129m/s，相推测速的理论精度为0.0095m/s。其中一帧数据的合成距离像结果如图6所示。为对比本发明所提方法的有效性，对比文献[1]中所提方法，其合成距离像结果如图7所示。对比图6和图7可知，本发明所提方法可以获得高质量的成像结果。
表1雷达参数表
Figure BDA0004013222460000112
Figure BDA0004013222460000121
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于该方法的步骤包括：
步骤(1)，建立高速运动目标的基带回波信号模型；
步骤(2)，根据步骤(1)中建立的基带回波信号模型的脉压结果得到目标速度的粗估计值；
步骤(3)，根据步骤(2)得到的目标速度的粗估计值对步骤(1)中基带回波信号模型的脉内多普勒调制项和脉间距离徙动相位项进行补偿，得到补偿结果；
步骤(4)，对步骤(3)得到的补偿结果进行脉冲压缩处理，得到脉冲压缩处理结果；
步骤(5)，对步骤(4)得到的脉冲压缩处理结果进行频谱截取拼接处理，得到拼接处理结果；
步骤(6)，对步骤(5)得到的拼接处理结果中拼接点处的相位跳变进行补偿，得到相位跳变补偿结果；
步骤(7)，对步骤(6)得到的相位跳变补偿结果进行逆傅里叶变换得到合成宽带成像结果，完成基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于：
所述的步骤(1)中，建立基带回波信号模型时，将雷达发射的N个具有步进载频的脉冲信号记为一帧信号，一帧信号中的脉冲序号依次记为：1,2,3,...,N，设共需处理M帧信号，帧序号依次记为：1,2,3,...,M。
3.根据权利要求2所述的一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于：
所述的步骤(1)中，建立的基带回波信号模型sr(t)为：
Figure FDA0004013222450000021
其中，n＝0，1，2，…，N-1，
Figure FDA0004013222450000022
为调制因子，c为电磁波传播速度，a为目标加速度，t'∈(0,Tr)表示快时间，即脉冲内采样时间，Tr为脉冲重复周期，Tp为脉冲宽度，f0为载频，Δf为频率跳变间隔，N为跳频数，K为调频率，/>
Figure FDA0004013222450000023
R为目标初始距离，v为目标速度，t表示时间。
4.根据权利要求3所述的一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于：
所述的步骤(2)中，获得目标速度的粗估计值的方法为：
步骤(2.1)：对步骤(1)中的M帧回波信号的每一个脉冲进行脉冲压缩处理；
步骤(2.2)：选取M帧信号的第1个脉冲的脉冲压缩结果，获得目标的速度测量值；
步骤(2.3)：依次选取M帧信号的第2,3，…，N个脉冲的脉冲压缩结果，获得目标的速度测量值，最终获得所有M帧信号中N个脉冲的速度测量结果；
步骤(2.4)：对步骤(2.3)获得的速度测量结果进行平滑滤波处理，得到目标速度的粗估计值，记为
Figure FDA0004013222450000024
5.根据权利要求4所述的一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于：
所述的步骤(3)中，对基带回波信号模型的第n个脉冲进行脉内多普勒调制项补偿的方法为：
Figure FDA0004013222450000025
其中，fn＝0+Δf。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于：
所述的步骤(3)中，对基带回波信号模型的第n个脉冲进行脉间距离徙动相位项的方法为：
Figure FDA0004013222450000031
其中，f指频率轴，ΔRn＝n-0表示第n个脉冲和第1个脉冲的距离增量，R0表示第1个脉冲发射时刻目标的距离。
7.根据权利要求6所述的一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于：
所述的步骤(4)中，对步骤(3)中补偿后的结果采用包含调制因子的参考信号进行脉冲压缩处理，其中，包含调制因子的参考信号为：
Figure FDA0004013222450000032
8.根据权利要求6或7所述的一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于：
所述的步骤(5)中，对步骤(4)中结果进行频谱截取拼接处理，其中频谱截取的起始位置和结束位置分别为：
Figure FDA0004013222450000033
Figure FDA0004013222450000034
其中B为信号带宽。
9.根据权利要求8所述的一种基于回波模型反演的高速目标合成宽带成像方法，其特征在于：
所述的步骤(6)中，对步骤(5)中的结果，补偿拼接点处的相位跳变，其中需要补偿的拼接点处相位项为：
Figure FDA0004013222450000041
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