一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法，涉及雷達(dá)成像領(lǐng)域，其步驟為：步驟1，劃分相控陣?yán)走_(dá)天線陣面，相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射線性調(diào)頻信號，并接收目標(biāo)散射點的回波信號，設(shè)定目標(biāo)散射點的相移值；步驟2，將距離脈壓后的基頻回波信號按距離單元劃分；步驟3，構(gòu)建目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量的目標(biāo)函數(shù)；并且在稀疏約束條件下求解目標(biāo)函數(shù)，得到第u個距離單元內(nèi)的目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量估計值；步驟4，先由第u個距離單元內(nèi)的目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量估計值形成二維圖像，再由所有距離單元的二維圖像按照距離單元的順序排列得到三維圖像。本發(fā)明實現(xiàn)了對目標(biāo)的高分辨三維成像。
【專利說明】一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)成像【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微波雷達(dá)具有全天候、全天時、遠(yuǎn)距離和大范圍觀察等特性，可以對目標(biāo)場景進(jìn)行高分辨率成像，獲取探測信息，在民用和軍用領(lǐng)域均發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。作為主要的二維微波成像方法，上世紀(jì)50年代迅速發(fā)展起來合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像和逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像是利用載體平臺與目標(biāo)間的相對運動在空間形成合成的陣列流形，能夠獲取目標(biāo)在距離-多普勒平面內(nèi)的散射分布信息，即二維雷達(dá)圖像，但圖像存在幾何失真并缺失了一維信息，對目標(biāo)特性的測量造成很大的障礙。因此，高分辨三維成像是雷達(dá)成像領(lǐng)域的一個重要研究方向。
[0003]大的天線孔徑是實現(xiàn)高分辨微波雷達(dá)成像的直接途徑。按照大孔徑的實現(xiàn)方式，三維微波成像主要分為兩類，一類是基于合成陣列，另一類是基于實孔徑三維成像。前者利用單天線或線性陣列的掃描形成二維合成孔徑，獲得跨距離平面的二維分辨能力，再結(jié)合距離向脈沖壓縮技術(shù)獲得全三維目標(biāo)分布圖像，這類方法需要平臺的運動，應(yīng)用場合有限，數(shù)據(jù)獲取實時性較差，而且信號處理難度較高；而后者依賴陣列天線形成的窄波束在空間進(jìn)行掃描得到三維圖像，其分辨率取決于波束寬度，即天線的真實的物理孔徑大小，要獲得高分辨率圖像，需要增大陣列孔徑，令系統(tǒng)復(fù)雜度和成本都急劇增加，所以在大多數(shù)應(yīng)用場合中，由于天線體積和成本的限制，該方法分辨率不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法，通過下面的仿真可以看出該成像方法能夠突破常規(guī)實孔徑陣列雷達(dá)三維成像的方位分辨力的限制，從而實現(xiàn)距離向、方位向和俯仰向高分辨三維成像。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0006]一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]步驟1，將相控陣?yán)走_(dá)天線陣面劃分為MXN個子陣，每個子陣有KXL個陣元，總共有MXNXKXL個陣元，陣元按矩形均勻分布，相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)在第q個脈沖下將線性調(diào)頻信號SOq發(fā)射到成像場景中，并接收第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的回波信號，將排列在相控陣?yán)走_(dá)陣面的第m行η列的子陣中的第k行I列的陣元在第q個脈沖下的第P個目標(biāo)散射點處的相移值設(shè)定為; q = 1，2，...，Q，Q脈沖總個數(shù)，m = 1，2，3，...，M，
M為天線陣面行數(shù)，η = 1，2，3，...，N，N為天線陣面列數(shù)，I = 1，2，3，...，L，L為子陣的列數(shù)，k = 1，2，3，...，K，K為子陣的行數(shù)；
[0008]步驟2，對第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的回波信號進(jìn)行去載頻f。，得到第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的基頻回波信號Si,，對基頻回波信號Si,進(jìn)行距離脈壓，得到距離脈壓后的基頻回波信號s2q ;再從距離脈壓后的基頻回波信號s2q中得到第u個距離單元內(nèi)的含P個目標(biāo)散射點的回波信號< U= 1,2, 3..., U, U表示每個脈沖下的距離單元的總個數(shù)；
[0009]步驟3，利用相控陣?yán)走_(dá)陣面的第m行η列的子陣中的第k行I列的陣元在第q個脈沖下的每個目標(biāo)散射點處的相移值得到Q個脈沖下的P個目標(biāo)散射點的天線輻射方向性增益矩陣F，F(xiàn)維數(shù)QXP ;再利用天線輻射方向性增益矩陣F構(gòu)建Q個脈沖下的第u個距離單元內(nèi)的含P個目標(biāo)散射點的回波信號Su ;再利用天線輻射方向性增益矩陣F和Q個脈沖下的第u個距離單元內(nèi)的含P個目標(biāo)散射點的回波信號Su構(gòu)建第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量ou的目標(biāo)函數(shù)；并且在稀疏約束條件下求解目標(biāo)函數(shù)得到第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量估計值#;
[0010]步驟4，先由第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量估計值F形成二維圖像Zu，再由U個距離單元的二維圖像Z1, Z2,...Zu..., Zu按照距離單元的順序排列起來得到三維圖像Z = [Z1, Z2，…Zu...，Zu]。
[0011]上述技術(shù)方案的特點和進(jìn)一步改進(jìn)在于:
[0012](I)步驟I包括以下子步驟:
[0013]Ia)將相控陣?yán)走_(dá)天線陣面劃分為MXN個子陣，每個子陣有KXL個陣元，總共有MXNXKXL個陣元，陣元按矩形均勻分，相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)將第q個脈沖下的線性調(diào)頻信號A = α,.(?)οχρ\；\πι?1 +；\2π/Λι +/y)]發(fā)射到成像場景中，并接收第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的回波信號，式中f是距離向快時間，?,-(O為距離向窗函數(shù)，r是距離向調(diào)頻率，fc是雷達(dá)發(fā)射信號的載頻，tq = qTr是第q個脈沖的慢時間，Tr是脈沖重復(fù)周期，q =1，2，...，Q表不脈沖序號，Q表不雷達(dá)發(fā)射的總的脈沖個數(shù)；
[0014]Ib)將排列在相控陣?yán)走_(dá)陣面的第m行η列的子陣中的第k行I列的陣元在第q
個脈沖下的第P個目標(biāo)散射點處的相移值設(shè)定為:
[0015]

【權(quán)利要求】
1.一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，將相控陣?yán)走_(dá)天線陣面劃分為MXN個子陣，每個子陣有KXL個陣元，總共有MXNXKXL個陣元，陣元按矩形均勻分布，相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)在第q個脈沖下將線性調(diào)頻信號SOq發(fā)射到成像場景中，并接收第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的回波信號，將排列在相控陣?yán)走_(dá)陣面的第m行η列的子陣中的第k行I列的陣元在第q個脈沖下的第P個目標(biāo)散射點處的相移值設(shè)定為(f' w ; q = 1，2，...，Q，Q脈沖總個數(shù)，m = 1，2，3，...，M，M為天線陣面行數(shù)，η = 1，2，3，...，N，N為天線陣面列數(shù)，I = 1，2，3，...，L，L為子陣的列數(shù)，k = 1，2，3，...，K，K為子陣的行數(shù)； 步驟2，對第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的回波信號進(jìn)行去載頻f。，得到第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的基頻回波信號Si,，對基頻回波信號Si,進(jìn)行距離脈壓，得到距離脈壓后的基頻回波信號s2q ;再從距離脈壓后的基頻回波信號s2q中得到第u個距離單元內(nèi)的含P個目標(biāo)散射點的回波信號< U= 1，2，3...，U，U表示每個脈沖下的距離單元的總個數(shù)； 步驟3，利用相控陣?yán)走_(dá)陣面的第m行η列的子陣中的第k行I列的陣元在第q個脈沖下的每個目標(biāo)散射點處的相移值得到Q個脈沖下的P個目標(biāo)散射點的天線輻射方向性增益矩陣F，F(xiàn)維數(shù)QXP ;再利用天線輻射方向性增益矩陣F構(gòu)建Q個脈沖下的第u個距離單元內(nèi)的含P個目標(biāo)散射點的回波信號su ;再利用天線輻射方向性增益矩陣F和Q個脈沖下的第u個距離單元內(nèi)的含P個目標(biāo)散射點的回波信號Su構(gòu)建第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量σ u的目標(biāo)函數(shù)；并且在稀疏約束條件下求解目標(biāo)函數(shù)得到第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量估計值#; 步驟4，先由第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量估計值#形成二維圖像Zu，再由U個距離單元的二維圖像Z1, Z2,...Zu..., Zu按照距離單元的順序排列起來得到三維圖像 Z = [Z1,12,...1a..., Zu]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法，其特征在于，步驟I包括以下子步驟: la)將相控陣?yán)走_(dá)天線陣面劃分為MXN個子陣，每個子陣有KXL個陣元，總共有MXNXKXL個陣元，陣元按矩形均勻分，相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射機(jī)將第q個脈沖下的線性調(diào)頻信號=義(f)cxp[j+j2;r/,_ (? + /,,)]發(fā)射到成像場景中，并接收第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的回波信號，式中f是距離向快時間，〃,Gi)為距離向窗函數(shù)，r是距離向調(diào)頻率，fc是雷達(dá)發(fā)射信號的載頻，tq = qTr是第q個脈沖的慢時間，Tr是脈沖重復(fù)周期，q =.1，2，...，Q表不脈沖序號，Q表不雷達(dá)發(fā)射的總的脈沖個數(shù)； Ib)將排列在相控陣?yán)走_(dá)陣面的第m行η列的子陣中的第k行I列的陣元在第q個脈沖下的第P個目標(biāo)散射點處的相移值設(shè)定為:
Δ φχ = Y dxsin Θ pcos β ρ (2)Δ = Y dysin3p (3) 式中Λ φχ為相鄰陣元在X方向上的空間相位差，Λ Cj5y為相鄰陣元在Y方向上的空間相位差；dx是X方向上的陣元間距，本是Y方向上的陣元間距，X方向為雷達(dá)天線陣面的水平方向，Y方向為雷達(dá)天線陣面的垂直方向，k是陣元在子陣內(nèi)X方向上的編號，k =1.2,3...,K, I是陣元在子陣內(nèi)Y方向上的編號，I = 1，2，3...，L，m是該陣元所在的子陣在X方向上的編號，m= 1,2, 3...，Μ，η是該陣元所在的子陣在Y方向上的編號，η =1.2,3..., N,ρ = 1,2,3..., P，P表示場景中目標(biāo)散射點的總個數(shù)，θ ρ表示第ρ個目標(biāo)散射點的方位角，βρ表示第P個目標(biāo)散射點的俯仰角，Y =2π/λ是自由空間波數(shù)，λ是雷達(dá)工作波長，Λ φ^α,)是子陣間額外疊加的隨機(jī)相移，且每次脈沖時間內(nèi)都不變，而脈沖間都是隨機(jī)變化的，即Λ φ^α,)是獨立同分布的隨機(jī)過程函數(shù)且Λe [-π，π]。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法，其特征在于，步驟2包括以下子步驟: 2a)雷達(dá)對第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的回波信號進(jìn)行去載頻f。，得到第q個脈沖下的P個目標(biāo)散射點的基頻回波信號Si,，即:
式中Rp是雷達(dá)到第P個目標(biāo)散射點的距離，σ ρ是第ρ個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)，c是



光速，表示第q個脈沖下的第P個目標(biāo)散射點處的天線輻射方向性增益，」表示第P個目標(biāo)散射點相對雷達(dá)的延時； 2b)用匹配濾波函數(shù).v,.=^/,(f)cxp(-j；jπff2)對第q個脈沖下的P個目標(biāo)散射點的基頻回波信號Si,進(jìn)行距離脈壓，得到距離脈壓后的基頻回波信號s2q:
式中Λ?；為雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號的頻帶的帶寬； 2c)將距離脈壓后的基頻回波信號s2q簡化后得到第q個脈沖下的含P個目標(biāo)散射點的回波信號
，將簡化后的回波信號劃分為U個距離單元，則在第q個脈沖下第
U個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的回波信號 < 表示為:
式中 < 表示第U個距離單元內(nèi)的第P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)，其中U =1，2，3...，U，U表示每個脈沖下的距離單元的總個數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法，其特征在于，步驟3包括以下子步驟:3a)將相控陣?yán)走_(dá)陣面第m行η列的子陣中的第k行I列的陣元在第q個脈沖下的第P個目標(biāo)散射點處的相移值的表達(dá)式代入天線輻射方向性增益函數(shù)，從而得到在第q個脈沖下的第P個目標(biāo)散射點的天線輻射方向性增益=
式中4是父方向上的陣元間距，(^是Y方向上的陣元間距，X方向為雷達(dá)天線陣面的水平方向，Y方向為雷達(dá)天線陣面的垂直方向，P = I, 2，3...，Ρ，Ρ表示場景中目標(biāo)散射點的總個數(shù)，θρ表示第ρ個目標(biāo)散射點的方位角，βρ表示第ρ個目標(biāo)散射點的俯仰角，k是陣元在子陣內(nèi)X方向上的編號，k = 1,2,3...,K, Y =2π/λ是自由空間波數(shù)，λ是雷達(dá)工作波長，I是陣元在子陣內(nèi)Y方向上的編號，I = 1，2，3...，L，m是該陣元所在的子陣在X方向上的編號，m= 1,2, 3...，M，n是該陣元所在的子陣在Y方向上的編號，η = 1，2，3...，N，δ Φ^α,)是子陣間額外疊加的隨機(jī)相移，且每次脈沖時間內(nèi)都不變，而脈沖間都是隨機(jī)變化的，即Λ是獨立同分布的隨機(jī)過程函數(shù)且Λe [-JI, JI]； 進(jìn)而得到Q個脈沖下的P個目標(biāo)散射點的天線輻射方向性增益矩陣F，即:
將Q個脈沖下第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的回波向量Su表示為:su = F σ u ;其中=[4,4,表示Q個脈沖下第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的回波向量，σ σ〗，.,W]7"表示第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量； 3b)利用Q個脈沖下的第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的回波向量su和Q個脈沖下的P個目標(biāo)散射點的天線輻射方向性增益矩陣F來構(gòu)造第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量的目標(biāo)函數(shù)J(Ou):
式中11.112是L2范數(shù)運算符，11.111是L1范數(shù)運算符，μ是正則化參數(shù)； 3c)構(gòu)造第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量Ou的目標(biāo)函數(shù)J(Ou)在稀疏約束條件μ 11 OuI I1下的方程為:
求在稀疏約束條件μ 11 Qu I1T的方程得到第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量估計值#為:
式中argmin是最小化運算符，σΒ表示第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)向量的估計值σ表示第u個距離單元內(nèi)的第ρ個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)的估計值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于相控陣?yán)走_(dá)的三維關(guān)聯(lián)成像方法，其特征在于，步驟4包括以下子步驟: 4a)建立以目標(biāo)散射點的方位角度為橫坐標(biāo)、以目標(biāo)散射點的俯仰角度為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系中，選擇放置第u個距離單元內(nèi)的第ρ個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)估計值#的點，該點的橫坐標(biāo)等于第P個目標(biāo)散射點的方位角度Θ p，該點的縱坐標(biāo)等于第ρ個目標(biāo)散射點的俯仰角度βρ ;進(jìn)而得到第u個距離單元內(nèi)的P個目標(biāo)散射點的散射系數(shù)估計值σ形成的二維圖像Zu; 4b)令u從I至U進(jìn)行遍歷，重復(fù)步驟2、步驟3和步驟4a)，得到U個距離單元的二維圖像Z1, Z2,...Zu..., Zu,將U個距離單元的二維圖像Z1, Z2,...Zu..., Zu按照距離單元的順序排列起來，最終得到場景的三維圖像Z = [Z1,12,...1a..., Zu]。
【文檔編號】G01S13/90GK104181531SQ201410416039
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】李亞超, 許然, 邢孟道, 黃平平, 全英匯, 章浩波 申請人:西安電子科技大學(xué)