專利名稱：基于子空間投影的實(shí)孔徑前視成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像領(lǐng)域，特別涉及飛行軌跡正前方目標(biāo)的高分辨成像問題，可用于機(jī)載雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)沿航跡線方向的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別。
背景技術(shù)：
在未來瞬息萬變的現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中，戰(zhàn)場(chǎng)信息復(fù)雜多變，戰(zhàn)機(jī)轉(zhuǎn)瞬即逝， 及時(shí)、正確地進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)檢測(cè)和戰(zhàn)術(shù)偵察關(guān)系到戰(zhàn)爭(zhēng)的成敗。因此，必然要求雷達(dá)成像系統(tǒng)具有一定的成像精度和成像范圍。但是，當(dāng)天線波束與航跡線接近重合時(shí)，由于分布在航跡兩側(cè)的地面目標(biāo)具有相同的多普勒歷程容易發(fā)生混疊，且目標(biāo)的多普勒變化率很小，方位分辨率會(huì)迅速下降，形成前視“盲區(qū)”，而現(xiàn)有的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)無法解決這一問題。因此， 如何更好地利用雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)正前方目標(biāo)實(shí)施有效的偵查，以獲取前視圖像已成為雷達(dá)界研究的熱點(diǎn)之一。針對(duì)前視成像問題，典型的解決方案有雙基地SAR前視成像方法，單脈沖前視成像方法，實(shí)孔徑解卷積前視成像方法等，其中I.雙基地SAR前視成像方法。是通過雙基地SAR系統(tǒng)進(jìn)行，該系統(tǒng)是指將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別安裝在不同平臺(tái)上的合成孔徑雷達(dá)，其發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以有不同的空間位置和運(yùn)動(dòng)速度。發(fā)射機(jī)向觀測(cè)區(qū)域發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)；接收機(jī)接收地面回波信號(hào)并進(jìn)行成像處理。雙基地SAR系統(tǒng)由于其特殊的接收方式，只有在某些特定的模式下，才能實(shí)現(xiàn)前視成像，如發(fā)射機(jī)和接收機(jī)有各自獨(dú)立的飛行軌跡，不能重合，目標(biāo)點(diǎn)在接收機(jī)航跡線沿地面的投影線上；運(yùn)動(dòng)誤差會(huì)極大地影響雙基地SAR的前視成像結(jié)果，必須進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，但是，雙基地SAR前視成像的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償分析復(fù)雜，相應(yīng)的補(bǔ)償技術(shù)和方案實(shí)施難度很大；現(xiàn)有的算法中，對(duì)雙基地SAR前視成像結(jié)果的幾何校正是不完善的，對(duì)幾何變形的類型和變形量沒有完整的理論分析；由于接收機(jī)和發(fā)射機(jī)置于不同的平臺(tái)上，導(dǎo)致收發(fā)分置。因此，雙基地SAR前視成像面臨著一系列收發(fā)系統(tǒng)同步問題，包括時(shí)間同步、空間同步和頻率同步。2.單脈沖前視成像方法。單脈沖成像的基本思想是利用足夠高的距離分辨率分辨出目標(biāo)上的主要散射體，然后利用單脈沖測(cè)角技術(shù)獲得散射點(diǎn)偏離波束中心的角度，進(jìn)而用于目標(biāo)定位。盡管單脈沖測(cè)角在理論上具有很高的測(cè)量精度，但是在實(shí)際應(yīng)用中，往往存在以下的局限性在復(fù)雜形狀目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起目標(biāo)視在中心與目標(biāo)實(shí)際中心的偏離，產(chǎn)生角閃爍現(xiàn)象，制約了成像質(zhì)量；單脈沖前視成像技術(shù)無法對(duì)同一距離單元內(nèi)的不同散射中心分別測(cè)角，只能得到等效散射點(diǎn)的位置，降低了測(cè)角精度；當(dāng)同一波束內(nèi)存在多個(gè)目標(biāo)時(shí)，測(cè)角精度會(huì)急劇下降甚至無法準(zhǔn)確檢測(cè)出目標(biāo)的位置，特別是當(dāng)某一距離單元內(nèi)的波束方位范圍中存在兩個(gè)或多個(gè)能量相似的目標(biāo)時(shí)，測(cè)角精度尤為低下；單脈沖前視成像中，每個(gè)測(cè)角坐標(biāo)平面通常都要采用兩個(gè)獨(dú)立的接收支路，即方位平面內(nèi)的兩個(gè)支路和俯仰平面內(nèi)的兩個(gè)支路，系統(tǒng)復(fù)雜。3.實(shí)孔徑解卷積前視成像方法。是將雷達(dá)傳感器輸出的回波信號(hào)在方位域視為發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)角度信息的卷積，在距離域視為發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)距離向信息的卷積，因此理論上可以通過解卷積的方法得到目標(biāo)的準(zhǔn)確位置信息。這種方法操作簡單，無需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，系統(tǒng)計(jì)算分析難度小。但是，在解卷積過程中也會(huì)存在一定的問題單通道解卷積容易產(chǎn)生病態(tài)解，且算法要求較高的信噪比，當(dāng)信噪比小于30dB時(shí)，目標(biāo)分辨效果較差；為了減小病態(tài)效應(yīng)的影響，Berenstein等人發(fā)展了多通道解卷積技術(shù)，用于線性移不變系統(tǒng)的信息重建，可使部分解卷積問題轉(zhuǎn)化為良態(tài)，但是并非所有的卷積器集合滿足強(qiáng)互質(zhì)條件， 當(dāng)多通道不能滿足強(qiáng)互質(zhì)條件時(shí)，解卷積后信噪比仍會(huì)大大降低，因此，多通道解卷積技術(shù)的使用也存在很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有的前視成像問題的不足，提出了一種基于子空間投影的實(shí)孔徑前視成像方法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)載雷達(dá)前視高分辨成像，降低噪聲干擾，提高主瓣內(nèi)鄰近目標(biāo)的分辨精度。本發(fā)明的技術(shù)方案是首先對(duì)地面監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行順序重疊掃描，獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；然后提取回波數(shù)據(jù)的強(qiáng)度矢量；最后利用一種基于子空間投影的陣列高分辨方法對(duì)回波強(qiáng)度矢量進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)載雷達(dá)前視高分辨成像，其具體步驟包括如下(I)通過雷達(dá)波束的等間距發(fā)射，對(duì)地面監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行順序重疊掃描，獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)Y ；(2)對(duì)回波數(shù)據(jù)Y進(jìn)行取模運(yùn)算，提取其強(qiáng)度矢量X :x=|Y (k) I,其中，I · I表示取模運(yùn)算，k= 1，2，...，K，K表示回波數(shù)據(jù)的長度；(3)求取回波強(qiáng)度矢量X的自相關(guān)矩陣Rx Rx = E [XXs],其中，X表示回波強(qiáng)度矢量，(，^表示共軛轉(zhuǎn)置，Ε[·]表示期望值；(4)對(duì)自相關(guān)矩陣Rx進(jìn)行特征分解，將其分解為特征值和特征向量的乘累加形式
NRx =Zyl// -
；=1其中，Aj表示第j個(gè)特征值，Vj表示第j個(gè)特征向量，(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置，j = 1，2，...，N，N表示特征值的數(shù)目；(5)將特征值按升序排列 λ1= λ2 = ... = λΝ_ρ 彡 λΝ_ρ+1彡··· ( λΝ，并相應(yīng)地調(diào)整特征向量順序?yàn)?V1, V2, , vN_p，vN_p+1，, vN，用前N-P個(gè)小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成噪聲子空間En En = [v1； V2, , vN_p],其中，P表示信號(hào)的數(shù)目，N表示特征值的數(shù)目；(6)定義方向圖搜索矢量集合a a = [aj]，其中，表示第i個(gè)方向圖搜索矢量，i = 1，2，...，2M，M表示方向圖搜索矢量的長度；
權(quán)利要求
1.一種基于子空間投影的實(shí)孔徑前視成像方法，包括如下步驟(1)通過雷達(dá)波束的等間距發(fā)射，對(duì)地面監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行順序重疊掃描，獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)Y ；(2)對(duì)回波數(shù)據(jù)Y進(jìn)行取模運(yùn)算，提取其強(qiáng)度矢量X:X = |Y(k) |，其中，I · I表示取模運(yùn)算，k= 1，2，...，K，K表示回波數(shù)據(jù)的長度；(3)求取回波強(qiáng)度矢量X的自相關(guān)矩陣RxRx = E [XXs]，其中，X表示回波強(qiáng)度矢量，(· )H表示共軛轉(zhuǎn)置，E[ ·]表示期望值；(4)對(duì)自相關(guān)矩陣Rx進(jìn)行特征分解，將其分解為特征值和特征向量的乘累加形式Rx=Z^其中，λ ^表示第j個(gè)特征值，'表示第j個(gè)特征向量，(《^表示共軛轉(zhuǎn)置，j = 1， 2，...，N，N表示特征值的數(shù)目；(5)將特征值A(chǔ)j按升序排列A1=A2 = ... = λΝ_ρ彡λΝ_ρ+1彡··· ( λΝ，并相應(yīng)地調(diào)整特征向量順序?yàn)棣?; ν2, , vN_p, vN_p+1, . . . , vN,用前N-P個(gè)小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成噪聲子空間En En — [v I j V2J · · ·，vN_p]，其中，P表示信號(hào)的數(shù)目，N表示特征值的數(shù)目；(6)定義方向圖搜索矢量集合a: a = [aj]，其中，Bi表示第i個(gè)方向圖搜索矢量，i = I，2，...，2M，M表示方向圖搜索矢量的長度；
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于子空間投影的實(shí)孔徑前視成像方法，主要解決飛行軌跡正前方目標(biāo)的高分辨成像問題。其檢測(cè)過程為1)等間距發(fā)射雷達(dá)波束，對(duì)地面監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行順序重疊掃描，獲取雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；2)通過取模運(yùn)算，提取回波數(shù)據(jù)的強(qiáng)度矢量；3)求取回波強(qiáng)度矢量的自相關(guān)矩陣；4)對(duì)自相關(guān)矩陣進(jìn)行特征分解；5)用小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)造噪聲子空間；6)定義方向圖搜索矢量；7)將方向圖搜索矢量投影到噪聲子空間上；8)計(jì)算空間譜函數(shù)的峰值；9)根據(jù)空間譜函數(shù)峰值的數(shù)目確定信號(hào)的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)前視成像。本發(fā)明具有提高主瓣內(nèi)鄰近目標(biāo)分辨精度的優(yōu)點(diǎn)，可用于機(jī)載雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航跡線方向目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別的成像領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01S7/41GK102608598SQ201210072599
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月19日
發(fā)明者何嘉懿, 劉笑菲, 夏桂琴, 廖桂生, 曾操, 楊凱新, 楊志偉 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)