一种匀速运动机载阵列雷达的多通道前视成像方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，涉及匀速运动机载情况下的阵列雷达的前视成像方法。

背景技术

传统合成孔径雷达常工作在侧视模式下，不能对前视区域进行成像。单基地SAR技术和多普勒波束锐化(DBS)技术由于在前视区域的多普勒很小，会产生左右模糊的现象，不能对前视区域进行成像，且方位分辨率较低。由于空域自由度的限制，单脉冲成像无法实现多个目标测角，即在地貌比较复杂的情况中，单脉冲前视成像的质量会下降。与上面的技术相比，多通道前视成像技术可以在方位向上形成一定的合成孔径，对方位维进行超分辨，有更高的方位分辨率，并且可以在同一个波束下分辨多个目标。

目前多通道前视成像技术多是基于阵列天线对前视区域进行成像，通过采用单发多收的阵列天线模式，来获得方位的超分辨从而实现前视成像，方位分辨率更高，有在前视区域高分辨成像的潜力，因此具有一定的研究价值。目前，对这种多通道前视成像技术的研究主要集中于使用线天线阵的多通道前视成像，使用矩形天线阵的多通道前视成像尚有待研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有前视成像方法存在前视成像的方位分辨率低，以及单脉冲前视成像不能对多个目标进行测角的问题，而提出一种匀速运动机载阵列雷达的多通道前视成像方法。

一种匀速运动机载阵列雷达的多通道前视成像方法具体过程为：

步骤一、采用匀速运动的机载阵列雷达对前视区域地面上的静止目标的回波信号进行脉冲压缩的同时进行运动补偿；

步骤二、使用盖氏圆法估计信源个数，预设要测量的俯仰角范围和方位角范围，构造测量矩阵，使用二维多信号分类算法计算出俯仰角-方位角维度的二维谱曲线；

步骤三、将X-Y坐标对应的二维谱曲线的幅度进行积累，即可得到目标图像。

本发明的有益结果为：

现有的多通道前视成像算法主要集中于使用线天线阵的多通道前视成像。为进一步提高分辨率，本发明对匀速运动机载矩形天线阵列雷达对前视区域地面上的静止目标的回波信号进行脉冲压缩的同时进行运动补偿；计算使用盖氏圆法估计信源个数，预设要测量的俯仰角范围和方位角范围，构造测量矩阵，使用2D-MUSIC算法计算出俯仰角-方位角维度的二维谱曲线；根据几何关系，将预设的俯仰角-方位角维度的二维谱曲线转换到X-Y坐标上，将已知的X-Y坐标对应的二维谱曲线的幅度进行积累，即可得到目标图像。

与已有的算法相比，本方法有如下优点：

(1)进一步提高了前视成像的方位分辨率；

(2)解决了单脉冲前视成像不能对多个目标进行测角的问题。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2a为仿真实验散射点模型1示意图；

图2b为仿真实验散射点模型2示意图；

图3a为散射点模型1在信噪比为20dB时的成像结果图；

图3b为散射点模型1在信噪比为30dB时的成像结果图；

图4a为散射点模型2在信噪比为20dB时的成像结果图；

图4b为散射点模型2在信噪比为30dB时的成像结果图；

图5为x-y-z空间坐标系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种匀速运动机载阵列雷达的多通道前视成像方法具体过程为：

步骤一、采用匀速运动的机载阵列雷达(算法的公式推导是以矩形阵列来展开的)对前视区域地面上的静止目标的回波信号进行脉冲压缩的同时进行运动补偿；

步骤二、使用盖氏圆法估计信源个数，预设要测量的俯仰角范围和方位角范围，构造测量矩阵，使用二维多信号分类(2D-MUSIC)算法计算出俯仰角-方位角维度的二维谱曲线；

步骤三、将X-Y坐标对应的二维谱曲线的幅度进行积累(二维谱曲线是个立体的图，进行俯视就可以得到想看的图像，图像里每个像素对应的灰度就是幅度，幅度相加)，即可得到目标图像。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中采用匀速运动的机载阵列雷达(算法的公式推导是以矩形阵列来展开的)对前视区域地面上的静止目标的回波信号进行脉冲压缩的同时进行运动补偿；具体过程为：

假设搭载雷达的飞机以速度v在高度为H的平面上匀速运动，以飞机运动方向的反方向为Y轴，根据右手螺旋定则建立X-Y-Z空间坐标系，如图5；θ为雷达运动方向在地面上的投影与目标和雷达在地面上的投影的连线的夹角，称为方位角；

则雷达与目标的距离R(t

其中R

将雷达与目标的距离R(t

对R(t

/>

其中t为满足

其中RWR为距离徙动速率，即

雷达发射的线性调频(LFM)信号表示为：

其中rect()为矩形窗函数，

设目标所有散射点强度相同且均为1，则阵列中单个阵元接收到的目标回波信号表示为：

其中P为目标散射点总数，c为光速；

阵列中各个阵元仅存在相位差异，则阵列中所有阵元接收到的目标回波信号表示为矩阵形式：

其中，

式(7)的矩形阵在z轴方向上有M个阵元，在x轴方向上有N个阵元，共有K

脉冲压缩与运动补偿是同时进行的，首先使用一个延迟时间固定的与雷达发射的线性调频(LFM)信号参数完全相同的LFM信号作为参考信号

其中f为快时间对应的频率；()

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述第(u,n)个阵元接收的第k个目标的回波的延时τ

其中，d为阵元间的间隔，θ

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述RMC(f,m)为运动补偿函数即所乘的线性相位因子，数学表示如下：

RMC(f,m)＝exp(j2πfτ

其中τ

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述距离徙动延迟τ

其中c为光速。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述参考信号

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤二中使用盖氏圆法估计信源个数，预设要测量的俯仰角范围和方位角范围，构造测量矩阵，使用二维多信号分类(2D-MUSIC)算法计算出俯仰角-方位角维度的二维谱曲线，具体过程为：

步骤二一、对阵列接收到的信号进行处理得到对应的协方差矩阵

其中E[]为数学期望，()

特征值矩阵Σ表示为：

其中λ

步骤二二、基于协方差矩阵

步骤二三、按照特征值的大小顺序，特征值矩阵Σ中前K个特征值对应的特征向量为信号子空间U

其中λ

步骤二四、预设要测量的俯仰角范围和方位角范围，构造测量矩阵a(θ)，进行谱峰搜索，生成预设的俯仰角-方位角维度的二维谱曲线；

步骤二五、根据几何关系将预设的俯仰角和方位角转换到X-Y坐标上，计算出该回波次数预设的俯仰角和方位角对应的X-Y坐标，然后再进行插值；

步骤二六、遍历所有回波次数并重复步骤二一-步骤二五实现所有二维谱曲线的计算。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤二四中预设要测量的俯仰角范围和方位角范围，构造测量矩阵a(θ)，进行谱峰搜索，生成预设的俯仰角-方位角维度的二维谱曲线；具体过程为：

二维谱曲线公式为：

/>

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述测量矩阵a(θ)表达式为：

其中

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述步骤二五中根据几何关系将预设的俯仰角和方位角转换到X-Y坐标上，计算出该回波次数预设的俯仰角和方位角对应的X-Y坐标，然后再进行插值；具体过程为：

俯仰角和方位角与X-Y坐标的对应关系为：

其中x为X坐标轴上的坐标值，y为Y坐标轴上的坐标值。

其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

由于对匀速运动机载矩形天线阵列雷达对前视区域地面上的静止目标的回波信号的实测数据缺乏，本发明主要利用仿真数据来进行验证。下面通过以下实施例证验证本发明的有效性。

实施例证：

本实例旨在验证提出的匀速运动机载矩形天线阵列雷达的多通道前视成像算法的有效性。以散射点分布如图2a、2b的目标为例在20dB和30dB的信噪比下进行仿真，相应仿真图像结果如图3a、3b和图4a、4b所示。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。