一种基于时反的目标宽带累积得益及方位敏感性分析方法

技术领域

本发明涉及电磁散射建模技术领域，特别涉及一种基于时反的目标宽带累积得益及方位敏感性分析方法。

背景技术

从目标电磁散射机理上分析，相对雷达入射波长目标表现为电大尺寸，高频散射构成了目标主要散射贡献，使得目标表面边缘、顶点、几何不连续处等位置，属性结构一致，后向散射能量聚集，形成局部的散射源或散射中心。目标的散射场是多散射中心电场的空间矢量合成。在窄带情况下，由于分辨率较低，目标各散射中心贡献混叠，无法实现有效分辨，而其在散射中心贡献累积过程中由于其相位的随机性，存在对消现象，不利于目标检测。而在宽带情况下，若能通过对主要散射中心贡献的最佳匹配接收，将各散射中心贡献进行有效积累，可实现散射能量的增强与探测能力的提升。

虽然国内外多家单位针对宽带情况下目标的探测问题开展了研究，研究方向涵盖宽带下的目标检测、目标分类等。但对于如何利用宽带信号实现扩展目标散射中心能量的积累，以及目标的最佳匹配宽带信号的方位敏感性问题尚存在欠缺。因此亟需开展基于时反的目标宽带累积得益及方位敏感性分析方法研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于时反的目标宽带累积得益及方位敏感性分析方法，从时域电磁散射模拟测试入手，利用宽带窄脉冲信号对目标进行一次探测，对目标的一次回波响应信号进行时间反转与能量匹配，获取与目标散射中心分布最佳匹配的二次发射信号，通过二次发射实现扩展目标多散射中心贡献的宽带累积得益分析。本发明还将基于时域的时反分析方法推广到扫频信号，利用宽带扫频特性数据进行目标宽带累积得益分析。本发明还在方位角失配的情况下，通过分析窄脉冲响应信号、失配响应信号(分别作为扫频模拟测试时的一次、二次回波信号)的时域峰值和频谱峰值差异，对匹配接收响应信号(作为扫频模拟测试时的二次发射信号)的方位敏感性进行研究。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于时反的目标宽带累积得益及方位敏感性分析方法，包括：

S1、利用宽带窄脉冲信号PTX对目标进行一次探测，并接收对应的一次回波信号PRX；对所述一次回波信号PRX进行时间反转与能量匹配操作，生成时反匹配信号MTX；利用所述时反匹配信号MTX对目标进行二次探测，并接收对应的二次回波信号MRX；基于所述一次回波信号PRX、二次回波信号MRX分析目标宽带累积得益；

S2、为目标的宽带扫频散射特性数据设计对应的高斯窄脉冲信号，利用所述高斯窄脉冲信号对目标进行一次探测；基于第i方位角下的所述宽带扫频散射特性数据，生成第i方位角下目标对高斯窄脉冲信号的窄脉冲响应信号S

S3、将所述时反匹配信号S′

S4、将时反匹配信号S′

可选的，步骤S1中，时反匹配信号MTX的表达式为：

t为时间，a为宽带窄脉冲信号PTX相对一次回波信号PRX的能量归一化系数，

可选的，步骤S1中，基于一次回波信号PRX、二次回波信号MRX分析目标宽带累积得益，包括：

S11、分析一次回波信号PRX、二次回波信号MRX的时域峰值差异；

S12、获取一次回波信号PRX、二次回波信号MRX的频谱分布，分析一次回波信号PRX、二次回波信号MR的频谱峰值差异。

可选的，步骤S12中，通过离散时间序列的傅里叶变换，获取一次回波信号PRX、二次回波信号MRX的频谱分布。

可选的，步骤S2包括：

S21、为目标的宽带扫频散射特性数据设计对应的高斯窄脉冲信号，利用所述高斯窄脉冲信号对目标进行一次探测；

S22、通过傅里叶变换，将第i方位角下的宽带扫频散射特性数据转换为第i方位角下的一维距离像，将该一维距离像的横轴由径向距离改为时间，得到第i方位角下目标的冲击响应C

S23、对所述冲击响应C

S24、将高斯窄脉冲信号与冲击响应C

S25、对所述窄脉冲响应信号S

t为时间，β为冲击响应C

可选的，步骤S21中，高斯窄脉冲信号的时域波形为S

t为时间；π为圆周率；f

T

可选的，步骤S3包括：

S31、将时反匹配信号S′

S32、通过比较匹配接收响应信号S″

S33、获取匹配接收响应信号S″

可选的，步骤S4包括：

S41、将时反匹配信号S′

S42、比较失配响应信号S

S43、获取失配响应信号S

可选的，所述第一回波信号PRX包含目标的方位、距离、瞬态散射中的至少一个。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的基于时反的目标宽带累积得益及方位敏感性分析方法，在时域电磁散射模拟测试时，基于目标对宽带窄脉冲信号(时域电磁散射模拟测试的一次发射信号)响应的时反匹配信号(时域电磁散射模拟测试的二次发射信号)，分析匹配接收(二次发射信号匹配目标散射中心分布)时对二次回波能量峰值的提升效果。

本发明在扫频模拟测试时，基于任意频率的宽带扫频特性数据，为目标模拟生成对应的高斯窄脉冲信号(作为扫频模拟测试时的一次发射信号)，获取目标对高斯窄脉冲信号的窄脉冲响应信号，将该窄脉冲响应信号作为扫频模拟测试时的二次发射信号，分析方位角匹配、失配情况下，二次回波能量峰值的提升效果。本发明不受扫描步进频率限制，并能够获得目标宽带累积得益的方位敏感性，具有重要的研究价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明的基于时反的目标宽带累积得益及方位敏感性分析方法的流程图；

图1A为基于时域方法的目标宽带累积得益分析的流程图；

图1B为基于扫频特性数据的目标宽带累积得益分析的流程图；

图1C为一个实施例中，在方位角失配情况下，基于目标宽带累积得益分析方位角敏感性的流程图；

图2A、图2B分别为本发明实施例中，设计的相应高斯窄脉冲信号的时域波形、频谱的示意图；

图3为本发明实施例中，方位角0°下的目标一维距离像。

图4为方位角0°下，目标的冲击响应示意图；

图5A、图5B分别为方位角0°下，目标一次回波的时域波形、频谱的示意图；

图6为方位角0°下目标的时反匹配信号；

图7A、图7B为方位角0°下匹配接收响应的时域波形、频谱示意图。

图8A、图8B分别为方位角1°下，目标的一次回波的时域波形、频谱示意图；

图9A、图9B分别为利用方位角0°下的时反匹配信号，对方位角1°进行二次探测时的失配响应信号的时域图、频谱图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供一种基于时反的目标宽带累积得益及方位敏感性分析方法，如图1所示，包括：

S1、利用宽带窄脉冲信号PTX对目标进行一次探测，并接收对应的一次回波信号PRX；对所述一次回波信号PRX进行时间反转与能量匹配操作，生成时反匹配信号MTX；利用所述时反匹配信号MTX对目标进行二次探测，并接收对应的二次回波信号MRX；基于所述一次回波信号PRX、二次回波信号MRX分析目标宽带累积得益。

步骤S1为基于时域的目标宽带累积得益分析。时域电磁散射模拟测试中，如图1A所示，首先将宽带窄脉冲PTX作为一次发射信号，并且接受目标的一次回波信号PRX(即发射PTX，接收PRX)，这个过程称为先验信息捕获，在这个过程中我们能够从PRX中获得的目标属性包括：目标的方位，距离，目标的瞬态散射(方位相关)。

然后，将包含目标属性的一次回波信号PRX进行时间翻转，能量匹配后，获得时间反转匹配信号(简称为时反匹配信号)MTX。如图1A所示，将时反匹配信号MTX作为时域电磁散射模拟测试时的二次发射信号。对一次回波信号PRX进行能量匹配的目的是使一次发射信号的能量与二次发射信号的能量一致。最后，将时反匹配信号MTX再次作为二次发射信号，并接受二次回波信号MRX，进行时域仿真或测试。在这个过程中，目标将充当时间压缩矩阵，由于二次发射信号与目标散射中心分布之间的匹配性，扩展目标主要散射中心贡献将得到有效叠加，进而实现宽带累积得益。

时反匹配信号MTX的表达式为：

t为时间，a为宽带窄脉冲信号PTX相对一次回波信号PRX的能量归一化系数，

最后，基于一次回波信号PRX、二次回波信号MRX分析目标宽带累积得益，包括：

S11、分析一次回波信号PRX、二次回波信号MRX的时域峰值差异；

S12、通过离散时间序列的傅里叶变换，获取一次回波信号PRX、二次回波信号MRX的频谱分布，分析一次回波信号PRX、二次回波信号MRX的频谱峰值差异。

在已知信号(PRX、MRX)的时域形式的情况下，可通过时频域分析方法获取其频谱分布特性。时频域分析主要涉及到离散时间序列的傅里叶变换(DTFT)。通过DTFT可将得到的离散的时域散射回波信号变换到频谱上，从而获取时域形式信号的频谱分布。离散傅里叶变换的计算式为

式中，X(k)为频谱分布；k为频谱的采样点坐标；N为频率点数；x[n]为时域信号；n为时域信号的采样点坐标；e为指数函数；j为虚数单位；π为圆周率。

步骤S2至S4将基于时域的目标宽带累积得益分析方法推广到扫频信号，利用模拟的任意频率扫频特性数据对复杂扩展目标进行宽带累计得益分析。在实际微波暗室模拟测量过程中，由于测试系统大多采用步进频率扫描模式生成扫频信号，难以实现任意扫频信号波形的发射。本发明为拓展基于时间反转(简称时反)的目标宽带累积得益分析方法的应用范围，将基于时域的时反分析方法推广到扫频信号，结合基于扫频特性数据的时域波形响应转换方法，利用模拟的任意频率宽带扫频特性数据，实现了目标宽带累积得益分析。

基于扫频特性数据的时反信号对复杂扩展目标宽带累积得益的分析流程如下：

S2、为目标的宽带扫频散射特性数据设计对应的高斯窄脉冲信号，利用所述高斯窄脉冲信号对目标进行一次探测；基于第i方位角下的所述宽带扫频散射特性数据，生成第i方位角下目标对高斯窄脉冲信号的窄脉冲响应信号S

步骤S2包括：

S21、为目标的宽带扫频散射特性数据设计对应的高斯窄脉冲信号，将该高斯窄脉冲信号作为扫频模拟测试时的一次发射信号，对目标进行一次探测；

高斯窄脉冲信号的时域波形为S

t为时间；π为圆周率；f

T

S22、通过傅里叶变换，将第i方位角下的宽带扫频散射特性数据转换为第i方位角下的一维距离像，将该一维距离像的横轴由径向距离改为时间，得到第i方位角下目标的冲击响应C

S23、对所述冲击响应C

S24、将高斯窄脉冲信号与冲击响应C

步骤S22至S24，通过基于扫频特性数据的时域波形转换方法，获取目标对高斯窄脉冲信号的窄脉冲响应信号S

S25、对窄脉冲响应信号S

t为时间，β为冲击响应C

S3、将时反匹配信号S′

步骤S3在方位匹配的情况下，分析扫频模拟测试时的目标宽带累积得益。如图1B所示，步骤S3包括：

S31、将时反匹配信号S′

S32、通过比较匹配接收响应信号S″

S33、获取匹配接收响应信号S″

S4、将时反匹配信号S′

步骤S4在方位失配的情况下，基于目标宽带累积得益，实现时反匹配信号的方位敏感性分析。步骤S4包括：

S41、将时反匹配信号S′

S42、比较失配响应信号S

S43、获取失配响应信号S

图1C示出了本发明一个实施例中，在当第i方位角为角度1，第j方位角为角度2时，进行方位敏感性分析的流程图。

图2A、图2B分别示出了本发明实施例中，根据载频、带宽等预设的测试参数设计的相应高斯窄脉冲信号的时域波形、频谱的示意图。该高斯窄脉冲信号的中心频率为16GHz，脉冲宽度0.5ns，对应带宽2GHz，信号采样率100GHz。图3为本发明实施例中，方位角0°下，目标的一维距离像。

在微波暗室内对某目标的宽带散射特性进行测试，宽带扫频参数为15GHz～17GHz，方位角0°下获取的目标一维距离像如图3所示。根据目标的一维距离像，对方位角0°下目标的冲击响应进行提取，如图4所示，得到方位角0°下目标的冲击响应示意图。通过对图4所示的冲击响应与高斯窄脉冲信号的卷积处理，获取的方位角0°下目标对高斯窄脉冲信号的一次回波(前述的窄脉冲响应信号)，图5A、图5B分别为方位角0°下，该一次回波的时域波形、频谱的示意图。

图6为对方位角0°下目标的一次回波(也可以称一次响应)进行时间反转与能量匹配操作后得到的该观测角度下目标的时反匹配信号。图7为在方位角0°下，利用目标的时反匹配信号进行二次探测获取的匹配接收响应(即二次回波，也称二次响应)的时域波形、频谱示意图。相较于目标的一次响应，二次响应的时域峰值提升了57.46％(对应1.97dB)，频谱峰值提升了232.04％(对应5.21dB)。

本发明还在宽带累积得益分析方法的基础上，引入方位失配角的概念，实现了方位敏感性分析。图8A、图8B分别为方位角1°下，目标的一次回波(窄脉冲响应)的时域波形、频谱示意图。对标准宽带窄脉冲的时域响应和对应的频谱形式。以该一次回波的时反匹配信号作为标准的输入，对方位角度2下的目标进行再次探测，查看方位角度失配下目标的失配响应信号。图9A、图9B分别为利用方位角0°下一次回波的时反匹配信号，对方位角1°进行二次探测所获得的失配响应信号的时域图、频谱图。根据结果分析，相比于高斯窄脉冲信号的一次回波，方位失配1°情况下，在时域上仍能获得1.15dB峰值提升效果，在频谱上峰值提升效果达到4.47dB。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。