專利名稱：基于子空間投影的實孔徑前視成像方法
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的高分辨成像問題，可用于機載雷達監(jiān)視系統(tǒng)對沿航跡線方向的目標進行檢測與識別。
背景技術(shù)：
在未來瞬息萬變的現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭環(huán)境中，戰(zhàn)場信息復(fù)雜多變，戰(zhàn)機轉(zhuǎn)瞬即逝， 及時、正確地進行戰(zhàn)場檢測和戰(zhàn)術(shù)偵察關(guān)系到戰(zhàn)爭的成敗。因此，必然要求雷達成像系統(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，由于分布在航跡兩側(cè)的地面目標具有相同的多普勒歷程容易發(fā)生混疊，且目標的多普勒變化率很小，方位分辨率會迅速下降，形成前視“盲區(qū)”，而現(xiàn)有的合成孔徑雷達系統(tǒng)無法解決這一問題。因此， 如何更好地利用雷達系統(tǒng)對正前方目標實施有效的偵查，以獲取前視圖像已成為雷達界研究的熱點之一。針對前視成像問題，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)進行，該系統(tǒng)是指將發(fā)射機和接收機分別安裝在不同平臺上的合成孔徑雷達，其發(fā)射機和接收機可以有不同的空間位置和運動速度。發(fā)射機向觀測區(qū)域發(fā)射線性調(diào)頻信號；接收機接收地面回波信號并進行成像處理。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，才能實現(xiàn)前視成像，如發(fā)射機和接收機有各自獨立的飛行軌跡，不能重合，目標點在接收機航跡線沿地面的投影線上；運動誤差會極大地影響雙基地SAR的前視成像結(jié)果，必須進行運動補償，但是，雙基地SAR前視成像的運動補償分析復(fù)雜，相應(yīng)的補償技術(shù)和方案實施難度很大；現(xiàn)有的算法中，對雙基地SAR前視成像結(jié)果的幾何校正是不完善的，對幾何變形的類型和變形量沒有完整的理論分析；由于接收機和發(fā)射機置于不同的平臺上，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上的主要散射體，然后利用單脈沖測角技術(shù)獲得散射點偏離波束中心的角度，進而用于目標定位。盡管單脈沖測角在理論上具有很高的測量精度，但是在實際應(yīng)用中，往往存在以下的局限性在復(fù)雜形狀目標相對雷達運動時，會引起目標視在中心與目標實際中心的偏離，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)無法對同一距離單元內(nèi)的不同散射中心分別測角，只能得到等效散射點的位置，降低了測角精度；當(dāng)同一波束內(nèi)存在多個目標時，測角精度會急劇下降甚至無法準確檢測出目標的位置，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或多個能量相似的目標時，測角精度尤為低下；單脈沖前視成像中，每個測角坐標平面通常都要采用兩個獨立的接收支路，即方位平面內(nèi)的兩個支路和俯仰平面內(nèi)的兩個支路，系統(tǒng)復(fù)雜。3.實孔徑解卷積前視成像方法。是將雷達傳感器輸出的回波信號在方位域視為發(fā)射信號與目標角度信息的卷積，在距離域視為發(fā)射信號與目標距離向信息的卷積，因此理論上可以通過解卷積的方法得到目標的準確位置信息。這種方法操作簡單，無需進行運動補償，系統(tǒng)計算分析難度小。但是，在解卷積過程中也會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，目標分辨效果較差；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互質(zhì)條件， 當(dāng)多通道不能滿足強互質(zhì)條件時，解卷積后信噪比仍會大大降低，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孔徑前視成像方法，以實現(xiàn)機載雷達前視高分辨成像，降低噪聲干擾，提高主瓣內(nèi)鄰近目標的分辨精度。本發(fā)明的技術(shù)方案是首先對地面監(jiān)視區(qū)域進行順序重疊掃描，獲取雷達回波數(shù)據(jù)；然后提取回波數(shù)據(jù)的強度矢量；最后利用一種基于子空間投影的陣列高分辨方法對回波強度矢量進行處理，實現(xiàn)機載雷達前視高分辨成像，其具體步驟包括如下(I)通過雷達波束的等間距發(fā)射，對地面監(jiān)視區(qū)域進行順序重疊掃描，獲取雷達回波數(shù)據(jù)Y ；(2)對回波數(shù)據(jù)Y進行取模運算，提取其強度矢量X :x=|Y (k) I,其中，I · I表示取模運算，k= 1，2，...，K，K表示回波數(shù)據(jù)的長度；(3)求取回波強度矢量X的自相關(guān)矩陣Rx Rx = E [XXs],其中，X表示回波強度矢量，(，^表示共軛轉(zhuǎn)置，Ε[·]表示期望值；(4)對自相關(guān)矩陣Rx進行特征分解，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個特征值，Vj表示第j個特征向量，(·)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)整特征向量順序為=V1, V2, , vN_p，vN_p+1，, vN，用前N-P個小特征值對應(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孔徑前視成像方法，包括如下步驟(1)通過雷達波束的等間距發(fā)射，對地面監(jiān)視區(qū)域進行順序重疊掃描，獲取雷達回波數(shù)據(jù)Y ；(2)對回波數(shù)據(jù)Y進行取模運算，提取其強度矢量X:X = |Y(k) |，其中，I · I表示取模運算，k= 1，2，...，K，K表示回波數(shù)據(jù)的長度；(3)求取回波強度矢量X的自相關(guān)矩陣RxRx = E [XXs]，其中，X表示回波強度矢量，(· )H表示共軛轉(zhuǎn)置，E[ ·]表示期望值；(4)對自相關(guān)矩陣Rx進行特征分解，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個特征值，'表示第j個特征向量，(《^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)整特征向量順序為ν1; ν2, , vN_p, vN_p+1, . . . , vN,用前N-P個小特征值對應(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孔徑前視成像方法，主要解決飛行軌跡正前方目標的高分辨成像問題。其檢測過程為1)等間距發(fā)射雷達波束，對地面監(jiān)視區(qū)域進行順序重疊掃描，獲取雷達回波數(shù)據(jù)；2)通過取模運算，提取回波數(shù)據(jù)的強度矢量；3)求取回波強度矢量的自相關(guān)矩陣；4)對自相關(guān)矩陣進行特征分解；5)用小特征值對應(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)目確定信號的個數(shù)，實現(xiàn)前視成像。本發(fā)明具有提高主瓣內(nèi)鄰近目標分辨精度的優(yōu)點，可用于機載雷達監(jiān)視系統(tǒng)實現(xiàn)航跡線方向目標檢測與識別的成像領(lǐng)域。
文檔編號G01S7/41GK102608598SQ201210072599
公開日2012年7月25日 申請日期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 申請人:西安電子科技大學(xué)