專利名稱：裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波成像技術(shù)領(lǐng)域，是一種裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像方法及裝置。本發(fā)明基于稀疏微波成像體制，雷達(dá)信號(hào)源采用正交編碼信號(hào)，利用單天線發(fā)射正交編碼波形，利用多天線接收?qǐng)鼍盎夭?，利用稀疏信?hào)處理的I,正則化算法成像，實(shí)現(xiàn)慢速平臺(tái)條件下的高分辨雷達(dá)成像。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的微波成像雷達(dá)都是通過發(fā)射天線對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景發(fā)射電磁波脈沖，并利用接收天線接收回波信息。回波信息經(jīng)過采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存，計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景成像。在這個(gè)成像過程中有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就是在距離向的匹配濾波和在方位向的合成孔徑。為滿足這兩個(gè)技術(shù)的要求，勻速直線的合成孔徑運(yùn)動(dòng)以及具有良好匹配濾波性能的發(fā)射波形就成為了傳統(tǒng)成像雷達(dá)的必需要求。傳統(tǒng)成像雷達(dá)一般采用線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)信號(hào)源進(jìn)行匹配濾波實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率。線性調(diào)頻信號(hào)又稱為chirp信號(hào)，chirp信號(hào)有著一個(gè)很好的特征，就是優(yōu)良的自相關(guān)性。對(duì)接收回波進(jìn)行chirp匹配濾波(求取自相關(guān)函數(shù))，理想情況下，在有回波的時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)一個(gè)sine脈沖，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分辨。其分辨率只與發(fā)射信號(hào)的帶寬有關(guān)，從而突破距離向分辨率和系統(tǒng)信噪比的矛盾，實(shí)現(xiàn)距離向高分辨。而方位向的分辨率在理論上與天線的主瓣方向角相關(guān)。要達(dá)到較高的分辨率，理論上需要數(shù)十千米量級(jí)的巨大天線，為了解決這個(gè)問題，Wiley提出了合成孔徑的概念，讓天線和觀測(cè)場(chǎng)景做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每隔一定時(shí)間發(fā)射一個(gè)觀測(cè)脈沖，達(dá)到在方位向合成一個(gè)虛擬的大口徑天線的目的。通過相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)合成孔徑后，方位向信號(hào)也可以在數(shù)學(xué)上表達(dá)為chirp信號(hào)的形式，從而同樣可以通過匹配濾波的技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，數(shù)學(xué)證明其方位向分辨率可以達(dá)到天線實(shí)孔徑的一半，實(shí)現(xiàn)方位向高分辨(Ian Cumming andFrank Wong, Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data !Algorithms andImplementation, Artech House, 2005，MA02062.)。可以看到，匹配濾波和合成孔徑分別是成像雷達(dá)在方位向和距離向上實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的基礎(chǔ)工具。但為了實(shí)現(xiàn)合成孔徑，要么需要將雷達(dá)系統(tǒng)置于在一定速度下運(yùn)行的平臺(tái)上，例如航空器、衛(wèi)星；要么將系統(tǒng)靜止，則只能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像，這就是逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)。這大大限制了成像雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。而如果將雷達(dá)部署在慢速平臺(tái)上，如飛艇、車輛、艦船等，甚至保持雷達(dá)天線和成像場(chǎng)景相對(duì)靜止，則同一個(gè)距離門內(nèi)的目標(biāo)將無法分辨，造成實(shí)孔徑成像的方位向模糊；或無法達(dá)到很高的PRF，造成脈沖積累不夠，方位向分辨率嚴(yán)重不足。因此，為實(shí)現(xiàn)慢速平臺(tái)微波成像，須采用新的成像雷達(dá)體制。稀疏微波成像是 我國科學(xué)家首先提出的一種微波成像的新的理論、體制和方法。所謂稀疏微波成像，是指將稀疏信號(hào)處理理論(Sparse Signal Processing)的最新成果，尤其是壓縮感知(Compressive Sensing)技術(shù),引入微波成像并有機(jī)結(jié)合形成的微波成像新理論、新體制和新方法，即通過尋找被觀測(cè)對(duì)象的稀疏表征域，在空間、時(shí)間、頻譜或極化域稀疏采樣獲取被觀測(cè)對(duì)象的稀疏微波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理和信息提取，獲取被觀測(cè)對(duì)象的空間位置、散射特征和運(yùn)動(dòng)特性等幾何與物理特征。稀疏微波成像不僅是對(duì)微波成像新概念、新體制的探索研究，而且與應(yīng)用實(shí)踐密切相關(guān)，直接進(jìn)行方法研究或完全基于理論和算法的基礎(chǔ)研究都不能完整地回答稀疏微波成像的具體內(nèi)涵。稀疏微波成像理論認(rèn)為，在很多情況下，例如海洋目標(biāo)監(jiān)測(cè)、空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等應(yīng)用中，所觀測(cè)的場(chǎng)景中均存在很強(qiáng)的稀疏性，所得采樣數(shù)據(jù)若按照常規(guī)采樣約束將存在很大的冗余；而非稀疏的場(chǎng)景，也存在找到稀疏變換基而得到其稀疏表征的可能性(類似圖像處理中的DCT基或小波基)。在滿足稀疏觀測(cè)約束的條件下，運(yùn)用稀疏信號(hào)處理的最新理論成果，有可能實(shí)現(xiàn)大幅降低系統(tǒng)采樣率與系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)不降低圖像的成像質(zhì)量。對(duì)于傳統(tǒng)的成像雷達(dá)，沒有運(yùn)用在慢速平臺(tái)上的可能性；而在稀疏微波成像體制下，有實(shí)現(xiàn)慢速平臺(tái)成像的可能性。稀疏微波成像采用稀疏信號(hào)處理的正則化重建算法取代了傳統(tǒng)的匹配濾波成像算法。其成像性能由系統(tǒng)的觀測(cè)矩陣決定。只要構(gòu)造出合適的慢速平臺(tái)稀疏微波成像觀測(cè)矩陣，高分辨成像將成為可能。本發(fā)明采用多收發(fā)天線與正交編碼信號(hào)發(fā)射波形實(shí)現(xiàn)高性能觀測(cè)矩陣的構(gòu)建。正交編碼信號(hào)是一種在通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用的信號(hào)波形。其基本概念為:對(duì)于一族信號(hào){Sigk ( τ )}，k e K，如果滿足:
權(quán)利要求
1.一種裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像方法，其特征在于，所述稀疏微波成像步驟如下: 步驟S1:信號(hào)源構(gòu)造裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的發(fā)射波形為一族正交編碼信號(hào) 1;(0，其中有1^個(gè)正交編碼信號(hào)，1^=1...1(，τ為快時(shí)間； 步驟S2:信號(hào)源構(gòu)造的正交編碼信號(hào)依次序從裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的單一發(fā)射天線發(fā)出并照射場(chǎng)景，直至觀測(cè)值數(shù)目已滿足稀疏微波成像觀測(cè)約束； 步驟S3:在裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)中，設(shè)有多個(gè)接收天線，記第m個(gè)接收天線接收到的由點(diǎn)目標(biāo)i反射的回波為幻表達(dá)式為:
2.如權(quán)利要求1所述的裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像方法，其特征在于，步驟S4對(duì)裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)回波數(shù)據(jù)sm( τ，k)進(jìn)行采樣的時(shí)間f為:
3.如權(quán)利要求2所述的裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像方法，其特征在于，步驟S4第m個(gè)接收天線所接收的雷達(dá)回波的采樣數(shù)據(jù)P(t/)表示為:
4.如權(quán)利要求2所述的裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像方法，其特征在于，觀測(cè)矩陣Ψ表達(dá)式如下:
5.如權(quán)利要求4所述的裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像方法，其特征在于，采用I,正則化算法求解〗 = Ψσ，其中場(chǎng)景反射的雷達(dá)回波的采樣數(shù)據(jù)5和觀測(cè)矩陣Ψ已知，σ為待求解的未知量為后向散射系數(shù)；記解得重建的場(chǎng)景目標(biāo)后向散射系數(shù)為< ，斤為σ在可接受誤差下的良好近似:
6.一種裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像裝置，其特征在于，所述裝置包括:低噪聲放大器、解調(diào)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣器、基于I,正則化的信號(hào)處理器、正交編碼信號(hào)族單元、直接數(shù)字合成/鎖相環(huán)合成模擬信號(hào)單元、調(diào)制器、功率放大器和收/發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)并載于慢速平臺(tái)上組成，其中: 低噪聲放大器，其輸入端與接收天線連接，接收并對(duì)場(chǎng)景反射的成像雷達(dá)回波進(jìn)行放大，獲得場(chǎng)景反射的成像雷達(dá)回波的模擬信號(hào)； 解調(diào)器，其輸入端與低噪聲放大器的輸出端連接，接收并對(duì)場(chǎng)景反射的成像雷達(dá)回波的模擬信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)，獲得正交解調(diào)的模擬信號(hào)； 數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣器，其輸入端與解調(diào)器的輸出端連接，接收并將正交解調(diào)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字成像雷達(dá)回波信號(hào)； 正交編碼信號(hào)族單元，輸出正交編碼族數(shù)字信號(hào)和參考信號(hào)； 直接數(shù)字合成/鎖相環(huán)合成模擬信號(hào)單元，其輸入端與正交編碼信號(hào)族單元的輸出端連接，接收并將正交編碼信號(hào)族數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)； 調(diào)制器，其輸入端與直接數(shù)字合成/鎖相環(huán)合成模擬信號(hào)單元的輸出端連接，接收并對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制并搬移到射頻，獲得射頻信號(hào)； 功率放大器，其輸入端與調(diào)制器的輸出端連接，接收并對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，獲得放大射頻信號(hào)；收/發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)，與功率放大器、發(fā)送/接收天線和多個(gè)接收天線連接，用于實(shí)現(xiàn)接收天線的雙工復(fù)用；在發(fā)射信號(hào)時(shí)，接收功率放大器輸出的放大射頻信號(hào)并將發(fā)送/接收天線與功率放大器連通，實(shí)現(xiàn)發(fā)射正交編碼信號(hào)族，并將發(fā)送/接收天線與低噪聲放大器斷開，使得接收天線發(fā)射與接收天線接收互不干擾；將多個(gè)接收天線與低噪聲放大器相連，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景反射的成像雷達(dá)回波的接收； 基于I,正則化的信號(hào)處理器，其輸入端分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣器和正交編碼信號(hào)族單元的輸出端連接，接收并對(duì)數(shù)字成像雷達(dá)回波信號(hào)和正交編碼信號(hào)族單元輸出的參考信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，生成并輸出裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的圖像。
7.如權(quán)利要求6所述裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像裝置，其特征在于:所述慢速平臺(tái)是飛艇、車輛、 艦船、地面固定平臺(tái)的慢速運(yùn)動(dòng)運(yùn)載平臺(tái)。
全文摘要
本發(fā)明公開裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像方法，其步驟描述如下步驟S1，信號(hào)源構(gòu)造裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的發(fā)射波形為一族正交編碼信號(hào)；步驟S2，信號(hào)源構(gòu)造的正交編碼信號(hào)依次序從裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的單一發(fā)射天線發(fā)出并照射場(chǎng)景，直至觀測(cè)值數(shù)目已滿足稀疏微波成像觀測(cè)約束；步驟S3，多個(gè)接收天線接收?qǐng)鼍胺瓷涞某上窭走_(dá)回波，建立回波的數(shù)學(xué)模型；步驟S4，對(duì)回波進(jìn)行采樣，構(gòu)建成像雷達(dá)的觀測(cè)矩陣；步驟S5，采用lq正則化算法重建場(chǎng)景信息，實(shí)現(xiàn)高分辨成像。本發(fā)明還提供裝載于慢速平臺(tái)上的成像雷達(dá)的稀疏微波成像裝置。
文檔編號(hào)G01S13/89GK103197312SQ20131011711
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者張冰塵, 洪文, 吳一戎, 張柘 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所