本發(fā)明涉及雷達成像以及微多普勒效應(yīng)領(lǐng)域,具體涉及一種消除目標(biāo)微動對雷達成像干擾的方法。
背景技術(shù):
在(逆)合成孔徑雷達成像中,目標(biāo)的運動可以被分解為平動和轉(zhuǎn)動兩個部分。目標(biāo)的平動對所有的散射點產(chǎn)生相同的多普勒偏移,因此,平動分量對雷達成像不會有任何貢獻。目標(biāo)的轉(zhuǎn)動分量會使回波產(chǎn)生不同的包絡(luò)延時和相位。由于目標(biāo)的平動會使回波產(chǎn)生距離徙動,導(dǎo)致不能獲得一幅很好的聚焦圖像,因此,需要對首先需要對平動分量進行補償。運動補償包括兩部分:包絡(luò)對齊和相位校正。通過運動補償之后便可以獲得一個理想的轉(zhuǎn)臺模型,最后采用傳統(tǒng)的距離多普勒算法(參考文獻[1]:v.c.chen,andmarcomartorella,inversesyntheticapertureradarimagingprinciples,algorithms,andapplications.edison,nj:scitechpublishing,2014.)就可以得到清晰的成像結(jié)果。
實際上,很多成像目標(biāo)可能存在一些局部運動,例如機械振動、轉(zhuǎn)動、搖動、進動等等。這些運動疊加在整個目標(biāo)的平動分量和轉(zhuǎn)動分量之上。這些局部運動被稱作微動,由微動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)被稱為微多普勒效應(yīng)(參考文獻[2]:v.c.chen,“analysisofradarmicro-dopplersignaturewithtime–frequencytransform,”inproc.ieeestatisticalsignalarrayprocess.,2000,pp.463–466.,參考文獻[3]:v.c.chen,f.li,s.-s.hoetal.,“analysisofmicro-dopplersignatures,”proc.inst.electr.eng.—radarsonarnavig.,vol.150,no.4,pp.271–276,aug.2003.;參考文獻[4]:t.sparrandb.krane,“micro-doppleranalysisofvibratingtargetsinsar,”proc.inst.electr.eng.—radarsonarnavig.,vol.150,no.4,pp.277–283,aug.2003.;參考文獻[5]:v.c.chen,f.li,s.-s.hoetal.,“micro-dopplereffectinradar:phenomenon,model,andsimulationstudy,”ieeetrans.aerosp.electron.syst.,vol.42,no.1,pp.2–21,jan.2006.)。不同的目標(biāo)有它們特有的微多普勒特征,可以根據(jù)不同的微多普勒特征對目標(biāo)進行識別和分類。由于微多普勒效應(yīng)的存在,雷達獲得的目標(biāo)成像可能會變得很模糊,以至于很難對目標(biāo)進行識別,所以需要將微多普勒效應(yīng)消除。為了達到這個目的,首先需要將回波中的微多普勒成分進行分離。
在最近這些年,很多微多普勒分離算法被提出。雷達回波被分解為一系列的chirplet函數(shù)(參考文獻[6]:j.liandh.ling,“applicationofadaptivechirpletrepresentationforisarfeatureextractionfromtargetswithrotatingparts,”proc.inst.electr.eng.—radarsonarnavig.,vol.150,no.4,pp.284–291,aug.2003.),通過不同的線性調(diào)頻率可以將主體部分和微動部分進行分離,不過該算法需要耗費很長的時間?;陬l譜的階數(shù)統(tǒng)計方法被用來對目標(biāo)主體和微動部分進行分離(參考文獻[7]:l.stankovic,i.cdjurovi,t.thayaparanetal.,“separationoftargetrigidbodyandmicro-dopplereffectsinisarimaging,”ieeetrans.aerosp.electron.syst.,vol.42,no.4,pp.1496–1506,oct.2006.),然后使用逆radon變換來估計微多普勒參數(shù)。空軍工程大學(xué)的張群教授采用hough變換的方法實現(xiàn)了目標(biāo)微多普勒特征的提取(參考文獻[8]:q.zhang,t.s.yeo,h.s.tanetal.,“imagingofamovingtargetwithrotatingpartsbasedonthehoughtransform,”ieeetrans.geosci.remotesens.,vol.46,no.1,pp.291–299,jan.2008.)。通過采用短時傅里葉變換獲得時頻圖,然后在時頻域采用基于l統(tǒng)計的方法或者基于直方圖分析的方法提取目標(biāo)的主體部分(參考文獻[9]:l.stankovic,t.thayaparan,m.dakovicandv.popovic-bugarin,“micro-dopplerremovalintheradarimaginganalysis,”ieeetrans.aerosp.electron.syst.,vol.49,no.2,pp.1234–1250,apr.2013.;參考文獻[10]:r.zhang,g.li,y.zhang,“micro-dopplerinterferenceremovalviahistogramanalysisintime-frequencydomain,”ieeetrans.aerosp.electron.syst.,vol.52,no.2,pp.755–768,apr.2016.)。以上這些方法都只是被用在了仿真數(shù)據(jù)中,而沒有實驗數(shù)據(jù),缺乏說服力。
西安電子科技大學(xué)的白雪茹教授將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法推廣到復(fù)數(shù)的情況,提出了復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法,并采用復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法實現(xiàn)了目標(biāo)主體部分和微動部分的分離(參考文獻[11]:x.bai,m.xing,f.zhou,g.lu,andz.bao,“imagingofmicromotiontargetswithrotatingpartsbasedonempirical-modedecomposition,”ieeetrans.geosci.remotesens.,vol.46,no.11,pp.3514–3523,nov.2008.),得到了很好的成像結(jié)果。傳統(tǒng)的傅里葉變換、小波變換只適用于線性、平穩(wěn)的信號,而復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法不僅適用于線性、平穩(wěn)的信號,同時也適用于非線性、非平穩(wěn)的信號。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有消除目標(biāo)微動對雷達成像干擾的方法存在的上述缺陷,提出一種消除目標(biāo)微動對雷達成像影響的方法,為消除微多普勒效應(yīng)對(逆)合成孔徑雷達成像的干擾,獲得更好的成像結(jié)果提供了新的技術(shù)途徑。該方法將konstantindragomiretskiy和dominiquezosso提出的變分模態(tài)分解推廣到復(fù)數(shù)的情況下,提出了復(fù)變分模態(tài)分解,因為在實際的雷達信號處理時采用的是i和q兩個通道,所以實際的雷達信號是復(fù)數(shù)。通過建立仿真模型和實際的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果,有效地驗證了本發(fā)明所提出的方法的有效性。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提出了一種消除目標(biāo)微動對雷達成像干擾的方法,所述方法包括:
步驟1)雷達發(fā)射m個相同的n維離散化線性調(diào)頻信號;將發(fā)射出的信號與接收到的回波信號經(jīng)過匹配濾波后,得到一個m行n列的二維距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù);
步驟2)分別對每一列距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù)進行復(fù)變分模態(tài)分解,得到q個模函數(shù),計算所分解出的每一個模函數(shù)的能量,并求得每一個模函數(shù)的能量占所有模函數(shù)能量總和的比值;將比值高于閾值的模函數(shù)進行相加合成,得到一個新的m行n的二維距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù);
步驟3)將步驟2)獲得的m行n列的二維距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù)進行加窗處理,然后沿著方位向進行傅立葉變換得到逆合成孔徑雷達成像。
上述技術(shù)方案中,所述步驟1)包括:
步驟101)產(chǎn)生m個相同基帶線性調(diào)頻信號,對每個信號進行離散化;
所述的基帶線性調(diào)頻信號表示如下:
其中的rect表示的是矩形窗函數(shù),數(shù)學(xué)表達如下:
公式(1)中
對信號
步驟102)將獲得的離散基帶線性調(diào)頻信號序列
式中,fc表示載波的頻率,t表示全時間;
發(fā)射信號
步驟103)將所述步驟102)獲得的離散接收信號序列
步驟104)接收信號經(jīng)過下變頻后變?yōu)榱嘶鶐盘?,將基帶信?imgfile="bda0001265776310000049.gif"wi="83"he="61"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>與步驟101)保存的基帶信號
步驟105)將m個
上述技術(shù)方案中,所述步驟2)具體包括:
步驟201)選定模函數(shù)個數(shù)q,對每一列距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù)進行復(fù)變分模態(tài)分解,得到q個模函數(shù);
步驟202)計算所分解出的每一個模函數(shù)的能量,并求得每一個模函數(shù)的能量占所有模函數(shù)能量總和的比值;
步驟203)將比值高于閾值的模函數(shù)進行相加合成,得到n個列向量
上述技術(shù)方案中,所述q的取值為20。
上述技術(shù)方案中,所述步驟201)的具體實現(xiàn)過程為:
回波數(shù)據(jù)矩陣
上式中,
其中,f表示要進行變分模態(tài)分解的實信號;uk是將原信號f分解后的第k,k=1…q個模函數(shù)的信號,ωk是信號uk的主要頻率成分。
上述技術(shù)方案中,所述步驟3)的加窗處理為漢寧窗。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
本發(fā)明提出的方法適用于非線性、非平穩(wěn)的信號,通過仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)證明,本發(fā)明的方法能夠消除目標(biāo)微動對雷達成像的干擾,獲得更清晰的目標(biāo)主體成像結(jié)果。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的消除目標(biāo)微動對雷達成像干擾的方法的流程圖;
圖2為轉(zhuǎn)動目標(biāo)模型圖;
圖3為理想公式的時頻分析結(jié)果;
圖4為理想公式經(jīng)復(fù)變分模態(tài)分解后各模函數(shù)的能量所占所有模函數(shù)能量總和的比值;
圖5為理想公式經(jīng)復(fù)變分模態(tài)分解后提出的主體部分的時頻圖;
圖6為理想公式經(jīng)復(fù)變分模態(tài)分解后提出的微動部分的時頻圖;
圖7為仿真點目標(biāo)的位置坐標(biāo);
圖8為仿真點目標(biāo)的成像結(jié)果;
圖9為仿真點目標(biāo)經(jīng)復(fù)變分模態(tài)分解后提取出的主體部分的成像結(jié)果;
圖10為仿真點目標(biāo)經(jīng)復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后提取出的主體部分的成像結(jié)果;
圖11為卡車實驗數(shù)據(jù)的成像結(jié)果;
圖12為卡車實驗數(shù)據(jù)第120個距離單元的時頻圖;
圖13為卡車實驗數(shù)據(jù)經(jīng)復(fù)變分模態(tài)分解后提取出的主體部分的成像結(jié)果;
圖14為卡車實驗數(shù)據(jù)經(jīng)復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后提取出的主體部分的成像結(jié)果。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細的說明。
如圖1所示,一種消除目標(biāo)微動對雷達成像干擾的方法,所述方法包括:
步驟1)雷達發(fā)射m個相同的n維離散化線性調(diào)頻信號;將發(fā)射出的信號與接收到的回波信號經(jīng)過匹配濾波后,得到一個m行n列的二維距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù),將此回波數(shù)據(jù)矩陣表示為
步驟101)產(chǎn)生m個相同基帶線性調(diào)頻信號,對每個信號進行離散化;
雷達發(fā)射一次線性調(diào)頻信號只能實現(xiàn)高距離分辨率,對不同方位向位置的目標(biāo)依然不能進行識別,所以無法實現(xiàn)成像。要想獲得目標(biāo)的成像結(jié)果,需要發(fā)射一簇這樣的線性調(diào)頻信號。發(fā)射的m個線性調(diào)頻信號是按照一個固定周期發(fā)射出去的,且下一個發(fā)射信號發(fā)射出去之前,雷達已經(jīng)接收到前一個發(fā)射信號的回波。
所述的基帶線性調(diào)頻信號表示如下:
其中的rect表示的是矩形窗函數(shù),數(shù)學(xué)表達如下:
公式(1)中
對信號
步驟102)將獲得的離散的基帶線性調(diào)頻信號序列
式中,fc表示載波的頻率,t表示全時間;
發(fā)射信號
步驟103)將所述的步驟102)獲得的離散接收信號序列
步驟104)接收信號經(jīng)過下變頻后變?yōu)榱嘶鶐盘?,將基帶信?imgfile="bda00012657763100000712.gif"wi="83"he="59"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>與步驟101)保存的基帶信號
步驟105)將m個
步驟2)選取模函數(shù)個數(shù)q,分別對每一列距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù)進行復(fù)變分模態(tài)分解,得到q個模函數(shù),計算所分解出的每一個模函數(shù)的能量,并求得每一個模函數(shù)的能量占所有模函數(shù)能量總和的比值,比值高于閾值的模函數(shù)被認(rèn)為是目標(biāo)主體所產(chǎn)生的,將比值高于閾值的模函數(shù)進行相加合成,得到一個新的m行n的二維距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù);具體包括:
步驟201)選定合適的模函數(shù)個數(shù)q,對每一列距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù)進行復(fù)變分模態(tài)分解,得到q個模函數(shù);
變分模態(tài)分解算法可以將一個信號從低頻往高頻分離開。對有微動的距離單元進行時頻分析時,可以從時頻圖中很好地獲取微多普勒的信息,目標(biāo)主體部分在時頻圖中會相對集中,而微動部分的在時頻圖中會比較分散,因此為了很好得將目標(biāo)主體部分提取出來,所分解的模態(tài)數(shù)不宜太小,但是太大也會增加計算量,本發(fā)明將分解的模態(tài)數(shù)設(shè)定為q=20;
步驟202)計算所分解出的每一個模函數(shù)的能量,并求得每一個模函數(shù)的能量占所有模函數(shù)能量總和的比值;
選取回波數(shù)據(jù)矩陣
上式中,
其中,f表示要進行變分模態(tài)分解的實信號;uk是將原信號f分解后的第k(k=1…20)個模函數(shù)的信號,ωk是信號uk的主要頻率成分。
計算每一個復(fù)值模函數(shù)的能量以及所占所有20個復(fù)值模函數(shù)能量總和的比值。
步驟203)選取一個合適的能量比值的閾值,比值高于閾值的模函數(shù)被認(rèn)為是目標(biāo)主體所產(chǎn)生的,將比值高于閾值的模函數(shù)進行相加合成,得到n個列向量
步驟3)將所述的步驟2)獲得的m行n列的二維距離-慢時間域的回波數(shù)據(jù)
圖2為轉(zhuǎn)動目標(biāo)模型圖。該模型假設(shè)目標(biāo)的平動已經(jīng)被補償。點q(xq,yq)代表目標(biāo)主體點,點p(xp,yp)代表目標(biāo)微動點,原點o是理想轉(zhuǎn)臺模型目標(biāo)主體點的旋轉(zhuǎn)中心,rq,是點q的旋轉(zhuǎn)半徑,ωo是目標(biāo)主體點的旋轉(zhuǎn)角速度,uo′v是微動點所在的參考坐標(biāo)系,o′是微動點的旋轉(zhuǎn)中心,rp是微動點的旋轉(zhuǎn)半徑,ωp是微動點的旋轉(zhuǎn)角速度,ωp遠比ωo大。該模型中,點q代表了目標(biāo)主體部分,目標(biāo)主體運動可以被分解為平動分量和轉(zhuǎn)動分量,平動分量對成像會產(chǎn)生干擾,因此假設(shè)這里的平動分量已經(jīng)被補償,只剩下轉(zhuǎn)動分量,相當(dāng)于目標(biāo)主體繞著o點進行旋轉(zhuǎn)運動,點p也是目標(biāo)的一部分,但是點p在主體運動的基礎(chǔ)上還具有自己的運動,比如卡車車輪的轉(zhuǎn)動、直升機旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)動等等,這里假設(shè)點p繞著點o′作快速旋轉(zhuǎn)運動。
圖3為根據(jù)公式s(t)=exp(-j70sin(3πt))+1進行的時頻分析結(jié)果,相干時間為1s,采樣率為256;圖4為對圖3的信號進行復(fù)變分模態(tài)分解后所得到的20個模函數(shù)的能量占所有模函數(shù)能量總和的比值,從該圖可以看出,占據(jù)目標(biāo)主體部分的模函數(shù)(即第一個模函數(shù))的能量占據(jù)了大部分能量,將閾值設(shè)為0.1,就可以將目標(biāo)主體部分和微動部分分離開;圖5為通過變分模態(tài)分解算法提取出的目標(biāo)主體部分的時頻圖;圖6為通過變分模態(tài)分解算法提取出的微動部分的時頻圖。
圖7為仿真的點目標(biāo)位置;圖8為采用線性調(diào)頻信號進行的點目標(biāo)仿真的成像結(jié)果;圖9為采用復(fù)變分模態(tài)分解算法提取出的目標(biāo)主體部分;圖10為采用西安電子科技大學(xué)白雪茹教授提出的復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法提取出的目標(biāo)主體部分。五個散射點的旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)都為(0,0),中間的散射點代表微動點,微動點的旋轉(zhuǎn)半徑為0.25m,旋轉(zhuǎn)頻率為6.67hz,其余的四個散射點代表目標(biāo)主體,坐標(biāo)分別為(25,0)、(-25,0)、(0,-25)和(0,25),旋轉(zhuǎn)頻率為0.02hz,雷達載頻為10ghz,系統(tǒng)帶寬為500mhz,整個成像相干積累時間為0.256s,脈沖重復(fù)頻率為2000hz,微動點的后向散射系數(shù)是目標(biāo)主題點散射系數(shù)的一半。圖7采用的是傳統(tǒng)距離多普勒算法獲得的成像結(jié)果。從圖8可以看出,由于微動點的存在,成像結(jié)果出現(xiàn)了一條長的陰影帶,干擾了主體部分的成像。從圖9和圖10可以看出,本發(fā)明提出的基于復(fù)變分模態(tài)分解算法具有比復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法更好的消除微多普勒效應(yīng)對(逆)合成孔徑雷達成像的干擾的效果。
圖11為一輛卡車的實驗成像結(jié)果;圖12為第120個距離單元的時頻分析結(jié)果;圖13為采用本發(fā)明提出的基于復(fù)變分模態(tài)分解算法對卡車實驗數(shù)據(jù)進行分析后提取出的卡車主體部分成像結(jié)果;圖14為采用復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法對卡車實驗數(shù)據(jù)進行分析后提取出的卡車主體部分成像結(jié)果。雷達系統(tǒng)采用的是ka波段的工作頻率,信號為調(diào)頻步進信號,系統(tǒng)帶寬為2ghz,子脈沖的個數(shù)是20個,子脈沖的帶寬是110mhz,載頻從33ghz到35ghz,按照100mhz遞增,相鄰子脈沖的時間間隔是70μs,脈沖重復(fù)頻率是500hz,整個成像的相干積累時間是1.4s。在圖11中,左邊代表著卡車的車頭部分,右邊代表著卡車的車尾部分,在第95個距離單元和第120個距離單元附近出現(xiàn)了比較長的陰影帶,這是由于卡車兩個前輪的快速轉(zhuǎn)動所引起的,這會干擾卡車主體部分的成像。取出第120個距離單元進行時頻分析,分析結(jié)果如圖12所示,從該圖可以看出,目標(biāo)主體部分集中在零多普勒頻率附近,在偏離零多普勒頻率較遠的位置有卡車車輪快速轉(zhuǎn)動引起的額外的多普勒頻率成分。從圖13和圖14可以看出,本發(fā)明提出的基于復(fù)變分模態(tài)分解算法具有比復(fù)經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法更好的消除微多普勒效應(yīng)對(逆)合成孔徑雷達成像的干擾的效果。
本發(fā)明所提出的消除目標(biāo)微動對雷達成像影響的方法,雖然分析時采用的是線性調(diào)頻信號,但是同樣也適用于步進頻信號、調(diào)頻步進信號等其他雷達體制,實驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果就很好地驗證了這一點。同時,本發(fā)明分析時雖然使用的都是轉(zhuǎn)動目標(biāo)模型,但是本發(fā)明同樣適用于其他的微動形式,比如振動、進動等等。本發(fā)明所提出的方法對實際的(逆)合成孔徑雷達成像具有重要的現(xiàn)實意義。
以上所述的具體實施方式,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明,所應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已,并不用于限定本發(fā)明的保護范圍,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。