基于spice的機(jī)載雷達(dá)高分辨dbs成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于稀疏迭代協(xié)方差矩陣估計(jì)（Sparse iterative covariance-based estimation，SPICE)的機(jī)載雷達(dá)高分辨DBS成像方法，可用 于在機(jī)載雷達(dá)發(fā)射脈沖數(shù)較少的情況下，獲得較高的圖像分辨率。
【背景技術(shù)】
[0002] 多普勒波束銳化(Doppler beam sharpening，DBS)成像是將雷達(dá)波束進(jìn)行大范圍 掃描的一種非聚焦成像技術(shù)，一般在正側(cè)視的情況下對觀測區(qū)域進(jìn)行成像。DBS成像技術(shù)雖 然不像合成孔徑雷達(dá)成像技術(shù)那樣具有很高的橫向分辨率，但是DBS成像的運(yùn)算復(fù)雜度較 低，并且其相對于實(shí)波束的橫向分辨能力有了實(shí)質(zhì)性的提高，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成對 大范圍場景的成像。
[0003] 在雷達(dá)發(fā)射脈沖數(shù)充足的情況下，傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的DBS成像技術(shù)可以獲 得較高的圖像分辨率。然而在實(shí)際情況中，雷達(dá)的發(fā)射脈沖數(shù)往往會受到各種因素的限制， 例如，雷達(dá)波束掃描的范圍、雷達(dá)掃描的重訪時(shí)間等。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射脈沖數(shù)較多時(shí)，會導(dǎo)致觀 測場景范圍的縮小，并延長雷達(dá)掃描的重訪時(shí)間，在一定程度上影響了雷達(dá)對觀測場景的 實(shí)時(shí)監(jiān)控；當(dāng)減少雷達(dá)發(fā)射脈沖數(shù)時(shí)，雖然可以提高雷達(dá)對觀測場景的重訪率，但是，由于 相干積累時(shí)間不足，導(dǎo)致DBS圖像的分辨率嚴(yán)重下降。因此，通常滿足圖像分辨率要求的前 提下，盡量提高雷達(dá)對觀測場景的重訪時(shí)間。而且傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的DBS成像技術(shù)， 往往會導(dǎo)致信號能量的泄露，使得DBS圖像的清晰度下降，并會對信號能量功率的估值過 尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種基于SPICE的機(jī)載雷達(dá)高 分辨DBS成像方法，該方法根據(jù)脈壓處理后的回波信號建立地雜波回波信號的信號模型，并 給出求解地雜波回波信號的功率值的優(yōu)化模型，獲得所有距離門的功率矩陣，即為最終的 機(jī)載雷達(dá)回波數(shù)據(jù)矩陣，將其由載機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至大地坐標(biāo)系，得到最終的DBS圖像。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0006] 一種基于SPICE的機(jī)載雷達(dá)高分辨DBS成像方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0007] 步驟1，設(shè)定機(jī)載雷達(dá)接收的回波信號為7 = ，另為第i個(gè)距離門 的回波信號；在載機(jī)為參考原點(diǎn)的載機(jī)坐標(biāo)系中，對機(jī)載雷達(dá)接收的回波信號？在距離維 進(jìn)行脈沖壓縮處理，得到脈壓處理后的回波信號y，y= [yi，...，yi，...，yM]，yi為脈壓后的 第i個(gè)距離門的回波信號;根據(jù)脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號 yi建立第i個(gè)距離門的地 雜波回波信號Xl的信號模型；其中，脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號7:的維數(shù)為NX 1，N為 機(jī)載雷達(dá)發(fā)射的脈沖數(shù)，i = 1，2，...，M，M為距離門個(gè)數(shù)；
[0008] 步驟2,求取脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號yi的協(xié)方差矩陣R1;
[0009] 步驟3,根據(jù)脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號yi的協(xié)方差矩陣心，給出求解第i個(gè) 距離門的地雜波回波信號X1的功率值的優(yōu)化模型：
求解第i個(gè)距離門的 地雜波回波信號以的功率值的優(yōu)化模型：
，得到第i個(gè)距離門的地雜波回 波信號Xl的第k個(gè)功率值?";其中，k=l，2, . . .，2N，N為多普勒通道數(shù)，||·|￡表示求F范數(shù)的 平方，上標(biāo)Η表示共輒轉(zhuǎn)置；
[0010] 步驟4,將第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xi的前Ν個(gè)功率值依次排列，構(gòu)成第i個(gè) 距離門的地雜波回波信號Xl的功率矢量PnPiitPhbPw，. . .，Pl,N]T;進(jìn)而得到所有Μ個(gè)距 離門的功率矩陣P，P=[ P1，P2,...，ΡΜ]，所有Μ個(gè)距離門的功率矩陣Ρ即為最終的機(jī)載雷達(dá)回 波數(shù)據(jù)矩陣；
[0011] 步驟5,將最終的機(jī)載雷達(dá)回波數(shù)據(jù)矩陣中每個(gè)元素對應(yīng)的距離門轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 斜距，將最終的機(jī)載雷達(dá)回波數(shù)據(jù)矩陣中每個(gè)元素對應(yīng)的多普勒頻率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的方位 角，并將該斜距和方位角由載機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至大地坐標(biāo)系，再將最終的機(jī)載雷達(dá)回波數(shù)據(jù) 矩陣中每個(gè)元素作為大地坐標(biāo)系中對應(yīng)位置的像素值，得到最終的DBS圖像。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 1)本發(fā)明方法與傳統(tǒng)的DBS成像方法相比，提高了雷達(dá)對觀測區(qū)域的重訪率，提高 了雷達(dá)對觀測區(qū)域進(jìn)行DBS成像的實(shí)時(shí)性；
[0014] 2)本發(fā)明方法在雷達(dá)發(fā)射脈沖數(shù)較少的情況下，可獲得較高地面分辨率的DBS圖 像。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0016] 圖2a是經(jīng)過FFT變換后的距離多普勒圖；
[0017]圖2b是經(jīng)過SPICE變換后的距離多普勒圖；
[0018]圖3a是經(jīng)過FFT變換后的距離多普勒圖的距離維的切面圖；
[0019]圖3b是經(jīng)過SPICE變換后的距離多普勒圖的距離維的切面圖；
[0020]圖4a是基于FFT變換的DBS成像結(jié)果圖；
[00211圖4b是基于SPICE變換的DBS成像結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0022]參照圖1，本發(fā)明的基于SPICE的機(jī)載雷達(dá)高分辨DBS成像方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如 下：
[0023]步驟1，設(shè)定機(jī)載雷達(dá)接收的回波信號為7 = 1^.....為第i個(gè)距離門 的回波信號；在載機(jī)為參考原點(diǎn)的載機(jī)坐標(biāo)系中，對機(jī)載雷達(dá)接收的回波信號y在距離維 進(jìn)行脈沖壓縮處理，得到脈壓處理后的回波信號y，y= [yi，...，yi，...，yM]，yi為脈壓后的 第i個(gè)距離門的回波信號;根據(jù)脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號 yi建立第i個(gè)距離門的地 雜波回波信號Xl的信號模型；其中，脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號7:的維數(shù)為NX 1，N為 機(jī)載雷達(dá)發(fā)射的脈沖數(shù)，i = 1，2，...，M，M為距離門個(gè)數(shù)。
[0024] 所述第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xl的信號模型為：
[0025] yi = Bxi+e
[0026 ]其中，B是時(shí)域?qū)蚴噶烤仃嚕銷個(gè)行向量對應(yīng)為N個(gè)不同的1 X N維的時(shí)域?qū)蚴?量，e是雜波信號或干擾信號，其維數(shù)為N X 1。
[0027]步驟2,求取脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號yi的協(xié)方差矩陣心。
[0028]所述脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號yi的協(xié)方差矩陣心為：
[0030] 其中，A=[B In]，B是時(shí)域?qū)蚴噶烤仃嚕銷個(gè)行向量對應(yīng)為N個(gè)不同的1XN維的 時(shí)域?qū)蚴噶?，In為NXN的單位矩陣，Pi是第i個(gè)距離門的地雜波回波信號 Xl的功率矩陣，是 一個(gè)對角矩陣，其對角線上的第k個(gè)元素 pi, k為第i個(gè)距離門的地雜波回波信號xi的第k個(gè)功 率值，k=l，2,. . .，2N，上標(biāo)Η表示共輒轉(zhuǎn)置。
[0031] 步驟3,根據(jù)脈壓后的第i個(gè)距離門的回波信號yi的協(xié)方差矩陣心，給出求解第i個(gè) 距離門的地雜波回波信號Xl的功率值的優(yōu)化模型：
求解第i個(gè)距離門的 地雜波回波信號&的功率值的優(yōu)化模型
，得到第i個(gè)距離門的地雜波回波 信號xi的第k個(gè)功率值Pi,k;其中，k=l，2，. . .，2N，N為多普勒通道數(shù)，||·|表示求F范數(shù)的平 方，上標(biāo)Η表示共輒轉(zhuǎn)置。
[0032] 所述求解第i個(gè)距離門的地雜波回波信號^的功率值的優(yōu)化模型為：
[0034]其中，tr( ·)表示矩陣的跡，C為一個(gè)常數(shù)。
[0035]將所述求解第i個(gè)距離門的地雜波回波信號^的功率值的優(yōu)化問題進(jìn)行簡化，得 到其簡化形式為：
[0037]其中，Wk為第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xi的第k個(gè)功率權(quán)值，其表達(dá)式為：
[0039]其中，bkk是時(shí)域?qū)蚴噶烤仃嘊的對角線上的第k個(gè)元素。
[0040]所述求解第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xl的功率值的優(yōu)化模型
， 其具體子步驟為：
[0041] 3.1設(shè)定1為迭代次數(shù)，迭代次數(shù)1的初始值為1，設(shè)定第i個(gè)距離門的地雜波回波信 號&的第k個(gè)功率值Pl,k的初始值二1:;
[0042] 3.2計(jì)算第1次迭代的第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xl的第k個(gè)功率值^,:
[0044]其中，ak為矩陣A的第k列，A=[B In]，B是時(shí)域?qū)蚴噶烤仃?，wk為第i個(gè)距離門的 地雜波回波信號Xi的第k個(gè)功率權(quán)值，其表達(dá)式為：
[0046]其中，bkk是時(shí)域?qū)蚴噶烤仃嘊的對角線上的第k個(gè)元素；
[0047] 3.3如果第1次迭代的第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xl的第k個(gè)功率值與第1- 1次迭代的第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xl的第k個(gè)功率值^=的差的絕對值大 于設(shè)定值ε，設(shè)定值ε的取值趨近于〇,則令迭代次數(shù)1增加1，返回步驟4.2，
[0048] 如果第1次迭代的第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xi的第k個(gè)功率值與第1-1次 迭代的第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xl的第k個(gè)功率值/心1的差的絕對值小于 或等于設(shè)定值ε，則將第1次迭代的第i個(gè)距離門的地雜波回波信號Xl的第