地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像的方法。該方法在大幅壓縮地面運動目標回波數(shù)據(jù)基礎上獲得了較為準確的成像結果以及運動目標方位向的速度和位置信息，為地面運動目標的準確識別提供了重要的信息。
【專利說明】地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及遙感和雷達成像【技術領域】，尤其涉及一種地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像的方法。
【背景技術】
[0002]合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)可實現(xiàn)全天候、全天時、高增益的地面靜止目標成像，具體為通過寬信號頻帶設計實現(xiàn)距離向高分辨；通過雷達載機平臺的運動，等效地在空間形成很長的線性陣列從而實現(xiàn)方位向高分辨。然而在很多軍事應用情況下，觀測場景中不僅存在靜止目標，也存在一些運動目標。傳統(tǒng)的SAR不具備對運動目標的檢測與成像能力，運動目標只能以散焦的形式疊加在靜止目標圖像上。具有垂直于航向速度分量的動目標在靜止目標SAR圖像上的方位位置將偏離其真實方位位置，具有沿航向速度分量的動目標在靜止目標SAR圖像上將出現(xiàn)方位向散焦現(xiàn)象。
[0003]利用SAR獲取運動目標檢測與成像結果已成為當前軍事和民用領域研究熱點。然而隨著SAR精度的不斷提高，使得運動目標的回波數(shù)據(jù)量急劇增加。龐大的數(shù)據(jù)量對系統(tǒng)的存儲能力提出了很高的要求，同時對數(shù)據(jù)信道的傳輸能力也是一個很大的挑戰(zhàn)。在保證高質量的運動目標成像結果與準確估計運動參數(shù)的前提下，如何大幅減少回波數(shù)據(jù)量對于SAR運動目標成像與檢測技術的發(fā)展具有十分重要的意義。

【發(fā)明內容】

[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像的方法，以提供一種適合數(shù)據(jù)壓縮情況下的成像方法。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像的方法，該方法包括:步驟A，數(shù)據(jù)接收端對成像區(qū)域內地面目標的復基帶回波信號S4
利用距離向脈沖壓縮和對消處理獲得包含運動目標信息的信號步驟B,數(shù)據(jù)接收端對所述包含運動目標信息的信號>進行數(shù)據(jù)隨機稀疏降采樣壓縮處理，采用隨機高斯觀測矩陣作為數(shù)據(jù)降采樣壓縮的觀測矩陣，獲得壓縮后的信號并將該壓縮后的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理端；步驟C，數(shù)據(jù)處理端接收所述壓縮后的信號r— (lm )，根據(jù)其在分數(shù)傅立葉變換FRFT矩陣Ψ α下的稀疏性和最小熵準則，利用壓縮感知算法重構Ya，獲得最優(yōu)旋轉角度α以及對應的最優(yōu)結果Ya，確定運動目標的速度和位置信息。
[0008](三)有益效果
[0009]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像的方法中，針對地面運動目標成像數(shù)據(jù)量過大，不便于數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)膯栴}，提出沿方位向進行隨機稀疏采樣獲得降采樣數(shù)據(jù)并結合基于壓縮感知的運動目標成像算法實現(xiàn)運動目標成像。相比于傳統(tǒng)運動目標成像，能夠大幅減少地面運動目標的回波數(shù)據(jù)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實施例所采用的單發(fā)雙收雷達天線及其與運動目標的幾何關系圖；
[0011]圖2為LFM信號在時頻域和分數(shù)階的分布圖；
[0012]圖3為地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像方法的流程圖；
[0013]圖4為回波數(shù)據(jù)幅度與相消處理結果圖，其中:
[0014]圖4A為天線A所接收回波在距離慢時間域的幅度圖；
[0015]圖4B為兩通道雜波對消后回波信號的幅度圖；
[0016]圖4C是未經(jīng)過方位向速度補償處理，直接利用靜止目標對應的多普勒調頻率進行方位脈沖壓縮得到的結果；
[0017]圖4D是直接利用分數(shù)階傅里葉變換處理的結果；
[0018]圖5為本發(fā)明實施例對運動目標成像結果圖，其中: [0019]圖5A所示的是壓縮比η為75%的結果；
[0020]圖5Β是對運動目標Pl所在的距離單元進行搜索得到的結果；
[0021]圖5C是對運動目標Ρ2所在的距離單元進行搜索得到的結果；
[0022]圖是兩個運動目標最終的成像結果。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。
[0024]考慮到地面靜止目標和雜波對消處理后的回波數(shù)據(jù)中只有運動目標信號，并且觀測場景中的運動目標數(shù)量是有限的，因此運動目標回波信號滿足稀疏性的要求，從而采用壓縮感知理論對數(shù)據(jù)壓縮之后的回波信號進行成像和參數(shù)估計處理。壓縮感知理論指出，若信號是稀疏的或在某個變換域稀疏，則可用一個與變換基不相關的觀測矩陣將高維信號投影到低維空間，通過求解優(yōu)化問題即可從低維觀測中以高概率重構原信號?？梢哉fCS理論是利用信息采樣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的信號采樣，因此采樣速率不再由信號帶寬決定，而是取決于信息在信號中的結構和內容。因此，將CS理論應用于地面運動目標成像系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)對地面運動目標回波數(shù)據(jù)的壓縮和成像處理。
[0025]近年來，分數(shù)階傅立葉變換(fractional Fourier transform,簡稱FRFT)作為處理非平穩(wěn)信號，尤其是chirp信號的一種強有力的工具，受到了廣泛的關注。FRFT是傳統(tǒng)Fourier變換的推廣，信號x(t)角度為α的FRFT定義為:
[0026]Xa O) = Fp [x(0] = J": x(t)Ka (t, u)dt
[0027]其中，P為FRFT的階數(shù)，可以為任意實數(shù)；a = P ^/2 ；Fp[ □ ] % FRFT的算子符號，Ka (t，u)為FRFT的核函數(shù)，
[0028]
【權利要求】
1.一種地面運動目標高分辨雷達壓縮感知成像的方法，其特征在于，包括: 步驟A:數(shù)據(jù)接收端對成像區(qū)域內地面目標的復基帶回波信號~(ijm),利用距離向脈沖壓縮和對消處理獲得包含運動目標信息的信號； 步驟B:數(shù)據(jù)接收端采用隨機高斯觀測矩陣作為觀測矩陣，對所述包含運動目標信息的信號進行數(shù)據(jù)隨機稀疏降采樣壓縮處理，獲得壓縮后的信并將該壓縮后的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理端； 步驟C:數(shù)據(jù)處理端接收所述壓縮后的信號,根據(jù)其在分數(shù)傅立葉變換FRFT矩陣Ψα下的稀疏性和最小熵準則，利用壓縮感知算法重構Ya，獲得最優(yōu)旋轉角度a以及對應的最優(yōu)結果Ya，確定運動目標的速度和位置信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A包括: 子步驟Al:獲得成像區(qū)域內地面目標的復基帶回波信號Sj(hQz 子步驟A2:對天線A和天線B接收的復基帶回波信號& (Um)與、β (Ow)分別進行距離向脈沖壓縮，得到距離向脈沖壓縮后的復基帶回波信號和其中: 子步驟A3:對所述距離向脈沖壓縮后的復基帶回波信號乙和&(/，/,,,>進行雙通道對消處理，獲取雙通道對消處理后的信號.％_ ; 子步驟Α4:對雙通道對消處理后的信號\,_,(/，/?>進行峰值搜索，獲取包含運動目標信息的信號^mar ( ) ο
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述子步驟Α2中距離向脈沖壓縮后的信號如下:
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步驟A3中進行雙通道對消處理后的信號如下
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述子步驟Α4中包含運動目標信息的信號如下:4嫌(
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟B中壓縮后的信號._,D如
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述步驟C包括: 步驟Cl:構造分數(shù)傅立葉變換FRFT矩陣Ψα，旋轉角度α的取值在[-π，ji ]，以0.01 π 為步長，使得.
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟Cl中所述分數(shù)傅立葉變換FRFT矩陣Ψα的大小為Ax A ,其具體表示為:
V-J — MTt
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟Cl中利用平滑LO算法獲得ΥαΗ包括: ⑴令
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟C3中通過下述公式選取最優(yōu)旋 轉角度的估計值
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，所述步驟C3中通過以下公式計算得到地面運動目標的方位向速度Vnx和方位向位置信息Xn:

【文檔編號】G01S13/90GK103630899SQ201310106646
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年3月29日 優(yōu)先權日:2013年3月29日
【發(fā)明者】洪文, 張群, 顧福飛, 羅迎, 吳一戎, 張冰塵, 蔣成龍 申請人:中國科學院電子學研究所