基于多任务贝叶斯压缩感知的距离‑多普勒成像方法技术

本发明专利技术公开一种基于多任务贝叶斯压缩感知的距离‑多普勒成像方法，主要解决现有技术复杂度高分辨率低的问题。其技术方案是：1)雷达向目标场景发射脉冲调制序列，并同时得到回波信号；2)将目标场景距离范围和多普勒范围进行等间隔划分，对回波信号进行离散化采样，构造回波矩阵；3)引用辅助变量，构造优化求解函数；4)对优化函数进行求解，得到场景的距离‑多普勒成像结果。本发明专利技术能直接对场景距离‑多普勒维进行重构，在降低算法复杂度的同时提高了分辨率，而且不需要复杂的参数设置，可用于战场监视、导弹制导、空间探测等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达信号处理
，具体地说是一种距离-多普勒成像方法。可 用于雷达目标位置和速度的估计。
技术介绍
雷达成像的出现扩展了雷达的原始概念，使雷达具有了对区域目标和运动目标进 行成像和识别能力，同时它在微波遥感应用方面表现出巨大的潜力，为人们提供越来越多 的有用信息。雷达通常具有距离、多普勒以及角度三维分辨信息。随着雷达技术的不断发 展和人们对高分辨雷达的迫切需求，对多维信息量的获取越发显得重要。 雷达成像的根本原理是采用各种方法提高雷达各维的分辨率。为了提高距离分 辨率，发射脉冲序列，其中每个脉冲由调制的子脉冲组成。在此基础上，有三种方法用于距 尚-多普勒成像。 第一种失配滤波器法，这种方法由于用脉冲序列代替单脉冲，虽然能得到更高的 距离分辨率，但却不能得到高的多普勒分辨率。 第二种迭代自适应方法，是一种数据自适应方法，这种方法虽然克服了失配滤波 器在多普勒分辨率上的缺陷，能够得到很高的多普勒分辨率，但是这种方法在有噪声存在 时成像不稳定，而且计算量大。 第三种方法是利用距离多普勒像的稀疏先验性，将距离-多普勒成像转换为稀疏 信号恢复问题进行求解，求解速度快，分辨率高，但却由于其复杂的参数设置而影响了该方 法的实际使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于多任务贝叶斯压缩感 知的距离-多普勒成像方法，以在提高距离-多普勒频谱分辨率的同时，降低成像的复杂 度。 为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下步骤： (1)雷达向目标场景Η发射Q个脉冲调制序列，并在发射脉冲的同时接收该 场景Η的回波脉冲，得到第q个脉冲的回波信号为y(q); (2)对回波信号y(q)进行离散化采样，构造回波矩阵：Y=DX?+E，其中，D为距离 维基矩阵，X为散射系数矩阵，Θ为多普勒域基矩阵，Ε为噪声矩阵； (3)引入辅助变量矩阵Ζ，令Ζ=ΧΘ，将回波矩阵变形为下式：其中（0?示矩阵转置； (4)将步骤（3)中第一个方程记作下式： Yi=Dzi+e；,i= 1, ···,Q 其中，Y的第i列，z$Z的第i列，e$E的第i列，Q为回波矩阵Y的列 数； (5)对步骤（4)中的式子进行求解，得到辅助变量矩阵Ζ，设定检测门限△= 0. 1， 筛选出辅助变量矩阵Ζ中的非零行组成新矩阵：ZSf；lfM：t=XSf；lf；(：t?，对该式进行转置，得到： ZUh 其中，XseW为散射系数矩阵X剔除全零行后的矩阵； (6)将步骤（5)中方程Zf-记作 ％=ΘTXi,i= 1，…，R，其中， ，的第i列，Xi为4的第i列； (7)对步骤（6)中的式子进行求解，得到散射系数矩阵X剔除全零行后的矩阵 足^,，再对补全零行并取转置，得到散射系数矩阵X，由散射系数矩阵X即可得到距 1? -多普勒像。 本专利技术与现有技术相比具有如下优点： 第一，本专利技术采用多任务贝叶斯压缩感知方法，无需对信号的噪声方差进行估计， 且省略了调参的步骤。 第二，本专利技术采用二维场景图像进行重构成像，避免了传统稀疏成像建模中，场景 需向量化处理带来的巨大运算量，且具有更高的分辨率。【附图说明】 图1是本专利技术的实现流程图； 图2是本专利技术使用的距离-多普勒二维谱结果图； 图3是用现有的稀疏成像法得到的距离-多普勒二维谱的仿真结果图； 图4是用本专利技术方法得到的距离-多普勒二维谱的仿真结果图。 具体实施方法 下面结合附图对本专利技术做进一步的详细描述。 参照图1，本专利技术的实施步骤如下： 步骤1 :获得回波信号y(q)。 雷达发射Q个脉冲，每个脉冲包含N个子脉冲，这N个子脉冲为Barker序列 =k丨1，得到第q个脉冲的回波信号y(q): 其中，是距离为r多普勒频率为1的目标的散射强度，τι^为延迟时间，科为多 普勒相移，q= 1，2, "'Q。 步骤2 :对回波信号进行离散化采样，构造回波矩阵。 (2a)在距离-多普勒二维探测区域将探测距离范围r_~进行等间隔划分， 得到R个距离单元，将探测多普勒范围_f；/2~f；/2进行等间隔划分，得到L个多普勒单 元，其中，r_表示探测区域的最小探测距离，表示探测区域的最大探测距离，是脉冲 重复频率； (2b)构造维数为（N+R-l)XR的距离维基矩阵D: (2bl)以最小探测距离r_作为参考距离，不考虑多普勒项，得到位于第r个距离 单元处的目标的回波为4= [0^Sis2…sN 0RJT，其中，0^表示长度为r-Ι的零向量， 0Rr表示长度为R-r的零向量，r= 1，2,. . .，R，当r= 1时，0ri= 0。，当r=R时，0Rr = 0。，此时表示4中无此项； (2bl)以dr为列得出维数为（N+R-l)XR的距离维基矩阵D; (2c)构造维数为LXQ的多普勒域基矩阵Θ: (2cl)对步骤⑴得到的回波信号y(q)中的多普勒相移f进行离散化处理， 得到离散化后的多普勒相移％朽，…咐，…，做，进而得到第q个回波的第1个多普勒相移 项为 = ，其中的=2兀乂'/5，:^= r/2+fr(l_l/2)/L，1 = 1，2, · · ·，L，q= 1，2,. . .，Q，B是子脉冲的带宽，f；是脉冲重复频率； (2c2)以Θ(1，q)为元素得出维数为LXQ的多普勒域基矩阵Θ; (2d)由步骤（2b)中的距离维基矩阵D，步骤（2c)中的多普勒域基矩阵Θ得到维 度为（N+R-l)XQ回波矩阵：Y=DX?+E，其中，X为散射系数矩阵，E为噪声矩阵。 步骤3:引入辅助矩阵，构造优化求解模型。 (3a)引入辅助矩阵Z，令Ζ=ΧΘ，将由步骤（2d)中得到的回波矩阵Y变形为下 式：;其中（0?示矩阵转置； (3b)将步骤（3a)中得到的第一个方程Y=DZ+E记作下式：Yi=Dzi+e；,i= 1, ···,Q 其中，Y的第i列，z$Z的第i列，e$E的第i列，Q为回波矩阵Y的列 数； 步骤4 :对优化函数进行求解，得到场景的距离-多普勒像。 传统的求解方法有自适应迭代算法，基于稀疏信号重构的平滑零范数法等，本发 明采用的是多任务贝叶斯压缩感知算法进行求解： (4a)对步骤（3b)中得到的式子进行求解，得到辅助变量矩阵Z，本步骤采用现有 的多任务贝叶斯压缩感知算法进行求解： (4al)设置第一辅助参数a= 1，第二辅助参数b= 1，超参数矩阵A的初始值A° 为全1矩阵，初始循环迭代次数k= 1 ; (4a2)循环执行以下步骤，得到均值矩阵μ: (4a2. 1)按如下公式计算方差矩阵Σ的第k次迭代矩阵Xk:Xk= (DTD+Ak 3 1 其中，（·）1表示矩阵取逆； (4a2. 2)按如下公式计算均值矩阵μ的第i列μi的第k次迭代向量//、 = ^D1,v,- 其中，Si表示方差矩阵Σ的第i列，Di表示距离维基矩阵D的第i列，yi表示回 波矩阵Y的第i列，i= 1，2，"*，Q; (4a2.3)按如下公式计算超参数矩阵A的元素aj的第k次迭代值 其中，表示均值矩阵μ的第i行第j列的元素值，Σu表示方差矩阵Σ的第j行第j列的元素值，B表示辅助矩阵，B=I+D(Ak ^ = α2，...，％，…，aQ)， diag是构造对角矩阵的函数，N表示子脉冲个数，R表示距离单元个数，j= 1，2,. ..，Q;(4a2.本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多任务贝叶斯压缩感知的距离‑多普勒成像方法，包括如下步骤：(1)雷达向目标场景H发射Q个脉冲调制序列并在发射脉冲的同时接收该场景H的回波脉冲，得到第q个脉冲的回波信号为y(q)：其中，xr,l是距离为r多普勒频率为l的目标的散射强度，τr为延迟时间，为多普勒相移，q＝1,2,…,Q，R是距离单元个数，L是多普勒单元个数；(2)对回波信号y(q)进行离散化采样，构造回波矩阵：Y＝DXΘ+E，其中，D为维数为(N+R‑1)×R的距离维基矩阵，X为维数为R×L的散射系数矩阵，Θ为维数为L×Q的多普勒域基矩阵，E为噪声矩阵；(3)引入辅助变量矩阵Z，令Z＝XΘ，将回波矩阵变形为下式：其中(·)T表示矩阵转置；(4)将步骤(3)中第一个方程记作下式：yi＝Dzi+ei,i＝1,…,Q其中，yi表示回波矩阵Y的第i列，zi表示辅助变量矩阵Z的第i列，ei为噪声矩阵E的第i列，Q为回波矩阵Y的列数；(5)对步骤(4)中的式子进行求解，得到辅助变量矩阵Z，设定检测门限Δ＝0.1，筛选出辅助变量矩阵Z中的非零行组成新矩阵：Zselect＝XselectΘ，对该式进行转置，得到：其中，Xselect为散射系数矩阵X剔除全零行后的矩阵；(6)将步骤(5)中方程记作：zi＝ΘTxi,i＝1,…,R，其中，zi为，的第i列，xi为的第i列；(7)对步骤(6)中的式子进行求解，得到散射系数矩阵X剔除全零行并进行转置后的矩阵再对补全零行并取转置，得到散射系数矩阵X，由散射系数矩阵X即可得到距离‑多普勒像。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵光辉，岳林涛，孙爽爽，石光明，沈方芳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61