一种面向机动平台前视成像的SAMP重构方法技术

本发明专利技术属于机动平台前视成像领域，公开一种面向机动平台前视成像的SAMP重构方法，包括以下步骤：获取基带回波信号，并对其进行距离向匹配滤波处理，对距离向匹配滤波信号依次进行直线轨迹逼近、包络去斜、距离向逆傅里叶变换处理，得到预处理后的回波信号，建立过完备字典矩阵，采用改进的SAMP算法完成机动平台的前视成像；该方法通过对单基扫描前视成像模型的公式推导，将机动平台前视成像回波录取过程等效成一种线性求逆问题模型，随后针对机动平台所特有的存在大俯冲角与三维加速度的问题，生成一种能够准确描述目标场景的改进型字典矩阵，最后利用SAMP方法反演出前视场景内各点目标的后向散射系数，实现在机动平台上的前视成像。成像。成像。

【技术实现步骤摘要】
一种面向机动平台前视成像的SAMP重构方法


[0001]本专利技术涉及机动平台前视成像领域，具体涉及一种面向机动平台前视成像的稀疏度自适应的匹配追踪(SAMP)重构方法。

技术介绍

[0002]前视模式是遥感探测领域内一种重要的成像模式，能够全天时、全天候、远距离地对飞行方向正前方区域进行探测成像，有着广阔的应用前景。同时，前视成像结果能够用于检测识别正前方感兴趣区域内的高价值目标，相比单脉冲目标检测方法而言，前视成像极大地提升了检测识别精度，因此前视雷达成像成为近年来的研究重点。
[0003]当雷达波束指向飞行平台的正前方时，左右两侧场景与平台速度矢量所形成的锥角相同，从而传统成像方法将面临左右多普勒模糊的问题。另一方面，从合成孔径雷达(SAR)的角度理解，前视成像模型中距离向和方位向重合，且等距离环和等多普勒线相互平行，因此正交于速度矢量方向的分辨率只能由天线实孔径提供。为了解决上述问题，一种应对方案是采用发射机和接收机分置的双基SAR系统进行前视成像，这样做的本质是将前视成像区域内的等距离环和等多普勒线去平行化，但由于需要至少两部雷达相互配合，极大的提升了系统的复杂度与信号处理的难度，因此研究简便高效的单基前视成像方法迫在眉睫。
[0004]将波束扫描与超分辨技术相结合的单基前视成像方法是机动平台前视成像领域的一种可行方案。然而，正交匹配追踪(OMP)方法需要稀疏度作为先验知识，且场景重构成功率随三维速度、三维加速度的增加而极具下降，这为机动平台前视成像处理带来了额外的困难。
专利技术内容
[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种面向机动平台前视成像的SAMP重构方法，该方法通过对单基扫描前视成像模型的公式推导，将机动平台前视成像回波录取过程等效成一种线性求逆问题(LIP)模型，随后针对机动平台所特有的存在大俯冲角与三维加速度的问题，生成一种能够准确描述目标场景的改进型字典矩阵，最后利用稀疏度自适应的匹配追踪(SAMP)方法反演出前视场景内各点目标的后向散射系数，实现在机动平台上的前视成像。
[0006]本专利技术的技术思路如下：
[0007](1)改进传统的过完备字典矩阵，精确构造面向机动平台前视成像模型的稀疏基矩阵，使得后续成像处理中的贪婪类算法能够更加快速地迭代出满足残差终止条件的列空间：(1a)针对机动平台所面临的大俯冲机动问题，建立更加精确的斜距模型，从而令俯冲角对字典矩阵的构建产生有效约束；(1b)针对机动平台所面临的三维加速度问题，推导出回波录取过程中的瞬时锥角，并对过完备字典矩阵做出相应改进；(1c)结合(1a)(1b)中改进的字典矩阵，对回波信号进行预处理，以消除残余的重构失配项。
[0008](2)针对正交匹配追踪算法依赖信号稀疏度的问题，对SAMP算法进行改进并应用到机动平台前视成像问题中：(2a)结合(1)中改进的过完备字典矩阵，构建基于加权最小二乘法的匹配追踪过程，在稀疏基矩阵中寻找与回波信号相关程度最高的列空间；(2b)当重构残差出现异常升高时，增大稀疏度进行新一轮迭代搜索；(2c)改进迭代终止条件使其更加稳健，生成场景重构结果。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。
[0010]一种面向机动平台前视成像的SAMP重构方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1，结合笛卡尔坐标系建立面向机动平台的单基前视扫描成像模型；
[0012]步骤2，利用搭载于机动平台的单基前视扫描成像系统发射线性调频脉冲信号，并接收正前方目标区域后向散射形成的回波信号；雷达接收机对回波信号进行解调处理，生成解调后的基带回波信号ss(t
r
,t
a
)；其中，t
r
为距离向快时间变量、t
a
为方位向慢时间变量；
[0013]步骤3，对所述解调后的基带回波信号ss(t
r
,t
a
)执行距离向匹配滤波处理，得到距离向匹配滤波信号Ss
PC
(f
r
,t
a
)；其中，表示距离向频域变量，f
s
表示采样率；
[0014]步骤4，对所述距离向匹配滤波信号Ss
PC
(f
r
,t
a
)依次进行直线轨迹逼近、包络去斜、距离向逆傅里叶变换处理，得到预处理后的回波信号ss
pre
(t
r
,t
a
)；
[0015]步骤5，根据所述面向机动平台的单基前视扫描成像模型，计算机动平台在任意时刻所经历的瞬时多普勒f
dc
；根据所述瞬时多普勒f
dc
得到面向机动平台前视成像处理的过完备字典矩阵M；
[0016]步骤6，设定初始迭代步长N，执行基于SAMP的改进型稀疏重构算法，针对前视成像处理所特有的残差无法下降到零的问题，采用门限判决、均值滤波和方差滤波多种方式相融合的改进型方法进行迭代终止条件的判决，最终得到机动平台前视成像场景重构结果。
[0017]本专利技术技术方案的特点和进一步的改进为：
[0018](1)步骤1具体为：
[0019]机动平台前视成像系统工作在单基扫描模式下，取其零时刻时的水平和速度方向为y轴、天向为z轴、侧向为x轴、零时刻弹下点为坐标原点O建立笛卡尔坐标系O
‑
xyz；
[0020]设机动平台在零时刻时位于B点，该点的高度为H，并以速度矢量和三维加速度矢量飞过曲线轨迹期间波束指向由一侧扫描至另一侧，波束扫描角速度为ω；其中，v
y
、v
z
分别表示平台沿y轴、z轴的速度分量。a
x
、a
y
、a
z
分别表示平台沿x轴、y轴、z轴的加速度分量；
[0021]当机动平台位于B点时，雷达波束指向正前方的场景中心点P，此时对应的作用距离为R
S
；随后，在经过t
a
时刻之后，机动平台飞行至D点，波束中心指向侧前方地面照射场景中的目标点T，此时构成的瞬时波束方位角为γ＝ωt
a
，地面与波束形成的擦地角为β。
[0022](2)步骤2具体包含以下子步骤：
[0023]子步骤2.1，计算和速度在波束视线方向的投影关系定义俯冲状态下
的等效斜视角其中表示方位零时刻的波束指向向量，arccos(
·
)表示反余弦函数，运算符
·
表示向量点乘计算，
·
|表示对向量取模；根据v
e
和θ
c
构造俯冲飞行下的斜距模型R
e
：
[0024][0025]子步骤2.2，根据步骤1中所建立的面向机动平台的单基前视扫描成像模型，将三维加速度对于瞬时斜距的影响视为引入运动误差，在成像模型中，精确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向机动平台前视成像的SAMP重构方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，结合笛卡尔坐标系建立面向机动平台的单基前视扫描成像模型；步骤2，利用搭载于机动平台的单基前视扫描成像系统发射线性调频脉冲信号，并接收正前方目标区域后向散射形成的回波信号；雷达接收机对回波信号进行解调处理，生成解调后的基带回波信号ss(t
r
,t
a
)；其中，t
r
为距离向快时间变量、t
a
为方位向慢时间变量；步骤3，对所述解调后的基带回波信号ss(t
r
,t
a
)执行距离向匹配滤波处理，得到距离向匹配滤波信号Ss
PC
(f
r
,t
a
)；其中，表示距离向频域变量，f
s
表示采样率；步骤4，对所述距离向匹配滤波信号Ss
PC
(f
r
,t
a
)依次进行直线轨迹逼近、包络去斜、距离向逆傅里叶变换处理，得到预处理后的回波信号ss
pre
(t
r
,t
a
)；步骤5，根据所述面向机动平台的单基前视扫描成像模型，计算机动平台在任意时刻所经历的瞬时多普勒f
dc
；根据所述瞬时多普勒f
dc
得到面向机动平台前视成像处理的过完备字典矩阵M；步骤6，设定初始迭代步长N，执行基于SAMP的改进型稀疏重构算法，针对前视成像处理所特有的残差无法下降到零的问题，采用门限判决、均值滤波和方差滤波多种方式相融合的改进型方法进行迭代终止条件的判决，最终得到机动平台前视成像场景重构结果。2.根据权利要求1所述的面向机动平台前视成像的SAMP重构方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1具体为：机动平台前视成像系统工作在单基扫描模式下，取其零时刻时的水平和速度方向为y轴、天向为z轴、侧向为x轴、零时刻弹下点为坐标原点O建立笛卡尔坐标系O
‑
xyz；设机动平台在零时刻时位于B点，该点的高度为H，并以速度矢量和三维加速度矢量飞过曲线轨迹期间波束指向由一侧扫描至另一侧，波束扫描角速度为ω；其中，v
y
、v
z
分别表示平台沿y轴、z轴的速度分量。a
x
、a
y
、a
z
分别表示平台沿x轴、y轴、z轴的加速度分量；当机动平台位于B点时，雷达波束指向正前方的场景中心点P，此时对应的作用距离为R
S
；随后，在经过t
a
时刻之后，机动平台飞行至D点，波束中心指向侧前方地面照射场景中的目标点T，此时构成的瞬时波束方位角为γ＝ωt
a
，地面与波束形成的擦地角为β。3.根据权利要求2所述的面向机动平台前视成像的SAMP重构方法，其特征在于，步骤2具体包含以下子步骤：子步骤2.1，计算和速度在波束视线方向的投影关系定义俯冲状态下的等效斜视角其中表示方位零时刻的波束指向向量，arccos(
·
)表示反余弦函数，运算符
·
表示向量点乘计算，|
·
|表示对向量取模；根据v
e
和θ
c
构造俯冲飞行下的斜距模型R
e
：子步骤2.2，根据步骤1中所建立的面向机动平台的单基前视扫描成像模型，将三维加
速度对于瞬时斜距的影响视为引入运动误差，在成像模型中，精确的斜距历程为其中，||
·
||2表示向量的2
‑
范数运算符，表示针对下标i＝0,1,2,3,4依次进行求和运算，i表示求和运算的求和变量，m0表示精确的斜距历程R
real
在t
a
＝0处的零阶麦克劳林展开式系数，m1表示精确的斜距历程R
real
在t
a
＝0处的一阶麦克劳林展开式系数，m2表示精确的斜距历程R
real
在t
a
＝0处的二阶麦克劳林展开式系数，m3表示精确的斜距历程R
real
在t
a
＝0处的三阶麦克劳林展开式系数，m4表示精确的斜距历程R
real
在t
a
＝0处的四阶麦克劳林展开式系数；将R
real
与R
e
相减，并在方位零时刻执行麦克劳林展开，得到各阶运动误差R
err
：其中，表示斜距误差R
err
在t
a
＝0处的零阶麦克劳林展开式系数，表示对前面函数中的t
a
变量置零；表示斜距误差R
err
在t
a
＝0处的一阶麦克劳林展开式系数，表示函数对t
a
变量求一阶导数；表示斜距误差R
err
在t
a
＝0处的二阶麦克劳林展开式系数，表示函数对t
a
变量求二阶导数；表示斜距误差R
err
在t
a
＝0处的三阶麦克劳林展开式系数，表示函数对t
a
变量求三阶导数；表示斜距误差R
err
在t
a
＝0处的四阶麦克劳林展开式系数，表示函数对t
a
变量求四阶
导数；子步骤2.3，利用搭载于机动平台的单基扫描前视成像系统发射线性调频脉冲信号，并接收正前方目标区域后向散射形成的回波信号；雷达接收机对回波信号进行解调处理，从而生成解调后的基带回波信号ss(t
r
,t
a
)：其中，w
r
(t
r
)表示距离向时域窗函数，w
a
(t
a
)表示方位向时域窗函数，exp{
·
}表示复指数函数，用以表征回波信号的相位信息；j表示虚数单位，k
R
表示距离向调频率，λ表示波长，π表示圆周率，c表示光速。4.根据权利要求3所述的面向机动平台前视成像的SAMP重构方法，其特征在于，步骤3中，所述距离向匹配滤波处理具体包含以下子步骤：子步骤3.1，采用驻定相位原理和级数反演法，对所述解调后的基带回波信号ss(t
r
,t
a
)执行距离向傅里叶变换，得到距离向傅里叶变换回波信号Ss(f
r
,t
a
)；子步骤3.2，在距离频域
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁毅，张罡，怀园园，曾裕贵，梁宇杰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：