一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法技术

本发明专利技术公开了一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法，包括以下步骤：步骤一、建立固定RAR平台的回波表达；步骤二、对回波进行距离向预处理；步骤三、构建方位

【技术实现步骤摘要】
一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法


[0001]本专利技术属于雷达信号处理
，特别涉及一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法。

技术介绍

[0002]在深空探测任务中，探测器的安全着陆至关重要。由于深空环境自然光照度变化大，基于光学传感器的着陆手段受星球表面沙暴、云雾影响大，难以为探测器提供全天时、全天候下视探测。而雷达具有强穿透性、不受光照限制等优势，是实现深空探测器下视高分辨探测的有效手段。现有合成孔径雷达成像技术和多普勒波束锐化技术因机理性缺陷，在下视区域存在成像盲区，无法应用于深空探测器下视成像。实孔径雷达(RAR)是一种重要的遥感手段，广泛应用于地形测绘、目标感知等民用和军事场合。传统的RAR通过扫描获得一系列稳定的观测回波，但其方位角和俯仰角分辨率受到天线孔径大小的严重限制。
[0003]为了解决深空探测器下视分辨问题，文献“Foessel
‑
Bunting A,Whittaker W.MMW
‑
scanning radar for descent guidance and landing safeguard[C],Proceedings of the 6th International Symposium on Artificial Intelligence,Robotics,and Automation in Space.2001.”提出了一种基于毫米波的固定平台RAR下视探测方法。该方法可用于火星探测器的下视实时探测。但是，该方法的分辨率受限于深空探测器的天线孔径，无法为探测器着陆提供准确的引导。为了提高分辨率，文献“Super
‑
resolution imaging for real aperture radar by two
‑
dimensional inverse filtering,in 2019 6th Asia
‑
Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar(APSAR).IEEE,2019.”提出了一种基于快速傅立叶变换(FFT)的二维超分辨率成像方法来提高RAR的二维分辨率。该方法将二维反卷积问题转化为频域中的逆滤波问题。在这个过程中，引入了阈值参数来控制逆滤波过程中的噪声放大。此方法确实可以运用于二维超分辨率成像，但是其在方位、俯仰二维分辨率上的提升有限。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过方位俯仰回波模型转化和加权最小二乘算法，提高了RAR的方位和俯仰二维角分辨率的深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一、建立固定RAR平台的回波表达：假设目标P位于R
p
、θ
p
、分别表示目标的距离、方位角、和俯仰角；感兴趣的区域为Ω，扫描雷达沿方位角和仰角方向分别以扫描速度ω
a
和ω
p
进行扫描；对于某一点P，RAR的距离
‑
方位
‑
俯仰三维回波表示为：
[0007][0008]其中θ表示方位角变量，表示俯仰角变量，τ表示快速时间变量；κ是与雷达系统参数相关的幅度常数，σ
p
是点P处的有效散射系数，a(
·
)为二维天线方向图函数，rect(
·
)为矩形包络函数，T
p
是传输信号的时间宽度，K
r
是传输信号的频率调制斜率，c是电磁波的传播速度；
[0009]步骤二、对回波进行距离向预处理；
[0010]步骤三、构建方位
‑
俯仰二维卷积模型；
[0011]步骤四、离散化回波模型；
[0012]步骤五、计算目标散射功率对角阵；
[0013]步骤六、计算自相关矩阵R；
[0014]步骤七、计算R
‑1；
[0015]步骤八、迭代估计目标后向散射系数。
[0016]进一步地，所述步骤二具体实现方法为：对式(1)距离向做快速傅里叶变换，在频域乘以脉冲压缩匹配函数得到距离分辨率高的空域三维回波表达为：
[0017][0018]其中表示空域Ω中的某目标点，表示位于处的目标的雷达后向散射系数，sinc(
·
)表示脉冲压缩响应函数的包络，而B为传输信号的带宽。
[0019]进一步地，所述步骤三具体实现方法为：对于固定的距离切片，只考虑不同的方位角和俯仰散射；该距离单元的回波数据看作方位和俯仰二维场景中目标散射系数与二维天线方向图的卷积；为得到更为简洁的表达式，假设κ是常数1并且只考虑方位和俯仰变化，则(2)式表示为：
[0020][0021]考虑到加性白噪声，则进一步表示为：
[0022][0023]其中*表示二维卷积运算，等于二维卷积核。
[0024]进一步地，所述步骤四具体实现方法为：将二维反卷积模型(4)简化为如下矩阵相乘形式：
[0025]Y＝AXB
T
+N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026]其中，表示回波数据矩阵，表示复数集合，M和N分别表示回波在方位和俯仰方向上的采样点数量；表示目标散射系数矩阵，K1和K2分别表示目标散射矩阵在方位和俯仰方向上的维数；表示噪声矩阵，T表示矩阵转置操作，和分别表示方位和俯仰天线方向图调制矩阵；其中A和B具体为：
[0027][0028][0029]其中，表示方位方向天线方向图采样点，表示俯仰方向天线方向图采样点；而L1、L2是方位角和俯仰方向天线方向图的采样点数量；采样点M,N,K1,K2,L1,L2满足相互关系：
[0030][0031]利用Kronecker积的性质，将模型(5)简化为：
[0032]y＝Fx+n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0033]其中y,F,x,n分别满足以下关系，
[0034][0035]其中，vec(
·
)表示向量化，表示Kronecker积。
[0036]进一步地，所述步骤五具体实现方法为：设P为K1K2×
K1K2维对角矩阵，其对角元素包括目标散射系数矩阵X的每个目标点的功率，则P为：
[0037][0038]其中diag(
·
)表示对角化操作，P
k
＝|x
k
|2，k＝1,...,K1K2，x
k
表示x的第k个元素。
[0039]进一步地，所述步骤六具体实现方法为：定义自相关矩阵为：
[0040][0041]其中H表示共轭转置操作；对R进行对角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立固定RAR平台的回波表达：假设目标P位于R
p
、θ
p
、分别表示目标的距离、方位角、和俯仰角；感兴趣的区域为Ω，扫描雷达沿方位角和仰角方向分别以扫描速度ω
a
和ω
p
进行扫描；对于某一点P，RAR的距离
‑
方位
‑
俯仰三维回波表示为：其中θ表示方位角变量，表示俯仰角变量，τ表示快速时间变量；κ是与雷达系统参数相关的幅度常数，σ
p
是点P处的有效散射系数，a(
·
)为二维天线方向图函数，rect(
·
)为矩形包络函数，T
p
是传输信号的时间宽度，K
r
是传输信号的频率调制斜率，c是电磁波的传播速度；步骤二、对回波进行距离向预处理；步骤三、构建方位
‑
俯仰二维卷积模型；步骤四、离散化回波模型；步骤五、计算目标散射功率对角阵；步骤六、计算自相关矩阵R；步骤七、计算R
‑1；步骤八、迭代估计目标后向散射系数。2.根据权利要求1所述的一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法，其特征在于，所述步骤二具体实现方法为：对式(1)距离向做快速傅里叶变换，在频域乘以脉冲压缩匹配函数得到距离分辨率高的空域三维回波表达为：其中表示空域Ω中的某目标点，表示位于处的目标的雷达后向散射系数，sinc(
·
)表示脉冲压缩响应函数的包络，B为传输信号的带宽。3.根据权利要求1所述的一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法，其特征在于，所述步骤三具体实现方法为：对于固定的距离切片，只考虑不同的方位角和俯仰散射；该距离单元的回波数据看作方位和俯仰二维场景中目标散射系数与二维天线方向图的卷积；为得到更为简洁的表达式，假设κ是常数1并且只考虑方位和俯仰变化，则(2)式表示为：考虑到加性白噪声，则进一步表示为：其中*表示二维卷积运算，等于二维卷积核。4.根据权利要求3所述的一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法，其特征在于，所述步骤四具体实现方法为：将二维反卷积模型(4)简化为如下矩阵相乘形式：Y＝AXB
T
+N
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，表示回波数据矩阵，表示复数集合，M和N分别表示回波在方位和俯仰
方向上的采样点数量；表示目标散射系数矩阵，K1和K2分别表示目标散射矩阵在方位和俯仰方向上的维数；表示噪声矩阵，T表示矩阵转置操作，和分别表示方位和...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄钰林，杨建宇，罗嘉伟，杨海光，张东辉，张寅，张永超，张永伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：