基于优化自适应匹配追踪的单通道前视超分辨成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于优化自适应匹配追踪的单通道前视超分辨成像方法，方法包括：基于单通道扫描前视成像模型接收的基带回波信号，得到前视场景散射系数观测值；根据由瞬时多普勒频率得到的多普勒卷积相位构建过完备字典矩阵；基于前视场景散射系数观测值和过完备字典矩阵，得到初始的稀疏度；根据初始的稀疏度

【技术实现步骤摘要】
基于优化自适应匹配追踪的单通道前视超分辨成像方法


[0001]本专利技术属于雷达
，具体涉及一种基于优化自适应匹配追踪的单通道前视超分辨成像方法
。

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]在传统的合成孔径雷达
(Synthetic Aperture Radar
，简称
SAR)
成像系统中，为了获取二维高分辨的微波遥感图像，需要沿距离横向积累出足够长的合成孔径或者足够大的相干积累角，从而能够在空间中形成一个等效的虚拟阵列，并干涉形成一个极窄的波束，实现对照射区域的距离横向高分辨探测
。
对于微波遥感成像领域而言，距离向的高分辨能力能够通过脉冲压缩技术来实现，其性能由发射信号的带宽决定
。
[0004]但是，在前视成像几何构型中，雷达天线波束指向平台飞行方向的正前方，因此距离横向的合成孔径长度无法随着平台的运动而产生积累
。
此时，对于前视照射区域内的距离横向分辨能力仅由雷达天线的方位向实孔径长度提供；此外，当雷达波束指向飞行方向的正前方时，前视场景的左右两侧拥有着相同的空间锥角，会造成前视成像时左右多普勒模糊的问题
。
综合上述两大难题距离横向分辨率受限于方位向实孔径长度
、
左右多普勒存在模糊，传统单通道
SAR
成像系统及信号处理方法无法直接应用到前视成像问题中
。
传统的单基
SAR
技术受成像机理限制，无法在机载平台正前方区域形成由等距离线和等多普勒线构成的近似矩形分割，不具备前视成像能力；对大斜前视区域通常可以采用多普勒波束锐化
(DBS)
技术进行成像
,
但是在前视区域，由于多普勒对称以及多普勒梯度较低的问题，
DBS
技术也无法实现前视成像
。
因此，机载前视区域成为现有高分辨雷达成像技术的盲区
。
[0005](1)
实波束扫描成像技术
。
在该成像技术中，雷达传感器在发射信号和接收回波的同时，采用扫描波束对目标区域进行探测，以获得二维雷达图像
。
这种成像技术的优点在于成像方式简单
、
实时性高，适用于机载前视成像模式
。
但是这种技术获取的实波束遥感图像角分辨率受限于实波束宽度，并且随着成像距离增大而急剧下降
。
[0006](2)
单脉冲成像技术
。
单脉冲技术是一种高精度测角技术，最早广泛地应用于雷达跟踪
。
单脉冲雷达只需发射一个脉冲信号，然后根据和差通道回波进行比幅或比相处理即可确定目标角度
。
单脉冲成像技术以单脉冲测角为基础，采用单脉冲波束对机载前视成像区域进行扫描探测，在每个方位时刻根据和差通道回波对目标进行测角，然后根据不同方位时刻的测角结果，对单个目标的回波进行积累，实现波束锐化
。
单脉冲成像技术的优点在于成像方式简单，对单点目标具有较高的锐化能力，因此可有效增强地貌以及边缘轮廓特征
。
但是该技术无法对波束内的多个目标进行分辨，并且会产生角闪烁现象
。
[0007](3)
双基前视
SAR
成像技术
。
双基
SAR
在特殊几何布局情况下，通过收发平台分置解
决了传统单基地
SAR
在机载雷达前视方向上等多普勒线和等距离线平行的问题，可以实现运动平台雷达前视高分辨率成像
。
双基前视
SAR
技术的缺点在于，由于其需要双基地协同；因此对时间
、
空间及相位同步要求很高，实际使用中的限制因素较多；稳健
、
成熟的运动补偿和成像等算法尚在理论探索阶段，难以在短时间内应用到工程实践中
。
[0008]超分辨稀疏信号重构理论为距离横向的分辨难题提供了改进的思路，将波束扫描与超分辨技术相结合的单通道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，基于贪婪追踪的超分辨前视超分辨成像方法重构速度快，但是以正交匹配追踪
(OMP)
方法作为代表的经典贪婪追踪需要稀疏度作为先验知识，稀疏度自适应匹配追踪方法虽然可以对场景稀疏度进行自适应重构，但是只能针对简单信号进行重构，不适用于复杂的前视成像场景，并且场景重构成功率随三维速度
、
三维加速度的增加而急剧下降，这为机动平台前视成像处理带来了额外的困难
。
实际上，三维加速度不仅在观测回波中引入了高阶相位信息，还改变了飞行平台与照射场景之间的真实斜距历程，从而对过完备字典的构造方式产生了本质性的改变，导致稀疏重构字典完全失配，造成稀疏重构失败，最终使得前视成像无法反应真实地物信息，无法获取前视遥感图像
。
[0009]考虑以上问题，因此如何在机动平台下恢复出待重构场景，有效实现机动平台前视超分辨成像，成为了亟待解决的问题
。

技术实现思路

[0010]为了解决现有技术中所存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于优化自适应匹配追踪的单通道前视超分辨成像方法
。
[0011]本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0012]一种基于优化自适应匹配追踪的单通道前视超分辨成像方法，所述成像方法包括：
[0013]基于单通道扫描前视成像模型接收的基带回波信号，得到前视场景散射系数观测值；
[0014]基于单通道扫描前视成像模型，根据由瞬时多普勒频率得到的多普勒卷积相位构建过完备字典矩阵；
[0015]基于所述前视场景散射系数观测值和所述过完备字典矩阵，得到初始的稀疏度；
[0016]根据所述初始的稀疏度
、
所述过完备字典矩阵
、
所述前视场景散射系数观测值和信号残差进行前视超分辨成像，得到前视超分辨成像结果
。
[0017]本专利技术还提供一种基于优化自适应匹配追踪的单通道前视超分辨成像系统，所述成像系统包括：
[0018]观测值生成模块，用于基于单通道扫描前视成像模型接收的基带回波信号，得到前视场景散射系数观测值；
[0019]字典矩阵生成模块，用于基于单通道扫描前视成像模型，根据由瞬时多普勒频率得到的多普勒卷积相位构建过完备字典矩阵；
[0020]稀疏度生成模块，用于基于所述前视场景散射系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于优化自适应匹配追踪的单通道前视超分辨成像方法，其特征在于，所述成像方法包括：基于单通道扫描前视成像模型接收的基带回波信号，得到前视场景散射系数观测值；基于单通道扫描前视成像模型，根据由瞬时多普勒频率得到的多普勒卷积相位构建过完备字典矩阵；基于所述前视场景散射系数观测值和所述过完备字典矩阵，得到初始的稀疏度；根据所述初始的稀疏度
、
所述过完备字典矩阵
、
所述前视场景散射系数观测值和信号残差进行前视超分辨成像，得到前视超分辨成像结果
。2.
根据权利要求1所述的单通道前视超分辨成像方法，其特征在于，基于单通道扫描前视成像模型接收的基带回波信号，得到前视场景散射系数观测值，包括：基于单通道扫描前视成像模型发射的线性调频脉冲信号，得到正前方目标区域后向散射形成的基带回波信号；对所述基带回波信号进行解调处理，得到解调后的基带回波信号，所述解调后的基带回波信号表示为：其中，
s
r
(
τ
,t)
表示解调后的基带回波信号，
τ
表示距离向快时间变量，
t
表示方位向慢时间变量，
f
c
表示雷达载频，
w
r
(
τ
)
表示距离向时域窗函数，
w
a
(t)
表示方位向时域窗函数，
exp{
·
}
表示复指数函数，
j
表示虚数单位，
γ
表示距离向调频率，
λ
表示波长，
π
表示圆周率，
c
表示光速，
R(t)
表示引入三维加速度的随方位时间变化的目标与机动平台之间的真实斜距历程，
k
i
表示真实斜距历程
R(t)
在
t
＝0处的
i
阶麦克劳林展开式系数；基于所述解调后的基带回波信号，得到所述前视场景散射系数观测值
。3.
根据权利要求2所述的单通道前视超分辨成像方法，其特征在于，基于所述解调后的基带回波信号，得到所述前视场景散射系数观测值，包括：基于傅里叶变换的旋转因子和所述解调后的基带回波信号得到处理后的基带回波信号；基于所述处理后的基带回波信号的相位，根据驻定相位原理，得到距离向傅里叶变换后的回波信号，所述距离向傅里叶变换后的回波信号表示为：其中，
s
f
(f
r
,t)
表示距离向傅里叶变换后的回波信号，
f
r
表示距离向频域变量，
f
s
表示采样频率，
W
r
(f
r
)
表示距离向频域窗函数；利用距离频域和方位时域的距离向匹配滤波函数对所述距离向傅里叶变换后的回波信号执行距离向匹配滤波处理，得到距离向的匹配滤波信号，所述距离向的匹配滤波信号表示为：
其中，
s
R_MF
(f
r
,t)
表示距离向的匹配滤波信号；在距离频域得到加速度相位补偿函数，所述加速度相位补偿函数表示为：其中，
f
CA
(
τ
,t)
表示得到加速度相位补偿函数，
k
2a
、k
3a
、k
4a
分别表示
k2、k3、k4中与加速度有关的项；在距离频域和方位时域得到包络去斜函数，所述包络去斜函数表示为：其中，
f
pre
(f
r
,t)
表示包络去斜函数；利用所述加速度相位补偿函数和所述包络去斜函数处理所述距离向的匹配滤波信号，之后执行距离向逆傅里叶变换，得到所述前视场景散射系数观测值，所述前视场景散射系数观测值表示为：其中，
y
表示前视场景散射系数观测值，
σ
表示场景散射系数，
B
表示带宽，
R
rw
(t)
表示包络中的斜距历程，
R
pa
(t)
表示相位中的斜距历程，
h
表示方位窗函数，
θ
(t)
表示瞬时波束方位角，
ω
表示波束扫描角速度，
N
表示噪声
。4.
根据权利要求3所述的单通道前视超分辨成像方法，其特征在于，基于单通道前视成像模型，根据由瞬时多普勒频率得到的多普勒卷积相位构建过完备字典矩阵，包括：基于斜距历程系数，得到相位中的斜距历程，所述相位中的斜距历程表示为：
R
pa
(t)
＝
R
S
+k1t+k
2r
t2+k
3r
t3+k
4r
t4其中，
R
S
表示中心斜距，
k
2r
、k
3r
、k
4r
分别表示经过加速度补偿后
k2、k3、k4中的剩余部分；基于在每个方位慢时间将所述相位中的斜距历程扩展到每个方位角，得到所述多普勒卷积相位，所述多普勒卷积相位表示为：其中，
p
pr
(
θ
k
,t
m
)
表示多普勒卷积相位，
θ
k
表示方位角，
t
m
表示
t
中第
m
个值，
R
p
(
θ
k
,t
m
)
表示将
R
pa
(t)
扩展到每个方位角后的斜距历程；根据天线方向图和基于所述多普勒卷积相位得到的三角基相位矩阵构建所述过完备字典矩阵，所述过完备字典矩阵表示为：
Φ
＝
D
pre
⊙
G
其中，
Φ
表示过完备字典矩阵，
G
表示天线方向图，
L
表示天线方向图的维度，
g
l
,l
＝
1,2,...,L
，
g
l
表示天线方向图的值，
D
pre
表示三角基相位矩阵，
K
＝
M
‑
L+1
，
M
表示方位向采样点数，
L
表示场景内在一个波束宽度内的扫描点数，
⊙
表示求哈达玛积
。5.
根据权利要求1所述的单通道前视超分辨成像方法，其特征在于，基于所述前视场景散射系数观测值和所述过完备字典矩阵，得到初始的稀疏度，包括：步骤
3.1、
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁毅，邹永显，郭怡亨，李军辉，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：