专利名称：装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波成像技术领域，是一种装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像方法及装置。本发明基于稀疏微波成像体制，雷达信号源采用正交编码信号，利用单天线发射正交编码波形，利用多天线接收场景回波，利用稀疏信号处理的I,正则化算法成像，实现慢速平台条件下的高分辨雷达成像。
背景技术：
传统的微波成像雷达都是通过发射天线对观测场景发射电磁波脉冲，并利用接收天线接收回波信息。回波信息经过采样转化为数字信号储存，计算机对这些数据进行信号处理，实现场景成像。在这个成像过程中有两个关键技术，就是在距离向的匹配滤波和在方位向的合成孔径。为满足这两个技术的要求，匀速直线的合成孔径运动以及具有良好匹配滤波性能的发射波形就成为了传统成像雷达的必需要求。传统成像雷达一般采用线性调频信号(LFM)信号源进行匹配滤波实现距离向高分辨率。线性调频信号又称为chirp信号，chirp信号有着一个很好的特征，就是优良的自相关性。对接收回波进行chirp匹配滤波(求取自相关函数)，理想情况下，在有回波的时刻会出现一个sine脉冲，实现目标分辨。其分辨率只与发射信号的带宽有关，从而突破距离向分辨率和系统信噪比的矛盾，实现距离向高分辨。而方位向的分辨率在理论上与天线的主瓣方向角相关。要达到较高的分辨率，理论上需要数十千米量级的巨大天线，为了解决这个问题，Wiley提出了合成孔径的概念，让天线和观测场景做相对运动，每隔一定时间发射一个观测脉冲，达到在方位向合成一个虚拟的大口径天线的目的。通过相对运动实现合成孔径后，方位向信号也可以在数学上表达为chirp信号的形式，从而同样可以通过匹配滤波的技术实现脉冲压缩，数学证明其方位向分辨率可以达到天线实孔径的一半，实现方位向高分辨(Ian Cumming andFrank Wong, Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data !Algorithms andImplementation, Artech House, 2005，MA02062.)。可以看到，匹配滤波和合成孔径分别是成像雷达在方位向和距离向上实现高分辨率成像的基础工具。但为了实现合成孔径，要么需要将雷达系统置于在一定速度下运行的平台上，例如航空器、卫星；要么将系统静止，则只能对运动目标成像，这就是逆合成孔径雷达(ISAR)。这大大限制了成像雷达系统的应用范围。而如果将雷达部署在慢速平台上，如飞艇、车辆、舰船等，甚至保持雷达天线和成像场景相对静止，则同一个距离门内的目标将无法分辨，造成实孔径成像的方位向�：换蛭薹ù锏胶芨叩腜RF，造成脉冲积累不够，方位向分辨率严重不足。因此，为实现慢速平台微波成像，须采用新的成像雷达体制。稀疏微波成像是 我国科学家首先提出的一种微波成像的新的理论、体制和方法。所谓稀疏微波成像，是指将稀疏信号处理理论(Sparse Signal Processing)的最新成果，尤其是压缩感知(Compressive Sensing)技术,引入微波成像并有机结合形成的微波成像新理论、新体制和新方法，即通过寻找被观测对象的稀疏表征域，在空间、时间、频谱或极化域稀疏采样获取被观测对象的稀疏微波信号，经信号处理和信息提�。袢”还鄄舛韵蟮目占湮恢�、散射特征和运动特性等几何与物理特征。稀疏微波成像不仅是对微波成像新概念、新体制的探索研究，而且与应用实践密切相关，直接进行方法研究或完全基于理论和算法的基础研究都不能完整地回答稀疏微波成像的具体内涵。稀疏微波成像理论认为，在很多情况下，例如海洋目标监测、空间目标监测、运动目标检测等应用中，所观测的场景中均存在很强的稀疏性，所得采样数据若按照常规采样约束将存在很大的冗余；而非稀疏的场景，也存在找到稀疏变换基而得到其稀疏表征的可能性(类似图像处理中的DCT基或小波基)。在满足稀疏观测约束的条件下，运用稀疏信号处理的最新理论成果，有可能实现大幅降低系统采样率与系统复杂度，同时不降低图像的成像质量。对于传统的成像雷达，没有运用在慢速平台上的可能性；而在稀疏微波成像体制下，有实现慢速平台成像的可能性。稀疏微波成像采用稀疏信号处理的正则化重建算法取代了传统的匹配滤波成像算法。其成像性能由系统的观测矩阵决定。只要构造出合适的慢速平台稀疏微波成像观测矩阵，高分辨成像将成为可能。本发明采用多收发天线与正交编码信号发射波形实现高性能观测矩阵的构建。正交编码信号是一种在通信系统中得到了广泛应用的信号波形。其基本概念为:对于一族信号{Sigk ( τ )}，k e K，如果满足:
权利要求
1.一种装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像方法，其特征在于，所述稀疏微波成像步骤如下: 步骤S1:信号源构造装载于慢速平台上的成像雷达的发射波形为一族正交编码信号 1;(0，其中有1^个正交编码信号，1^=1...1(，τ为快时间； 步骤S2:信号源构造的正交编码信号依次序从装载于慢速平台上的成像雷达的单一发射天线发出并照射场景，直至观测值数目已满足稀疏微波成像观测约束； 步骤S3:在装载于慢速平台上的成像雷达中，设有多个接收天线，记第m个接收天线接收到的由点目标i反射的回波为幻表达式为:
2.如权利要求1所述的装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像方法，其特征在于，步骤S4对装载于慢速平台上的成像雷达回波数据sm( τ，k)进行采样的时间f为:
3.如权利要求2所述的装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像方法，其特征在于，步骤S4第m个接收天线所接收的雷达回波的采样数据P(t/)表示为:
4.如权利要求2所述的装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像方法，其特征在于，观测矩阵Ψ表达式如下:
5.如权利要求4所述的装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像方法，其特征在于，采用I,正则化算法求解〗 = Ψσ，其中场景反射的雷达回波的采样数据5和观测矩阵Ψ已知，σ为待求解的未知量为后向散射系数；记解得重建的场景目标后向散射系数为< ，斤为σ在可接受误差下的良好近似:
6.一种装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像装置，其特征在于，所述装置包括:低噪声放大器、解调器、数模转换采样器、基于I,正则化的信号处理器、正交编码信号族单元、直接数字合成/锁相环合成模拟信号单元、调制器、功率放大器和收/发转换开关并载于慢速平台上组成，其中: 低噪声放大器，其输入端与接收天线连接，接收并对场景反射的成像雷达回波进行放大，获得场景反射的成像雷达回波的模拟信号； 解调器，其输入端与低噪声放大器的输出端连接，接收并对场景反射的成像雷达回波的模拟信号进行正交解调，获得正交解调的模拟信号； 数模转换采样器，其输入端与解调器的输出端连接，接收并将正交解调的模拟信号转换为数字成像雷达回波信号； 正交编码信号族单元，输出正交编码族数字信号和参考信号； 直接数字合成/锁相环合成模拟信号单元，其输入端与正交编码信号族单元的输出端连接，接收并将正交编码信号族数字信号转换为模拟信号； 调制器，其输入端与直接数字合成/锁相环合成模拟信号单元的输出端连接，接收并对模拟信号进行正交调制并搬移到射频，获得射频信号； 功率放大器，其输入端与调制器的输出端连接，接收并对射频信号进行功率放大，获得放大射频信号；收/发转换开关，与功率放大器、发送/接收天线和多个接收天线连接，用于实现接收天线的双工复用；在发射信号时，接收功率放大器输出的放大射频信号并将发送/接收天线与功率放大器连通，实现发射正交编码信号族，并将发送/接收天线与低噪声放大器断开，使得接收天线发射与接收天线接收互不干扰；将多个接收天线与低噪声放大器相连，实现场景反射的成像雷达回波的接收； 基于I,正则化的信号处理器，其输入端分别与数模转换采样器和正交编码信号族单元的输出端连接，接收并对数字成像雷达回波信号和正交编码信号族单元输出的参考信号进行数字信号处理，生成并输出装载于慢速平台上的成像雷达的图像。
7.如权利要求6所述装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像装置，其特征在于:所述慢速平台是飞艇、车辆、 舰船、地面固定平台的慢速运动运载平台。
全文摘要
本发明公开装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像方法，其步骤描述如下步骤S1，信号源构造装载于慢速平台上的成像雷达的发射波形为一族正交编码信号；步骤S2，信号源构造的正交编码信号依次序从装载于慢速平台上的成像雷达的单一发射天线发出并照射场景，直至观测值数目已满足稀疏微波成像观测约束；步骤S3，多个接收天线接收场景反射的成像雷达回波，建立回波的数学模型；步骤S4，对回波进行采样，构建成像雷达的观测矩阵；步骤S5，采用lq正则化算法重建场景信息，实现高分辨成像。本发明还提供装载于慢速平台上的成像雷达的稀疏微波成像装置。
文档编号G01S13/89GK103197312SQ20131011711
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者张冰尘, 洪文, 吴一戎, 张柘 申请人:中国科学院电子学研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
