步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法
【專利摘要】本發明公開了一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，涉及步進頻雷達超分辨成像方法。其步驟為：步驟1，通過步進頻雷達得到距離場景的接收數據矢量；步驟2，接收數據矢量去噪得到觀測矢量；步驟3，距離場景柵格劃分得到柵格距離；步驟4，根據觀測矢量和柵格距離構造字典矩陣；步驟5，利用稀疏恢復誤差比率的變化，使用零空間調整方法，根據字典矩陣和觀測矢量得到距離恢復矢量，并根據各個時刻的距離恢復矢量獲得一維像。本發明主要解決常規壓縮感知對噪聲敏感、已知散射點個數及傳統方法中IFFT后出現冗余問題，可用于步進頻雷達低空障礙物檢測與定位，是實現低空飛行器自主避險的前提。
【專利說明】步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于雷達成像【技術領域】，涉及步進頻雷達超分辨成像方法，尤其涉及一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法。
【背景技術】
[0002]微波雷達相比其他傳感器，如激光與光學雷達，具有全天候、全天時的優勢，是低空環境感知的重要手段之一。在低空飛行器安裝天線孔徑受限情況下，毫米波雷達由于波長短，可獲得窄波束以提高空間分辨力，同時天線單元尺寸小可降低體積與重量，因而是低空障礙物探測的重要傳感器之一。步進頻雷達通過重復發射一串載頻線性跳變的雷達脈沖(這串脈沖稱為一幀)，再對接收到的回波按幀合成以提高距離分辨力，它采用的信號是瞬時窄帶的，其發射、接收與處理降低了雷達發射機和接收機的實現難度與硬件成本。因此近些年得到了廣泛的應用。綜上所述，毫米波步進頻雷達不僅具有全天時、全天候和主動探測的優點，而且能夠實現高空間分辨力與距離分辨力，為低空障礙物的檢測、識別與定位提供依據，因此其應用前景十分廣闊。
[0003]下面對幾種典型的一維距離成像的方法做簡要的介紹:
[0004](I)傳統的毫米波步進頻雷達是通過對采集回來的回波信號做逆快速傅立葉變換(Inverse Fast Fourier Transformation,簡稱IFFT)處理而獲得高分辨距離向成像。由龍騰，李耽，吳瓊之發表的論文“頻率步進雷達參數設計與目標抽取算法”(系統工程與電子技術，2001,23(6):26-31)中公開了由于雷達參數的選取，會使得步進頻率信號IFFT后產生兩種冗余:距離失配冗余和過采樣冗余。這就需要在進行IFFT處理后進行目標抽取處理才可得到真實的距離向成像。幾種典型的靜目標抽取算法有選大法、舍棄法、累加法。而舍棄法會降低提取后的信噪比，選大法在有距離走動時會出現偽峰且計算量較大，累加法在有距離走動時會出現偽峰且相加后的物理意義不太明確。
[0005](2)為了解決IFFT后會出現繁瑣的冗余問題，王民航、曾操等發明的專利“步進頻雷達超分辨一維距離成像方法”(申請號:201210133076.2)中利用CVX凸優化工具軟件重建目標的散射信息，可恢復出目標的距離信息，但此方法對噪聲敏感，在低信噪比情況下距離恢復效果明顯下降。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出了一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，解決了現有技術中常規壓縮感知對噪聲敏感、已知散射點個數及IFFT后出現冗余問題，增強了對噪聲的穩健性，同時獲得超分辨能力。
[0007]為達到上述目的，本發明采用以下技術方案預以實現。
[0008]一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0009]步驟I，通過步進頻雷達得到距離場景的接收數據矢量Xm (t)；
[0010]步驟2，接收數據矢量xm(t)去噪獲得觀測矢量y (t)；[0011]步驟3，對距離場景進行柵格劃分，得到柵格距離Rp ；
[0012]步驟4，根據觀測矢量y(t)和柵格距離Rp，構造字典矩陣A;
[0013]步驟5，利用稀疏恢復誤差比率的變化，使用零空間調整方法，根據字典矩陣A和觀測矢量y(t)得到距離恢復矢量zk(t);并且根據各個時刻的距離恢復矢量zk(t)獲得一維距離像Z。
[0014]上述技術方案的特點和進一步改進在于:
[0015](I)步驟I包括以下子步驟:
[0016]Ia)步進頻雷達接收回波數據；
[0017]Ib)回波數據經過模數變換(Analog to Digit Convertion, ADC)采樣后得到第m幀t時刻接收數據矢量xm (t)為:
[0018]xm (t) = [sr(m, 1，t)…sr(m，n, t)…sr(m，N, t)]T，m = 1，2，…M
[0019]其中，M是采樣獲得的總幀數，N是步進頻點個數，T表示轉置操作；
[0020]sr (m, n, t)表示第m幀第η個脈沖t時刻的接收數據,表達式為:
[0021]
【權利要求】
1.一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，通過步進頻雷達得到距離場景的接收數據矢量Xm (t)； 步驟2，接收數據矢量Xm (t)去噪獲得觀測矢量y(t)； 步驟3，對距離場景進行柵格劃分，得到柵格距離Rp ； 步驟4，根據觀測矢量y (t)和柵格距離Rp，構造字典矩陣A ； 步驟5，利用稀疏恢復誤差比率的變化，使用零空間調整方法，根據字典矩陣A和觀測矢量y(t)得到距離恢復矢量zk(t);并且根據各個時刻的距離恢復矢量zk(t)獲得一維距尚像z。
2.根據權利要求1所述的一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，其特征在于，步驟I包括以下子步驟: la)步進頻雷達接收回波數據； Ib)回波數據經過模數變換ADC，采樣后得到第m幀t時刻接收數據矢量Xm (t)為: xm (t) = [sr(m, I, t)...sr (m, n, t)...sr(m, N, t) ]T, m = I, 2, *..Μ 其中，M是采樣獲得的總幀數，N是步進頻點個數，T表示轉置操作； sr (m, n, t)表示第m幀第η個脈沖t時刻的接收數據,表達式為:
3.根據權利要求2所述的一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，其特征在于，步驟2包括以下子步驟: 2a)對第m幀第I個脈沖t時刻的接收數據矢量Xm(t)進行共軛操作，再與第其他幀的接收數據矢量Xm (t)相乘后得到互相關矢量7_?(0，互相關矢量ym(t)的表達式:
4.根據權利要求1所述的一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，其特征在于，步驟3具體為: 設定步進頻雷達觀察的最近與最遠距離分別為!--與Rf，以步長Λκ = c/(2NAf)進行距離柵格劃分，c為光速，N是步進頻點個數，Af為頻率步進量，第P個柵格對應的距離為Rp = Rn+(ρ-1) Δε, P 為正整數且 1 ≤ P ≤ P，P 為柵格總數，即 P = ceil [ (Rf-Rn)/Δε+1],ceil(.)表示朝正無窮大取整數。
5.根據權利要求1所述的一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，其特征在于，步驟4中字典矩陣A的表達式為:
A = {an’p}其中，an，p為字典矩陣A的第η行第p列的元素,an，p = exp[-j4 η (η-1) AfRp/c],其中，Rp為第P個柵格距離，P為正整數且P，P為柵格總數，Af為頻率步進量，c為光速，j表示虛數單位，η表示第η個脈沖，且I≤η≤N，字典矩陣A的維數為NXP維，N是步進頻點個數。
6.根據權利要求1所述的一種步進頻雷達低空障礙物超分辨一維成像方法，其特征在于，步驟5具體包括以下子步驟: 5a)設定zk(t)為距離恢復矢量，根據t時刻的觀測矢量y(t)，獲得PXl維初始距離恢復矢量一⑴=Ah(AAh)、⑴，其中，H表示共軛轉置操作，A表示字典矩陣，(AAh)―1表示對AAh的求逆操作，P為柵格總數； 設定散射點個數s = O，外層循環變量值為q和內層循環變量值為k，q初始值為O，k初始值為O，稀疏恢復誤差比率的初始值= O ;設置外層門限判別值T1 = 1，初始外層收斂系數值S1 = 0.005，初始內層收斂系數值ε 2 = 0.001 ; 5b)當外層門限判別值?\>初始外層收斂系數值^時，執行步驟5c)，否則跳至步驟5k)； 5c)設置內層門限判別值T2 = 1，散射點個數s增加I ; 5d)當內層門限判別值T2>內層收斂系數值￡2時，執行步驟5e)，否則跳至步驟5i)； 5e)對距離恢復矢量zk(t)按照模值從大到小排序獲得下標集合I，將下標集合I的前s項組成的子集記為I丨，后(P-s)項組成的補子集記為I〗，即:
I = sort (abs (zk (t)), ' descending')
I: = 1(1:C+1:尸) 其中，S表不散射點個數，P表不柵格總數，abs (.)表不取模值，sort (., ’ descending’)表不降序排列； 5f)由字典矩陣A，第k次的距離恢復矢量zk(t)以及下標子集I!與I〗，通過零空間調整方法獲得第k+Ι次距離恢復矢量zk+1 (t)以及第k次輔助矢量估計uk (t)，表達式為下式:
【文檔編號】G01S13/89GK103954961SQ201410200665
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】梁思嘉, 曾操, 徐青, 劉錚, 李文駿, 汪海, 李章杰 申請人:西安電子科技大學
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