基于波数域拼接的分布式雷达成像拓扑设计方法转让专利
申请号 : CN202010985507.2
文献号 : CN112083417B
文献日 : 2022-02-01
发明人 : 张永超 , 黄钰林 , 徐帆云 , 杨建宇 , 毛德庆 , 张寅 , 裴季方
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于波数域拼接的分布式雷达成像拓扑设计方法,其特征在于,采用多个平台发射,一个平台接收的工作模式,具体包括以下步骤:S1、构建分布式雷达成像系统几何模型;选择场景中的一个点作为原点O(0,0,0),并建立空间直角坐标系O‑xyz;该分布式雷达成像系统中有NT个发射机和NR个接收机,发射机、接收机和点目标的位置参数采用球坐标格式表示;
S2、在分布式雷达成像系统几何模型的基础上,将多个发射机和一个接收机组成的系统拆解为多个独立的一个发射一个接收的SAR成像系统,构建分布式雷达成像回波信号模型;回波信号模型即回波的波数域表达式:其中,kx(n),ky(n),kz(n)是随距离向慢时间变量n变化的波数域变量,σ(x,y,z)表示波束覆盖区域内点(x,y,z)的散射系数;
S3、确定分布式雷达成像系统的空间谱分布;步骤S3具体为:由发射机平台运动参数和雷达参数变化形成的圆为发射机填充圆,由接收机平台运动参数和雷达参数变化形成的圆为接收机填充圆,在雷达平台运动过程中记录下发射机填充圆和接收机填充圆的交点,这些交点会在波数域覆盖一个区域,这片区域称为空间谱;
S4、根据空间谱分布构建基于波数域拼接的分布式雷达拓扑设计约束条件;当两个发射机发射具有相同方位角变化的不同频率的信号时,采用的拓扑设计约束为:其中,βi(n)表示在任意时刻n发射机Ti和接收机R相对于各点目标形成的夹角,n为一个脉冲重复时间内的方位向慢时间变量,γ为常数,NT表示发射机总数,Ti表示第i个,Tj表示第j个发射机, 表示发射机Ti在运动过程中方位角的变化;
当两个发射机沿不同方位角移动时,采用的拓扑设计约束为:其中, 分别为第i个和第j个发射机发射信号的最低频率, 表示方位角门限和频率门限,NT表示发射机总数,Ti表示第i个发射机,Tj表示第j个发射机, 表示发射机Ti在运动过程中方位角的变化, 表示发射机Ti起始方位角, 表示发射机Tj终止方位角。
说明书 :
基于波数域拼接的分布式雷达成像拓扑设计方法
技术领域
背景技术
达原理的分布式雷达系统由多个独立的平台组成的,每一个平台可以充当发射机和接收
机,能够将多个发射机的回波信号进行融合处理。常规的合成孔径雷达需要长时间积累以
形成等效大孔径,相比之下,分布式雷达可以在短时间内便获得较大的孔径,进而得到更高
的成像分辨率。同时,有效合理地设计分布式雷达各平台相对拓扑构型和飞行路径,不仅能
够充分利用各平台的系统资源,也能在一定程度上提高成像分辨率及成像质量。
Multistatic SAR[J].IEEE Geoence and Remote Sensing Letters,2018,15(11):1715‑
1719.”中,作者以GEO‑SAR为应用背景,通过分析GEO多基SAR的广义模糊函数,在图像域寻
求用于描述成像性能约束条件,建立了多约束条件下的优化问题,并求解得到了一个发射
机和多个接收机工作模式下的拓扑设计,然而这些分析是建立在将点扩散函数直接非相参
叠加的基础上的,用于面目标成像难度较大。在文献“Sun Z,Wu J,Yang J,et al.Path
Planning for GEO‑UAV Bistatic SAR Using Constrained Adaptive Multiobjective
Differential Evolution[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,
2016:1‑14.”中,作者将飞行器的导航性能和成像性能作为约束条件,利用多目标进化算法
(Multiobjective Evolutionary Algorithms)求解得到航空器的路径,但是该方法用于分
布式雷达还不具有适用性。在“Dower W,Yeary M.Bistatic SAR:Forecasting Spatial
Resolution[J].IEEE Transactions on Aerospace&Electronic Systems,2018:1‑1.”中,
给出了点目标回波的波数域表达式,并推导了SAR系统的距离向和方位向的极限分辨率,但
是只给出了一些发射机在特定方位角时的成像实验结果。
发明内容
号模型;
程中记录下发射机填充圆和接收机填充圆的交点,这些交点会在波数域覆盖一个区域,这
片区域称为空间谱。
表示第j个发射机, 表示发射机Ti在运动过程中方位角的变化。
机Ti在运动过程中方位角的变化, 表示起始方位角, 表示终止方位角。
进行约束的前提下,采用将分布式雷达中多个平台形成的独立空间谱拼接的方式进行成
像,并验证了所提出的拓扑设计方法能够实现距离向分辨率和方位向分辨率的提高。
附图说明
具体实施方式
分布式雷达回波的波数域表示形式,并分析不同发射机和接收机空间分布对回波空间谱分
布的影响,最终给出能够实现距离向和方位向分辨率提高的分布式雷达各平台的拓扑设计
约束条件,并通过仿真实验进行验证。
空间直角坐标系O‑xyz。该分布式雷达成像系统中有NT个发射机和NR个接收机。发射机、接收
机和点目标的位置参数采用球坐标格式表示,具体分布情况如附图1所示,其中r、 θ分别
表示系统中各元素(包括发射机,接收机,和场景中的点)的斜距、俯仰角和方位角。
系统拆解为多个独立的一个发射一个接收的SAR成像系统。以一对SAR系统为例,推导回波
的波数域表达式和空间谱分布规律。发射机发射载频为fc和带宽为B的线性调频(LFM)信
号,场景中某一个目标点P和参考点O的时域回波表达式可以分别表示为sP(n,t),sO(n,t),
(n),tO(n)是相对于目标点P和参考点O的传播时延,可以表示为:
的俯仰角,θR(n)是接收机的方位角, 是接收机的俯仰角。
线圆分别对应于两个不同发射机的圆,点横“·‑”虚线对应于接收机的圆。当雷达平台运动
时,这些圆的中心将围绕波数域的原点旋转,圆的半径随发射信号的频率变化。定义由发射
机平台运动参数和雷达参数变化形成的圆为发射机填充圆,由接收机平台运动参数和雷达
参数变化形成的圆为接收机填充圆。在雷达平台运动过程中记录下发射机填充圆和接收机
填充圆的交点,这些交点会在波数域覆盖一个区域,这片区域称为空间谱。在附图2中,竖
线、横线和网格区域是空间频谱填充区域。
明提出的方法正是在带宽一定的情况下对分布式雷达各平台的拓扑构型进行设计。另一方
面,为了保证不同发射机对同一视角的带宽贡献,雷达平台中任意两个发射机的方位角之
差在录取回波信号过程中的任意时刻都应限制在雷达平台运动形成的方位角变化范围内。
基于上述描述,当分布式雷达存在多个发射机时,任意两个发射机之间的拓扑结构可以约
束为:
率△crg可以通过(10)计算:
发射机的起始方位角 和终止方位角 此外,不同发射机的发射信号应具有相似的
频率覆盖范围。因此,当分布式雷达存在多个发射机时,任意两个发射机之间的拓扑设计参
数约束如下:
限的选取是防止回波在频域发生混叠或者分离,方位角门限的选取是为了保证空间谱拼接
时重合或者分离不超过1/2;在本发明以“两发一收”为例的分析中,方位角门限 取值为
0.0215rad,频率门限 为0.315GHz。
的操作步骤。
达系统的部分仿真参数如表1所示,提高距离向分辨率和方位向分辨率时分布式雷达的部
分参数分别如附表2和附表3所示。
发射机T2速度 (‑1,2,0)*340m/s
接收机R速度 (0,2,0)*340m/s
信号带宽B 300MHz
回波信噪比SNR 15dB
合成孔径时间TSAR 1s
发射机T1载频 16GHz
发射机T2载频 16.315GHz
发射机T1起始位置 (‑60,‑30,10)km
发射机T2起始位置 (‑80,‑40,10)km
接收机R起始位置 (0,‑100,10)km
发射机T2载频 16.015GHz
发射机T1起始位置 (‑60,‑28,10)km
发射机T2起始位置 (‑80,‑40,10)km
接收机R起始位置 (0,‑100,10)km
达平台的拓扑结构进行约束,其空间谱拼接结果为附图5所示。当两个发射机沿不同方位角
移动时,按照式(12)对雷达平台的拓扑结构进行约束,其空间谱拼接结果为附图7所示。距
离向和方位向上的空间谱拼接对成像结果的改善在仿真验证中得到体现。
距离向分辨率有所提高;附图8是沿方位角变化方向拼接空间谱后的成像结果,与附图4相
比,方位向分辨率有显著提高。通过以上分析和仿真,验证了本发明提出的拓扑设计方法能
够有效地提高分布式雷达成像系统的距离向和方位向分辨率。
域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的
任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。