基于稀布阵雷达的单脉冲多目标超分辨测角实现方法
阅读说明：本技术 基于稀布阵雷达的单脉冲多目标超分辨测角实现方法 (Single-pulse multi-target super-resolution angle measurement implementation method based on sparse array radar ) 是由 王明江 闻映红 张金宝 于 2021-01-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于稀布阵雷达的单脉冲多目标超分辨测角实现方法。该方法包括：对单脉冲稀布阵雷达多个通道的目标回波信号进行一维距离像恒虚警检测,得到各个目标所在距离单元的阵列信号,根据目标所在距离单元的阵列信号构建目标的角度观测向量；利用稀布阵雷达系统的工作参数构建角度测量字典矩阵,根据角度测量字典矩阵与稀布阵雷达的工作参数构建角度观测矩阵；基于目标的角度观测向量和角度观测矩阵,利用优化算法对不同目标的相位延迟向量进行重构成像,实现目标回波信号的多目标超分辨与角度测量。本发明方法能够从雷达单脉冲回波数据中对波束内距离和角度相近的多个目标进行角度分辨与精确测量。(The invention provides a monopulse multi-target super-resolution angle measurement implementation method based on a sparse array radar. The method comprises the following steps: performing one-dimensional range profile constant false alarm detection on target echo signals of multiple channels of the monopulse sparse array radar to obtain array signals of distance units where the targets are located, and constructing angle observation vectors of the targets according to the array signals of the distance units where the targets are located; constructing an angle measurement dictionary matrix by using working parameters of the sparse array radar system, and constructing an angle observation matrix according to the angle measurement dictionary matrix and the working parameters of the sparse array radar; based on the angle observation vector and the angle observation matrix of the target, the phase delay vectors of different targets are reconstructed and imaged by using an optimization algorithm, so that multi-target super-resolution and angle measurement of target echo signals are realized. The method can perform angle resolution and accurate measurement on a plurality of targets with similar distances and angles in the wave beam from radar single pulse echo data.)
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于稀布阵雷达的单脉冲多目标超分辨测角实现方法。
背景技术
阵列雷达在目标探测领域有着广泛的应用。在雷达探测技术中，由于目标的距离像受距离分辨率限制，角度分辨能力受雷达波束宽度约束，因此，密集多目标的高分辨技术是雷达探测领域的一项难点。
目前，现有技术中的基于阵列雷达的目标检测与测角方法主要有基于一维距离像的恒虚警检测技术和基于阵列的波束扫描法等技术。上述目标检测与测角方法在密集多目标探测中都有一定的缺点。基于一维距离像的恒虚警检测技术无法实现波束内距离相近的多个目标分辨；基于阵列的波束扫描法无法对角度相近的多个目标进行准确测量，当多个目标之间的距离小于一个距离单元间隔，角度间隔小于半功率波束宽度时，上述方法都不能对空间中多个目标进行正确分辨与准确角度测量。
综上所述，如何基于阵列雷达探测体制，实现对空间密集多目标的超分辨和角度精确测量是一项亟待解决的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于稀布阵雷达的单脉冲多目标超分辨测角实现方法，以实现对雷达单脉冲回波数据进行多目标分辨与角度测量。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种基于稀布阵雷达的单脉冲多目标超分辨测角实现方法，该方法包括：
对单脉冲稀布阵雷达多个通道的目标回波信号进行一维距离像恒虚警检测，得到各个目标所在距离单元的阵列信号，根据目标所在距离单元的阵列信号构建目标的角度观测向量；
利用稀布阵雷达系统的工作参数构建角度测量字典矩阵，根据角度测量字典矩阵与稀布阵雷达的工作参数构建角度观测矩阵；
基于所述目标的角度观测向量和所述角度观测矩阵，利用优化算法对不同目标的相位延迟向量进行重构成像，实现所述目标回波信号的多目标超分辨与角度测量。
优选地，所述的对单脉冲稀布阵雷达多个通道的目标回波信号进行一维距离像恒虚警检测，得到各个目标所在距离单元的阵列信号，根据目标所在距离单元的阵列信号构建目标的角度观测向量，包括：
对单脉冲稀布阵雷达多个通道的目标回波信号进行数字波束合成，对数字波束合成后的回波数据进行匹配滤波，得到目标一维距离像数据；
对目标一维距离像数据中的每个距离单元的回波数据进行一维距离CFAR恒虚警检测，检测出不同距离的目标，得到各个目标所在距离单元的阵列信号。
利用检测到的目标距离单元各阵列信号，构建目标的角度观测向量。
优选地，所述目标的角度观测向量表示为：
S(k)＝[s1(k) s2(k) … sP(k)] (5)
式(1)中，sp(k)为一维距离像CFAR检测出的第k个目标在稀布阵雷达第p个通道的距离单元复信号数据，p＝1,…,P，P＜N，N为阵列雷达全阵通道数。
优选地，所述利用稀布阵雷达系统的工作参数构建角度测量字典矩阵，包括：
根据稀布阵雷达系统对应的全阵雷达阵列排布、工作波长、全阵子阵个数、相邻子阵间距及测角分辨间隔构建基于阵列雷达的角度测量字典矩阵。该角度测量字典矩阵表示为一N×M的矩阵：
式(2)中，为角度θm的导向矢量，θm＝(m-N/2)Δθ，M为空间角度划分个数，Δθ为空间角度划分间隔，d为阵列雷达相邻两子阵间距，λ为雷达工作频率。
优选地，所述的利用角度测量字典矩阵与稀布阵雷达的工作参数构建角度观测矩阵，包括：
利用角度测量字典矩阵与稀布阵雷达的布阵位置、子阵个数构建对应的角度观测矩阵，角度观测矩阵表示为：
A＝[Φ1 Φ2 … ΦP]T (7)
式(3)中，[·]T表示矩阵的转置，Φp表示角度测量字典矩阵Φ的第p个行向量，p＝1,…,P，P＜N。
优选地，所述的基于所述目标的角度观测向量和所述角度观测矩阵，利用优化算法对不同目标的相位延迟向量进行重构成像，实现所述目标回波信号的多目标超分辨与角度测量，包括：
利用稀布阵雷达的目标角度观测向量和角度观测矩阵，采用最优化算法对不同目标的相位延迟向量在观测矩阵基向量下的投影系数进行重构求解；
以最小l1范数为准则，根据稀布阵雷达的角度观测矩阵A和角度观测向量S(k)，利用最优化算法求解下述最优化模型：
式(4)中，为空间各角度单元的目标后向散射系数估计值，argmin为取函数最小值，根据求得的最优解将第k个距离单元处的各目标进行分辨，得到各目标的角度。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种基于稀布阵列雷达的密集多目标分辨和测角方法，能够从雷达单脉冲回波数据中对波束内距离和角度相近的多个目标实现角度分辨与精确测量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于稀布阵雷达的多目标超分辨测角实现方法的原理图；
图2为本发明实施例提供的一种稀布阵雷达对空间密集多目标的观测模型示意图；
图3为本发明实施例提供的一种波束内目标各阵列回波波程延迟示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于稀布阵雷达单脉冲多目标回波数据进行脉冲压缩后的一维距离像示意图；
图5为本发明实施例提供的一种利用稀布阵雷达系统工作参数构建的角度测量字典矩阵数据示意图；
图6为本发明实施例提供的一种利用稀布阵雷达系统工作参数构建的角度观测矩阵数据示意图；
图7为本发明实施例提供的一种检测该算法的单目标稀布阵雷达角度观测数据和角度重构结果图；左图为稀布阵雷达距离单元内单目标的角度观测数据；右图为利用优化算法对单目标进行角度重构成像的结果示意图；
图8为本发明实施例提供的一种检测该算法的距离相同的双目标稀布阵雷达角度观测数据和角度重构结果图；左图为稀布阵雷达距离单元内双目标的角度观测数据；右图为利用优化算法对两目标进行角度重构成像的结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供的一种基于稀布阵雷达的单脉冲多目标超分辨测角实现方法的实现原理图如图1所示，包括如下的处理步骤：
步骤101：对目标回波进行一维距离像恒虚警检测，利用目标所在距离单元的各阵列信号，构建目标的角度观测向量。
一维距离像是空间距雷达不同距离处的目标反射回波强度的距离投影。对目标回波进行一维距离像CFAR检测，可以将空间距离不同的强反射目标分辨出来。同时，利用CFAR检测到的目标所在距离单元的各阵列数据，构建该目标的角度观测向量。
图2为本发明实施例一提供的一种稀布阵雷达对空间密集多目标的观测模型示意图。首先，对单脉冲稀布阵雷达多个通道的目标回波信号进行数字波束合成，提高检测数据的信噪比；对数字波束合成后的回波数据进行匹配滤波，得到目标一维距离像数据；然后，对目标一维距离像数据中的每个距离单元的回波数据进行一维距离CFAR(Constant FalseAlarm Rate,恒虚警率)检测，检测出不同距离的目标，得到各个目标所在距离单元的阵列信号。
利用检测到的目标所在距离单元的各阵列信号，构建目标的角度观测向量，目标的角度观测向量可以表示为：
S(k)＝[s1(k) s2(k) … sP(k)] (9)
式(1)中，sp(k)为一维距离像CFAR检测出的第k个目标在稀布阵雷达第p个通道的距离单元复信号数据，p＝1,…,P，P＜N，N为阵列雷达全阵通道数。
步骤102：利用稀布阵雷达系统的工作参数构建角度测量字典矩阵，根据角度测量字典矩阵与稀布阵雷达的工作参数构建角度观测矩阵。
根据稀布阵雷达系统对应的全阵雷达阵列排布、工作波长、全阵子阵个数、相邻子阵间距及测角分辨间隔构建基于阵列雷达的角度测量字典矩阵。该角度测量字典矩阵可以表示为一N×M的矩阵：
式(2)中，为角度θm的导向矢量，θm＝(m-N/2)Δθ，M为空间角度划分个数，Δθ为空间角度划分间隔，d为阵列雷达相邻两子阵间距，λ为雷达工作频率。
然后，利用角度测量字典矩阵与稀布阵雷达的布阵位置、子阵个数构建角度观测矩阵，角度观测矩阵可表示为：
A＝[Φ1 Φ2 … ΦP]T (11)
式(3)中，[·]T表示矩阵的转置，Φp表示角度测量字典矩阵Φ的第p个行向量，p＝1,…,P，P＜N。
步骤103：基于目标角度观测向量和角度观测矩阵，利用优化算法对目标角度进行重构成像，实现多目标的超分辨与角度测量。
图3为本发明实施例一提供的一种波束内目标各阵列回波波程延迟示意图。当波束内多个目标距离相同，空间角度相近时，多个目标的雷达一维距离像在距离单元上出现重叠，此时，一维距离像无法分辨距离相同的多个目标。同时，由于多个目标的角度间隔小于雷达波束宽度，依靠雷达波束宽度也无法分辨多个目标。在此情况下，由于不同角度的目标回波到雷达各阵列的相位延迟不同，因此，不同目标的回波在各阵列中的相位差在系统测量字典矩阵基向量下的投影也不同。基于上述性质，利用稀布阵雷达的目标角度观测向量和角度观测矩阵，采用最优化算法对不同目标的相位延迟向量在观测矩阵基向量下的投影系数进行重构求解，就可将距离相同、角度相近的多个目标进行超分辨，并可实现各目标角度的精确测量。
具体的，以最小l1范数为准则，根据稀布阵雷达的角度观测矩阵A和角度观测向量S(k)，利用最优化算法求解下述最优化模型：
式(4)中，为空间各角度单元的目标后向散射系数估计值，argmin为取函数最小值，根据求得的最优解就可以将第k个距离单元处的各目标进行分辨，并可得到各目标的精确角度。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
图4为检验本发明实施例的算法的稀布阵雷达一维距离像数据示意图。其中，稀布阵雷达工作频率为9.2GHz,发射信号带宽3MHz,波束宽度为0.45°，波束内3个目标距离雷达分别为：[10、10、15]km，目标方位角度分别为：[1.0、1.3、0.9]°。由图中可以看出，第1,2个目标由于距离相同，一维距离像无法分辨，而第3个目标从一维距离像中可以与前两个目标进行分辨。
图5为对利用全阵列雷达系统参数构建的角度测量字典矩阵的数据示意图，其中全阵雷达子阵个数为128，字典矩阵角度范围为[-5,5]°，角度划分间隔为0.1°。
图6为利用稀布阵雷达系统阵列排布构建的角度观测矩阵，其中，稀布阵雷达子阵个数为16个，为全阵雷达子阵数的1/8。
图7为利用第3个目标所在距离单元的稀布阵雷达角度测量数据和重构求得的目标角度图像示意图。其中，左图为全阵雷达和稀布阵雷达对该目标的角度观测向量数据图，从图7中可以看出稀布阵雷达为全阵雷达观测数据量的1/8。右图为重构求得的该目标角度图像数据，从图7中可以看出，由于该距离单元处只有一个目标，角度重构图像中只有一个峰值，峰值位置为该目标的角度精确值。
图8为利用第1、2个目标所在距离单元的稀布阵雷达角度测量数据和重构求得的目标角度图像示意图。其中，左图为全阵雷达和稀布阵雷达该距离单元的角度观测向量数据图，右图为重构求得的该距离单元处各目标的角度数据图。从图8中可以看出，由于该距离单元包含第1、2共两个目标，重构角度图像中出现了两个峰值，可将两个目标进行清晰分辨，且各峰值位置为两目标对应的角度准确值。稀布阵雷达仅利用全阵雷达1/8的数据量，实现了距离相同、角度小于波束宽度的两个目标的角度超分辨和精确测量。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于稀布阵列雷达的密集多目标分辨和测角方法，能够从雷达单脉冲回波数据中对波束内距离和角度相近的多个目标进行角度分辨与精确测量。
通过本发明实施例的方法，不仅可极大降低阵列雷达系统数据量，还可对波束内多个距离相同角度相近的多个目标进行超分辨和精确角度测量。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。