本發(fā)明屬于雷達測量，具體涉及一種基于毫米波雷達的多模式形變監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

1、角分辨率是雷達能夠分辨和區(qū)分同一距離上兩個大小相等的目標的最小距離，或者單獨通過角度分清兩個物體的能力。在毫米波雷達中，角分辨率的高低直接影響到雷達對周圍環(huán)境的感知精度和成像效果。當角分辨率較低時，直接影響觀測區(qū)域目標形變信息的提取。毫米波雷達角分辨率與天線個數(shù)有關(guān)，天線個數(shù)越多角分辨越高，但是過多的天線個數(shù)會增加成本和體積。為了解決該問題，研究者采用多輸入多輸出體制提高角分辨率。該體制雖然可以提高角分辨率，但是增加了信號處理的難度。

2、目前常見的形變監(jiān)測雷達主要以星載和地基為主。星載形變監(jiān)測雷達一次性可以獲得大范圍觀測，但是不容易根據(jù)需求改變觀測范圍，而且重返周期時間較長，不能夠做到實時形變監(jiān)測。地基形變監(jiān)測雷達一定程度解決了星載觀測范圍固定、重返周期長的問題，但是還存在雷達、軌道體積較大，不方便攜帶的問題。此外，成像模式單一，成像處理時間較長。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于毫米波雷達的多模式形變監(jiān)測方法，可以根據(jù)需求選擇實孔徑成像合成孔徑雷達成像以實現(xiàn)靈活監(jiān)測形變。

2、為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于毫米波雷達的多模式形變監(jiān)測方法，包括：

4、步驟1，根據(jù)需求選擇雷達成像方式：

5、若對形變監(jiān)測的實時性要求高于預(yù)設(shè)條件，則選擇實孔徑雷達成像方式；

6、若對形變監(jiān)測的精度高于預(yù)設(shè)閾值，則選擇合成孔徑雷達成像方式；

7、步驟2，若選擇實孔徑雷達成像方式，則：采用多輸入多輸出制的毫米波雷達，利用其回波信號與發(fā)射信號進行混頻處理得到中頻信號，通過對中頻信號進行處理得到觀測區(qū)域連續(xù)多幀的距離向-方位角圖；

8、步驟3，對步驟2得到的每相鄰兩幀的距離向-方位角圖進行干涉和解纏處理，得以相鄰兩幀之間的相位差，進而由相位差計算觀測區(qū)域在相鄰兩幀之間的形變量；再基于多元信號分類的方法提取形變位置；

9、步驟4，若選擇合成孔徑雷達成像方式，則：將毫米波雷達搭載于地基軌道上，通過對一個時間段內(nèi)的回波信號采用后向投影算法以提取距離向-方位角圖；

10、步驟5，對兩個時間段的距離向-方位角圖進行干涉和解纏處理，得該兩個時間段之間的相位差，進而由相位差計算觀測區(qū)域在該兩個時間段之間的形變量。

11、進一步的，將回波信號與發(fā)射信號進行混頻處理得到中頻信號，表示為：

12、

13、

14、式中，表示中頻信號，表示發(fā)射信號，為發(fā)射信號的載頻，為調(diào)頻率，為信號快時間；為發(fā)射信號從目標返回的時間延時，是雷達到目標的距離，為光速。

15、進一步的，在混頻得到中頻信號后，先對得到的中頻信號進行加窗處理，再對加窗的中頻信號進行快速fft變換來獲得觀測區(qū)域連續(xù)多幀的距離向-方位角；加窗處理表示為：

16、

17、式中，表示加窗的中頻信號，為窗函數(shù)的長度，窗函數(shù)內(nèi)的時間索引。

18、進一步的，對中頻信號進行快速傅里葉變換以提取觀測區(qū)域的目標距離，并采用波束形成的方法估計方位角。

19、進一步的，所述基于多元信號分類的方法提取形變位置，即提取各形變位置的更高精度的方位角，具體為：

20、對中頻信號進行快速傅里葉變換，然后計算協(xié)方差矩陣：

21、

22、式中，為快拍數(shù)，是中頻信號經(jīng)過快速傅里葉變換得到的信號，為協(xié)方差矩陣，代表轉(zhuǎn)置運算；

23、對協(xié)方差矩陣進行特征值分解，獲得信號子空間和噪聲子空間：

24、

25、式中，是特征值分解所得特征值中數(shù)值最大的前k個所構(gòu)成的矩陣，其余特征值構(gòu)成的矩陣記為；中的特征值數(shù)量k，根據(jù)采用波束形成方法估計方位角的個數(shù)確定；

26、利用噪聲子空間構(gòu)建空間譜函數(shù)：

27、

28、式中，為導(dǎo)向矢量，由毫米波雷達確定；

29、通過遍歷所有角度進行找尋空間譜函數(shù)峰值最大的角度，即為目標更高精度的方位角。

30、進一步的，步驟4中通過對回波信號采用后向投影算法以提取距離和方位角，具體為：

31、步驟4.1，對一個時間段內(nèi)的回波信號進行加窗處理：

32、

33、式中，為第m個發(fā)射天線的發(fā)射信號經(jīng)目標反射并由第n個接收天線接收到的回波信號，為加窗后的信號；為時間；為窗函數(shù)；

34、步驟4.2，對加窗后的信號進行距離向脈沖壓：

35、

36、式中，為匹配濾波器，為調(diào)頻率，為距離向匹配濾波信號；

37、步驟4.3，對距離向匹配濾波信號進行后向投影成像處理，得到觀測區(qū)域各目標點的位置坐標：

38、

39、

40、式中，為目標點的信號強度，為目標點的第m個發(fā)射天線的發(fā)射信號經(jīng)目標點反射并由第n個接收天線接收的信號傳播時間，為第m個發(fā)射天線的位置坐標，為第n個接收天線的位置坐標，為目標點的位置坐標；m為發(fā)射天線數(shù)，n為接收天線數(shù)；

41、步驟4.4，根據(jù)觀測區(qū)域各目標點的位置坐標，提取距離和方位角，得到距離-方位角圖。

42、進一步的，步驟4中，采用cpu完成步驟4.1和步驟4.2以及將得到連續(xù)多個距離向匹配濾波信號按時間幀劃分為多個小段任務(wù)，利用cuda將多個小段任務(wù)分配給多個gpu；然后各gpu分別完成各自小段任務(wù)：從劃分的每個信號中按步驟4.3提取觀測區(qū)域各目標點的位置坐標；再采用cpu將所有小段任務(wù)得到的所有目標點的位置坐標合并，得到觀測區(qū)域的三維sar成像；最后采用cpu對三維sar成像濾波處理并提取距離-方位角圖。

43、進一步的，步驟3具體包括：

44、步驟3.1，將每相鄰兩幀的距離向-方位角圖進行復(fù)共軛相乘得到干涉相位：

45、

46、式中，表示求取相位運算，和表示相鄰兩幀的距離向-方位角圖；

47、步驟3.2，對干涉相位解纏得到真實相位差；

48、步驟3.3，根據(jù)真實相位差計算對應(yīng)相鄰兩幀之間的形變量：

49、

50、式中，為毫米雷達波的波長。

51、進一步的，步驟5具體包括：

52、步驟5.1，將兩個不同時間段內(nèi)的距離向-方位角圖進行復(fù)共軛相乘得到干涉相位：

53、

54、式中，表示求取相位運算，和表示兩個不同時間段的距離向-方位角圖；

55、步驟5.2，對干涉相位解纏得到真實相位差；

56、步驟5.3，根據(jù)真實相位差計算兩個不同時間段之間的形變量：

57、

58、式中，為毫米雷達波的波長。

59、本發(fā)明以體積較小的毫米波雷達為對象，發(fā)明了多種模式形變監(jiān)測方法，不僅可以實現(xiàn)實孔徑成像監(jiān)測，而且還可以實現(xiàn)合成孔徑雷達成像監(jiān)測。實孔徑成像監(jiān)測主要利用多輸入多輸出(mimo)實現(xiàn)較高角分辨率成像對目標區(qū)域進行監(jiān)測，該方法可以快速高效的獲取目標區(qū)域形變信息。合成孔徑雷達成像監(jiān)測是將毫米波雷達搭載在平穩(wěn)的運動平臺上，通過運動合成大的孔徑以提高成像分辨率。該方法可以獲得高分辨率的目標區(qū)域雷達圖像，但是會降低時間分辨率。本發(fā)明支持以上兩種形變監(jiān)測模式，可以根據(jù)需求進行選擇監(jiān)測模式。