一種適用于存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)稀疏多普勒成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)稀疏多 普勒成像方法，可用于對(duì)存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)進(jìn)行成像。
【背景技術(shù)】
[0002] 多普勒成像方法能夠提供目標(biāo)在距離維和橫向距離維的精確信息，是實(shí)現(xiàn)對(duì)3維 旋轉(zhuǎn)目標(biāo)進(jìn)行2維成像的一種常用方法。針對(duì)不同的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)設(shè)計(jì)有效的多普勒成像方法 在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。例如，對(duì)太空碎片進(jìn)行多普勒成像是空間碎片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的 關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，隨著人類(lèi)空間活動(dòng)的日益頻繁，空間碎片的數(shù)量也在與日俱增，已成 為了外太空中極具危害的一種污染源。它們不僅擁有龐大的數(shù)量，還具有很高的運(yùn)動(dòng)速度， 通常在近地軌道上能夠達(dá)到l〇km/ S，從而極易與在軌飛行器發(fā)生碰撞，導(dǎo)致大災(zāi)難的發(fā)生。 有效的太空碎片多普勒成像在防撞指示、碰撞程度預(yù)測(cè)以及碎片的回收清理等工作中均具 有重要的指導(dǎo)意義。
[0003] 在多普勒成像過(guò)程中，目標(biāo)的雷達(dá)回波在整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)都被看作位于單個(gè)距 離單元內(nèi)，并且被一系列的雷達(dá)發(fā)射脈沖序列采樣。根據(jù)散射中心模型理論，多普勒成像 的關(guān)鍵在于估計(jì)目標(biāo)上主要散射中心的位置和后向散射強(qiáng)度，并且估計(jì)精度需要盡可能地 高。僅用多普勒信息的傳統(tǒng)單快拍成像方法，其假設(shè)在整個(gè)成像過(guò)程中觀測(cè)目標(biāo)上所有散 射中心始終對(duì)于雷達(dá)是可見(jiàn)的。但在實(shí)際中，當(dāng)目標(biāo)的自旋軸與雷達(dá)視線(xiàn)不一致時(shí)，會(huì)導(dǎo) 致目標(biāo)上的部分散射中心在部分觀測(cè)間隔內(nèi)對(duì)于雷達(dá)是不可見(jiàn)的，即遮擋效應(yīng)，此時(shí)的遮 擋效應(yīng)相當(dāng)于對(duì)目標(biāo)在方位向進(jìn)行了非均勻采樣，這個(gè)因素在已有成像算法中沒(méi)有被涉及 到。
[0004] 一般而言，雷達(dá)成像的過(guò)程可看作是由測(cè)量場(chǎng)景的電磁散射信號(hào)來(lái)反推場(chǎng)景信息 的過(guò)程。根據(jù)雷達(dá)成像的數(shù)學(xué)模型，可以將雷達(dá)成像的過(guò)程看成是一個(gè)逆問(wèn)題。由于遮擋 效應(yīng)的存在，測(cè)量數(shù)據(jù)的信息量通常是有限的，無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)場(chǎng)景信息詳細(xì)程度的要求。 所以，上述逆問(wèn)題是病態(tài)的，無(wú)法通過(guò)經(jīng)典的最小二乘估計(jì)方法得以很好地解決。傳統(tǒng)的多 普勒成像方法通過(guò)對(duì)最小二乘估計(jì)中不可逆或不穩(wěn)定的部分作近似處理來(lái)實(shí)現(xiàn)成像，但代 價(jià)是具有一定的主瓣寬度和旁瓣效應(yīng)，即造成場(chǎng)景圖像中的細(xì)節(jié)信息有所損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種適用于存在遮擋效應(yīng)的旋 轉(zhuǎn)目標(biāo)稀疏多普勒成像方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)進(jìn)行成像，并且能夠自適 應(yīng)地估計(jì)遮擋區(qū)域。
[0006] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)思路是：將對(duì)存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)進(jìn)行多普勒成像的過(guò)程看作 是求解一個(gè)逆問(wèn)題的過(guò)程，利用目標(biāo)上的散射中心是稀疏分布的（觀測(cè)場(chǎng)景具有一定的稀 疏性）以及目標(biāo)上各個(gè)散射中心的后向散射現(xiàn)象隨時(shí)間緩慢變化（慢變）這兩個(gè)假設(shè)，在 多普勒成像過(guò)程中增加相應(yīng)的稀疏約束，將病態(tài)的逆問(wèn)題轉(zhuǎn)化成良態(tài)的2維Fused Lasso 模型來(lái)求解，從而實(shí)現(xiàn)成像。
[0007] 為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0008] -種適用于存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)稀疏多普勒成像方法，其特征在于，包括以 下步驟：
[0009] 步驟1，建立存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的時(shí)變雷達(dá)回波模型；
[0010] 步驟2,對(duì)存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的時(shí)變雷達(dá)回波模型進(jìn)行稀疏信號(hào)表示；
[0011] 步驟3,根據(jù)時(shí)變雷達(dá)回波模型的稀疏信號(hào)表示形式，將對(duì)存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目 標(biāo)的成像過(guò)程轉(zhuǎn)化為2維Fused Lasso模型的稀疏優(yōu)化過(guò)程；
[0012] 步驟4,利用凸優(yōu)化工具包CVX來(lái)求解2維Fused Lasso模型的稀疏優(yōu)化過(guò)程，得 到稀疏后向散射強(qiáng)度矩陣B的估計(jì)矩陣B ;
[0013] 步驟5,取估計(jì)矩陣?中各行的最大值構(gòu)成等效后向散射強(qiáng)度向量，即實(shí)現(xiàn)成像。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：將對(duì)存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)進(jìn)行多普勒成像的過(guò)程看作 是求解逆問(wèn)題的過(guò)程，利用目標(biāo)上的散射中心是稀疏分布的以及目標(biāo)上各個(gè)散射中心的后 向散射現(xiàn)象具有慢變特性這兩個(gè)假設(shè)，在多普勒成像過(guò)程中引入稀疏約束，將病態(tài)的逆問(wèn) 題轉(zhuǎn)化成良態(tài)的2維Fused Lasso模型來(lái)求解，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的多 普勒成像，同時(shí)自適應(yīng)地估計(jì)目標(biāo)的遮擋區(qū)域。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0016] 圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0017] 圖2是用本發(fā)明對(duì)不同遮擋比例下的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖，其中：
[0018] 圖2a是本發(fā)明對(duì)遮擋比例為30%的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖；
[0019] 圖2b是本發(fā)明對(duì)遮擋比例為60%的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖；
[0020] 圖2c是本發(fā)明對(duì)遮擋比例為90%的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖；
[0021] 圖2d是本發(fā)明對(duì)遮擋比例為95%的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖。
[0022] 圖3是本發(fā)明對(duì)不同信噪比下遮擋比例為50%的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖，其中：
[0023] 圖3a是本發(fā)明對(duì)20dB信噪比下遮擋比例為50%的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖；
[0024] 圖3b是本發(fā)明對(duì)15dB信噪比下遮擋比例為50%的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖；
[0025] 圖3c是本發(fā)明對(duì)IOdB信噪比下遮擋比例為50%的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果圖。
[0026] 圖4是電磁仿真的目標(biāo)模型示意圖。
[0027] 圖5是電磁仿真目標(biāo)的一維高分辨距離像隨時(shí)間的變化圖。
[0028] 圖6是本發(fā)明對(duì)電磁仿真數(shù)據(jù)的成像結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的適用于存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)稀疏多普勒成像方法，包括以 下步驟：
[0030] 步驟1，建立存在遮擋效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)的時(shí)變雷達(dá)回波模型。
[0031] 假設(shè)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)由K個(gè)散射中心構(gòu)成，當(dāng)寬帶雷達(dá)帶寬的距離分辨率大于目標(biāo)尺寸 時(shí)，旋轉(zhuǎn)目標(biāo)上各個(gè)散射中心的雷達(dá)子回波都被看作是來(lái)自于同一個(gè)距離單元。未考慮遮 擋效應(yīng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)目