CN106970386A - 一种雷达多普勒波束锐化的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达多普勒波束锐化的优化方法，其主要思路为：确定雷达，雷达在其检测范围内发射脉冲，且雷达检测范围内存在若干个目标，然后确定脉冲重复频率PRF；设定多普勒波束锐化作用阶段雷达对存在所有目标的区域进行扫描的方位角扫描范围，并根据所述方位角扫描范围计算得到Z帧子图，计算脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc[N,M]；对Sr_pc[N,M]依次进行高度杂波处理、多普勒中心频率估计、距离走动校正处理、扫描角中心补偿、多普勒滤波处理、几何形变校正处理和多普勒波束锐化处理，得到第z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据；令z加分别取1至Z，进而得到雷达成像的多普勒波束锐化图像矩阵。

Description

一种雷达多普勒波束锐化的优化方法

技术领域

本发明属于数字信号处理技术领域，特别涉及一种雷达多普勒波束锐化的优化方法，是一种基于成像波束宽、作用距离远的弹载多普勒波束锐化(DBS)方法，适用于弹载雷达对海/地面场景的多目标分辨实时成像。

背景技术

随着科学技术的不断进步发展，现代电子化、信息化战争对于现代雷达提出越来越高的要求，高速、高分辨力和高命中精度已成为精确制导的导弹武器***发展方向，多普勒波束锐化(DBS)因具有全天候、全天时工作等特点，已成为众多精确制导探测技术中常用的一种方式。多普勒波束锐化(DBS)是一种能实时提供大面积的中等分辨率海面图像或地面图像的成像技术，因该技术具有运算负荷较低、实时性较强、成像视角范围较宽的优势，所以无论在军事还是在民用上都有非常重要的作用。

目前提出的多普勒波束锐化(DBS)方法主要有：杨波在“机载雷达多普勒波束锐化算法改进，现代雷达，2008,30(11)：53-55”提出用改进的频率响应(FR)滤波取代快速傅里叶变换(FFT)形式进行多普勒波束锐化方法，然而此方法要求***分阶段调整脉冲重复频率和相干积累脉冲个数，对雷达收发***和信号实时处理的要求比较高，在弹载平台上工程实现比较困难。

张辉等人在“DBS成像技术在毫米波雷达导引头中的应用，火控雷达技术，2014,43(2)：30-34”中提出基于SPECAN算法的DBS方法，此方法通过脉冲压缩得到一维距离向图，再通过方位向距离走动校正和FFT处理得到距离多普勒二维DBS图像；然而此方法却只适用于作用距离近的情况。

现代弹载雷达多普勒波束锐化(DBS)要求雷达能在作用距离远、成像波束宽的情况下为***提供质量较好的图像，而以上两种方法都不能满足此要求；此外，以上两种方法在设计***参数脉冲重复频率时，都只考虑了多普勒波束锐化(DBS)全程不模糊的情况，也都避开了距离模糊和高度杂波的影响，所以都没有去除高度杂波的操作；因此在成像波束宽的条件下，以上两种方法产生的多普勒波束锐化(DBS)作用距离都很近，现阶段实用性都不大，且都对***硬件平台要求高，工程上也都难以实现。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种弹载雷达多普勒波束锐化方法，该种雷达多普勒波束锐化方法针对现有方法DBS作用距离近、应用范围小的不足，在保证雷达成像质量的情况下，以成像波束宽、作用距离远为应用背景，调整参数设计方式，扩大应用范围，能够满足实际应用中对雷达作用距离和实时性的要求。

本发明的主要思路：根据雷达固有参数和技术要求，设计合理的DBS脉冲重复频率和脉冲积累时间；鉴于参数设计阶段无法在时域上消除高度杂波，利用重频不变快速傅里叶变换(FFT)法在信号处理阶段消除高度杂波；最后对雷达成像场景进行DBS成像。

为达到上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种雷达多普勒波束锐化的优化方法，包括以下步骤：

步骤1，确定雷达，雷达采样频率为F_s，雷达在其检测区域内发射脉冲，且雷达检测区域内存在若干个目标，然后确定脉冲重复频率PRF；

设定雷达对其检测区域进行扫描的方位角扫描范围，并根据所述方位角扫描范围计算得到Z帧子图，Z为大于0的正整数；

初始化：令z∈{1,2,…,Z}，Z为子图总帧数，z的初始值为1；分别确定方位向采样点数N和距离向采样点数M，且每一帧子图分别包含N个脉冲；M、N分别为大于0的正整数；每帧子图的方位维表示该帧子图的方位单元，每帧子图的距离维表示该帧子图的距离单元；；

步骤2，对第z帧子图通过雷达采样频率为F_s、距离向采样点数为M的采样后，得到第z帧子图包含M个距离单元、N个方位单元的N×M维回波信号矩阵Sr[N,M]，然后对所述N×M维回波信号矩阵Sr[N,M]进行脉冲压缩处理，得到脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc[N,M]；

其中，N表示方位向采样点数，与第z帧子图的方位单元总个数取值相等且一一对应；M表示距离向采样点数，与第z帧子图的距离单元总个数取值相等且一一对应；

步骤3，对脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc[N,M]进行高度杂波处理，得到去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]；

步骤4，对去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]进行多普勒中心频率估计，得到第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率

步骤5，根据第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率对去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]进行距离走动校正处理，得到距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]；

步骤6，对距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]进行扫描角中心补偿，得到扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]；

步骤7，对扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]进行多普勒滤波处理，得到多普勒滤波处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc5[N,M]；

步骤8，对多普勒滤波处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc5[N,M]进行几何形变校正处理，得到几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]；

步骤9，对几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]进行多普勒波束锐化处理，得到多普勒波束锐化处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的结果数据矩阵Sr_z[Na',M]，记为第z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据；Na'为方位向的插值频点个数，且Na'为自然数；

步骤10，令z加1，依次重复执行步骤2至步骤9，直到得到第Z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据，并将此时得到的第1帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据至第Z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据分别沿着方位维依次拼接起来，进而得到雷达成像的多普勒波束锐化图像矩阵。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明无需严格的硬件要求，在放宽参数设计的要求(高度杂波对参数设计的限制)的情况下，保证测绘条带不模糊，简单的做距离解模糊操作，加长了雷达的作用距离。

第二，本发明相较于传统的多普勒波束锐化(DBS)算法，可以消除因放宽参数设计的限制条件而引入的高度杂波，扩展了多普勒波束锐化(DBS)的应用范围。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一种雷达多普勒波束锐化的优化方法流程图；

图2是本发明的多普勒波束锐化(DBS)观测几何图；

图3是本发明中的雷达发射脉冲和接收回波信号的时序约束图；

图4是本发明设计的脉冲重复频率斑马图；

图5是本发明在MATLAB仿真成像结果示意图。

具体实施方式

参照图1，为本发明的一种雷达多普勒波束锐化的优化方法流程图；其中所述雷达多普勒波束锐化的优化方法，包括以下步骤：

步骤1，根据雷达固有参数和技术要求设计脉冲重复频率PRF和相干积累时间T_s。

具体地，确定雷达，所述雷达为弹载雷达，雷达采样频率为F_s，雷达在其检测区域内发射脉冲，并在a个脉冲重复周期后接收回波信号，记距离模糊次数为a，a为大于0的正整数；参照图2，为本发明的多普勒波束锐化(DBS)观测几何图，图2中，雷达所在平台为Q，雷达所在平台Q在地面的投影为O，以雷达所在平台Q在地面的投影O为原点建立三维坐标系XOYZ，三维坐标系XOYZ中的XOY平面为地平面或海平面，且XOY平面内包含若干个目标；雷达所在平台Q以飞行高度H、速度v沿着Y轴匀速直线飞行；雷达包含T个天线，T为大于0的正整数，本实施例中T＝1。

雷达使用T个天线向其检测区域发射脉冲，将T个天线发射脉冲时辐射的电磁场随T个天线各自方向变化的图形，记为天线方向图，所述天线方向图由辐射强度不同的多个波束组成，其中天线方向图上辐射强度最大的波束为主瓣波束，其余为旁瓣波束，在主瓣波束强度最大点处的辐射方向两侧辐射强度分别降低3dB后的两侧之间夹角为主瓣波束宽度△θ，主瓣波束照射XOY平面的过程中与XOY平面相交形成的区域为主瓣波束照射区域，主瓣波束照射区域的中心与雷达所在平台之间的连线为主瓣波束中心线，主瓣波束中心线在XOY平面的投影与Y轴的夹角为主瓣波束中心方位角θ_c，主瓣波束中心线与XOY平面的夹角为主瓣波束中心俯仰角

根据雷达的检测区域，选取一个能够覆盖XOY平面内多个目标各自分布范围对应的主瓣波束照射区域，记为雷达成像场景；雷达成像场景中的主瓣波束与XOY平面相交处对应的径向距离最小点为近距离点R_min，雷达成像场景中的主瓣波束与XOY平面相交处对应的径向距离最大点为远距离点R_max，远距离点R_max与近距离点R_min的差为距离向测绘带宽W_r，距离向测绘带宽W_r内包含若干个目标，选取其中任意一个目标，取该目标上的任意一点，记为点P，R为点P的径向距离，为点P的俯仰角，θ为点P的方位角。

根据雷达固有参数和技术要求设计脉冲重复频率PRF和相干积累时间T_s，其具体过程为：

(1a)脉冲重复频率PRF设计应满足以下要求：

参照图3，为本发明中的雷达发射脉冲和接收回波信号的时序约束图；本发明雷达发射和接收信号的时序约束图，T_p为雷达发射脉冲的脉冲时宽，C为光速,PRI为脉冲重复周期，PRI＝1/PRF，PRF为脉冲重复频率，τ_p为雷达接收回波的保护时间。

(1a1)距离不模糊：

本发明多普勒波束锐化(DBS)在60km以外工作，作用距离较远，主瓣波束宽至5°以上；雷达在其检测区域内发射脉冲，并在a个脉冲重复周期后接收回波信号，a为大于0的正整数；因此脉冲重复频率PRF的取值应保证距离向测绘带宽W_r内所有被波束照射到的目标的回波信号落在同一个脉冲重复周期PRI内，PRI＝1/PRF，即距离向测绘带宽不模糊；所述脉冲重复频率PRF，其计算公式如下：

(1a2)方位不模糊：

为防止主瓣波束对应的回波信号多普勒频率混叠，脉冲重复频率PRF应大于主瓣波束多普勒带宽△f_d，即：

(1a3)发射脉冲不遮挡：

确定雷达，所述雷达为弹载雷达，雷达在其检测区域内发射脉冲，设雷达在第a+1个脉冲重复周期时开始接收回波信号，即距离模糊次数为a；为保证距离向测绘带宽W_r内所有被波束照射到的目标的回波信号都落在同一个脉冲重复周期内，近距离点R_min与远距离点R_max之间的回波信号时延差小于一个脉冲重复周期，即：

满足以上三个约束条件，(1a1)和(1a2)先确定脉冲重复频率PRF的上限和下限，根据(1a3)画出斑马图，参照图4，为本发明设计的脉冲重复频率斑马图，如图4所示，在空白处选择一个合理的脉冲重复频率PRF值；本实施例取经验值13kHz。

由于雷达作用距离远，雷达发射的脉冲能量发生衰减，雷达所在平台投影到XOY平面的点的回波信号从旁瓣波束进入回波信号时影响DBS的成像质量，因此本发明雷达所在平台Q投影到XOY平面的点的回波信号为弹下点回波，本发明将该弹下点回波记为高度杂波，且该高度杂波从旁瓣波束进入雷达接收的回波信号中；由于本发明在考虑旁瓣波束引入的高度杂波的情况下，无法取得合理的脉冲重复频率PRF，所以本发明在设计脉冲重复频率PRF时不考虑高度杂波的影响。

(1b)相干积累时间T_s应满足点能够进行相干积累的条件。

以点P为例，假设在相干积累时间内主瓣波束始终能照射到点P，且雷达在其检测区域内发射脉冲，所述脉冲为雷达发射的是载频为f_c、快时间为t、复包络为A(t)的线性调频矩形脉冲信号St，St＝A(t)×exp(j2πf_c t)。

设第n个相干积累脉冲的慢时间为t_n，t_n＝nPRI， 为相干积累脉冲个数，R(t_n)为点P在第n个相干积累脉冲的慢时间t_n时刻的径向距离，exp为指数函数，j为虚数单位；进而得到点P的回波信号Sr(t,t_n)，其表达式为：

设R₀为雷达与点P之间的初始斜距，根据余弦定理计算得到点P在第n个相干积累脉冲的慢时间t_n时刻的径向距离R(t_n)，其表达式为：

用泰勒级数展开，得到点P在第n个相干积累脉冲的慢时间t_n时刻的径向距离R(t_n)的泰勒级数展开式R(t_n)'，其表达式为：

此处将点P在第n个相干积累脉冲的慢时间t_n时刻的径向距离R(t_n)的泰勒级数展开式R(t_n)'中的三次项及更高次项忽略，并代入点P的回波信号Sr(t,t_n)中，计算得到点P在第n个相干积累脉冲的慢时间t_n时刻的回波信号Sr(t,t_n)'，其表达式为：

相干积累时间T_s要满足点P能够进行相干积累的条件，即点P在第n个相干积累脉冲的慢时间t_n时刻的回波信号Sr(t,t_n)'中的二次相位项不超过±π，所以相干积累时间T_s满足如下条件：

其中，λ为雷达发射脉冲的波长，f_c为雷达发射脉冲的载频；R₀为雷达与点P之间的初始斜距，即

所以相干积累时间T_s满足如下条件：

根据以上条件，确定相干积累时间T_s的取值范围，并由此确定相干积累脉冲个数N'，N'为2的幂，PRI为脉冲重复周期；进而对应得到方位向采样点数为N；方位向采样点数与脉冲积累个数取值相等。

设定多普勒波束锐化(DBS)作用阶段雷达对其检测区域，即XOY平面进行扫描的方位角扫描范围为为设定的最小扫描方位角，为设定的最大扫描方位角，通常为不大于-35°～35°；进而计算得到Z帧子图，ceil为向上取整函数，为方位角扫描间隔，△θ为主瓣波束宽度，Z为大于0的正整数。

初始化：分别将第z帧子图的波束中心方位角记为θ_z，将第z帧子图的波束中心俯仰角记为Z为子图总帧数，z的初始值为1，Z为大于0的正整数。

根据相干脉冲积累个数为N'，对应得到方位向采样点数为N，方位向采样点数与脉冲积累个数取值相等。

确定距离向采样点数为M，M为2的幂；第z帧子图包括N个脉冲，每一个脉冲分别为载频为f_c、快时间为t、复包络为A(t)的线性调频矩形脉冲信号；M、N分别为大于0的正整数；每帧子图的方位维表示该帧子图的方位单元，每帧子图的距离维表示该帧子图的距离单元。

步骤2，对第z帧子图通过雷达采样频率为F_s、距离向采样点数为M的采样后，得到第z帧子图包含M个距离单元、N个方位单元的N×M维回波信号矩阵Sr[N,M]，其表达式为：

其中，N表示方位向采样点数，与第z帧子图的方位单元总个数取值相等且一一对应；M表示距离向采样点数，与第z帧子图的距离单元总个数取值相等且一一对应；t_m表示第m个距离单元的采样时刻，t_m＝m/Fs，R(t_n)为点P在第n个相干积累脉冲的慢时间t_n时刻的径向距离，t_n＝nPRI， 为相干积累脉冲个数；C为光速,exp为指数函数，j为虚数单位，f_c为雷达发射脉冲的载频，H为雷达所在平台的飞行高度，A( )为复包络函数，exp为指数函数，j表示虚数单位。

确定N个脉冲压缩滤波器，每个脉冲压缩滤波器的系数都为载频为f_c、快时间为t、复包络为A(t)的线性调频矩形脉冲信号的共轭；使用N个脉冲压缩的滤波器对第z帧子图包含M个距离单元、N个方位单元的N×M维回波信号矩阵Sr[N,M]进行脉冲压缩处理，得到脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc[N,M]；其中距离单元个数对应第z帧子图的距离维，方位单元个数对应第z帧子图的方位维。

步骤3，由于雷达成像波束宽(5°及以上)，为满足使用需求，步骤1中设计脉冲重复频率PRF时，忽略了高度杂波的影响，而在得到第z帧子图包含M个距离单元、N个方位单元的N×M维回波信号矩阵Sr[N,M]的过程中引入了旁瓣波束的高度杂波。因此，需要对旁瓣引入的高度杂波加以处理。

对脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc[N,M]进行方位快速傅里叶变换FFT处理，得到脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc1[N,M]，并将脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc1[N,M]中零多普勒频率对应像素点都置为0，即将脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc1[N,M]中的第一行元素都置为0，然后再通过逆快速傅里叶变换IFFT从方位频域回到方位时域，进而得到去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]。

步骤4，用相关法对去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]进行多普勒中心频率估计，得到第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率

当雷达平台沿着Y轴匀速直线运动且主瓣波束垂直于Y轴照射XOY平面时对应产生的功率谱，记为多普勒功率谱S₀(f)，多普勒功率谱S₀(f)关于零多普勒频率对称，f为多普勒频率；当第z帧子图的多普勒中心频率为f_d0时，对应产生第z帧子图的多普勒功率谱S_b(f)，S_b(f)＝S₀(f-f_d0)，于是根据S_b(f)＝S₀(f-f_d0)估计得到第z帧子图的多普勒中心频率。

为了提高估计精度，对第z帧子图的多普勒功率谱S_b(f)进行逆快速傅里叶变换IFFT，得到第z帧子图的多普勒中心频率对应的相关函数R_b(PRI)，其表达式为：

R_b(PRI)＝R₀(PRI)×exp(j2πf_d0/PRF)

其中，R_b(PRI)为多普勒功率谱S₀(f)对应的相关函数。

然后通过相关法对第z帧子图的多普勒中心频率对应的相关函数R_b(PRI)的相位进行第z帧子图的多普勒中心频率估计；由于方位采样是离散的，进而计算得到第z帧子图的多普勒中心频率f_d0的表达式为：

其中，arg为求相角函数；如果点P的所在第z帧子图的多普勒中心频率大于脉冲重复频率PRF，则第z帧子图的多普勒中心频率f_d0的表达式中的脉冲重复频率PRF存在模糊，根据惯导数据给出的多普勒中心粗估计值f_{d0_INS}进行解模糊，得到第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率其表达式为：

其中，round表示取临近整数函数，f_{d0_INS}为根据惯导数据给出的多普勒中心粗估计值，f_{d0_INS}∈[-PRF,PRF]。

步骤5，根据第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率对去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]进行距离走动校正处理，得到距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]。

具体实现为：设定第z帧子图的相干积累时间为N×PRI，N表示方位向采样点数，与第z帧子图的方位单元总个数取值相等且一一对应；PRI为脉冲重复周期，并将第z帧子图的相干积累时间N×PRI作为一个处理周期，采用中间时刻作为参考点对去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]进行距离走动校正处理。由于此过程实际是一延时过程，故对去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]进行距离向快速傅里叶变换FFT处理转换到距离频域，得到去除高度杂波后第z帧子图的距离频域、方位时域的N×M维回波信号矩阵，然后在距离频域将去除高度杂波后第z帧子图的距离频域、方位时域的N×M维回波信号矩阵乘以补偿因子进行校正，校正之后再进行逆快速傅里叶变换IFFT回到距离时域，进而得到距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]。

其中，所述在距离频域将去除高度杂波后第z帧子图的距离频域、方位时域的N×M维回波信号矩阵乘以补偿因子进行校正，具体为：

在距离频域将去除高度杂波后第z帧子图的距离频域、方位时域的N×M维回波信号矩阵每一行分别乘以对应补偿因子，将第k行对应的补偿因子记为p(f_t,k)，其表达式为：

其中，f'为每个距离单元经过脉冲压缩处理后对应的距离向频率，

k∈{1,2,3,...,N}，N表示方位向采样点数，与在距离频域将去除高度杂波后第z帧子图的距离频域、方位时域的N×M维回波信号矩阵的总行数取值相等且一一对应；M表示距离向采样点数，与第z帧子图的距离单元总个数取值相等且一一对应；λ为雷达发射脉冲的波长，C为光速，PRF为脉冲重复频率，为第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率。

步骤6，对距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]进行扫描角中心补偿，得到扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]。

本发明步骤7用FFT法来实现多普勒滤波，得到方位向的N点输出，其中，N点输出中只有长为Na点的数据在对应的成像场景多普勒带宽内，所述长为Na点的数据为有效数据，记为长为Na点的有效数据，该有效数据的长度Na为锐化比；所以在步骤7多普勒滤波之前，应先做扫描角中心补偿，通过扫描角中心补偿操作将长为Na点的有效数据搬移到多普勒滤波操作后N点输出中的前Na点或中间Na点，然后将所述前Na点或中间Na点取出，即可得到扫描角中心补偿后第z帧子图的DBS子图像数据。

具体实现为：对距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]在时域上乘以补偿函数，即对距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]的每一列分别乘以对应补偿函数，其中将第m'列对应的补偿函数记为g(f_m'',k')；进而得到扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]。

其中第m'列对应的补偿函数g(f_m'',k')，其表达式为：

f_m''为第m'个距离单元经过脉冲压缩处理后对应的距离向频率，

m'∈{0,1,...,M-1}，k'∈{1,2,.....,N}，M表示距离向采样点数，与第z帧子图的距离单元总个数，以及距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]的总列数取值分别相等且一一对应；N表示方位向采样点数，与第z帧子图的方位单元总个数取值相等且一一对应；PRF为脉冲重复频率，为第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率，F_s为雷达采样频率。

步骤7，在频域设置N个多普勒滤波器，并对扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]进行多普勒滤波处理，即对扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]进行方位向快速傅里叶变换FFT处理，进而得到多普勒滤波处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc5[N,M]。

步骤8，对多普勒滤波处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc5[N,M]进行几何形变校正处理，得到几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]。

具体地，本发明图像几何形变主要由距离走动校正引入，可视为距离走动校正逆过程；根据第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率对多普勒滤波处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc5[N,M]进行几何形变校正处理，得到几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]。

具体实现为：对多普勒滤波处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc5[N,M]进行距离向快速傅里叶变换FFT，得到多普勒滤波处理后第z帧子图的距离频域、方位频域的N×M维回波信号矩阵，然后在距离频域对多普勒滤波处理后第z帧子图的距离频域、方位频域的N×M维回波信号矩阵乘以对应补偿因子进行校正，再通过逆快速傅里叶变换IFFT回到距离时域，进而得到几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]。

所述在距离频域对多普勒滤波处理后第z帧子图的距离频域、方位频域的N×M维回波信号矩阵乘以对应补偿因子进行校正，具体为：

在距离频域对多普勒滤波处理后第z帧子图的距离频域、方位频域的N×M维回波信号矩阵的每一行分别乘以对应补偿因子，其中将第行对应的补偿因子记为其表达式为：

△f为雷达成像场景的多普勒带宽，△θ₁为第z帧子图的主瓣波束用于雷达成像的波束宽度，λ为雷达发射脉冲的波长；f'为每个距离单元经过脉冲压缩处理后对应的距离向频率，

N表示方位向采样点数，与多普勒滤波处理后第z帧子图的距离频域、方位频域的N×M维回波信号矩阵的总行数取值相等且一一对应；M表示距离向采样点数，与第z帧子图的距离单元总个数取值相等且一一对应；λ为雷达发射脉冲的波长，C为光速，PRF为脉冲重复频率，为第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率，v为雷达所在平台的速度，为第z帧子图对应的主瓣波束中心俯仰角，θ_z为第z帧子图对应的主瓣波束中心方位角，sin表示求正弦操作，cos表示求余弦操作。

步骤9，根据第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率和锐化比，确定雷达成像波束对应的Na'个插值频点，然后使用线性插值的方法对几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]进行多普勒波束锐化处理，得到多普勒波束锐化处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的结果数据矩阵Sr_z[Na',M]，所述多普勒波束锐化处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的Na'×M维结果数据矩阵Sr_z[Na',M]为方位向Na'点、距离向M点的Na'×M维回波信号矩阵，并将所述多普勒波束锐化处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的Na'×M维结果数据矩阵Sr_z[Na',M]记为第z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化DBS子图像数据；其中Na'为方位向的插值频点个数，且Na'为自然数；方位向的插值频点个数与锐化比取值相等。

步骤9的具体实现如下：

9.1令雷达成像场景中第z帧子图内第i点处的方位角度θ_z ⁱ，

△θ₁为第z帧子图的主瓣波束用于雷达成像的波束宽度，

i的初始值为

9.2将第z帧子图中第i点处的方位角度作为参考点，计算第z帧子图中第i点处的方位角度θ_z ⁱ对应的多普勒频率，然后将第z帧子图中第i点处的方位角度θ_z ⁱ对应的多普勒频率作为插值频点，使用线性插值的方法在几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]的方位向上对应获取第i个数据。

9.3令i分别取至重复子步骤9.2，进而对应获取第个数据至第个数据，即得到Na'个数据，并将所述Na'个数据作为第z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化DBS子图像数据，所述第z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化DBS子图像数据为多普勒波束锐化处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的结果数据矩阵Sr_z[Na',M]，所述多普勒波束锐化处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的Na'×M维结果数据矩阵Sr_z[Na',M]为方位向Na'点、距离向M点的Na'×M维回波信号矩阵。

步骤10，令z加1，依次重复执行步骤2至步骤9，直到得到第Z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化DBS子图像数据，并将此时得到的第1帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化DBS子图像数据至第Z帧子图在距离时域、方位频域对应的DBS子图像数据分别沿着方位维依次拼接起来，进而得到雷达成像的多普勒波束锐化DBS图像矩阵Sr_final[Na'×Z,M]，所述雷达成像的多普勒波束锐化DBS图像矩阵为方位向Na'×Z点、距离向M点的(Na'×Z)×M维回波信号矩阵。

通过以下仿真实验对本发明效果作进一步验证说明。

(一)实验条件

实验所用微机配置为Intel(R)Core(TM)[email protected]，8.00GB内存，Windows 7旗舰版操作***，编程平台为Matlab R2015a。DSP为TMS320C6678EVM，CPU主频1.0GHz；设置雷达参数，如表1所示。

表1

波段	Ku波段
		主瓣波束中心俯仰角	24°
PRF	13KHz
		雷达发射脉冲的脉冲时宽	20μs
方位角扫描范围	0°～20°
		主瓣波束宽度	5°
雷达所在平台速度	1300m/s
		主瓣波束中心线的长度	74km

一帧子图的回波数据为128*1024的复矩阵。

(二)实验内容

本实验用构造的脉冲压缩后的海面舰船目标的回波数据MATLAB平台进行信号处理，参照图5，为本发明在MATLAB仿真成像结果示意图；从图5可以看出，对于距离100米的舰船目标，多普勒波束锐化(DBS)能够很好的将两个点目标分辨开。

综上，本发明能够有效进行多个目标分辨，作用距离相对远；理论分析和仿真结果表明，本发明与现有技术相比，增加了多普勒波束锐化(DBS)去除高度杂波的功能，拓宽了多普勒波束锐化(DBS)的应用范围。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种雷达多普勒波束锐化的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定雷达，雷达采样频率为F_s，雷达在其检测区域内发射脉冲，且雷达检测区域内存在若干个目标，然后确定脉冲重复频率PRF；

设定雷达对其检测区域进行扫描的方位角扫描范围，并根据所述方位角扫描范围计算得到Z帧子图，Z为大于0的正整数；

初始化：令z∈{1,2,…,Z}，Z为子图总帧数，z的初始值为1；分别确定方位向采样点数N和距离向采样点数M，且每一帧子图分别包含N个脉冲；M、N分别为大于0的正整数；每帧子图分别包括距离维和方位维，每帧子图的方位维表示该帧子图的方位单元，每帧子图的距离维表示该帧子图的距离单元；

步骤2，对第z帧子图通过雷达采样频率为F_s、距离向采样点数为M的采样后，得到第z帧子图包含M个距离单元、N个方位单元的N×M维回波信号矩阵Sr[N,M]，然后对所述N×M维回波信号矩阵Sr[N,M]进行脉冲压缩处理，得到脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc[N,M]；

其中，N表示方位向采样点数，与第z帧子图的方位单元总个数取值相等且一一对应；M表示距离向采样点数，与第z帧子图的距离单元总个数取值相等且一一对应；

步骤3，对脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc[N,M]进行高度杂波处理，得到去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]；

步骤4，对去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]进行多普勒中心频率估计，得到第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率

步骤5，根据第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率对去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]进行距离走动校正处理，得到距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]；

步骤6，对距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]进行扫描角中心补偿，得到扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]；

步骤7，对扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]进行多普勒滤波处理，得到多普勒滤波处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc5[N,M]；

步骤8，对多普勒滤波处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc5[N,M]进行几何形变校正处理，得到几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]；

步骤9，对几何形变校正处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc6[N,M]进行多普勒波束锐化处理，得到多普勒波束锐化处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的结果数据矩阵Sr_z[Na',M]，记为第z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据；Na'为方位向的插值频点个数，且Na'为自然数；

步骤10，令z加1，依次重复执行步骤2至步骤9，直到得到第Z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据，并将此时得到的第1帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据至第Z帧子图在距离时域、方位频域对应的多普勒波束锐化子图像数据分别沿着方位维依次拼接起来，进而得到雷达成像的多普勒波束锐化图像矩阵。

2.如权利要求1所述的一种雷达多普勒波束锐化的优化方法，其特征在于，在步骤1中，所述雷达，还包括：

雷达所在平台为Q，雷达所在平台Q在地面的投影为O，以雷达所在平台Q在地面的投影O为原点建立三维坐标系XOYZ，三维坐标系XOYZ中的XOY平面为地平面或海平面，且XOY平面内包含若干个目标；雷达所在平台Q以飞行高度H、速度v沿着Y轴匀速直线飞行；雷达包含T个天线，T为大于0的正整数；雷达使用T个天线向其检测区域发射脉冲，将T个天线发射脉冲时辐射的电磁场随T个天线各自方向变化的图形，记为天线方向图，所述天线方向图由辐射强度不同的多个波束组成，其中天线方向图上辐射强度最大的波束为主瓣波束，其余为旁瓣波束，在主瓣波束强度最大点处的辐射方向两侧辐射强度分别降低3dB后的两侧之间夹角为主瓣波束宽度△θ，主瓣波束照射XOY平面的过程中与XOY平面相交形成的区域为主瓣波束照射区域，主瓣波束照射区域的中心与雷达所在平台之间的连线为主瓣波束中心线，主瓣波束中心线在XOY平面的投影与Y轴的夹角为主瓣波束中心方位角θ_c，主瓣波束中心线与XOY平面的夹角为主瓣波束中心俯仰角

根据雷达的检测区域，选取一个能够覆盖XOY平面内多个目标各自分布范围对应的主瓣波束照射区域，记为雷达成像场景；雷达成像场景中的主瓣波束与XOY平面相交处对应的径向距离最小点为近距离点R_min，雷达成像场景中的主瓣波束与XOY平面相交处对应的径向距离最大点为远距离点R_max，远距离点R_max与近距离点R_min的差为距离向测绘带宽W_r，距离向测绘带宽W_r内包含若干个目标，选取其中任意一个目标，取该目标上的任意一点，记为点P，R为点P的径向距离，为点P的俯仰角，θ为点P的方位角；

所述脉冲重复频率PRF，其确定方法为：

PRI＝1/PRF，PRF为脉冲重复频率；a为距离模糊次数，a为大于0的正整数；T_p为雷达发射脉冲的脉冲时宽，C为光速,sin表示求正弦操作，cos表示求余弦操作，τ_p为雷达接收回波的保护时间；

所述Z帧子图，具体为： 为设定的最小扫描方位角，为设定的最大扫描方位角，ceil为向上取整函数，为方位角扫描间隔，

3.如权利要求1所述的一种雷达多普勒波束锐化的优化方法，其特征在于，在步骤3中，所述去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]，其得到过程为：

对脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc[N,M]进行方位快速傅里叶变换处理，得到脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc1[N,M]，并将脉冲压缩处理后第z帧子图的距离时域、方位频域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc1[N,M]中的第一行元素都置为0，然后再通过逆快速傅里叶变换从方位频域回到方位时域，进而得到去除高度杂波后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc2[N,M]。

4.如权利要求1所述的一种雷达多普勒波束锐化的优化方法，其特征在于，在步骤6中，所述得到扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]，其过程为：

对距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]在时域上乘以补偿函数，即对距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]的每一列分别乘以对应补偿函数，其中将第m'列对应的补偿函数记为g(f_m′′,k')；进而得到扫描角中心补偿后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc4[N,M]；

其中第m'列对应的补偿函数g(f_m′′,k')，其表达式为：

$g({f_{m^{\′}}}^{\′},k^{\′})=\exp (-j2{{\mathrm{\πf}}_{m^{\′}}}^{\′}\frac{{\tilde{f}}_{d0}{k}^{\′}}{PRF})$

f_m′′为第m'个距离单元经过脉冲压缩处理后对应的距离向频率，

m'∈{0,1,...,M-1}，k'∈{1,2,.....,N}，M表示距离向采样点数，与第z帧子图的距离单元总个数，以及距离走动校正处理后第z帧子图的距离时域、方位时域的N×M维回波信号矩阵Sr_pc3[N,M]的总列数取值分别相等且一一对应；N表示方位向采样点数，与第z帧子图的方位单元总个数取值相等且一一对应；PRF为脉冲重复频率，为第z帧子图无模糊的精确多普勒中心频率，F_s为雷达采样频率。