基于压缩采样匹配追踪重构算法的DVB-T信号无源ISAR成像方法及成像系统与流程

基于压缩采样匹配追踪重构算法的dvb-t信号无源isar成像方法及成像系统
技术领域
1.本发明涉dvb-t信号存在通道内回波缺失情况下的无源逆合成孔径雷达成像方法及成像系统，本发明属于雷达技术领域。


背景技术：

2.与有源逆合成孔径雷达(isar)相比，无源双基isar具有成本低、配置灵活、减少电磁污染、抗隐身能力和覆盖范围等明显优势。由于dvb-t信号具有大带宽、良好的空间覆盖率等优点，其被广泛应用于无源雷达中，因此基于dvb-t信号的无源isar成像技术近年来获得了较快的发展。由于单频段dvb-t信号的距离分辨率很低，因此目前通过对多频段dvb-t信号进行联合处理来提高雷达的距离分辨率。
3.然而实际中，由于是采用dvb-t这类非合作信号作为照射源，在观测时间里可能会遇到发射信号突然中止的情况或者某个频段的信号突然关闭导致成像模糊甚至无法成像在这种情况下根据压缩感知理论，可以使用少量数据恢复出原始信号来解决这个问题。传统的正交匹配追踪算法每次迭代过程只选择一个原子，且每次迭代选择的原子会一直保留，而压缩采样匹配追踪重构算法对正交匹配追踪算法进行改进，每次迭代选择多个原子，并且每次迭代选择的原子在下次迭代时可能会因为迭代标准而进行取舍，进一步提高了重构算法的重构率。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有dvb-t信号存在通道内回波缺失情况下的无源逆合成孔径雷达成像模糊甚至无法成像的问题，而提出基于压缩采样匹配追踪重构算法的dvb-t信号无源isar成像方法及成像系统。
5.基于压缩采样匹配追踪重构算法的dvb-t信号无源isar成像方法具体过程为：
6.步骤一、信号源发射单频段dvb-t信号，单频段dvb-t信号经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波，使回波信号缺失，对缺失的回波信号进行宽带合成，获得多频段dvb-t信号的雷达回波；
7.步骤二、对步骤一获得的多频段dvb-t信号的雷达回波做匹配滤波，获得一维距离像
8.步骤三、对一维距离像进行运动补偿，得到运动补偿后的一维距离像；
9.所述运动补偿包括包络对齐和相位校正；
10.步骤四、应用压缩采样匹配追踪重构算法对步骤三中运动补偿后的一维距离像进行信号重构，重构出的谱域矩阵即为二维isar图像。
11.基于压缩采样匹配追踪重构算法的dvb-t信号无源isar成像系统用于执行基于压缩采样匹配追踪重构算法的dvb-t信号无源isar成像方法；
12.所述dvb-t为数字广播电视信号。
13.本发明的有益效果为：
14.现有的基于dvb-t信号的无源isar成像技术未考虑出现某些通道内回波缺失引起的成像模糊甚至无法成像的问题，在这种情况下，传统的rd成像算法会产生光栅波瓣，使所成的图像散焦、出现虚影。本发明可对目标具有复杂运动状态时运动补偿后的一维距离像进行处理，将单一dvb-t回波信号进行宽带合成并令某通道内的回波缺失，匹配滤波后对获得的一维距离像进行运动补偿。对补偿后的一维距离像应用压缩采样匹配追踪算法进行信号重构并得到isar图像。
15.与已有的算法相比有如下优点：
16.(1)本方法除适用目标理想转动的情况外还可应用于目标做复杂运动的场景；
17.(2)解决了多频段dvb-t信号出现通道关闭导致的某通道内回波缺失情况下的无源isar成像问题，相对于已有的算法能够获得更高质量的isar图像；
18.(3)应用压缩采样匹配追踪重构算法代替传统正交匹配追踪算法，进一步提高重构的准确率，获得更为清晰的图像。
附图说明
19.图1为本发明的方法流程图；
20.图2为仿真实验散射点模型；
21.图3a为缺失一个通道的回波频谱的仿真结果图；
22.图3b为对缺失一个通道的回波进行运动补偿后一维距离像的仿真结果图；
23.图3c为对缺失一个通道的回波的rd仿真成像结果图；
24.图3d为对缺失一个通道的回波的压缩感知仿真成像结果图；
25.图4a为情况2的缺失两个通道的回波频谱的仿真结果图；
26.图4b为情况2的运动补偿后一维距离像的仿真结果图；
27.图4c为情况2的rd仿真成像结果图；
28.图4d为情况2的压缩感知仿真成像结果图；
29.图5a为情况3的缺失三个通道的回波频谱的仿真结果图；
30.图5b为情况3的运动补偿后一维距离像的仿真结果图；
31.图5c为情况3的rd仿真成像结果图；
32.图5d为情况3的压缩感知仿真成像结果图；
33.图6a为情况4的缺失四个通道的回波频谱的仿真结果图；
34.图6b为情况4的运动补偿后一维距离像的仿真结果图；
35.图6c为情况4的rd仿真成像结果图；
36.图6d为情况4的压缩感知仿真成像结果图。
具体实施方式
37.具体实施方式一：本实施方式基于压缩采样匹配追踪重构算法的dvb-t信号无源isar成像方法具体过程为：
38.步骤一、信号源发射单频段dvb-t信号，单频段dvb-t信号经过目标反射后被雷达
接收，接收的信号为回波，使回波信号缺失，对缺失的回波信号进行宽带合成，获得多频段dvb-t信号的雷达回波；
39.步骤二、对步骤一获得的多频段dvb-t信号的雷达回波做匹配滤波，获得一维距离像
40.步骤三、对一维距离像进行运动补偿，得到运动补偿后的一维距离像；
41.所述运动补偿包括包络对齐和相位校正；
42.步骤四、应用压缩采样匹配追踪重构算法对步骤三中运动补偿后的一维距离像进行信号重构，重构出的谱域矩阵即为二维isar图像；
43.所述dvb-t为数字广播电视信号。
44.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中信号源发射单频段dvb-t信号，单频段dvb-t信号带宽为7.61mhz。
45.其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
46.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤一中信号源发射单频段dvb-t信号表示为：
[0047][0048]
其中为正交频分复用技术ofmd的符号时间长度，δf为频段带宽，t为离散时间采样点，x(p)为dvb-t信号的信号序列，j为虚数单位，j2＝-1,f0为中心频率，n为载波个数，取1705或6817；
[0049]
n取1705个载波时，所述单频段dvb-t信号为具有1705个载波的2k模式下dvb-t信号；
[0050]
n取6817个载波时，所述单频段dvb-t信号为具有6817个载波的8k模式下dvb-t信号。
[0051]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0052]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤一中单频段dvb-t信号经过目标反射后被雷达接收，接收的信号为回波，回波表示为：
[0053]
sr(t,tm)＝∫vs
t
(t-τ(q,tm))dq
ꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
其中tm为慢时间，v为目标散射点集合，τ(q,tm)为tm时刻散射点q的回波延时。
[0055]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0056]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述对缺失的回波信号进行宽带合成，获得多频段dvb-t信号的雷达回波；具体过程为：
[0057]
对缺失的回波信号进行宽带合成，获得一个多频段dvb-t信号的雷达回波：
[0058][0059]
其中nc为频段的数量，fm为在所有频段中第m个频段去载波后的载波频率，fm＝mδ
f；为回波第m个频段复包络。
[0060]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0061]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤二中对步骤一获得的多频段dvb-t信号的雷达回波做匹配滤波，获得一维距离像具体过程为：
[0062][0063]
其中为单个频段发射信号经宽带合成后的宽频段信号；r为距离单元，*为卷积。
[0064]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0065]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤三中对一维距离像进行运动补偿，得到运动补偿后的一维距离像；
[0066]
在得到一维距离像后，需要进行运动补偿补偿掉目标的平动运动。
[0067]
所述运动补偿包括包络对齐和相位校正；
[0068]
常用的包络对齐方法为积累互相关法，其步骤如下：
[0069]
具体过程为：
[0070]
步骤三一、设定包络积累数i；
[0071]
若一维距离像的当前脉冲数将当前一维距离像的前i次包络进行平均获得平均一维距离像包络
[0072]
若一维距离像的当前脉冲数取当前一维距离像的前m-1次包络进行平均获得平均一维距离像包络
[0073]
其中r为距离单元，为一维距离像的当前脉冲数；m为一维距离像的脉冲总数；i《m；
[0074]
步骤三二、获取当前一维距离像的包络
[0075]
将平均一维距离像包络与当前一维距离像的包络做互相关，以互相关最大值对应的δr对当前一维距离像进行平移操作，使所有距离像包络在同一条直线上；
[0076]
其中δr为每个一维距离像的包络偏移量；
[0077]
步骤三三、重复步骤三一、步骤三二直至所有一维距离像均完成平移操作，即得到包络对齐后的一维距离像；
[0078]
步骤三四、常用的相位校正方法为恒定相位差消除法；
[0079]
设完成包络对齐后的相邻一维距离像分别为sr(r,t
m-1
)和sr(r,tm)，计算sr(r,t
m-1
)和sr(r,tm)二者的平均相位差，基于平均相位差对sr(r,tm)进行相位调节即可实现相
位校正(对一维距离像乘一个相位平移系数)。
[0080]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0081]
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述步骤三四中平均相位差计算公式如下：
[0082][0083]
其中即为平均相位差，s
r*
(r,t
m-1
)为sr(r,t
m-1
)的共轭；为相位平移系数。
[0084]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0085]
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述步骤四中应用压缩采样匹配追踪重构算法对步骤三中运动补偿后的一维距离像进行信号重构来大概率恢复到回波通道缺失前的信息，重构出的谱域矩阵即为二维isar图像；具体过程为：
[0086]
压缩采样匹配追踪过程如下：
[0087]
步骤四一、初始化r0＝y，y＝φx；
[0088]
其中r0为初始残差，y为维观测向量，λ0为初始迭代的索引(列序号)集合，为空集，为迭代次数，a0为按初始迭代索引λ0选出的矩阵a的列集合；a＝φψ为传感矩阵，φ为测量矩阵，ψ为变换矩阵，x为步骤三中运动补偿后的一维距离像(待重构的信号)；
[0089]
步骤四二、计算(即计算选择u中个最大值，将个最大值对应a的列序号j构成集合j0(列序号集合)；
[0090]
其中u为中间变量，为次循环对应的残差，abs[]为求模值(绝对值)，为稀疏度，t为转置；j0表示每次迭代找到的索引(列序号)；
[0091]
步骤四三、令j∈j0(j∈j0包含在1≤j≤n里，前面是处理前j的范围很大，处理后j的范围缩小了，因为是要选出几个符合条件的j，然后再对j对应的各个矩阵进行处理)；
[0092]
其中为第次迭代的索引(列序号)集合，为第次迭代的索引(列序号)集合；为按第次迭代索引选出的矩阵a的列集合；为按第次迭代索引选出的矩阵a的列集合；aj为矩阵a的第j列；
[0093]
步骤四四、求的最小二乘解：
[0094]
其中为的列向量，为最小二乘表示式，θi为对求最小值，为中的元素个数；t为转置；
[0095]
步骤四五、从中选出绝对值最大的项记为对应的中的列记为
对应的的列序号记为更新集合
[0096]
步骤四六、更新残差
[0097]
步骤四七、如果则返回步骤四二，如果或残差则停止迭代进入步骤四八；
[0098]
其中s为规定的最大迭代次数；
[0099]
步骤四八、此时步骤四五得到的为谱域矩阵，谱域矩阵即为二维isar图像。
[0100]
此时步骤四五得到的在处有非零项。
[0101]
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
[0102]
具体实施方式十：本实施方式基于压缩采样匹配追踪重构算法的dvb-t信号无源isar成像系统用于执行具体实施方式一至具体实施方式九之一的基于压缩采样匹配追踪重构算法的dvb-t信号无源isar成像方法。
[0103]
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0104]
实施例一：
[0105]
由于基于dvb-t信号的isar实测数据缺乏，本发明主要利用仿真数据来进行验证。下面通过以下实施例验证本发明的有益效果。
[0106]
本实例旨在验证在多频段dvb-t信号存在某些通道内回波缺失情况下应用压缩采样匹配追踪重构算法所获得的目标图像质量优于传统rd成像质量。以散射点分布如图2的目标为例使用12个频段dvb-t信号在缺失不同通道回波情况下进行仿真，相应仿真图像结果如图3a、3b、3c、3d、4a、4b、4c、4d、5a、5b、5c、5d、6a、6b、6c、6d所示，相关仿真指标如表1和表2所示。
[0107]
表1不同情况两种成像方法的图像熵
[0108][0109][0110]
表2不同情况两种成像方法的图像对比度
[0111][0112]
由仿真结果可知，随着缺失回波通道数的增加，同种成像方法的成像质量越来越差，且缺失相同回波通道数时，基于压缩采样匹配追踪的cs成像方法所成图像质量优于传统rd成像方法。说明本发明方法能够解决多频段dvb-t信号出现通道回波缺失情况下引起的成像模糊甚至无法成像的问题，提高了成像的质量。
[0113]
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。