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CN112558055B - 一种目标定位方法、装置、gmti系统及可读存储介质 - Google Patents

一种目标定位方法、装置、gmti系统及可读存储介质 Download PDF

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CN112558055B
CN112558055B CN202011267877.9A CN202011267877A CN112558055B CN 112558055 B CN112558055 B CN 112558055B CN 202011267877 A CN202011267877 A CN 202011267877A CN 112558055 B CN112558055 B CN 112558055B
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Abstract

本发明公开了一种目标定位方法、装置、GMTI系统及可读存储介质，其中方法包括：通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位；根据所述目标干涉相位确定目标方位角；基于所述目标方位角完成定位。本发明方法通过定义的抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，由此可以实现根据目标干涉相位实现目标定位，提高了目标定位精度。

Description

一种目标定位方法、装置、GMTI系统及可读存储介质
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种目标定位方法、装置、GMTI系统及可读存储介质。
背景技术
广域GMTI系统也称扫描运动目标检测(scan ground moving targetindication,SCAN-GMTI)系统的两个重要功能是多普勒波束锐化(Doppler beamsharpening,DBS)成像及目标检测定位。由于受到径向速度的影响，运动目标在DBS图像或合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)图像上的位置往往偏离其真实位置。为避免情报误判，检测到运动目标后需求解运动目标的真实方位角，并对其重新定位。
DBS作为非聚焦成像技术，利用平台运动引起的Doppler扩散来区分不同方向的回波，实现比真实波束更精细的方位分辨。由于固定地物回波多普勒与视角存在对应关系，对雷达时域回波作快速傅里叶变换(Fourier transform,FFT)处理，每一路多普勒输出对应的地杂波则限制在一个很小的角域范围里，且它们对应的杂波角域不同，这样就实现了地面固定杂波“空域局域化”。而原波束覆盖范围里的动目标，虽然也会在与其相应的多普勒通道输出，但由于本身径向速度影响，在该通道它与杂波所对应的角域是不同的。
现有技术中，目标定位方法很多，但误差背景下的目标定位问题却少有涉及。例如基于多波位杂波的通道相位误差估计方法中只针对特定误差进行补偿，不仅实现复杂，而且不同误差间存在相互作用，不可避免地会影响最终的目标定位性能。扫描GMTI运动目标精确定位方法中综合考虑各种非理想因素对实测数据影响，提出了杂波抑制锐化比和等效基线的概念，将目标定位问题转化为等效基线估计问题，但该方法在干涉相位非线性条件变化时稳健性下降，且基线估计精度会受到旁瓣区强目标的影响。
发明内容
本发明实施例提供一种目标定位方法、装置、GMTI系统及可读存储介质，通过定义的抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，由此可以实现根据目标干涉相位实现目标定位，提高了目标定位精度。
第一方面，本发明实施例提供一种目标定位方法，包括：
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位；
根据所述目标干涉相位确定目标方位角；
基于所述目标方位角完成定位。
可选的，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位之前，包括：
根据杂波抑制前后，设定的距离多普勒单元内的复信号的比值确定对应的抑制锐化比；其中，所述距离多普勒单元根据对应的所述多普勒通道的主波束指向选取获得。
可选的，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，包括：
调整所述多普勒通道对应的子孔径形成的差波束零点的指向，以滤除对应主波束方向上的地杂波；
基于滤除所述地杂波后所述多普勒通道对应的角域，利用所述抑制锐化比确定相邻多普勒通道之间的最优干涉相位。
可选的，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，还包括：
根据主瓣内多个相邻的所述距离多普勒单元之间的最优干涉相位构建相位方程组；
求解所述相位方程组，确定目标干涉相位以及对应的相位参数；
其中所述相位参数至少包括如下之一：实际波长、相位中心间距和幅相误差。
可选的，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，还包括：
对目标干涉相位对应的接收信号进行共轭相乘；
基于共轭相乘之后的接收信号，滤除主瓣相位模糊。
可选的，根据所述目标干涉相位确定目标方位角，包括：
根据滤除主瓣相位模糊后的接收信号，基于所述相位参数，确定目标相位角。
第二方面，本发明实施例提供一种目标定位装置，包括：
数据处理单元，用于通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位；以及，
根据所述目标干涉相位确定目标方位角；
定位单元，用于基于所述目标方位角完成定位。
第三方面，本发明实施例提供一种扫描运动目标检测系统，包括前述的目标定位装置。
第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的目标定位方法的步骤。
本发明实施例通过定义的抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，由此可以实现根据目标干涉相位实现目标定位，提高了目标定位精度，取得了积极的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明第一实施例流程图；
图2为本发明第二实施例最优干涉相位搜索结果；
图3为本发明第二实施例最小二乘法进行参数估计结果。
图4为本发明第二实施例目标定位结果图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明第一实施例提供一种目标定位方法，如图1所示，包括以下具体步骤：
S101、通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位；
S102、根据所述目标干涉相位确定目标方位角；
S103、基于所述目标方位角完成定位。
本发明实施例用于实现两孔径的目标精确定位，主要通过定义的抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，由此可以实现根据目标干涉相位实现目标定位，提高了目标定位精度。
可选的，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位之前，包括：
根据杂波抑制前后，设定的距离多普勒单元内的复信号的比值确定对应的抑制锐化比；其中，所述距离多普勒单元根据对应的所述多普勒通道的主波束指向选取获得。
具体的说，在本实施例中，首先可以固定地物回波多普勒与视角存在对应关系，对雷达时域回波作快速Fourier变换(FFT)处理，每一路多普勒输出对应的地杂波则限制在一个很小的角域范围里，且它们对应的杂波角域不同。这样就实现了地面固定杂波“空域局域化”。而原波束覆盖范围里的动目标，虽然也会在与其相应的多普勒通道输出，但由于本身径向速度影响，在该通道它与杂波所对应的角域是不同的，其多普勒fdt为
其中，vp为载机速度，vr为目标径向速度，λ为波长，θt为目标的实际方位角，表示目标与雷达连线与航迹法向的夹角，表示俯仰角，θt′为雷达观测到的等效目标方位角(即动目标在DBS图像中的方位角)。
雷达观测到的等效目标方位角θ′t＝θmain+θt(-△θ/2≤θ′t≤△θ/2)，其中θmain为主波束指向处的方位角，△θ为波束宽度。由于两子孔径间距不为零，回波信号到两孔径存在波程差。假设目标所在距离多普勒单元为(r,fd)，则两子孔径接收信号为：
χ1(r,fd)＝χ (2)
其中，χ1(r,fd)和χ2(r,fd)分别表示两子孔径接收信号包络，基线d为两孔径的相位中心间距，χ为目标信号幅度，λ为信号波长，为俯仰角，θt表示目标相对于主波束的方位角。
实际情况中，考虑相邻多普勒通道幅相误差，基线d和波长λ也可能存在误差，式(3)可以表示为：
其中，是存在误差的实际波长，/>表示存在误差时两孔径的相位中心间距，A21＝A2/A1和φ2_1＝φ2_error-φ1_error分别表示两通道间的幅相误差。
令ψ表示干涉仪测量得到的两通道间干涉相位，式(3)可以简化为
其中，
基于此本实施例中，定义了杂波抑制锐化比来描述杂波抑制性能，满足：
其中，gbefore(r,fd)为杂波抑制前单个距离多普勒单元(r,fd)内的复信号，gafter(r,fd)为杂波抑制后该距离多普勒单元的复信号。式(5)表明，杂波抑制锐化比与杂波抑制性能密切相关，杂波抑制性能越好，杂波抑制后功率的平方和越小，杂波抑制锐化比的值越大。理想情况下，若某方向的杂波被完全抑制，fsharp_ratio的取值会趋于无穷大。实际情况中，fsharp_ratio不可能为无穷大，因而可以利用这个比值来搜索最优误差等效基线值。由此本实施例中当杂波抑制锐化比取得最大值时，其对应基线即为满足条件的最优误差等效基线。
可选的，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，包括：
调整所述多普勒通道对应的子孔径形成的差波束零点的指向，以滤除对应主波束方向上的地杂波；
基于滤除所述地杂波后所述多普勒通道对应的角域，利用所述抑制锐化比确定相邻多普勒通道之间的最优干涉相位。
具体的说，本实施例中，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，主要包括如下步骤：
根据干涉仪原理，本实施例中对两个波束的信号各自作多普勒滤波后，同一多普勒通道对应主波束照射的固定场景中同一个窄的角域，调整两个子孔径形成的差波束零点的指向，使之与该多普勒通道所对应的地杂波的指向重合，即可滤除该方向的地杂波。具体的可以依靠权向量调整两个子孔径形成的差波束零点的指向。
若两子孔径主波束指向为θmain，其对应多普勒值为fd_main，令则杂波抑制锐化比可表示为
其中，rmin和rmax分别为起始和终止距离单元。实际情况中，仅选择一个距离多普勒单元进行估计是不够的，应选取主多普勒通道内的多个独立同分布距离样本进行估计以降低噪声影响。
由此，可以利用杂波抑制锐化比搜索两多普勒通道间最优干涉相位
可选的，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，还包括：
根据主瓣内多个相邻的所述距离多普勒单元之间的最优干涉相位构建相位方程组；
求解所述相位方程组，确定目标干涉相位以及对应的相位参数；
其中所述相位参数至少包括如下之一：实际波长、相位中心间距和幅相误差。
本实施例中，利用M个相邻多普勒通道分别估计得到最优干涉相位并采用最小二乘法求得/>和/>
具体的说，对于主瓣内M个相邻多普勒通道，可以分别求得M个将和/>看作未知数可以得到M个方程，满足：
将上述方程写出矩阵形式，可以得到如下超定方程：
AX＝b (10)
其中，(·)T表示转置，/>
由于矩阵A的秩为2，即rank(A)＝2，式(10)的最小二乘解由下式给出：
X＝(ATA)-1ATb (11)
由此可以求得目标干涉相位以及对应的相位参数。
可选的，通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，还包括：
对目标干涉相位对应的接收信号进行共轭相乘；
基于共轭相乘之后的接收信号，滤除主瓣相位模糊。
具体的说，本实施例中，对两子孔径的接收信号共轭相乘得：
其中，(·)*为共轭，|·|*表示取绝对值。通常孔径间的基线d远大于波长λ，所以式(12)中，y的相位存在模糊。由此本实施例中进一步滤除主瓣相位模糊，包括：
将式(11)中结果代入/>并令y与/>相乘并化简得：
可选的，根据所述目标干涉相位确定目标方位角，包括：
根据滤除主瓣相位模糊后的接收信号，基于所述相位参数，确定目标相位角。
将前述求解获得的和/>代入式(13)求得目标方位角，并进行目标定位。
具体的，当时，主瓣3dB宽度内的相位是不模糊的，通过式(13)中y′的相位就可以求得θt。
其中，arg[·]表示取相位。
求得目标的方位角实现目标精确定位：
本发明方法充分考虑雷达系统中的非理想因素(如载机运动误差，接收通道的幅相误差，雷达基线误差，多普勒中心估计误差、跳频等)对运动目标定位精度的影响基础上，引入了干涉相位最大似然拟合法来估计各种误差，从而将复杂的多误差背景的目标定位问题转化为单一的求解超定方程最小二乘解的问题。
本发明方法首次提出杂波抑制锐化比，采用杂波抑制锐化比来估计每个多普勒通道的最优干涉相位，然后构建超定方程并采用最小二乘解法求解和/>将估计得到的/>和/>代入目标定位算法中，从而实现目标精确定位。
综上，通过本发明方法具有如下优点：
1、本发明方法解决了雷达系统参数不准确时传统目标定位方法定位精度严重下降的问题，为解决系统参数存在误差条件下广域GMTI系统目标精确定位问题提供了一种新思路；
2、本发明考虑的机理是雷达系统通过正常飞行录取数据进行处理，系统误差必然会在录取数据中反映出来，本发明从实测数据中估计系统参数，整体上可以较好地反映实测数据的真实误差特性；
3、本发明方法将目标定位问题转化为最优干涉相位估计问题，从而将复杂的多误差背景的目标定位问题转化为单一的求解超定方程最小二乘解的问题，通过估计最优干涉相位实现对通道误差和的准确估计，本发明运算量略大于传统目标定位算法，但是目标定位精度显著优于传统算法；
4、本发明方法具有良好的推广应用价值，同样可以应用于机载SAR、星载SAR图像的慢速运动目标定位等领域。
实施例二
本实施例中以一组X波段机载多通道广域GMTI实测数据为例来验证本发明的性能。雷达信号带宽约为20MHz，方位向3个接收天线，载机平均速度约为120m/s。根据系统参数，名义上的d/λ是12.54。
首先采用抑制锐化比的方法搜索最优干涉相位，在此基础上给出一个波位距离多普勒域内的目标定位结果并进行分析，以验证本发明方法的性能。另外，实际中最终目标需要标注在与实际地形匹配的地图或者遥感测绘图像(SAR图像、卫星红外图像或者DBS图像等)上。
根据干涉仪原理，通过调整权值可以对两天线获取的任意方向的杂波进行抑制，本实施例中仅讨论波束中心线上的杂波抑制，其它方向与此类似。图2表示采用本发明方法在主波束指向处搜索得到的最优干涉相位图2中横坐标表示设定的干涉相位变化区间，其范围是[-π，π]，搜索间隔为0.00001rad，纵坐标表示不同干涉相位对应的杂波抑制锐化比(此处为便于分析用对数表示)。图2中，杂波抑制锐化比随基线变化先增大然后逐渐减小，当干涉相位取值为-0.95632rad时杂波抑制锐化比取得最大值为24.37dB。由于杂波抑制锐化比表示系统的杂波抑制能力，最大值对应的基线值即为所要求解的最优干涉相位。
根据前述方法所得到的最优干涉相位进行杂波抑制，该多普勒通道对应方向的杂波得到了较好的抑制，即估计所得的最优干涉相位是准确的。
接着应用主杂波内M个相邻多普勒通道，分别求得M个将/>和看作未知数构建方程(9)，该方程对应的矩阵表达式为AX＝b，方程的最小二乘解为X＝(ATA)-1ATb。以2πsinθ为横坐标，Ψ为纵坐标，其最小二乘解即为直线对应的斜率，如图3所示，可以求得直线斜率为12.24，即/>的估值为12.24。令Ψ＝0，可求得/>对应数值为19.24rad。
如图4所示，在实际处理过程中可以首先对1个通道的多波位数据进行了DBS成像处理，并从该DBS成像结果中截取了目标较为集中的一块区域，该区域大小为10km×6km。其中，水平方向为方位向，垂直方向为距离向，场景中有四条交叉的高速公路以及高速路上集中了大量运动目标(车辆为主)。然后采用前述的基于干涉相位最大似然拟合的广域GMTI系统目标定位方法，将一个扫描周期检测到的56个运动目标标注到所得的DBS图像中，如图4所示，目标信号由白色*标注。
实施例三
本发明第三实施例提供一种目标定位装置，包括：
数据处理单元，用于通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位；以及，
根据所述目标干涉相位确定目标方位角；
定位单元，用于基于所述目标方位角完成定位。
本发明实施例用于实现两孔径的目标精确定位，主要通过定义的抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，由此可以实现根据目标干涉相位实现目标定位，提高了目标定位精度。
本发明实施例还提供一种扫描运动目标检测系统，包括前述的目标定位装置。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一、第二的目标定位方法的步骤。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。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，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种目标定位方法，其特征在于，包括：
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位；
根据所述目标干涉相位确定目标方位角；
基于所述目标方位角完成定位；
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位之前，包括：
根据杂波抑制前后，设定的距离多普勒单元内的复信号的比值确定对应的抑制锐化比；其中，所述距离多普勒单元根据对应的所述多普勒通道的主波束指向选取获得；
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，包括：
调整所述多普勒通道对应的子孔径形成的差波束零点的指向，以滤除对应主波束方向上的地杂波；
基于滤除所述地杂波后所述多普勒通道对应的角域，利用所述抑制锐化比确定相邻多普勒通道之间的最优干涉相位；
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，还包括：
根据主瓣内多个相邻的所述距离多普勒单元之间的最优干涉相位构建相位方程组；
求解所述相位方程组，确定目标干涉相位以及对应的相位参数；
其中所述相位参数至少包括如下之一：实际波长、相位中心间距和幅相误差；
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，还包括：
对目标干涉相位对应的接收信号进行共轭相乘；
基于共轭相乘之后的接收信号，滤除主瓣相位模糊；
根据所述目标干涉相位确定目标方位角，包括：
根据滤除主瓣相位模糊后的接收信号，基于所述相位参数，确定目标相位角。
2.一种目标定位装置，其特征在于，包括：
数据处理单元，用于通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位；以及，
根据所述目标干涉相位确定目标方位角；
定位单元，用于基于所述目标方位角完成定位；
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位之前，包括：
根据杂波抑制前后，设定的距离多普勒单元内的复信号的比值确定对应的抑制锐化比；其中，所述距离多普勒单元根据对应的所述多普勒通道的主波束指向选取获得；
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，包括：
调整所述多普勒通道对应的子孔径形成的差波束零点的指向，以滤除对应主波束方向上的地杂波；
基于滤除所述地杂波后所述多普勒通道对应的角域，利用所述抑制锐化比确定相邻多普勒通道之间的最优干涉相位；
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，还包括：
根据主瓣内多个相邻的所述距离多普勒单元之间的最优干涉相位构建相位方程组；
求解所述相位方程组，确定目标干涉相位以及对应的相位参数；
其中所述相位参数至少包括如下之一：实际波长、相位中心间距和幅相误差；
通过抑制锐化比确定不同多普勒通道的目标干涉相位，还包括：
对目标干涉相位对应的接收信号进行共轭相乘；
基于共轭相乘之后的接收信号，滤除主瓣相位模糊；
根据所述目标干涉相位确定目标方位角，包括：
根据滤除主瓣相位模糊后的接收信号，基于所述相位参数，确定目标相位角。
3.一种扫描运动目标检测系统，其特征在于，包括如权利要求2所述的目标定位装置。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的目标定位方法的步骤。
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