一种侧视多普勒波束锐化与前视单脉冲复合成像方法

摘要

本发明涉及一种侧视多普勒波束锐化与前视单脉冲复合成像方法，对接受的ΣΔ两路基带数据，按照发送的格式进行解析，得到帧头数据：对帧头信息中的天线伺服方位角进行判读，当天线伺服方位角落入±15°时，采用前视比幅单脉冲成像模式进行处理；否则采用DBS成像模式进行处理；将两种处理方法得到的图像结果非相参积累，拼接后得到完整图像。与传统方法相比较，本发明的创新点在于：利用比幅单脉冲成像技术解决了波束前视情况下DBS方法无能为力的窘境。保留了波束侧视情况下传统DBS成像方法的高锐化比，即高分辨率，避免了单独使用单脉冲成像技术成像分辨率的不足。

说明书

技术领域

本发明一种属于机载雷达成像技术领域，具体涉及一种侧视多普勒波束锐化与前 视单脉冲复合成像方法，针对机载雷达进行成像时，复合利用多普勒波束锐化技术和 单脉冲成像技术拼接出全扫描区域的高质量图像。

背景技术

在雷达成像技术领域，多普勒波束锐化(DBS)技术应用广泛。它利用载机平台 相对于地面杂波的方位向运动产生的多普勒频率变化来提高方位向的分辨力。但是当 雷达波束指向前视成像区域时，地面杂波的方位向运动产生的多普勒频率变化范围很 小，即多普勒频率展宽很小，形成前视成像盲区。单脉冲技术主要应用于雷达精确测 角，单脉冲成像是利用单脉冲测角技术测得每个散射点的角度信息而完成成像的方法， 它的图像分辨率与多普勒没有关系，只与雷达波束形状及回波信噪比有关，不受成像 区域的限制。

目前应用DBS技术的成像系统很多，工程实现了的单脉冲成像系统国外有一些， 国内目前寥寥无几，将两者复合应用的雷达成像系统则没有。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种侧视多普勒波束锐化与前视单脉 冲复合成像方法，提供一种结构合理，既工程实现简单，又能够显著改善成像效果的 复合雷达成像方法。

一种侧视多普勒波束锐化与前视单脉冲复合成像方法，其特征在于：FPGA通过 RocketIO接收外部传送的ΣΔ两路基带数据，FPGA与DSP之间通过总线和链路口连 接，步骤如下：

步骤1：对接受的ΣΔ两路基带数据，按照发送的格式进行解析，得到帧头数据和 回波数据，并在FPGA中对回波数据进行频域距离维数字脉冲压缩，得到有效脉冲压 缩数据：处理完成后的有效距离维单元数M，距离维分辨率c/2β，其中：c为光速， β为信号带宽；

步骤2：对帧头信息中的天线伺服方位角进行判读，当天线伺服方位角落入±15°时， 采用前视比幅单脉冲成像模式进行处理；否则采用DBS成像模式进行处理；

所述前视比幅单脉冲成像模式：

1、将脉冲压缩处理后的数据通过链路口送入DSP，在DSP中建立当前波束各个 散射点存储矩阵为M*K，M为表示距离维的单元个数，K为将3dB波束宽度的等分 的数，sigle_dmc＝θ_3dB/K为每个通道对应的角度值，写入帧头，该值用于后述前视区域 的图像拼接；

2、利用ΣΔ两路脉压数据对当前散射点依次比幅单脉冲测角，根据差和比幅度曲 线获知角误差angle_amp＝sum_abs/sub_abs，根据差和比相位曲线获知角误差符号 angle_sign＝sub_real*sum_real+sub_imag*sum_imag，以角误差和角误差符号作为角误差值；

将当前天线伺服方位角与角误差值相加，获得当前散射点的准确角度值 angle＝θ_fw+kk*angle_sign*angle_amp；

其中sum_abs，sub_abs为和幅度，差幅度，sum_real，sum_imag，sub_real，sub_imag为和实虚部， 差实虚部，kk为差和比斜率；

3、根据测准确角值确定M*K存储矩阵中的行，根据已知的距离确定M*K存储 矩阵中的列，将散射点的幅度值填入该行列对应的单元；

处理±15°所有波束的所有距离维单元后，得到波束的数据矩阵；对数据矩阵进行 量化处理，动态范围保留8位；

所述DBS成像模式：

1、对脉冲压缩后的ΣΔ两路数据进行相参积累FFT处理，方位向的分辨率为 f_prf/N，f_prf为雷达重复频率，N为相参积累点数；

2、利用帧头数据中的惯导信息与伺服信息估算出杂波谱中心与杂波谱宽，

杂波谱中心估计公式：$\mathrm{fdc}=2*(\sqrt{({v_{\mathrm{east}}}^2+{v_{\mathrm{north}}}^2)}*\cos ({\theta }_{\mathrm{fw}}+{\theta }_{\mathrm{el}}+{\theta }_{\mathrm{pl}})*\cos ({\theta }_{\mathrm{fy}}-{\theta }_{\mathrm{hg}}))/\lambda$

杂波谱宽估计公式：

$\mathrm{\Delta fdc}=2*(\sqrt{({v_{\mathrm{east}}}^2+{v_{\mathrm{north}}}^2)}*{\theta }_{3\mathrm{dB}}*\sin ({\theta }_{\mathrm{fw}}+{\theta }_{\mathrm{el}}+{\theta }_{\mathrm{pl}})*\cos ({\theta }_{\mathrm{fy}}-{\theta }_{\mathrm{hg}}))/\lambda$

其中，v_east、v_north为载机东速、北速，θ_fw、θ_el、θ_pl、θ_fy、θ_hg、λ、θ_3dB分别为 天线伺服方位角、电波束指向角、载机偏流角、波束俯仰角、载机横滚角、波长、3dB 波束宽度；

将估计的杂波谱中心换算成对应的方位维多普勒通道号，用于方位维FFT后的杂 波谱中心搬移；估计的杂波谱宽换算成多普勒通道数num_Δfdc，按照公式 sigle_{_dbs}＝θ_3dB/num_Δfdc计算每个通道对应的角度值，写入帧头，该值用于后述侧视区域 的图像拼接；

3、将杂波谱中心两侧[-N/8,N/8]的方位向数据进行量化处理，动态范围保留8 位；

步骤3：将两种处理方法得到的图像结果非相参积累，拼接后得到完整图像。

所述数据量化公式：data_lh＝(255*data_ys/(lh_yz*data_{all_aver}))_取整，其中data_lh为量化 后的8位数据，data_ys为当前待量化数据，data_{all_aver}为待量化所有数据的均值，lh_yz 为量化因子，该因子决定了数据的量化区间。

本发明提出的一种侧视多普勒波束锐化与前视单脉冲复合成像方法，对接受的 ΣΔ两路基带数据，按照发送的格式进行解析，得到帧头数据：对帧头信息中的天线 伺服方位角进行判读，当天线伺服方位角落入±15°时，采用前视比幅单脉冲成像模式 进行处理；否则采用DBS成像模式进行处理；将两种处理方法得到的图像结果非相参 积累，拼接后得到完整图像。

与传统方法相比较，本发明的创新点在于：

1、利用比幅单脉冲成像技术解决了波束前视情况下DBS方法无能为力的窘境。

2、保留了波束侧视情况下传统DBS成像方法的高锐化比，即高分辨率，避免了 单独使用单脉冲成像技术成像分辨率的不足。

附图说明

图1：复合成像系统处理流程图

图2：比幅单脉冲成像子系统实现框图

图3：DBS成像子系统实现框图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实现的硬件平台以一块运算处理板及一块单板机为例。运算处理板上包括 一块Xilinx FPGA-V6lx315t(其外挂4片DDR3，4片QDRII+)，还包括两块AD公司 的TigerShack-201DSP，FPGA通过RocketIO接收外部传送的ΣΔ两路基带数据，FPGA 与DSP之间通过总线和链路口连接。同时FPGA通过PCIE与单板机连接，单板机为 X86构架。

步骤1：对接受的ΣΔ两路基带数据进行解析，包括帧头数据和回波数据，并在 FPGA中对其进行频域距离向数字脉冲压缩，距离向的有效单元数与雷达当前的工作 状态相关，假设处理完成后的有效距离向单元数为M，距离向分辨率为c/2β，c为光 速，β为信号带宽。

步骤2：对帧头信息中的天线伺服方位角进行判读，以广域机扫±135°为例，当天 线伺服方位角落入±15°时，判定为比幅单脉冲成像模式，否则为DBS成像模式。

(a)，DBS成像模式

首先，对脉冲压缩后的ΣΔ两路数据进行相参积累，即方位向FFT处理，相参积 累处理由于数据量大，使用FPGA及其外挂的DDR3芯片协同处理，相参积累的处理 点数与雷达工作状态有关，方位向的分辨率为f_prf/N，f_prf为雷达重复频率，N为相 参积累点数。

其次，利用帧头数据中的惯导信息与伺服信息估算出杂波谱中心与杂波谱宽。将 估计的杂波谱中心换算成对应的方位向多普勒通道号，用于方位向FFT后的杂波谱中 心搬移；估计的杂波谱宽换算成多普勒通道数num_Δfdc，按照公式sigle_{_dbs}＝θ_3dB/num_Δfdc计 算每个通道对应的角度值，写入帧头，该值用于后述侧视区域的图像拼接。

杂波谱中心估计公式：$\mathrm{fdc}=2*(\sqrt{({v_{\mathrm{east}}}^2+{v_{\mathrm{north}}}^2)}*\cos ({\theta }_{\mathrm{fw}}+{\theta }_{\mathrm{el}}+{\theta }_{\mathrm{pl}})*\cos ({\theta }_{\mathrm{fy}}-{\theta }_{\mathrm{hg}}))/\lambda$

杂波谱宽估计公式：

$\mathrm{\Delta fdc}=2*(\sqrt{({v_{\mathrm{east}}}^2+{v_{\mathrm{north}}}^2)}*{\theta }_{3\mathrm{dB}}*\sin ({\theta }_{\mathrm{fw}}+{\theta }_{\mathrm{el}}+{\theta }_{\mathrm{pl}})*\cos ({\theta }_{\mathrm{fy}}-{\theta }_{\mathrm{hg}}))/\lambda$

其中，v_east、v_north为载机东速、北速，θ_fw、θ_el、θ_pl、θ_fy、θ_hg、λ、θ_3dB分别为 天线伺服方位角、电波束指向角、载机偏流角、波束俯仰角、载机横滚角、波长、3dB 波束宽度。

最后将杂波谱中心两侧[-N/8,N/8]的方位向数据进行量化处理，动态范围保留8 位，通过PCIE接口送到单板机进行图像拼接。

数据量化公式：data_lh＝(255*data_ys/(lh_yz*data_{all_aver}))_取整

其中data_lh为量化后的8位数据，data_ys为当前待量化数据，data_{all_aver}为待量化所 有数据的均值，lh_yz为量化因子，该因子决定了数据的量化区间。

(b)，比幅单脉冲成像模式

首先，将脉冲压缩处理后的数据通过链路口送入DSP，在DSP中建立当前波束各 个散射点存储矩阵，该存储矩阵的大小为M*K，M为距离向单元个数，K为将3dB波 束宽度的等分数，sigle_dmc＝θ_3dB/K为每个通道对应的角度值，写入帧头，该值用于后 述前视区域的图像拼接。

其次，利用ΣΔ两路脉压数据对当前散射点依次比幅单脉冲测角，差和比幅度曲 线与差和比相位曲线已知，根据差和比幅度曲线获知角误差大小，根据差和比相位曲 线获知角误差符号，从而得到角误差值。读入当前天线伺服方位角，就可以获得当前 散射点的准确角度值。

角误差大小：angle_amp＝sum_abs/sub_abs

角误差符号：angle_sign＝sub_real*sum_real+sub_imag*sum_imag(假设差和相位差为180°)

角度值：angle＝θ_fw+kk*angle_sign*angle_amp

其中sum_abs，sub_abs为和幅度，差幅度，sum_real，sum_imag，sub_real，sub_imag为和实虚部， 差实虚部，kk为差和比斜率。

最后，根据测角值的大小将该散射点的幅度值填入M*K大小的距离、方位存储 矩阵中，处理完当前波束的所有距离向单元后，对数据进行量化处理，处理方法同上。 然后通过PCIE接口送到单板机进行图像拼接。

步骤3：在单板机中建立图像存储区，存储区的大小以最大的扫描区域广域机扫 ±135°为准，距离向和方位向等间隔分区，且方位向需满足分辨率的要求。假设距离向 M为4096，方位向最大分辨率约为0.1°，即图像存储区大小为2700*4096。

通过PCIE接口接受运算处理板的数据，根据θ_fw可知接收数据为侧视或前视部分。 若为侧视成像，以θ_fw为中心，sigle_{_dbs}为间隔，按照四舍五入的原则将N/4通道的杂波 谱数据以对称的方式填入存储空间。N/4的杂波谱数据是有冗余的，冗余部分做非相 参积累。若为前视成像，则以θ_fw为中心，sigle_dmc为间隔，按照四舍五入的原则将K个 通道散射点幅度数据以对称的方式填入存储空间，冗余部分做非相参积累。

完成一个扫描周期所有数据的填充，即完成了一幅图像的拼接工作。