基于聚类相参叠加的频率分集阵列雷达目标成像方法

1.本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于聚类相参叠加的频率分集阵列(frequency diverse array，fda)的雷达目标成像的改进方法。


背景技术：

2.频率分集阵列雷达是由相控阵雷达演变过来的一种新体制雷达，相对于普通均匀线阵最大的区别是其相邻两个阵元之间有一个远小于基准载频的频率偏置。这使得它的波束方向图不仅与角度有关，还依赖于距离和时间，因此fda雷达在雷达目标探测成像中有广阔的应用前景。
3.目前，fda雷达目标成像方法一般基于阵列各阵元单频接收模式，采用bp和music算法来实现目标的定位和成像。但是线性频偏fda波束方向图固有的距离、角度耦合特性需要多次改变频偏才能实现多目标成像任务，且该方法存在旁瓣高、成像模糊的问题，对多目标进行精确定位和成像时效果不够理想。
4.另一方面，雷达的目标回波信号经过相干累加在特定位置具有能量集中的特性。利用该特性，采用聚类方法结合后向投影算法(bp算法)能够依据回波响应幅值对扫描区域进行特征提取及分类，是一种计算量较低且旁瓣消除的雷达目标成像改进算法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是现有fda雷达在单频接收模式下采用bp算法进行目标成像所面临的旁瓣高、成像模糊的问题，提出一种基于聚类相参叠加的频率分集阵列雷达目标成像方法。
6.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于聚类相参叠加的频率分集阵列雷达目标成像方法，包括以下步骤：
8.步骤1，构造单频接收的频率分集阵列；
9.所述频率分集阵列由n个等间距线性排列的天线阵元构成，采用单频接收的机制，即各阵元仅接收自身发出的信号所对应的回波；
10.所构造的频率分集阵列的每个阵元的发射频率依次线性增加，第n个阵元发射信号的频率f
n
为：
11.f
n
＝f0+nδf
1 n＝0,1,
…
,n
‑112.式中，f0为频率分集阵列的初始发射频率，即首个阵元发射信号的中心频率，将该阵元设为参考阵元，δf1为频率分集阵列的频率偏置，n为频率分集阵列的阵元个数；
13.步骤2，将成像区域按距离和角度划分网格点，对网格点簇标记进行初始化，将簇标记初始化为1；
14.步骤3，利用步骤1的频率分集阵列发射窄带信号对成像区域进行扫描，并采用单频接收机制接收回波数据；
15.步骤4，对成像区域中簇标记为1的网格点进行时延补偿，得到频率分集阵列各阵
元关于各网格点处的回波幅值；
16.步骤5，将步骤4中网格点关于n个阵元的回波幅值进行叠加，得出该频率分集阵列关于各网格点处总的回波响应；
17.步骤6，将步骤5中网格点的总回波响应数据所构成的数据矩阵矢量化，利用k均值聚类算法对矩阵矢量化所得数据集进行聚类划分，并更新网格点簇标记，选择聚类中心最大的簇为下次搜索路径，对归属于聚类中心值最大的簇对应网格点簇标记设置为1；
18.步骤6具体子步骤为：
19.将所得回波响应数据矩阵矢量化所得到的数据集表示为d＝{x1,x2,...,x
m
}，从d中随机选择k个回波响应数据初始化各簇聚类中心构成的均值向量{μ1,μ2,...,μ
k
}，则回波响应数据x
j
与聚类中心μ
i
的平方差为c
ji
：
20.c
ji
＝(x
j
‑
μ
i
)221.聚类中心μ
i
中，1≤i≤k；
22.根据各回波响应数据与聚类中心的差异确定x
j
的簇标记λ
j
为：
23.λ
j
＝arg min
i∈{1,2,...,k}
c
ji
24.式中，k为聚类簇数，c
ji
为回波响应数据x
j
与聚类中心μ
i
的平方差；
25.依据误差平方最小准则将回波响应数据x
j
划分到相应的簇：
[0026][0027]
更新各簇聚类中心：
[0028][0029]
判断迭代前后两次聚类中心是否相同，当μ
i(k+1)
≠μ
i(k)
时，返回计算回波响应数据x
j
与聚类中心的差异，对数据进行簇划分；
[0030]
当μ
i(k+1)
＝μ
i(k)
时，停止聚类划分，输出簇划分c＝(c1，c2，
…
，c
k
)；
[0031]
步骤7，改变频率分集阵列的频率偏置，重复步骤3
‑
步骤6对成像区域进行新的扫描，利用阵列接收得到新的回波数据并进行相应处理，共计完成m次频率偏置改变、雷达成像扫描以及数据处理；
[0032]
步骤7所述完成m次频率偏置改变、雷达成像扫描以及数据处理，最终关于网格点(r
q
,θ
q
)共计得到m个时延补偿回波响应值，将所有m个回波响应值取模进行叠加，即可得出该网格点处的像素值p(r
q
,θ
q
)：
[0033][0034]
式中，f0为频率分集阵列参考阵元的发射信号频率，δf
m
为频率分集阵列的频率偏置，n为频率分集阵列的阵元个数，d为阵元间距，m表示第m次频率偏置扫描时对应的序号，(r
q
,θ
q
)为网格点q在扫描区域中的二维位置；
[0035]
步骤8，以最终簇标记为1的网格点为搜索对象，计算出成像场景中相应网格点的像素值，即完成该频率分集阵列雷达目标成像。
[0036]
本发明雷达目标成像方法，是在现有技术基础上的进一步改进，改进的关键点在于步骤6
‑
8。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0038]
1)本发明采用k均值聚类和bp算法融合，解决了传统bp算法在fda雷达对多目标定位及成像时面临的成像模糊、旁瓣高的问题；
[0039]
2)本发明所提出的fda雷达目标成像改进方法在实现过程的多次迭代中不需要遍历成像区域全部网格点，可有效降低计算量，且易于实现。
附图说明
[0040]
图1为本发明目标成像方法流程图。
[0041]
图2为实施例频率分集阵列结构示意图。
[0042]
图3为实施例单频接收体制的频率分集阵列接收端原理示意图。
[0043]
图4为成像区域网格划分示意图。
[0044]
图5为成像区域目标位置示意图。
[0045]
图6为未改进算法采用3组频偏扫描时多目标成像二维显示图。
[0046]
图7为改进算法采用3组频偏扫描时多目标成像二维显示图。
[0047]
图8为未改进算法采用3组频偏扫描时多目标成像三维显示图。
[0048]
图9为改进算法采用3组频偏扫描时多目标成像三维显示图。
具体实施方式
[0049]
下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
[0050]
实施例
[0051]
基于聚类相参叠加的频率分集阵列雷达目标成像方法，其流程图如图1所示，其具体步骤如下：
[0052]
步骤1，构造单频接收的频率分集阵列，其阵列结构及接收端原理图分别如图2和图3所示；
[0053]
该频率分集阵列的初始发射频率为f0，初始频率偏置为δf1，阵元间隔为d，该频率分集阵列为具有n个阵元的一维均匀排布线阵；
[0054]
fda雷达天线阵列每个阵元的发射频率依次线性增加，阵列第n个阵元发射信号的载频f
n
表示为：
[0055]
f
n
＝f0+nδf
1 n＝0,1,
…
,n
‑1[0056]
式中，f0为频率分集阵列的初始发射频率，即首个阵元发射信号的中心频率，将该阵元设为参考阵元，δf1为频率分集阵列的频率偏置，n为频率分集阵列的阵元个数；
[0057]
为实现频率分集阵列各阵元只接收自身发出的信号，在频率分集阵列各阵元接收端接一个只允许自身发出的信号通过的窄带滤波器。
[0058]
步骤2，将成像区域按距离和角度划分网格点，成像区域网格划分如图4所示，其中δx为x轴方向划分网格的间距大小，δy为y轴方向划分网格的间距大小，n
r
为x轴方向划分
网格的总数，n
t
为y轴方向划分网格的总数，对成像区域网格点簇标记进行初始化，将其簇标记初始化为1。
[0059]
步骤3，利用步骤1的频率分集阵列发射窄带信号对成像区域进行扫描，当频率偏置为δf1时，第n个阵元的发射信号为s
1,n
(t)，接收信号为r
1,n
(t)，n＝0,1,2,
…
,n
‑
1，t表示时间变量。
[0060]
步骤3具体子步骤为：
[0061]
用所述频率分集阵列发射窄带信号，则fda第n个阵元发射的信号s
n
(t)可简单表示为一个复指数函数：
[0062]
s
n
(t)＝a(t)exp{j2πf
n
t}
[0063]
其中a(t)为信号复包络，由于发射的是窄带信号，其包络起伏非常缓慢，在各阵元间的差异可以忽略不计；对于远场成像区域中的一个观测目标点p，其沿阵列射线的法向夹角为θ
p
，与参考阵元的距离为r
p
，观测目标点p即为成像目标所在位置，θ
p
和r
p
在整个成像过程中为固定量，其包含在所接收到的回波信号中，则第n个阵元的回波信号时延τ
n
为：
[0064][0065]
利用频率分集阵列接收远场目标回波信号，第n个阵元接收到的回波信号为：
[0066][0067]
步骤4，对成像区域中簇标记为1的网格点q进行时延补偿，得到所述阵列第n个阵元关于点q处时延补偿后的回波幅值r
n
(r
q
,θ
q
)，其中(r
q
,θ
q
)为网格点q在扫描区域中的二维位置。
[0068]
步骤4具体子步骤为：
[0069]
对于成像区域中簇标记为1的任意一点(r
q
,θ
q
)，其与频率分集阵列第n个阵元的距离为r
q
‑
nd sinθ
q
，求得双程时延：
[0070][0071]
对每个阵元的回波信号进行时延补偿，可得出频率分集阵列第n个阵元关于点(r
q
,θ
q
)处时延补偿后的回波幅值r
comp,n
(r
q
,θ
q
)：
[0072][0073]
步骤5，将阵列所有n个阵元关于扫描网格点(r
q
,θ
q
)处的时延补偿回波幅值进行叠加，得出阵列关于点(r
q
,θ
q
)处的时延补偿回波响应量x
m
(r
q
,θ
q
)；
[0074]
[0075]
由于f0＞＞nδf，则项可以忽略不计，根据等比数列累加性质可化简为：
[0076][0077]
其中，
[0078]
其中m表示第m次频率偏置扫描时对应的序号。
[0079]
步骤6，对步骤5中网格点的总回波响应数据所构成的数据矩阵矢量化，利用k均值聚类算法对矩阵矢量化所得数据集进行聚类划分，并更新网格点簇标记，选择聚类中心最大的簇为下次搜索路径，对归属于聚类中心值最大的簇对应网格点簇标记设置为1；
[0080]
步骤6具体子步骤为：
[0081]
将所得回波响应数据矩阵矢量化所得到的数据集表示为d＝{x1,x2,...,x
m
}，从d中随机选择k个回波响应数据初始化各簇聚类中心构成的均值向量{μ1,μ2,...,μ
k
}，则回波响应数据x
j
与聚类中心μ
i
(1≤i≤k)的平方差为c
ji
：
[0082]
c
ji
＝(x
j
‑
μ
i
)2[0083]
根据各回波响应数据与聚类中心的差异确定x
j
的簇标记λ
j
为：
[0084]
λ
j
＝arg min
i∈{1,2,...,k}
c
ji
[0085]
式中，k为聚类簇数，c
ji
为回波响应数据x
j
与聚类中心μ
i
(1≤i≤k)的平方差；
[0086]
依据误差平方最小准则将回波响应数据x
j
划分到相应的簇：
[0087][0088]
更新各簇聚类中心：
[0089][0090]
判断迭代前后两次聚类中心是否相同，当μ
i(k+1)
≠μ
i(k)
时，返回计算回波响应数据x
j
与聚类中心的差异，对数据进行簇划分；
[0091]
当μ
i(k+1)
＝μ
i(k)
时，停止聚类划分，输出簇划分c＝(c1，c2，
…
，c
k
)。
[0092]
步骤7，改变频率分集阵列的频率偏置，重复步骤3～步骤6对成像区域进行新的扫描，利用阵列接收得到新的回波数据并进行相应处理，共计完成m次频率偏置改变、雷达成像扫描以及数据处理，最终关于网格点(r
q
,θ
q
)共计得到m个时延补偿回波响应值，将所有m个回波响应值取模进行叠加，即可得出该网格点处的像素值p(r
q
,θ
q
)：
[0093][0094]
步骤8，以最终簇标记为1的网格点为搜索对象，计算出成像场景中相应网格点的像素值，即完成fda雷达目标成像。
[0095]
本发明方法中，每次改变频率偏置对成像区域进行新的扫描，其数据处理过程中的时延补偿，仅需对上次聚类分类簇标记为1的网格点进行时延补偿计算，而不需要遍历全网格空间，故本发明所提出的改进方法较现有方法能有效降低运算量；同时本发明提出的改进方法充分利用目标点的能量集中特性及目标点与虚像点能量的差异性，可有效剔除目标虚假像，有效提高成像结果的精确度。
[0096]
本发明的效果可以由以下仿真结果进一步说明：
[0097]
1)仿真条件
[0098]
频率分集阵列天线模型采用如图2所示的一维均匀排布线阵，其中阵列阵元数为n＝80，雷达信号基准载频为f0＝10ghz，阵元间距为初始频率偏置为δf＝600khz。
[0099]
成像区域距离范围：9.6km～9.9km，距离域扫描间隔为3m；方位角度范围：
‑6°
～6
°
，方位角扫描角度间隔为0.2
°
。
[0100]
目标为5个点目标，其位置示意图如图5所示，位置信息分别为：目标1(x1,y1)＝(9750m,
‑2°
)；目标2(x2,y2)＝(9750m,0
°
)；目标3(x3,y3)＝(9750m,2
°
)；目标4(x4,y4)＝(9775m,0
°
)；目标5(x5,y5)＝(9725m,0
°
)；
[0101]
2)仿真结果
[0102]
实验1，采用传统bp算法进行多目标成像。采用3组频偏对成像区域进行扫描，其成像仿真结果如图6和图8所示，其中5个目标的雷达成像结果表现为目标可分辨，但图像模糊，旁瓣高。
[0103]
实验2，采用本发明所提出的改进方法进行多目标成像。仿真条件与实验1相同，其成像仿真结果如图7和图9所示，其中5个目标的雷达成像结果表现为目标清晰可见，图像清晰，目标定位位置与实际位置相符。
[0104]
综上所述，本发明提出的基于聚类相参叠加的频率分集阵列雷达目标成像方法，有效地解决了传统基于bp算法的线性频率偏置fda雷达目标成像图像模糊、旁瓣高的问题，仿真实验验证了本发明的有效性。