一种稀疏学习的相参捷变频雷达距离高分辨处理方法与流程

1.本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体为一种稀疏学习的相参捷变频雷达距离高分辨处理方法。


背景技术：

2.相参捷变频雷达发射脉冲串中的各脉冲初始相位关系确定，载频在频带范围内随机跳变。相参捷变频雷达具有以下优势：从电子对抗的角度来看，信号频谱的非连续性可避免在较窄频带内集中很高的能量，从而降低被敌方发现的可能性；相参捷变频雷达以较少的脉冲合成大宽带信号，能保证系统分辨率；相参捷变频雷达还具有脉冲信号的优势。但是，由于信号频谱的非连续性，其距离旁瓣往往较高，这往往会导致强目标旁瓣淹没弱目标或多个目标旁瓣合成虚假目标等问题，造成产生虚假目标和目标丢失等情况，影响雷达工作性能。此外，当今雷达工作的电磁环境日益复杂，很难找到一段干净的频段，因此研究相参捷变频雷达高分辨距离像合成方法具有重要意义。
3.针对相参捷变频雷达旁瓣抑制问题，可以通过信号波形设计的途径，通过选择最优频点组合达到降低距离旁瓣的目的(详见：随机跳频信号设计与处理技术研究，彭江，国防科技大学，2016年)，但是这种算法在可用频带有限时可能无法使用，且此类算法通常需要耗费较多的计算时间；还可以利用谱修正算法(详见：谱修正算法在随机跳频干扰的旁瓣抑制中的应用，温帅等，舰船电子对抗，2018年，第4期)在频域对匹配滤波器加权，但该方法以损失信噪比为代价；或利用基于压缩感知的算法，如，通过划分速度网格构建交叉向量，根据信号模型和交叉调制向量构建半正定规划(sdp)问题，求解sdp问题获取距离参数估计值，但交叉调制向量的构建基于速度网格且受网格间隔影响较大(详见：专利cn201910132135.6，捷变频雷达速度
‑
距离参数联合估计方法及装置，黄天耀等)。为了解决相参捷变频雷达距离旁瓣随机性强、幅度大等问题，本发明提出了一种稀疏学习的相参捷变频雷达距离高分辨处理方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种稀疏学习的相参捷变频雷达距离高分辨处理方法，将相参捷变频雷达合成高分辨距离像作为稀疏信号重建问题，构建贝叶斯模型并用最大后验方法估计模型参数，建立目标函数，通过使目标函数最小求解参数更新公式，最终获取稀疏的距离像，实现了相参捷变频雷达距离高分辨处理。
5.为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种稀疏学习的相参捷变频雷达距离高分辨处理方法，包括：
7.s1、从频率集中随机选取一定数量的频率作为各脉冲相对于中心频率的频率步进量，构造一个周期的相参频率捷变发射信号；
8.s2、构造稀疏信号重建模型，取dft矩阵作为字典矩阵；
9.s3、初始化p矩阵、距离像和噪声功率；
10.s4、每次迭代，更新距离像、噪声功率和p矩阵；
11.s5、判断迭代结果是否收敛或迭代次数是否达到上限；若是，则转到s6；否则，则转到s4；
12.s6、停止迭代，输出高分辨距离像。
13.可选地，所述步骤s1具体包括：
14.设中心频率为f
c
，脉冲宽度为t
p
，脉冲重复间隔为t
r
，从频率集{0,δf,
…
,(n
‑
1)δf}中随机选取m(m＜n)个频率作为各脉冲相对于中心频率的频率步进量f
m
，则每个脉冲的载频为f
m
＝f
c
+f
m
，m＝1，
…
,m；则相参捷变频雷达发射的一个波形周期的信号为：
[0015][0016]
其中，rect[
·
]为矩形窗函数。
[0017]
可选地，所述步骤s2具体包括：
[0018]
将合成高分辨距离像视为稀疏信号重建问题，则稀疏信号重建模型为：
[0019]
y＝ax+ε
[0020]
其中，ε∈c
m
×1为噪声，x∈c
n
×1为稀疏距离像，y∈c
m
×1为随机跳频回波信号的频域样本数据，字典矩阵a∈c
m
×
n
为dft矩阵：
[0021][0022]
可选地，所述步骤s3具体包括：
[0023]
初始化p矩阵、距离像x和噪声功率η；
[0024]
p矩阵用匹配滤波器初始化：
[0025][0026]
其中，a
n
是字典矩阵a的第n列；
[0027]
根据p
n
＝|x
n
|2‑
q
，初始化距离像中的每个元素为
[0028]
根据η的表达式，η的初始值为
[0029]
可选地，所述步骤s4具体包括：
[0030]
迭代更新距离像x、噪声功率η和p矩阵；
[0031]
x
(t+1)
＝p
(t)
a
h
(ap
(t)
a
h
+η
(t)
i)
‑1y
[0032]
[0033]
p
(t+1)
＝diag{p
(t+1)
},p＝[p1,p2,...,p
n
],
[0034]
可选地，所述步骤s5具体包括：
[0035]
判断迭代是否满足||x
(t)
‑
x
(t
‑
1)
||2/||x
(t)
||2＜δ(δ为大于零的极小值)或者迭
[0036]
代次数达到上限，若是，则转到s6；否则，转到s4继续迭代。
[0037]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0038]
本发明将相参捷变频雷达合成高分辨距离像看作稀疏信号重建问题，构建贝叶斯模型描述稀疏信号重建问题，并利用最大后验方法估计参数，通过使目标函数最小求解参数更新方法，迭代更新参数最终得到重构的稀疏距离像。本发明针对相参捷变频雷达距离旁瓣高、随机性强，容易产生目标旁瓣合成假目标和强目标旁瓣淹没弱目标的问题，给出了抑制距离旁瓣的方法，可以用于相参捷变频雷达合成高分辨距离像。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1为本发明一实施例中方法流程图；
[0041]
图2为传统ndft合成的距离像；
[0042]
图3为本发明一实施例中合成的距离像。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0044]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0045]
请参阅图1，本实施例提供了一种稀疏学习的相参捷变频雷达距离高分辨处理方法，相参捷变频雷达是一种脉冲体制雷达，相参是指各脉冲之间存在确定的相位关系，对各脉冲相参处理能够提高信噪比、获得高距离分辨率。捷变频是指雷达发射的一个脉冲串中各脉冲的载频在频带内随机选取。由于捷变频信号的频谱不连续，使得其距离旁瓣往往较高，这通常会导致强目标淹没弱目标或多个目标旁瓣合成虚假目标等问题。为了解决该问题，本发明将相参捷变频信号合成高分辨距离像作为稀疏信号重建问题，构建贝叶斯模型
并利用最大后验方法估计模型参数。通过使目标函数最小，求解参数更新表达式，最终实现相参捷变频雷达距离高分辨处理。本发明适用于相参捷变频雷达或非连续谱信号的距离旁瓣抑制、合成高分辨距离像等问题。
[0046]
本实施例中的稀疏学习的相参捷变频雷达距离高分辨处理方法具体包括：
[0047]
s1、从频率集中随机选取一定数量的频率作为各脉冲相对于中心频率的频率步进量，构造一个周期的相参频率捷变发射信号；
[0048]
s2、构造稀疏信号重建模型，取dft矩阵作为字典矩阵；
[0049]
s3、初始化p矩阵、距离像和噪声功率；
[0050]
s4、每次迭代，更新距离像、噪声功率和p矩阵；
[0051]
s5、判断迭代结果是否收敛或迭代次数是否达到上限；若是，则转到s6；否则，则转到s4；
[0052]
s6、停止迭代，输出高分辨距离像。
[0053]
本实施例中，所述步骤s1具体包括：
[0054]
设中心频率为f
c
，脉冲宽度为t
p
，脉冲重复间隔为t
r
，从频率集{0,δf,
…
,(n
‑
1)δf}中随机选取m(m＜n)个频率作为各脉冲相对于中心频率的频率步进量f
m
，则每个脉冲的载频为f
m
＝f
c
+f
m
，m＝1，
…
,m；则相参捷变频雷达发射的一个波形周期的信号为：
[0055][0056]
其中，rect[
·
]为矩形窗函数。
[0057]
本实施例中，所述步骤s2具体包括：
[0058]
将合成高分辨距离像视为稀疏信号重建问题，则稀疏信号重建模型为：
[0059]
y＝ax+ε
[0060]
其中，ε∈c
m
×1为噪声，x∈c
n
×1为稀疏距离像，y∈c
m
×1为随机跳频回波信号的频域样本数据，字典矩阵a∈c
m
×
n
为dft矩阵：
[0061][0062]
本实施例中，所述步骤s3具体包括：
[0063]
初始化p矩阵、距离像x和噪声功率η；
[0064]
p矩阵用匹配滤波器初始化：
[0065][0066]
其中，a
n
是字典矩阵a的第n列；
[0067]
根据p
n
＝|x
n
|2‑
q
，初始化距离像中的每个元素为
[0068]
根据η的表达式，η的初始值为
[0069]
本实施例中，所述步骤s4具体包括：
[0070]
迭代更新距离像x、噪声功率η和p矩阵；
[0071]
x
(t+1)
＝p
(t)
a
h
(ap
(t)
a
h
+η
(t)
i)
‑1y
[0072][0073]
p
(t+1)
＝diag{p
(t+1)
},p＝[p1,p2,...,p
n
],
[0074]
本实施例中，所述步骤s5具体包括：
[0075]
判断迭代是否满足||x
(t)
‑
x
(t
‑
1)
||2/||x
(t)
||2＜δ(δ为大于零的极小值)或者迭代次数达到上限，若是，则转到s6；否则，转到s4继续迭代。
[0076]
本实施实例设定雷达信号的参数为：中心频率为f
c
＝10ghz，频率步进间隔δf＝4mhz，可用频点数n＝512，随机抽取频点数m＝64。根据雷达信号参数可以计算得到距离分辨率ρ
r
＝c/2/(n
·
δf)为0.0732m，其中c为光速。目标的参数为：目标个数为3个，目标点对应的距离为[16.0000，16.0659，17.4648]。设迭代次数上限设为20次，范数q取0.9，δ取0.0001。
[0077]
图2给出了相参捷变频雷达利用传统的距离像合成方法，即对频域样本ndft操作得到的距离像，可见在该仿真参数下，ndft处理得到的距离像旁瓣较高，且第一个目标和第二个目标由于间隔小于一个分辨率而不能被分辨。
[0078]
图3给出了利用本发明方法合成的高分辨距离像，从图中可以看到距离旁瓣得到明显的抑制，且能够分辨三个目标，证明了本发明方法能够实现相参捷变频雷达距离高分辨处理。
[0079]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。