一种高分辨率雷达距离成像波形设计方法与成像方法

1.一种高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选取雷达波形与滤波器参数；S2、进行目标结构分析与高分辨距离成像建模；所述步骤S2包括：S21、采用非匹配滤波的方式进行目标距离成像，理想的波形与滤波器互相关序列为具有钉子状的冲击函数,S22、将理想的互相关序列作为模板，通过分析感兴趣目标在场景中的位置，并利用目标的稀疏性结构，确定互相关序列的权重，采用加权最小二乘的方法匹配该模板,S23、将感兴趣目标存在的区域和不感兴趣的背景区域进行权重值设置，S24、根据成像波形与滤波器权值建立联合优化模型；S3、优化波形与滤波器。 2.如权利要求1所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11、距离成像雷达发射相位编码波形；S12、根据感兴趣目标在场景中的位置以及结构，确定雷达波形的编码长度以及接收滤波器权系数的长度；S13、根据雷达期望得到的目标距离向分辨力，确定雷达波形的编码速率。 3.如权利要求2所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于：距离成像雷达发射相位编码波形，其离散的基带波形用向量s＝[s(1),s(2),...,s(N)] T 表示；其中N表示发射波形的码元长度，s(i)表示雷达发射波形的第i个采样点，上标T表示向量转置操作；雷达接收机的滤波器权系数用w＝[w(1),w(2),...,w(N)] T 表示，其中w(i)表示滤波器的第i个权系数；雷达系统的采样率为f s ，那么雷达发射波形的总时宽为N/f s ，每个采样点对应的距离分辨率为c/(2f s )，其中c表示光速；根据感兴趣目标的实际尺寸以及雷达系统期望获得的分辨率选取参数N和f s ，选取方法为：一方面，目标实际尺寸越大，参数N则需要越大，确保雷达系统具有多自由度，假定感兴趣目标尺寸为L个雷达分辨距离单元，选取设置码元长度N＞10L；另一方面，雷达期望获得的距离分辨率越高，系统的采样率f s 也越大，以确保c/(2f s )小于所期望的雷达距离分辨率。 4.如权利要求1所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于：发射波形s和滤波器权系数w的互相关序列形状决定了雷达距离成像的性能，在完成雷达波形参数选取的基础上，发射波形s和滤波器权系数w的互相关序列y是一个长度为2N-1的列向量，表示为：y＝w*s，其中*表示卷积算子，将上式表示成矩阵形式得到：y＝Ws＝Sw其中，理想的波形与滤波器互相关序列为具有钉子状的冲击函数，设为y 0 ，互相关序列y 0 的第N个元素为1，其余元素均为0；雷达为了实现高的成像性能，波形与滤波器的互相关序列y应当趋近y 0 ，使用欧式空间的2范数度量y和y 0 的差异程度；另一方面考虑到感兴趣目标在空间具有稀疏结构，使用权向量α＝[α(1),α(2),...,α(2N-1)] T 对y和y 0 的差异度进行加权处理，确保感兴趣的目标区域，受到更多关注，而不感兴趣的背景区域得以忽略，即α(N-L)至α(N+L)这2L+1个权值设置为大值，而其余权值设置为小值；雷达波形和滤波器的设计旨在最小化加权意义下互相关序列y和理想互相关序列y 0 的差异程度，通过优化下式实现：其中，Λ＝diag(α)为权向量α沿对角线排列的对角矩阵，||·|| 2 为欧式空间的2范数；此外，考虑到雷达波形使用相位编码信号，具有恒定的模值，在优化式时，对雷达波形添加恒模约束后，将雷达高分辨距离成像的波形与滤波器设计建模为如下优化问题 5.如权利要求4所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31、发射波形优化与滤波器权矢量优化；S32、交替循环进行直到收敛，在发射波形优化步骤中，滤波器权矢量保持固定，优化变量为发射波形每个快时域采样点的相位码元；S33、在滤波器权矢量优化步骤中，发射波形保持固定，优化变量为滤波器权矢量的幅度与相位。 6.如权利要求5所述的高分辨率雷达距离成像波形设计方法，其特征在于，包括：发射波形优化在第k次优化发射波形s (k) 的时候，将滤波器权矢量固定在第k-1次迭代时的值w (k-1) ，结合式将优化问题式重新表示为其中，使用坐标下降法对式进行求解，即每次更新s (k) 中的一个元素，第i个元素s (k) (i)的更新表达式如下其中，exp{·}表示指数函数，j为虚数单位，arg(·)表示取相位运算，v＝(W (k-1) ) H Λ H Λy 0 以及U＝(W (k-1) ) H Λ H ΛW (k-1) ，上标H表示矩阵的共轭转置运算，p是求和时的循环变量，从1遍历到N，但跳过p＝i的情况(即排除当前项i自身)；按照式给出的更新表达式依次遍历s (k) 中的每个元素，并循环进行直至收敛，得到第k次迭代优化后的发射波形s (k) ；滤波器权矢量优化在第k次优化滤波器权矢量w (k) 的时候，将发射波形固定在第k次迭代时的值s (k) ，结合式将优化问题式重新表示为其中：分析式的结构可以发现，求解式等价于求解以下线性方差的最小二乘解：ΛS (k) w＝Λy 0 ，由此得到在第k次迭代时，滤波器权矢量的优化表达式为w (k) ＝(ΛS (k) ) + Λy 0其中，(ΛS (k) ) + 表示矩阵ΛS (k) 的Moore-Penrose广义逆矩阵。 7.一种如权利要求6所述的高分辨率雷达距离成像方法，其特征在于，进行雷达高分辨距离成像处理；包括：经过S3步骤处理后，发射波形和滤波器权矢量已经收敛到了优化的发射波形s * 和滤波器权矢量w * ，在对感兴趣目标进行成像处理时，以s * 作为雷达的实际发射波形，然后将接收到的目标回波与滤波器权矢量w * 做卷积处理并取幅度运算后得到目标的距离像。