[發(fā)明專利]用于分布式雷達短時孔徑合成的路徑規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010987030.1
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112084676B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設計）人: 楊建宇;黃鈺林;徐帆云;張寅;朱俊宇;楊海光;張永超;霍偉博;張永偉
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/10;G01S13/90;G01S7/41;G06F111/06;G06F111/04
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 王偉

1.用于分布式雷達短時孔徑合成的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立分布式雷達的幾何模型和回波模型；具體實現(xiàn)方法為：在觀測區(qū)域里設定參考點O并將參考點O作為原點(0,0,0)建立球坐標系，發(fā)射機T_m的位置為接收機R的位置為場景里的目標點P位置為其中r、θ、分別表示輻射距離、波束俯仰角和波束方位角；發(fā)射機的具體飛行路徑由路徑規(guī)劃方法得到；接收機向觀測區(qū)域飛行，分布式雷達系統(tǒng)中各平臺以合成孔徑雷達的聚束工作模式采集數(shù)據(jù)；

發(fā)射機發(fā)射的線性調(diào)頻信號為：

其中，rect(·)是矩形函數(shù)，τ、T_r、k、f_c分別表示距離向時間變量、脈沖持續(xù)時間、調(diào)頻斜率和時域中的載波頻率；

經(jīng)過解調(diào)后，回波的距離頻域表達式如下：

其中，c,f_τ,T_a分別表示光速、頻域中的載波頻率和合成孔徑時間，R_p(t)＝R_tp(t)+R_rp(t)表示目標點P的距離歷史，R_tp(t)表示發(fā)射機發(fā)射信號到達目標點P的距離歷史，R_rp(t)表示接收機從目標點P接收信號的距離歷史；

將參考點O的回波頻域設定為參考函數(shù)：

其中，R_o(t)＝R_to(t)+R_ro(t)是參考點O的距離歷史，R_to(t)表示發(fā)射機發(fā)射信號到達參考點O的距離歷史，R_ro(t)表示接收機從參考點O接收信號的距離歷史；

在經(jīng)過匹配濾波和距離走動校正后，回波信號表示為：

通過遠場近似，獲得回波的波數(shù)域表達式為：

S_B(f_τ,t)＝A·exp[j·(x_pk_x(t)+y_pk_y(t))]

其中，A表示信號的幅度，x_p,y_p分別為目標點P在空間直角坐標系中的橫縱坐標，k_x(t)、k_y(t)分別表示決定分布式雷達空間譜分布的波數(shù)域變量；

分別表示發(fā)射機和接收機相對于參考點的方位角；

最后，進行二維傅里葉逆變換即可實現(xiàn)成像：

g(x,y)＝IFT{G[(k_x(t),k_y(t)]}

通過上述的建模和分析發(fā)現(xiàn)分布在波數(shù)域中的空間譜決定了目標點的分辨率，空間譜只跟信號頻率和發(fā)射機運動過程中方位角的變化范圍有關；為了得到更高的分辨率等效于在一定時間內(nèi)合成盡可能大的孔徑來獲得最大的方位角變化；

S2、建立分布式雷達的路徑規(guī)劃模型，建立優(yōu)化目標；具體實現(xiàn)方法為：假設兩架發(fā)射機具有相同的速度，在空間中不同的點開始探測；在一定時間內(nèi)，兩架發(fā)射機能夠運動相同的距離d；因此，兩個發(fā)射機能夠到達的區(qū)域是一個以起點為中心，半徑為d的圓；通過分析幾何關系，當雷達波束視線相切于圓時，能夠獲得最大的方位角變化；兩個發(fā)射機規(guī)定路徑的起始位置設定在A和B，理論終點分別設定在切點A'和B'，所以||AA'||＝||BB'||＝d；

在保證發(fā)射機正常飛行不會撞擊地形的情況下選擇盡可能短的路徑飛向理論終點，并且能夠獲得盡可能大的方位角變化；根據(jù)上述對信號模型和幾何模型的分析，建立如下的若干個目標函數(shù)對發(fā)射機飛行路徑進行規(guī)劃：

假設將發(fā)射機飛行路徑離散化為N個路徑點，它的飛行距離子目標函數(shù)表示為：

其中，S_i是路徑中的第i點；

因為發(fā)射機的飛行高度受到地形的約束，所以地形威脅子目標函數(shù)表示為：

其中，h(x,y),z(x,y)分別表示路徑上某個點的高度和對應的地形高度；

為了提高成像分辨率需要獲得更大的合成孔徑，而對于聚束模式的合成孔徑雷達而言獲得更大的合成孔徑可以等效為獲得更大的方位角變化；定義分布式雷達成像收發(fā)信號過程中的角度積累子目標函數(shù)為它用來描述一段時間內(nèi)發(fā)射機的方位角變化：

其中，是發(fā)射機相對于參考點O的實際方位角變化，表示理論終點和起點對應的方位角；

最后，定義路徑規(guī)劃的綜合目標函數(shù)如下：

其中，k₁,k₂,k₃是常數(shù)，表示目標函數(shù)中每個子目標函數(shù)的權(quán)重；另一方面，還需要要求飛行路徑點h(x,y)與地形點z(x,y)保持一定的安全距離γ；定義飛行路徑的上界為h_top，飛行路徑點不可超出搜索路徑上邊界h_top；

最后，為了使雷達波束的視線不受遮擋，還應保證飛行路徑點和目標點間的連線上每個點z_Sip不能位于對應的地形點z(x,y)的下方；

綜合上述分析，將最優(yōu)路徑規(guī)劃問題建立為一個多約束條件下的多目標優(yōu)化問題：

min f(x)

其中，是飛行路徑上第i個點和目標點P連線上的第j個點；

S3、采用基于貪婪思想的優(yōu)化方法來求解優(yōu)化目標。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于分布式雷達短時孔徑合成的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟S3具體實現(xiàn)方法為：

S31、讀取真實地形數(shù)據(jù)，首先，建立一個存有允許到達點的開放列表和一個存有不允許到達點的封閉列表；然后，將地形下方的不可到達點添加到封閉列表中，然后設定發(fā)射機開始接收回波時的起始點和理論終點；保證起始點的雷達波束視線不被遮擋，即起始點和目標點P間的連線不會穿過地形；

S32、計算相鄰點的目標綜合函數(shù)：計算相鄰點到理論終點的歐氏距離作為飛行距離子目標函數(shù)f_distance(x)，計算相鄰點的地形威脅子目標函數(shù)f_treat(x)和角度積累子目標函數(shù)綜合上述子目標函數(shù)，并根據(jù)實際應用需求設定相應的權(quán)重值，計算出每個相鄰點的目標綜合函數(shù)f(x)；

S33、選擇綜合目標函數(shù)值最小的點，計算飛行路徑點和目標點間的空間直線方程再判斷飛行路徑點和目標點間的連線上的點是否位于該點橫縱坐標相同的地形點z(x,y)之下；若是，則將它添加到封閉列表，選擇綜合目標函數(shù)值次小的點進行計算；若否，則將它作為下一個路徑點，并添加到開放列表中，將剩下的其他點添加到封閉列表中；

S34、重復步驟S32、S33直至到達預設的理論終點；

S35、回溯開放列表，獲得最優(yōu)路徑規(guī)劃結(jié)果。