基于聚类相参叠加的频率分集阵列雷达目标成像方法_罗晓萍.pdf

第4 3卷 第2期桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报V o l.4 3,N o.2 2 0 2 3年4月J o u r n a l o f G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g yA p r.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 1-0 3-1 5基金项目:国家自然科学基金(6 1 6 3 1 0 1 9,6 1 8 7 1 4 2 5);广西科技重大专项(桂科A A 2 1 0 7 7 0 0 8);桂林电子科技大学研究生教育创新计划(2 0 2 0 Y C X S 0 3 5)通信作者:廖可非(1 9 8 4-),男,副教授,博士,研究方向为雷达三维成像、散射截面积测量、认知雷达。E-m a i l:k e f e i l i a o g u e t.e d u.c n引文格式:罗晓萍,廖可非,欧阳缮,等.基于聚类相参叠加的频率分集阵列雷达目标成像方法J.桂林电子科技大学学报,2 0 2 3,4 3(2):9 9-1 0 5.基于聚类相参叠加的频率分集阵列雷达目标成像方法罗晓萍1,廖可非1,2,欧阳缮1,2,杜 毅1(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林 5 4 1 0 0 4;2.桂林电子科技大学 卫星导航定位与位置服务国家地方联合工程研究中心,广西 桂林 5 4 1 0 0 4)摘 要:针对后向投影算法(B P算法)对多目标进行成像时存在目标位置模糊以及旁瓣高的问题,在分析F D A目标回波幅值所具有的累加特性后,提出了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。在分析及仿真B P算法成像过程中,发现目标点具有能量集中特性且与虚像点能量存在差异性,而K均值聚类算法能充分利用目标点的这些特性,对雷达成像区域目标点进行特征提取及分类,并只对分类后特定簇的网格点进行时延补偿,之后将回波幅值进行叠加,从而得到成像区域中时延补偿网格点的能量值,最终实现多目标清晰二维成像。仿真实验结果表明,该方法可有效解决B P算法对多目标进行成像时目标位置模糊及旁瓣高的问题,同时提高了成像结果的精确度。关键词:频率分集阵列;雷达成像;B P算法;K均值算法;特征提取中图分类号:T N 9 5 7.5 2 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 3-8 0 8 X(2 0 2 3)0 2-0 0 9 9-0 7B a s e d o n t h e c l u s t e r i n g o f t h e c o h e r e n t s u p e r p o s i t i o n f r e q u e n c y d i v e r s i t y a r r a y r a d a r t a r g e t i m a g i n g m e t h o dL U O X i a o p i n g1,L I A O K e f e i1,2,O U Y A N G S h a n1,2,D U Y i1(1.S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d C o mm u n i c a t i o n,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a;2.N a t i o n a l a n d L o c a l J o i n t E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f S a t e l l i t e N a v i g a t i o n P o s i t i o n i n g a n d L o c a t i o n S e r v i c e,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m o f b l u r r e d t a r g e t p o s i t i o n a n d h i g h s i d e l o b e w h e n t h e b a c k p r o j e c t i o n a l g o r i t h m(B P a l g o-r i t h m)i s i m a g i n g m u l t i-t a r g e t s,a f t e r a n a l y z i n g t h e a c c u m u l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e F D A t a r g e t e c h o a m p l i t u d e,a t a r g e t i m a g i n g m e t h o d o f f r e q u e n c y d i v e r s i t y a r r a y r a d a r b a s e d o n c l u s t e r i n g a n d c o h e r e n t s u p e r p o s i t i o n i s p r o p o s e d.I n t h e a n a l y s i s a n d S i m u l a t i o n o f B P a l g o r i t h m i m a g i n g p r o c e s s,i t i s f o u n d t h a t t h e t a r g e t p o i n t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f e n e r g y c o n c e n t r a-t i o n a n d e n e r g y d i f f e r e n c e w i t h t h e v i r t u a l i m a g e p o i n t.T h e K-m e a n s c l u s t e r i n g a l g o r i t h m c a n m a k e f u l l u s e o f t h e s e c h a r a c-t e r i s t i c s o f t h e t a r g e t p o i n t t o e x t r a c t a n d c l a s s i f y t h e t a r g e t p o i n t s i n t h e r a d a r i m a g i n g a r e a,a n d o n l y c o m p e n s a t e t h e t i m e d e l a y o f t h e g r i d p o i n t s o f t h e s p e c i f i c c l u s t e r a f t e r c l a s s i f i c a t i o n,a n d t h e n s t a c k t h e e c h o a m p l i t u d e,T h u s,t h e e n e r g y v a l u e o f t h e t i m e d e l a y c o m p e n s a t i o n g r i d p o i n t s i n t h e i m a g i n g r e g i o n i s o b t a i n e d,a n d f i n a l l y t h e m u l t i-t a r g e t c l e a r t w o-d i m e n-s i o n a l i m a g i n g i s r e a l i z e d.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d m e t h o d c a n e f f e c t i v e l y s o l v e t h e p r o b l e m s o f f u z z y p o s i t i o n a n d h i g h s i d e l o b e w h e n B P a l g o r i t h m i m a g i n g m u l t i-t a r g e t,a n d i m p r o v e t h e a c c u r a c y o f i m a g i n g r e s u l t s.K e y w o r d s:f r e q u e n c y d i v e r s i t y a r r a y;r a d a r i m a g i n g;B P a l g o r i t h m;K-m e a n s a l g o r i t h m;f e a t u r e e x t r a c t i o n 2 0 0 6年,在国际雷达会议上频率分集阵列(f r e-q u e n c y d i v e r s e a r r a y,简 称F D A)雷 达 首 次 被 提出1-4,它是由相控阵5演变而来的一种新体制雷达。与普通均匀线阵相比,其最大的区别是相邻2个阵元之间有一个远小于基准载频的频率增量6-7。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F D A雷达在雷达目标定位成像8-1 0中有着广阔的应用前景。DOI:10.16725/45-1351/tn.2023.02.011桂林电子科技大学学报2 0 2 3年4月目前,频率分集阵列雷达一般是基于各阵元单频接收模式,采用B P算法来实现目标成像。文献1 1通过改变一次频率增量,检测2种频率增量下波束到达的时间,求解出目标距离和角度,但该方法由于参数匹配问题仅适用于单个目标的距离-角度估计。欧阳缮等1 2提出一种多次改变频率增量的方法,通过多个频率增量能量曲线的叠加,就能得到距离-角度解耦的多目标参数估计,但该方法需要多次改变频率增量,存在资源的浪费。文献1 3 通过非均匀频率分集阵列发射,均匀相控阵接收的方式,直接从发射-接收方向图中提取距离和角度信息,从而实现目标二维成像,但该方法同时用到了收发分置的频率分集阵列和相控阵,设备相对较复杂。以上这些解耦方法存在实际应用困难,对多目标情况有所限制等问题。因此,进一步研究有效的方法十分必要。鉴于此,通过仿真B P1 4算法对雷达目标成像,发现经过相干累加在目标点位置具有能量集中的特性。K均值聚类算法1 5-1 9可根据回波响应幅值大小对雷达成像区域目标点进行特征提取及分类。仿真结果表明,该方法只需改变2次频率增量就能得到清晰的二维像,是一种计算复杂度较低且高效的雷达目标成像改进算法。1 频率分集阵列雷达信号模型频率分集阵列几何结构如图1所示,是一个阵元数为N,阵元间距为d的均匀线阵。与相控阵不同的是,F D A相邻阵元的载频之间存在一个频率增量f,第n个阵元的载频为fn=f0+nf,n=0,1,N-1,(1)其中:f0为阵列的初始载频,即参考阵元发射信号的中心频率,一般地,将第0个阵元设为参考阵元;f为频率增量,且满足Nff0。频率分集阵列各阵元的发射信号为窄带信号,即第n个阵元的发射信号为Sn(t)=rtTp ej 2 fnt,0tTp2。(3)假