一种基于多径解混叠的单雷达实现多角度探测方法

本发明属于雷达探测，具体涉及一种基于多径解混叠的单雷达实现多角度探测方法。

背景技术：

1、雷达探测中因多径回波产生大量虚假目标问题：现有方法将目标像与多径像检测后关联，或只针对多径通道已知环境，无法适应实际应用中多目标、多反射面、多次反射相互混叠的复杂混叠多径环境。

2、复杂多径混叠环境下对弱小非合作目标有效探测包含三个方面：滤除多径虚假目标、发现弱小目标、抑制噪声虚警目标。如图1所示，在城市复杂多径混叠情况下，对无人机类弱小目标进行高置信度检测时遇到的问题。

3、现有方法的不足主要是未克服复杂多径混叠环境下弱小目标探测的难题。其中一个难题为复杂混叠多径问题，其复杂性体现在雷达波束经过多个未知反射面的多次反射，回波混叠后难以区分目标与多径回波，产生多径虚假目标，同时探测视角因反射面遮挡而受限。

4、现有技术中，当前应对多径回波方法，包括使用匹配滤波器滤除多径回波；使用分数阶傅里叶变换检索原始目标回波；

5、然而当前方法存在以下问题：(1)忽视多径回波中目标信息。(2)需要目标回波、探测环境的先验知识或学习样本，限制其实用性。(3)面对实际应用中，复杂混叠多径环境下反射面参数未知、存在多个反射面、多次反射的情况复杂，当前方法适用性不足。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于多径解混叠的单雷达实现多角度探测方法，不仅能够消除因多径回波产生的大量虚假目标，还利用多径回波，使单雷达具有多角度协同探测能力，实现增强目标回波能量、扩大探测视角、高分辨率成像，获得目标真实速度的效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于多径解混叠的单雷达实现多角度探测方法，包括以下步骤：

4、步骤一：基于多径假设的回波解混叠算法，实现消除由雷达回波数据中多径回波产生的虚假目标，利用多径回波加强真实目标的信号强度，正确发现目标位置，得到目标的真实像；

5、步骤二：基于多径回波的多角度高分辨成像算法，利用解混叠后的直达波分量和多径回波分量中的目标信息的关系，将多径回波产生的虚假目标转换为多个虚拟雷达在多角度多距离下产生的多径像，观察真实目标位置，在相同坐标系下对多径像进行图像融合，提升目标成像质量，得到分辨率更高的目标像。

6、所述步骤一的具体步骤如下：

7、步骤1：根据雷达回波数据，进行多径反射面检测；

8、将雷达回波数据中多普勒速度低、回波强度高、距离近的测量值作为静物回波进行处理，得到多径反射平面；

9、步骤2：建立多径反射平面多次反射的多径假设集合，估计多径假设下的多径传播路径；

10、步骤3：多径回波向实际被测区域的映射；

11、基于多径假设下的多径传播路径，将雷达非直射区域回波进行映射，获得该多径回波所探测的实际区域测量值，映射后实际区域的像即为多径解混叠探测像；在多径假设之下，目标多径像将映射至目标实际位置；

12、步骤4：多径假设下的解混叠后回波叠加；

13、在各多径假设内，目标多径像稳定出现在目标实际位置，将各多径解混叠探测像在空间中进行叠加实现多径能量累积，在各多径解混叠探测像中，对应的多径像将稳定出现在目标区域(虚线椭圆内)，而其他多径像分布离散且随机，无法在空间上进行累积；

14、步骤5：对叠加后的多径解混叠探测像进行多普勒速度的一致性分析。

15、所述步骤1处理的具体步骤为：

16、步骤(1)：筛选雷达回波数据中多普勒速度低、回波强度高、距离近的测量值；

17、步骤(2)：使用超像素分割处理测量值，得到一个个像素块；

18、步骤(3)：将像素块的坐标系由极坐标系转换为直角坐标系，以便于进行特征平面检测；

19、步骤(4)：使用特征平面检测的方法将像素块中，能够组成平面的部分筛选出，即为多径反射平面(墙面、天花板、地面等)。

20、所述步骤2中，基于当多径反射平面建立3×3的多径反射假设集合，多径假设tij表示发射波反射i次、目标回波反射j次，其中i与j为0，1，2，即只考虑电磁波反射2次及以下的情况，对幅度较弱的高次多径反射波进行滤除；

21、在各多径反射假设集合中，反射规则与电磁波传播径路径可由反射平面求解，估计每一种多径假设下的多径传播路径。

22、所述步骤5具体为：

23、在不同多径假设下，发射波与反射波的角度不同，获得不同的多普勒速度，分析区域内多普勒分量是否指向同一真实速度，即该区域在各多径假设之下，通过实际运动速度与运动方向可估计目标多普勒速度，由此可在各多径通道内，根据发射波、接收波方向与目标多普勒速度建立方程组，并求出目标最大似然速度与方向，即公式中

24、

25、其中，vxy为发射、接收角x、y的多普勒速度，vtar为目标真实速度，αtar为目标真实运动方向，为目标速度的估计值，为目标运动方向的估计值，αt为电磁波发射波角度，αr为电磁波的接收波角度；

26、若区域内各多径假设中多普勒速度与目标最大似然速度与方向相一致，说明区域回波皆源于同一目标；

27、该过程如下式所示，使用估计各多径条件下的多普勒速度估计多普勒速度若与测量多普勒速度vxy相近，则区域内各多径像可相互印证，认为该区域存在目标概率高，同时估计疑似目标的真实运动速度与方向；

28、

29、其中，n为电磁波传播路径数目，为多普勒速度的估计值，vxy为多普勒速度的测量值，为目标速度的估计值，为目标运动方向的估计值，αt为电磁波发射波角度，αr为电磁波的接收波角度。

30、所述步骤二具体步骤如下：

31、步骤1：建立多径假设下的虚拟雷达。

32、叠加后回波幅度较高、多径回波多普勒速度一致区域视为疑似目标区域进行多角度高分辨率成像，基于多径假设，计算每个多径像所对应的虚拟雷达位置，每个多径像均对应一个虚拟雷达，所述虚拟雷达即实现了从多个角度、多个距离对目标进行成像；

33、步骤2：基于投票累积的多角度高分辨率成像。

34、使用虚拟雷达的多角度的图像进行融合提升成像分辨率。通过多角度图像的坐标系转换，将极坐标系下单元格化为直角坐标，即可获得直角坐标系下目标像，通过投票累积实现图像融合，将直角坐标系下的多角度像进行点对点的幅度相乘，最终获得融合图像。

35、此时融合像在直角坐标系下的分辨率接近于雷达距离分辨率，与直射波成像相比，融合后图像更接近与左上角目标真实像。由此通过多径图像融合实现成像分辨率提升。

36、所述方法应用于目标探测。

37、所述方法应用于机器人路径规划。

38、本发明的有益效果：

39、本发明不仅消除了多径虚假目标问题，还将多径回波中的目标信息加以利用，使得目标回波能量增大，成像分辨率更高。

40、第一，充分利用多径回波信息。现有的方法大多是找到并滤除多径回波，本发明充分利用多径回波中的目标信息，既消除了多径虚假目标，又增强真实目标的成像分辨率。

41、第二，具有较强的实用性。现有的方法需要目标回波、探测环境的先验知识或学习样本，实用性受限。本发明无需先验知识，直接对雷达回波数据进行分析和处理，准确度高，实用性强。

42、第三，具有很好的环境适应性。现有的方法无法适应实际应用中多目标、多反射面、多次反射相互混叠的复杂混叠多径环境。本发明在这种复杂混叠多径环境中，具有良好的适应性，能准确的识别真实目标。