[发明专利]一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法

说明书

本发明公开了一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法，包括以下步骤：步骤一、建立固定RAR平台的回波表达；步骤二、对回波进行距离向预处理；步骤三、构建方位‑俯仰二维卷积模型；步骤四、离散化回波模型；步骤五、计算目标散射功率对角阵；步骤六、计算自相关矩阵R；步骤七、计算R^‑1；步骤八、迭代估计目标后向散射系数。本发明根据固定RAR平台的二维扫描几何构型，推导了固定距离切片的方位‑俯仰二维回波模型。然后，通过矩阵化和矢量化将回波模型转化为离散形式。最后，构造加权最小二乘代价函数，并利用矩阵逆引理，迭代估计目标后向散射系数。与传统方法相比，本方法显著提升了RAR的方位角和俯仰角分辨率。

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，特别涉及一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法。

背景技术

在深空探测任务中，探测器的安全着陆至关重要。由于深空环境自然光照度变化大，基于光学传感器的着陆手段受星球表面沙暴、云雾影响大，难以为探测器提供全天时、全天候下视探测。而雷达具有强穿透性、不受光照限制等优势，是实现深空探测器下视高分辨探测的有效手段。现有合成孔径雷达成像技术和多普勒波束锐化技术因机理性缺陷，在下视区域存在成像盲区，无法应用于深空探测器下视成像。实孔径雷达(RAR)是一种重要的遥感手段，广泛应用于地形测绘、目标感知等民用和军事场合。传统的RAR通过扫描获得一系列稳定的观测回波，但其方位角和俯仰角分辨率受到天线孔径大小的严重限制。

为了解决深空探测器下视分辨问题，文献“Foessel-Bunting A,WhittakerW.MMW-scanning radar for descent guidance and landing safeguard[C],Proceedings of the 6th International Symposium on Artificial Intelligence,Robotics,and Automation in Space.2001.”提出了一种基于毫米波的固定平台RAR下视探测方法。该方法可用于火星探测器的下视实时探测。但是，该方法的分辨率受限于深空探测器的天线孔径，无法为探测器着陆提供准确的引导。为了提高分辨率，文献“Super-resolution imaging for real aperture radar by two-dimensional inversefiltering,in 2019 6th Asia-Pacific Conference on Synthetic Aperture Radar(APSAR).IEEE,2019.”提出了一种基于快速傅立叶变换(FFT)的二维超分辨率成像方法来提高RAR的二维分辨率。该方法将二维反卷积问题转化为频域中的逆滤波问题。在这个过程中，引入了阈值参数来控制逆滤波过程中的噪声放大。此方法确实可以运用于二维超分辨率成像，但是其在方位、俯仰二维分辨率上的提升有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过方位俯仰回波模型转化和加权最小二乘算法，提高了RAR的方位和俯仰二维角分辨率的深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种深空探测器悬停下视二维超分辨成像方法，包括以下步骤：

步骤一、建立固定RAR平台的回波表达：假设目标P位于R_p、θ_p、分别表示目标的距离、方位角、和俯仰角；感兴趣的区域为Ω，扫描雷达沿方位角和仰角方向分别以扫描速度ω_a和ω_p进行扫描；对于某一点P，RAR的距离-方位-俯仰三维回波表示为：

其中θ表示方位角变量，表示俯仰角变量，τ表示快速时间变量；κ是与雷达系统参数相关的幅度常数，σ_p是点P处的有效散射系数，a(·)为二维天线方向图函数，rect(·)为矩形包络函数，T_p是传输信号的时间宽度，K_r是传输信号的频率调制斜率，c是电磁波的传播速度；