專利名稱：以目標(biāo)間高橫向分辨率來(lái)探測(cè)目標(biāo)的監(jiān)視系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于以目標(biāo)間高橫向分辨率來(lái)探測(cè)目標(biāo)的監(jiān)視系統(tǒng)。例如，本發(fā) 明特別適用于對(duì)空、對(duì)地和對(duì)海監(jiān)視系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
本發(fā)明是同一申請(qǐng)人于2008年12月2日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮镋P08170468. 6、名稱 為 “λ surveillance system comprising a radar antenna mounted on a blade of awindmill”的歐洲專利申請(qǐng)的后續(xù)申請(qǐng)。下文中它被稱之為“在先申請(qǐng)”。該在前申請(qǐng)主 要公開(kāi)了一種用來(lái)探測(cè)目標(biāo)的監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)安裝在風(fēng)車葉片上的合成孔徑雷 達(dá)(SAR)天線。具體地，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，這種裝置可以以高分率估計(jì)目標(biāo)之間的橫向。但是， 這種裝置存在缺陷，當(dāng)沒(méi)有風(fēng)或者風(fēng)力不夠大時(shí)，就不能驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，從而合成孔徑雷達(dá) (SAR)就無(wú)法運(yùn)行，因而妨礙得到高橫向分辨率。基于固定雷達(dá)天線的現(xiàn)有技術(shù)方案通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)來(lái)增強(qiáng)目標(biāo)間的橫向分辨 率。例如，干涉測(cè)量法可以從幾個(gè)大小不同的測(cè)量值來(lái)得到滿意的結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于可以在無(wú)風(fēng)情況下利用安裝在風(fēng)車葉片上的雷 達(dá)天線提供目標(biāo)間增強(qiáng)的橫向分辨率的系統(tǒng)。最主要地，本發(fā)明提出一種用于探測(cè)目標(biāo)的 監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)安置在風(fēng)車葉片上的雷達(dá)天線以及當(dāng)葉片不旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)用壓 縮傳感技術(shù)的裝置。論文“壓縮采樣概論”(E. J Canc^s和M. B Wakin于2008年3月發(fā)表于IEEESignal Processing雜志上)很好地介紹了壓縮技術(shù)。有優(yōu)勢(shì)地，該應(yīng)用的壓縮傳感技術(shù)可以包括一個(gè)步驟，這個(gè)步驟對(duì)距離風(fēng)車葉片 的旋轉(zhuǎn)軸一定距離內(nèi)的橫向圖像P進(jìn)行重建。測(cè)量向量S可以包含由雷達(dá)天線在與它們 距離橫向圖像P的各個(gè)距離相對(duì)應(yīng)的斜距上執(zhí)行的測(cè)量。橫向圖像P可以定義為互= Ep+2，其中E可以為測(cè)量矩陣，Z可以與隨機(jī)擾動(dòng)相對(duì)應(yīng)。例如，橫向圖像ρ可以通過(guò)其 幅度的優(yōu)化來(lái)估計(jì)。優(yōu)選地，測(cè)量矩陣E可以包含雷達(dá)回波s模型，以及確定從雷達(dá)天線到橫向圖像P 距離的幾何形狀。優(yōu)選地，雷達(dá)回波模型可以將頻域內(nèi)的雷達(dá)回波s描述為幅度和相位均可調(diào)制的 發(fā)射信號(hào)。例如，雷達(dá)回波模型可以為窄帶模型，其將雷達(dá)回波s描述為該傳送信號(hào)的時(shí)延 和多普勒頻移的副本。例如，雷達(dá)回波模型可以為寬帶模型，其可以用真實(shí)多普勒效應(yīng)描述雷達(dá)回波S。 例如，可以通過(guò)對(duì)發(fā)射信號(hào)的時(shí)延副本進(jìn)行縮放來(lái)描述真實(shí)多普勒效應(yīng)?？蛇x地，雷達(dá)回波模型可以包括由雷達(dá)天線執(zhí)行的測(cè)量的幅度調(diào)制。
因此，本發(fā)明任一方面的優(yōu)點(diǎn)在于其可以用比任何傳統(tǒng)的基于奈奎斯特的采樣法 更少數(shù)據(jù)獲得相同或者更好的結(jié)果。因此，本發(fā)明提供了一種小型解決方案，其對(duì)數(shù)個(gè)固定 葉片上的多個(gè)天線和單個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片上的單個(gè)天線都適用。本發(fā)明任一方面的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其是一種基于模型的解決方案。因此其可以自 然地適應(yīng)于任何情形，通過(guò)在模型中包括情形特征。


以下參照附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明的非限制性實(shí)施例進(jìn)行描述，其中-圖1示意性地說(shuō)明了在有風(fēng)情況下的示例性基本配置的幾何形狀，其中在風(fēng)車 葉片上安裝有單個(gè)雷達(dá)天線，從而應(yīng)用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的合成孔徑雷達(dá)(SAR)技術(shù)；-圖2示意性地說(shuō)明了在無(wú)風(fēng)情況下，另一裝置的幾何形狀，其中在風(fēng)車葉片上安 裝有三個(gè)示例性雷達(dá)天線，從而應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的壓縮傳感技術(shù)。圖中相同的參考標(biāo)記指示相同的項(xiàng)目。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地說(shuō)明了示例性基本配置的幾何形狀，其中在單個(gè)風(fēng)車葉片2上安裝 有單個(gè)合成孔徑雷達(dá)(SAR)天線1。在有風(fēng)情況下，在x-z垂直平面內(nèi)，在時(shí)間t，從點(diǎn)(0， 0，L)到點(diǎn)(LsinQt，0，LcosQt)對(duì)天線1進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以使得其以徑向速度Ω旋轉(zhuǎn)，L為葉 片2的長(zhǎng)度并且風(fēng)車葉片的旋轉(zhuǎn)軸處于(0，0，0)。在橫向圖像P (χ, ζ)中，包括獨(dú)立的散 射體3-7的目標(biāo)可以從初始位置(例如，位于距離(0，0，0)、方位角識(shí)、仰角Φ的T(X(I，y0, z0)的散射體3)向任意方向以恒定速度ν來(lái)遷移。在時(shí)間t以距離天線1的斜距r(t)進(jìn) 行定位。在目標(biāo)的地面距離為％處，當(dāng)葉片2旋轉(zhuǎn)時(shí)可以輻射到圓盤形區(qū)域(swath) S。區(qū) 域S是測(cè)量相干數(shù)據(jù)的區(qū)域。因此，正如在先申請(qǐng)中詳述的，當(dāng)葉片2旋轉(zhuǎn)時(shí)，示例性SAR 系統(tǒng)的幾何形狀能夠建立橫向圖像P (χ, ζ)，其包含了區(qū)域S中的目標(biāo)3和其他的目標(biāo)4、 5、6和7。遺憾的是，當(dāng)無(wú)風(fēng)或者風(fēng)力不夠強(qiáng)而不能驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，SAR功能就沒(méi)法運(yùn)行， 從而妨礙估計(jì)精確的橫向。圖2示意性地說(shuō)明了另一個(gè)示例性配置的幾何形狀，圖中三個(gè)雷達(dá)天線1、8和9 分別安裝在三個(gè)葉片2、10和11上。在無(wú)風(fēng)情況下，只能用與斜距r(ui)，r(u2)和r(u3)分 別對(duì)應(yīng)的三個(gè)角度Ul、u2和U3進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的是少數(shù)數(shù)據(jù)，所以無(wú)法定義區(qū)域范圍，并且 無(wú)法執(zhí)行SAR處理。但是圖2中示出的幾何形狀可以看作是等同于圖1所示出的幾何形狀， 但是測(cè)量的角度更小。優(yōu)選地，壓縮傳感技術(shù)能夠根據(jù)關(guān)于信號(hào)P的盡量少的測(cè)量值S，重建未知信號(hào) P，因?yàn)檫@種技術(shù)是基于要被重建的信號(hào)P的稀疏性、以及被捕獲測(cè)量值的低相干性。壓 縮傳感技術(shù)是迭代方法，可以用純軟件手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖2的當(dāng)前實(shí)施例中，在角度Ul、U2 和U3測(cè)量的數(shù)據(jù)的低的互相干分別與葉片2、8和9上安裝的天線1、8和9的已知配置相 關(guān)。因此，可以從包括在三個(gè)角度！^ 和U3處測(cè)量的雷達(dá)回波s的測(cè)量值的測(cè)量向量旦， 來(lái)重建橫向圖像P (X，z)。P和S之間的關(guān)系可以被假定為線性投影，由以下的線性(1) 表述s = E P + z(1)
其中，E是測(cè)量矩陣，Z對(duì)應(yīng)于隨機(jī)擾動(dòng)?；緣嚎s傳感可以通過(guò)幅度優(yōu)化來(lái)估計(jì)P，取決于與測(cè)量值S的線性相關(guān)性。高 級(jí)壓縮傳感技術(shù)還可以允許噪聲信號(hào)&以及增強(qiáng)的P-稀疏性。初始地，可以通過(guò)加權(quán)的 I1-優(yōu)化來(lái)提高P-稀疏性。范數(shù)I1還可以用更低的范數(shù)Ip來(lái)代替，其中0<P< 1，因?yàn)?這樣可以降低S。任何加權(quán)的Ip-優(yōu)化還可以通過(guò)特定選擇的權(quán)重(如I2加權(quán)優(yōu)化)來(lái)解 決。最后，與增強(qiáng)成像中的區(qū)域分離的點(diǎn)可以重定義加權(quán)的Ip-優(yōu)化。測(cè)量值的相干可以 被定義為線性投影矩陣E的兩個(gè)不同的歸一化列之間的最大內(nèi)積(inner product) 0可以 通過(guò)E的附加隨機(jī)性實(shí)現(xiàn)極低的相干性。在圖2的當(dāng)前實(shí)施例中，測(cè)量矩陣E可以有利地包括雷達(dá)回波s的模型，以及能夠 確定到雷達(dá)的距離的幾何形狀。優(yōu)選地，該雷達(dá)回波模型可以將譜域內(nèi)的接收信號(hào)s描述 為其幅度和相位均被調(diào)制的發(fā)射信號(hào)。相位調(diào)制源于距離引起的時(shí)延。此外，雷達(dá)回波s可 以為窄帶或者寬帶。例如，窄帶模型可以將雷達(dá)回波S描述為發(fā)射信號(hào)的時(shí)延和多普勒頻 移的副本。又例如，寬帶模型可以用真實(shí)多普勒效應(yīng)描述雷達(dá)回波，如對(duì)發(fā)射信號(hào)的時(shí)延副 本進(jìn)行縮放。任選地，雷達(dá)回波模型還可以包括測(cè)量值的幅度調(diào)制，例如為了適應(yīng)區(qū)域性成 像而產(chǎn)生的天線波束轉(zhuǎn)向，和/或依賴于雷達(dá)頻率的目標(biāo)反射率和/或視角、天線極化等。因此，本發(fā)明可以用于從合適的風(fēng)車高度和位置，以方位和仰角都增強(qiáng)的橫向分 辨率，來(lái)觀察天空、陸地和海洋。值得注意的是，在安全和軍事應(yīng)用中需要偵察和監(jiān)視的地 區(qū)，存在被稱為“風(fēng)力渦輪機(jī)”的新型風(fēng)車。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于任何傳統(tǒng)的基于奈奎斯特的采樣法而言，本發(fā)明可以 需要更少的數(shù)據(jù)而進(jìn)行工作。因此，它不僅可以在更少的測(cè)量角度下有幫助，而且可以在更 少的雷達(dá)波數(shù)的情況下有幫助。本發(fā)明可以在有風(fēng)或者無(wú)風(fēng)條件下使用，因?yàn)榭梢詮母?的數(shù)據(jù)提供可比較的結(jié)果，如果結(jié)果不同的話。本發(fā)明任一方面的其它優(yōu)點(diǎn)在于它是一種小型基于模型的解決方案。因此，其可 以通過(guò)將特定情形包括到模型中而自然地適用于任何情形。因此，其不僅可以容易地適用 于因?yàn)闊o(wú)風(fēng)或者葉片部分旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)致的更少的視角，還適用于更窄的信號(hào)帶寬、雷達(dá)類型 (如脈沖雷達(dá)或者FMCW雷達(dá))、幅度調(diào)制、目標(biāo)類型、雷達(dá)裝置等等。此外，可以將本發(fā)明用于改進(jìn)目標(biāo)分類。
權(quán)利要求
1.一種用于探測(cè)目標(biāo)(3，4，5，6，7)的監(jiān)視系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括安裝在風(fēng)車葉片(2)上 的至少兩個(gè)雷達(dá)天線(1)，所述系統(tǒng)的特征在于，所述系統(tǒng)包括當(dāng)所述葉片(2)不旋轉(zhuǎn)時(shí)， 應(yīng)用壓縮傳感技術(shù)的模塊，所應(yīng)用的壓縮傳感技術(shù)包括對(duì)距離所述風(fēng)車葉片(2，10，11)某 個(gè)距離(％)處的橫向圖像P進(jìn)行重建的步驟，測(cè)量向量S包括由所述雷達(dá)天線(1，8，9)在 斜距(r (U1)，r (U2)，r (U3))處執(zhí)行的測(cè)量值，所述斜距(r (U1)，r (U2)，r (U3))與它們到所述 橫向圖像P的相應(yīng)距離相對(duì)應(yīng)，所述橫向圖像P由S = Ep+a來(lái)給定，其中，E是測(cè)量矩 陣，并且Z對(duì)應(yīng)于隨機(jī)擾動(dòng)，所述測(cè)量矩陣E包含雷達(dá)回波s的模型以及確定從所述雷達(dá)天 線(1，8，9)到所述橫向圖像P的距離的幾何形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，所述橫向圖像P由其幅度的優(yōu)化來(lái) 估計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)回波模型將頻域內(nèi)的所述 雷達(dá)回波s描述為其幅度和相位均被調(diào)制的發(fā)射信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)回波模型為窄帶模型，其將 所述雷達(dá)回波s描述為所述發(fā)射信號(hào)的時(shí)延和多普勒頻移副本。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)回波為寬帶模型，其通過(guò)真 實(shí)多普勒效應(yīng)來(lái)描述所述雷達(dá)回波S。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的時(shí)延副本進(jìn) 行縮放來(lái)描述所述真實(shí)多普勒效應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)視系統(tǒng)，其特征在于，所述雷達(dá)回波模型包括由所述雷達(dá) 天線(1，8，9)執(zhí)行的測(cè)量的幅度調(diào)制。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于使用目標(biāo)間高橫向分辨率來(lái)探測(cè)目標(biāo)的監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)安裝在風(fēng)車葉片上的雷達(dá)天線以及當(dāng)葉片不旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)用壓縮傳感技術(shù)的模塊。應(yīng)用空中、地面和海洋監(jiān)視系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01S13/06GK102004249SQ20101050292
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月31日
發(fā)明者R·艾爾克維奇普里比奇, T·皮爾德曼, W·A·霍爾 申請(qǐng)人:塔萊斯荷蘭公司