CN103091682A - 基于时频分析InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时频分析InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，涉及雷达成像。ISAR由于雷达不动，脉压后通过方位向高通滤波器消除静止杂波干扰。将三个通道去杂后的信号转换到时域，沿各距离门分别做时频分析，得到信号

和

对某慢时间时刻t_m，j，从以上时频分析结果中提取出三组信号

和

做配准和干涉。利用过门限处理获取目标散射点的干涉相位，和位于波束中心的参考散射点做比较，获得目标散射点偏角的模糊值。多基线结合中国余数定理，使偏角测量的不模糊范围扩展到整个波束宽度，获取目标方位向位置，实现瞬时时域成像。将本发明的重建法作用到所有慢时间时刻，按照t_m顺序观察所有成像结果，实现多动目标运动轨迹重建。

Description

基于时频分析InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法

技术领域

本发明涉及雷达成像和信号处理技术领域，特别是一种对多个运动目标实现波束照射时间内任意时刻成瞬时像，并实现同时对多个目标定位的方法。 

背景技术

多运动目标成像在民用和军用方面都与巨大的潜力，是SAR工作的热点和难点。由于每个运动目标都有各自独立的速度，导致Doppler历程各不同。传统的基于运动补偿的ISAR成像方法不再适用。国内外利用时频分析的方法就多目标ISAR成像开展了一些研究，但得到的图像是距离-Doppler域的，不能给出目标在方位向的位置信息。可参考文献如下： 

[1].V.C.Chen，S.Qian.Joint Time-Frequency Transform for Radar Range Doppler Imaging[J].IEEE Trans.Aerospace and Electronic System.1998，34(2)：486-499. 

[2].V.C.Chen，Hao Ling，Joint Time-Frequency Analysis for Radar Signal and Imaging Processing[J].IEEE Signal Processing Magazine.1999：81-93. 

[3].V.C.Chen，Hao Ling，Time-Frequency Transforms for Radar Imaging and Signal Analysis[M].Artech House Inc，London，2002. 

利用方位向分布的两组或多组接收通道，通过比较回波的相位来获取目标位置的干涉研究已经比较深入，技术方案也很成熟，并演化出地形高程测绘、目标三维成像等新的应用平台。本发明中关于干涉 的技术背景主要基于下面一系列文献： 

[1].TANG Li-bo，LI Dao-jing，HONG Wen，et al.Three-dimensional imaging of Moving Ship with 3D Motion Based on Three Antennas InSAR：EUSAR2006[C]，April 2006，Germany. 

[2].ZHANG Qun，YEO T.S.Three-Dimensional SAR Imaging of a Ground Moving Target Using the InISAR Technique[J].IEEE Trans.Geoscience and Remote Sensing.2004，42(9)：1818-1828. 

[3].GAO Zhao-zhao，XING Meng-dao，ZHANG Shou-hong.3DImage Reconstruction Using the InISAR Technique[J].Journal of Xidian University(高昭昭，邢孟道，张守宏.基于InISAR技术的三维成像.西安电子科技大学学报).2008，35(5)：883-888. 

[4].WANG Gen-yuan，XIA Xiang-gen，CHEN V.C.Three-Dimensional ISAR Imaging of Maneuvering Targets Using Three Receivers[J].IEEE Trans.Imaging Processing.2001，10(3)：436-447. 

[5].王超，张红，刘智.星载合成孔径雷达干涉测量.北京：科学出版社，2002. 

[6].Merrill I.Skolnik.雷达系统导论[M].林茂庸 等，译.北京：国防工业出版社，1992：335-344.[Merrill I.Skolnik.Introduction to radar systems.McGraw-Hill Book Company，1980] 

[7].Skolnik M I.Radar Handbook.Second edition.New York：McGraw-hill，1990. 

发明内容

本发明的目的是公开一种基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，将干涉的概念引入到ISAR时频分析获得的距离-Doppler图像序列中，利用比较干涉相位缠绕值获取波束内目标真实干涉相位，并采用多基线结合中国余数定理扩大真实干涉相位求解范围至整个波束宽度，进而得到目标的方位向位置信息，实现波束宽度内不模糊时域成像。再顺序综合所有成像结果，重建目标运动轨迹。 

为了实现所述目的，本发明的技术解决方案是： 

一种基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其包括步骤： 

步骤S1：消除静止目标杂波干扰，得到信号 

t_m表示方位向慢时间； 

步骤S2：对步骤S1获得的信号 

沿不同的距离门做时频分析，获得信号 

步骤S3：对另外两个通道的信号重复步骤S1和步骤S2，三个通道分别获得信号 

和 

步骤S4：配准干涉：对于某慢时间t_m，j(j∈1，2，3，…，q，q表示脉冲个数)，从步骤S3获取的 

和 

中提取出三组距离-Doppler信号 和 

并做配准，以补偿掉天线扫描角导致的目标到不同天线之间的距离差带来的图像偏移，然后共轭相乘获得三组干涉信号  和 即三组距离-Doppler域图像，获取目标的距离向位置信息； 

步骤S5：通过门限处理获取目标散射点的干涉相位，通过干涉相位求取目标所有散射点的偏角的测量值； 

步骤S6：利用多基线结合中国余数定理，使步骤S5获取的偏角测量值去模糊，结合步骤S4的目标距离信息，获取目标所有散射点的方位向位置； 

步骤S7：反演目标图像：综合步骤S6获得的目标方位向位置信息和步骤S4获得的目标距离向位置信息，反演目标在t_m，j时刻的位置信息，即实现对运动目标的瞬时成像； 

步骤S8：动目标运动重建：对于不同的慢时间时刻，重复步骤S2到步骤S7，以获得q张瞬时像；沿t_m顺序观察这些图像，即得到在InISAR成像时间内重建目标的运动状态。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述步骤S1，包括： 

1a)针对ISAR的LFM回波，做距离向脉冲压缩； 

1b)将脉压后的信号在方位向做FFT变换，得到信号 

表 示距离向快时间，f表示方位向Doppler频率； 

1c)静止目标对雷达天线没有相对运动，因此将信号 

通过高通滤波器后，再反变回方位向慢时间域，即消除了静止目标的杂波干扰，得到信号 

t_m表示方位向慢时间。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述步骤S2，包括： 

2a)对任意一个距离门 (i∈1，2，3，…，p，p表示距离门的个数)的信号做短时傅里叶变换(STFT)，以得到 

2b)将所有距离门做STFT获得的信号沿快时间排列，以获得信号 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述步骤S3中，多个通道的接收天线是在一条直线上分布，该直线即基线，运动目标的速度矢量要落在基线和波束指向构成的平面内，才能获取最大的相位历程变化，最终的重建结果将更能突出目标的运动状态。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其或，另外设置一个新基线组，和本系统中已有基线组相同构型，两基线组成“L”形直角分布，用步骤S1到步骤S8对新基线组的信号进行处理，可将目标像扩展到三维空间，目标的轨迹重建也可扩展到三维空间。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述步骤S5，包括： 

5a)利用步骤S4获得的已配准的距离-Doppler域信号确定适当门限；设定门限窗：高于门限的位置为1，其余为0；将该窗作用到三组干涉信号中，使门限后的图像点均为来自目标散射点的干涉相位； 

5b)设置一个位于波束中心的参考散射点，其真实相位可求，为-2πdsinθ/λ，其中λ表示波长，d表示基线长度；通过求目标散射点和参考散射点的干涉相位缠绕值之差来获取目标散射点的真实干涉相位测量值α，该值α和实际值相差整数个2π； 

5c)获取目标散射点偏角的测量值： 

需要指出的是，当目标散射点偏角满足： 

时，测量值α和 才与实际值相等。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其适当选取基线长度d₁₂和d₂₃，使二者以m和n互质，根据中国余数定理，则基线d₁₂的测角不模糊范围可扩大到原先的m倍，基线d₂₃的测角不模糊范围可扩大到原先的n倍；系统的设计原则是使天线波束宽度λ/D(D为天线尺寸)小于扩展后的测角不模糊范围。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述步骤S6，包括： 

6a)分别求取基线d₁₂和d₂₃的测角不模糊范围： 

${\mathrm{\Δ}}_{12}=\arcsin \left(\frac{d_{12}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\λ}/2}{d_{12}}\right)-\arcsin \left(\frac{d_{12}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\λ}/2}{d_{12}}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{23}=\arcsin \left(\frac{d_{23}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\λ}/2}{d_{23}}\right)-\arcsin \left(\frac{d_{23}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\λ}/2}{d_{23}}\right)$

6b)步骤S5中两组基线对于同一个散射点获得的两偏角测量值，相应增减整数倍的测角不模糊范围Δ₁₂和Δ₂₃，在(-λ/2D，+λ/2D]范围内找出最接近的两个结果，将均值作为散射点偏角； 

6c)利用步骤S4获得的目标距离值乘以散射点偏角即可得到目标方位向位置。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述步骤S2中的时频分析，是采用以STFT为代表的所有保持原始图像相位信息的时频分析方法。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述步骤S8中，得到的q张图像的时间间隔是脉冲重复间隔 (PRI)；或以k×PRI为时间间隔抽取序列t_m，其中，k为大于1的整数。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述步骤S5中散射点的偏角，为散射点和雷达天线的连线偏离波束中心的角度。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其所述两基线组成“L”形直角分布时，共用天线T₁，节约一个接收通道。 

本发明的有益效果： 

本发明将时频分析和干涉处理结合在一起，获取的时域图像是基于干涉结果反演得到的，突破了ISAR成像方位位置不确定的缺陷，且具有较高的方位向定位精度。同时，本发明能够在雷达成像时间内重建多动目标运动状态，提供目标运动轨迹，为目标轨道估计提供了一种新的途径，扩展了ISAR的应用范围。 

附图说明

图1为三天线InISAR动目标重建系统几何示意图； 

图2为本发明的时频分析获取距离-Doppler图像流程图； 

图3为本发明方法的两个五点构成的十字形动目标运动重建仿真结果； 

图4a、图4b为本发明方法由实际数据获取的两个瞬时时刻的距离-Doppler图像； 

图5a为本发明方法由实际数据获取的一个瞬时时刻重建图像； 

图5b为本发明方法由实际数据获取的另一个瞬时时刻重建图像； 

图6为本发明基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法的流程图。 

具体实施方式

系统的几何构成如图1所示，本系统采用一发三收模式，天线 T₁反射线性调频信号，天线T₁、T₂和T₃同时接收目标回波。在成像时间内，目标到天线T₁的距离从R₁变到R₁’。三个通道录取到三路信号，按照以下步骤进行处理。 

步骤S1：消除静止目标杂波干扰，得到信号 

t_m表示方位向慢时间； 

步骤S2：对步骤S1获得的信号 

沿不同的距离门做时频分析，获得信号 

步骤S3：对另外两个通道的信号重复步骤S1和步骤S2，三个通道分别获得信号 

和 

步骤S4：配准干涉：对于某慢时间t_m，j(j∈1，2，3，…，q，q表示脉冲个数)，从步骤S3获取的 和 

中提取出三组距离-Doppler信号 

和 

并做配准，以补偿掉天线扫描角导致的目标到不同天线之间的距离差带来的图像偏移，然后共轭相乘获得三组干涉信号 

和 

即三组距离-Doppler域图像，获取目标的距离向位置信息； 

步骤S5：通过门限处理获取目标散射点的干涉相位，通过干涉相位求取目标所有散射点的偏角(散射点和雷达天线的连线偏离波束中心的角度)的测量值； 

步骤S6：利用多基线结合中国余数定理，使步骤S5获取的偏角测量值去模糊。结合步骤S4的目标距离信息，获取目标所有散射点的方位向位置； 

步骤S7：反演目标图像，综合步骤S6获得的目标方位向位置信息和步骤S4获得的目标距离向位置信息，反演目标在t_m，j时刻的位置信息，即实现对运动目标的瞬时成像； 

步骤S8：动目标运动重建，对于不同的慢时间时刻，重复步骤S2到步骤S7，以获得q张瞬时像；沿t_m顺序观察这些图像，即得到在InISAR成像时间内重建目标的运动状态。 

下面对个别步骤进行详细说明： 

所述步骤S2中描述的时频分析是以STFT为例进行的。由于后 文还用到干涉处理，因此时频分析方法可以采用以STFT为代表的所有保持原始图像相位信息的时频分析方法(需要指出的是，尽管WVD具有较好的时频分辨率，但破坏了图像的相位信息，因此本发明中不能使用)。 

步骤S3中描述的多个通道的接收天线在一条直线上分布，运动目标的速度矢量要落在该直线(即基线所在的直线)和波束指向构成的平面内，才能获取最大的相位历程变化，最终的重建结果将更能突出目标的运动状态。需要指出的是，可另外设置一个基线组，和本系统已有基线组相同构型，两基线组成“L”形直角分布。例如，共用天线T₁，节约一个接收通道。该组基线的信号处理也利用权利要求1中所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建方法，可将目标像扩展到三维空间，目标的轨迹重建也可扩展到三维空间。 

步骤S4中共轭相乘的结果为 

其中，“^*”表示复共轭，f_c为载频，C为电磁波在真空中的传播速率，θ表示波束中心和基线法线之间的夹角， 

表示目标第n个散射点偏离波束中心的角度(如附图1所示)，λ表示波长，d₁₂、d₂₃和d₃₁为三组基线的长度，R_n表示目标第n个散射点到接收天线的距离，由于目标到天线的距离远远大于基线长度，因此各通道R_n均可用该散射点到天线T₂的距离来近似表示。通过上式可以看出，除了λ、θ和基线长度等已知量，干涉相位决定于目标方位向位置。 

步骤S5的具体实现方法如下： 

5a)利用步骤S4获得的已配准的距离-Doppler域信号确定适当 门限。设定门限窗：高于门限的位置为1，其余为0。将该窗作用到三组干涉信号中，使门限后的图像点均为来自目标散射点的干涉相位； 

5b)设置一个位于波束中心的参考散射点，其真实相位可求，为-2πdsinθ/λ(λ表示波长，d表示基线长度)。通过求目标散射点和参考散射点的干涉相位缠绕值之差来获取目标散射点的真实干涉相位测量值α(该值和实际值相差整数个2π)； 

5c)获取目标散射点偏角的测量值： 

需要指出的是，当目标散射点偏角满足 

时，测量值α和 才与实际值相等。 

所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，适当选取基线长度d₁₂和d₂₃，使二者以m和n互质，根据中国余数定理，则基线d₁₂的测角不模糊范围可扩大到原先的m倍，基线d₂₃的测角不模糊范围可扩大到原先的n倍；系统的设计原则是使天线波束宽度λ/D(D为天线尺寸)小于扩展后的测角不模糊范围。 

其所述步骤S6，包括： 

6a)分别求取基线d₁₂和d₂₃的测角不模糊范围 

${\mathrm{\Δ}}_{12}=\arcsin \left(\frac{d_{12}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\λ}/2}{d_{12}}\right)-\arcsin \left(\frac{d_{12}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\λ}/2}{d_{12}}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{23}=\arcsin \left(\frac{d_{23}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\λ}/2}{d_{23}}\right)-\arcsin \left(\frac{d_{23}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\λ}/2}{d_{23}}\right)$

6b)步骤S5中两组基线对于同一个散射点获得的两偏角测量值，相应增减整数倍的测角不模糊范围Δ₁₂和Δ₂₃，在(-λ/2D，+λ/2D]范围内找出最接近的两个结果，将均值作为散射点偏角。 

6c)利用步骤S4获得的目标距离值乘以散射点偏角即可得到目标方位向位置。 

步骤S8中得到的q张图像时间间隔是脉冲重复间隔(PRI)。为了减轻计算压力，也可以以k×PRI(k为大于1的整数)为时间间隔抽取序列t_m。 

图3给出了利用本发明的处理方法得到的对两个由五个点构成的十字形目标运动成像和运动轨迹重建的仿真结果。两个目标在成像时间的初始时刻和终止时刻的位置在图3中分别用蓝色和红色表示。图4a、图4b和图5a、图5b是实际InISAR系统获取的一组飞机数据的处理结果。图4a、图4b是距离-Doppler域图像，图5a、图5b为重建的时域图像。 

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 

Claims (12)

1.一种基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，包括步骤：

步骤S1：消除静止目标杂波干扰，得到信号

t_m表示方位向慢时间；

步骤S2：对步骤S1获得的信号

沿不同的距离门做时频分析，获得信号

步骤S3：对另外两个通道的信号重复步骤S1和步骤S2，三个通道分别获得信号

和

步骤S4：配准干涉：对于某慢时间t_m，j，从步骤S3获取的

和

中提取出三组距离-Doppler信号和

并做配准，以补偿掉天线扫描角导致的目标到不同天线之间的距离差带来的图像偏移，然后共轭相乘获得三组干涉信号和

即三组距离-Doppler域图像，获取目标的距离向位置信息；

步骤S5：通过门限处理获取目标散射点的干涉相位，通过干涉相位求取目标所有散射点的偏角的测量值；

步骤S6：利用多基线结合中国余数定理，使步骤S5获取的偏角测量值去模糊，结合步骤S4的目标距离信息，获取目标所有散射点的方位向位置；

步骤S7：反演目标图像：综合步骤S6获得的目标方位向位置信息和步骤S4获得的目标距离向位置信息，反演目标在t_m，j时刻的位置信息，即实现对运动目标的瞬时成像；

步骤S8：动目标运动重建：对于不同的慢时间时刻，重复步骤S2到步骤S7，以获得q张瞬时像；沿t_m顺序观察这些图像，即得到在InISAR成像时间内重建目标的运动状态。

2.根据权利要求1所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述步骤S1，包括：

1a)针对ISAR的LFM回波，做距离向脉冲压缩；

1b)将脉压后的信号在方位向做FFT变换，得到信号

表示距离向快时间，f表示方位向Doppler频率；

1c)静止目标对雷达天线没有相对运动，因此将信号

通过高通滤波器后，再反变回方位向慢时间域，即消除了静止目标的杂波干扰，得到信号

t_m表示方位向慢时间。

3.根据权利要求1所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述步骤S2，包括：

2a)对任意一个距离门

的信号做短时傅里叶变换，以得到

2b)将所有距离门做STFT获得的信号沿快时间排列，以获得信号

4.根据权利要求1所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述步骤S3中，多个通道的接收天线是在一条直线上分布，该直线即基线，运动目标的速度矢量要落在基线和波束指向构成的平面内，才能获取最大的相位历程变化，最终的重建结果将更能突出目标的运动状态。

5.根据权利要求4所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，或，另外设置一个新基线组，和本系统中已有基线组相同构型，两基线组成“L”形直角分布，用步骤S1到步骤S8对新基线组的信号进行处理，可将目标像扩展到三维空间，目标的轨迹重建也可扩展到三维空间。

6.根据权利要求1所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述步骤S5，包括：

5a)利用步骤S4获得的已配准的距离-Doppler域信号确定适当门限；设定门限窗：高于门限的位置为1，其余为0；将该窗作用到三组干涉信号中，使门限后的图像点均为来自目标散射点的干涉相位；

5b)设置一个位于波束中心的参考散射点，其真实相位可求，为-2πdsinθ/λ，其中λ表示波长，d表示基线长度；通过求目标散射点和参考散射点的干涉相位缠绕值之差来获取目标散射点的真实干涉相位测量值α，该值α和实际值相差整数个2π；

5c)获取目标散射点偏角的测量值：

需要指出的是，当目标散射点偏角满足：

时，测量值α和

才与实际值相等。

7.根据权利要求6所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，适当选取基线长度d₁₂和d₂₃，使二者以m和n互质，根据中国余数定理，则基线d₁₂的测角不模糊范围可扩大到原先的m倍，基线d₂₃的测角不模糊范围可扩大到原先的n倍；系统的设计原则是使天线波束宽度λ/D，小于扩展后的测角不模糊范围，其中，D为天线尺寸。

8.根据权利要求1所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述步骤S6，包括：

6a)分别求取基线d₁₂和d₂₃的测角不模糊范围：

${\mathrm{\Δ}}_{12}=\arcsin \left(\frac{d_{12}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\λ}/2}{d_{12}}\right)-\arcsin \left(\frac{d_{12}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\λ}/2}{d_{12}}\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{23}=\arcsin \left(\frac{d_{23}\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\λ}/2}{d_{23}}\right)-\arcsin \left(\frac{d_{23}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\λ}/2}{d_{23}}\right)$

6b)步骤S5中两组基线对于同一个散射点获得的两偏角测量值，相应增减整数倍的测角不模糊范围Δ₁₂和Δ₂₃，在(-λ/2D，+λ/2D]范围内找出最接近的两个结果，将均值作为散射点偏角；

6c)利用步骤S4获得的目标距离值乘以散射点偏角即得到目标方位向位置。

9.根据权利要求1所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述步骤S2中的时频分析，是采用以STFT为代表的所有保持原始图像相位信息的时频分析方法。

10.根据权利要求1所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述步骤S8中，得到的q张图像的时间间隔是脉冲重复间隔；或以k×PRI为时间间隔抽取序列t_m，其中，k为大于1的整数。

11.根据权利要求1或6所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述步骤S5中散射点的偏角，为散射点和雷达天线的连线偏离波束中心的角度。

12.根据权利要求5所述的基于时频分析的InISAR多动目标成像和运动轨迹重建法，其特征在于，所述两基线组成“L”形直角分布时，共用天线T₁，节约一个接收通道。

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