CN105005045A

CN105005045A - 基于信号预处理的高速目标isar步进频信号合成方法

Info

Publication number: CN105005045A
Application number: CN201510363523.7A
Authority: CN
Inventors: 邢孟道; 董祺; 孙光才; 周芳
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2015-10-28

Abstract

本发明公开了一种基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，包括以下步骤：(1)接收高速目标的ISAR步进频信号，对其采样，得到第m个脉组的第n个子脉冲信号为(2)从M个脉组的所有子脉冲信号中选择有相同载频f_n的子脉冲信号，组成第n个子脉冲信号序列将N个子脉冲信号序列进行顺序组合，得到序列组(3)对序列组中的N个子脉冲信号序列进行预处理后进行顺序组合，得到预处理后的序列组所述预处理依次包含距离快速傅里叶变换、多普勒模糊抑制、信号相关性创建和频谱中心校正；(4)对预处理后的序列组进行频带合成，得到第m个合成信号实现对高速目标的ISAR成像。

Description

基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，涉及逆合成孔径雷达(ISAR)成像技术，特别涉及一种基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，可用于对一般目标以及高速目标的成像处理。

背景技术

逆合成孔径雷达在空中目标观测领域的应用越来越广泛，可以用来对动目标进行分类和识别，进行战场监视及预警等，在军用和民用领域都具有广泛的应用价值。为了获得目标的详细信息，需要对目标进行高分辨成像，所以需要在距离向发射大带宽的信号，再对回波信号进行匹配滤波获得距离高分辨图像。发射大带宽信号对雷达接收机的技术要求较高，成本昂贵，所以一般发射步进频信号，并利用频带合成技术，将步进频信号后期处理为大带宽信号。这样可以降低对雷达接收机带宽的要求，还可以降低A/D采样频率，节约了雷达接收机的制造成本，同时便于系统实现。

步进频信号的频带合成效果受雷达回波信号相位的影响很大，一般采用直接采样接收回波信号的方式来较好地保持回波信号的相干性，而对于一个脉组(雷达一次发射的所有子脉冲的组合)内的不同载频信号而言，目标的运动使不同载频信号具有不同的多普勒信息，必须进行目标的运动补偿才能使回波信号的相位具有相干性，从而可以得到高分辨的距离像。目前国际上常用的运动补偿方法均基于“一步一停”近似回波信号模型来实现，对远距离的高速运动目标并不能进行高质量的成像。“一步一停”近似回波信号模型可以分为传统“一步一停”模型和快速“一步一停”模型，前者认为雷达在发射信号、接收信号和信号传播的整个过程中,雷达和目标的相对位置保持不变；后者认为雷达在发射信号和接收信号过程中，雷达和目标的相对位置保持不变，但在信号传播过程中，雷达和目标存在相对运动。所以快速“一步一停”模型是传统“一步一停”模型的改进形式，但仍然是一种近似模型。两种“一步一停”模型均存在不同程度的近似，没有严格考虑雷达在发射信号和接收信号过程中，目标运动对回波信号的影响，因此，两种“一步一停”模型存在三个问题：多普勒模糊数在脉组内不统一、脉组内各回波信号不相关和各不同载频回波信号的频谱中心偏移量不一致。这些都会影响距离向频带合成，从而影响ISAR目标的距离向成像质量。对于低速目标的成像，这些影响可以忽略；当运用“一步一停”模型得到的目标和雷达间的距离误差大于四分之一波长，目标属于高速目标，对于高速目标的成像，这些影响较为严重。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，能够克服“一步一停”近似回波信号模型中引入的近似对高速目标ISAR成像质量的影响。

实现本发明目的技术关键是：对接收到的高度目标的ISAR步进频信号进行重新组合；对重新组合后的ISAR步进频信号进行预处理，依次包括距离快速傅里叶变换、多普勒模糊抑制、回波信号相关性重建和频谱中心校正；再进行频带合成，实现对高速目标的高质量ISAR成像。

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，接收高速目标的ISAR步进频信号，对高速目标的ISAR步进频信号直接采样，得到第m个脉组内的第n个子脉冲信号为其中，为快时间，t_n为一个脉组内的慢时间，t_n＝nT_R，n＝0,1,…N-1，N为每个脉组的子脉冲数量，T_R为两个相邻子脉冲的发射时间间隔，t_m为脉组间的慢时间，t_m＝mNT_R，m＝0,1,…M-1，M为发射的脉组总数；

步骤2，从M个脉组的所有子脉冲信号中选择出具有相同载频f_n的子脉冲信号，将具有相同载频f_n的子脉冲信号组成第n个子脉冲信号序列n＝0,1,…N-1；将N个子脉冲信号序列进行顺序组合，得到序列组

步骤3，对序列组中的第n个子脉冲信号序列进行预处理，得到第n个预处理后的子脉冲信号序列n＝0,1,…N-1；将N个预处理后的子脉冲信号序列进行顺序组合，得到预处理后的序列组所述预处理依次包含距离快速傅里叶变换、多普勒模糊抑制、信号相关性创建和频谱中心校正；

步骤4，对预处理后的序列组进行频带合成，即将预处理后的第m个脉组内的N个子脉冲信号进行顺序组合，得到预处理后的第m个脉组；再将预处理后的第m个脉组内的N个子脉冲信号进行合成，得到第m个合成信号S(f_r,t_m)，其中，m＝0,1,…M-1，f_r∈[0,B]为距离频率，B＝NΔf，Δf为子脉冲频率步进值。

本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明针对高速目标的成像过程中，“一步一停”近似回波信号模型中的近似造成的三个问题，即多普勒模糊数在脉组内不统一、脉组内各回波信号不相关和各频率回波信号的频谱中心偏移量不一致，首先对高速目标的ISAR步进频信号进行重新组合，然后对重新组合后的ISAR步进频信号进行预处理，再进行频带合成，有效地提升了高速目标的ISAR成像质量。

附图说明

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的流程图。

图2是本发明对高速目标进行多普勒模糊抑制的仿真结果图，横坐标为多普勒，单位为Hz，纵坐标为距离频率，单位为MHz，其中：

图2a是第1个脉组中第1个子脉冲信号的二维频谱图；

图2b是用本发明方法对第1个脉组中第1个子脉冲信号进行多普勒模糊抑制后的二维频谱图。

图3a是本发明对高速目标的ISAR步进频信号直接进行距离频带合成的结果图；

图3b为本发明对高速目标的ISAR步进频信号进行频谱中心校正之后，再进行距离频带合成的结果图；

图3a-图3b中，横坐标为方位时间，单位为秒(s)，纵坐标为距离单元，单位为米(m)。

图4a为仿真目标的三维模型图，X轴为模型长度，单位为米(m)，Y轴为模型宽度，单位为米(m)，Z轴为模型高度，单位为米(m)；

图4b为传统“一步一停”模型对仿真目标的成像结果图；

图4c为快速“一步一停”模型对仿真目标的成像结果图；

图4d为本发明方法对仿真目标的成像结果图；

图4b-图4d中，横坐标为多普勒单元，单位为Hz，纵坐标为距离单元，单位为米(m)。

具体实施方式

参照图1，本发明的基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，包括以下步骤：

步骤1，接收高速目标的ISAR步进频信号，对高速目标的ISAR步进频信号直接采样，得到第m个脉组内的第n个子脉冲信号为

s (\hat{t}, t_{n}, t_{m}) = σ_{p} w_{r} (\hat{t} - τ) \exp [j π γ {(\hat{t} - τ)}^{2}] \exp (- j 2 {πf}_{n} τ),

其中，为快时间，t_n为一个脉组内的慢时间，t_n＝nT_R，n＝0,1,…N-1，N为每个脉组的子脉冲数量，T_R为两个相邻子脉冲的发射时间间隔，t_m为脉组间的慢时间，t_m＝mNT_R，m＝0,1,…M-1，M为发射的脉组总数，σ_p为目标散射点的后向散射系数，γ为发射信号的调频率，γ＝Δf/T_p，Δf为子脉冲频率步进值，T_p为脉冲宽度，f_n为每个窄带脉冲的中心频率，f_n＝f_c+nΔf，f_c为子脉冲起始载频；为距离向矩形窗函数，其表达式为：

w_{r} (\hat{t}) = r e c t (\hat{t} / T_{p}) = \{\begin{matrix} 1, & | \hat{t} | \leq T_{p} \\ 0, & | \hat{t} | > T_{p} \end{matrix} .

步骤2，从M个脉组的所有子脉冲信号中选择出具有相同载频f_n的子脉冲信号，将具有相同载频f_n的子脉冲信号组成第n个子脉冲信号序列n＝0,1,…N-1；将N个子脉冲信号序列进行顺序组合，得到序列组其中，第n个子脉冲信号序列的表达式为：

d_{n} (\hat{t}, t_{m}) = [s (\hat{t}, t_{n}, t_{0}), ..., s (\hat{t}, t_{n}, t_{m}), ..., s (\hat{t}, t_{n}, t_{M - 1})] .

步骤3，对序列组中的第n个子脉冲信号序列进行预处理，得到第n个预处理后的子脉冲信号序列n＝0,1,…N-1；将N个预处理后的子脉冲信号序列进行顺序组合，得到预处理后的序列组所述预处理依次包含距离快速傅里叶变换、多普勒模糊抑制、信号相关性创建和频谱中心校正。

步骤3的具体子步骤为：

3.1距离快速傅里叶变换：

运用驻定相位法(POSP)对第n个子脉冲信号序列进行距离快速傅里叶变换(FFT)，得到第n个距离频域子脉冲信号序列d_n(f_r,t_m)，其中，n＝0,1,…N-1，f_r∈[0,B]为距离频率，B＝NΔf，Δf为子脉冲频率步进值；

3.2多普勒模糊抑制：对第n个距离频域子脉冲信号序列d_n(f_r,t_m)建立方位去斜函数H_di(f_r,t_m)为

H_{d n} (f_{r}, t_{m}) = \exp (j \frac{4 π}{c - v_{r}} (f_{r} + f_{n}) (v_{r} (t_{n} + t_{m}) + \frac{1}{2} a_{r} {(t_{n} + t_{m})}^{2})),

其中，c为光速，v_r为目标的平动速度，a_r为目标的平动加速度；

将方位去斜函数H_di(f_r,t_m)与第n个距离频域子脉冲信号序列为d_n(f_r,t_m)相乘，得到第n个多普勒模糊抑制后的子脉冲信号序列

3.3信号相关性创建：

将第n个多普勒模糊抑制后的子脉冲信号序列进行方位FFT，得到第n个二维频域多普勒模糊抑制后的子脉冲信号序列为

d_{n}^{1} (f_{r}, f_{a}) = d_{0} (f_{r}, f_{a}) \exp (j 2 {πf}_{a} t_{n}),

其中，f_a是多普勒频率，d₀(f_r,f_a)是二维频域序列组公共因子；

构造相关性创建函数H_n(f_r,f_a)为

H_n(f_r,f_a)＝exp(-j2πf_at_n)，

将相关性创建函数H_n(f_r,f_a)与第n个二维频域多普勒模糊抑制后的子脉冲信号序列相乘，得到第n个相关性创建后的子脉冲信号序列

3.4频谱中心校正：

对第n个相关性创建后的子脉冲信号序列进行方位快速傅里叶逆变换(IFFT)，即将第n个相关性创建后的子脉冲信号序列转换到方位时域，得到第n个方位时域子脉冲信号序列构造频谱中心校正函数H_ref(f_r)为

H_{r e f} (f_{r}) = \exp (j π \frac{{(f_{r} + {βf}_{n})}^{2}}{{γα}^{2}} - j π \frac{f_{r}^{2}}{γ}),

其中，α是缩放因子，α＝(c-v_r)/(c+v_r)，β是频率中心移动因子，β＝2v_r/(c+v_r)；

将频谱中心校正函数H_ref(f_r)乘以第n个方位时域子脉冲信号序列得到第n个预处理后的子脉冲信号序列其表达式为：

d_{n}^{3} (\hat{t}, t_{m}) = [s^{3} (\hat{t}, t_{n}, t_{0}), ..., s^{3} (\hat{t}, t_{n}, t_{m}), ..., s^{3} (\hat{t}, t_{n}, t_{M - 1})],

其中，为预处理后的第m个脉组内的第n个子脉冲信号；

3.5将N个预处理后的子脉冲信号序列进行顺序组合，得到预处理后的序列组

步骤4，对预处理后的序列组进行频带合成，即将预处理后的第m个脉组内的N个子脉冲信号进行顺序组合，得到预处理后的第m个脉组，m＝0,1,…M-1；再将预处理后的第m个脉组内的N个子脉冲信号进行合成，得到第m个合成信号S(f_r,t_m)为：

\begin{matrix} S (f_{r}, t_{m}) = σ_{p} r e c t (\frac{f_{r}}{α B}) \exp (- j π \frac{{f_{r}}^{2}}{γ}) \\ \times \exp {- j \frac{4 π}{c - v_{r}} (f_{r} + f_{n}) (R_{o} + y_{p} - {ωx}_{p} t_{m})} \end{matrix},

其中，m＝0,1,…M-1，f_r∈[0,B]为距离频率，B＝NΔf，Δf为子脉冲频率步进值，R_o为雷达距高速目标的最近斜距，y_p为高速目标的距离向位置，x_p为高速目标的方位向位置，ω为目标旋转角速度。

本发明的效果可由以下仿真实验来进一步说明：

1)仿真参数

雷达和高速目标的仿真参数如表1所示，雷达与高速目标之间的距离为5千米。

表1雷达和高速目标仿真参数表

2)仿真内容及结果分析

仿真1：用本发明方法对高速目标进行多普勒模糊抑制处理，参照图2a为第1个脉组中第1个子脉冲信号的二维频谱图，图2b为用本发明方法处理后的子脉冲信号二维频谱图。

一个脉组中的5个不同载频的子脉冲，它们的多普勒模糊数分别为158、167、175、163和171。由图2a可见，第1个脉组中第1个子脉冲信号的二维频谱存在严重的模糊和混叠，而用本发明方法对第1个脉组中第1个子脉冲信号进行多普勒模糊抑制处理后，第1个脉组中第1个子脉冲信号的二维频谱宽度被大大压缩，如图2b所示。说明步骤3中的多普勒模糊抑制处理能够有效地对高速目标的ISAR步进频信号的多普勒模糊进行抑制。

仿真2：对高速目标的ISAR步进频信号直接进行距离频带合成，结果如图3a所示；对高速目标的ISAR步进频信号进行频谱中心校正，再进行距离频带合成，结果如3b所示。

图3a表明，同一个脉组中的5个不同载频的子脉冲信号的能量没有累积到同一个距离向单元中，而是分散在互不相同的5个距离向单元上，距离向分辨率并没有因距离频带合成而有所提高。然而，对不同载频的子脉冲信号进行频谱中心校正之后，子脉冲之间的频谱中心差异被消除，子脉冲信号的能量累积到同一个距离向单元中，如图3b所示。说明本发明能有效地对高速目标的频谱中心进行校正。

仿真3：建立仿真目标的三维模型，在表1的参数下对仿真目标进行成像。图4a为仿真目标的三维模型，图4b为传统“一步一停”模型对仿真目标的成像结果图，图4c为快速“一步一停”模型对仿真目标的成像结果图，图4d为本发明方法对仿真目标的成像结果图。

可以看出，图4d的成像结果比图4b和图4c的成像结果有了很大的改善，说明本发明对高速目标ISAR成像的有效性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，接收高速目标的ISAR步进频信号，对高速目标的ISAR步进频信号直接采样，得到第m个脉组内的第n个子脉冲信号为其中，为快时间，t_n为一个脉组内的慢时间，t_n＝nT_R，n＝0,1,…N-1，N为每个脉组的子脉冲数量，T_R为两个相邻子脉冲的发射时间间隔，t_m为脉组间的慢时间，t_m＝mNT_R，m＝0，1，…M-1，M为发射的脉组总数；

步骤2，从M个脉组的所有子脉冲信号中选择出具有相同载频f_n的子脉冲信号，将具有相同载频f_n的子脉冲信号组成第n个子脉冲信号序列将N个子脉冲信号序列进行顺序组合，得到序列组

步骤3，对序列组中的第n个子脉冲信号序列进行预处理，得到第n个预处理后的子脉冲信号序列将N个预处理后的子脉冲信号序列进行顺序组合，得到预处理后的序列组所述预处理依次包含距离快速傅里叶变换、多普勒模糊抑制、信号相关性创建和频谱中心校正；

步骤4，对预处理后的序列组进行频带合成，即将预处理后的第m个脉组内的N个子脉冲信号进行顺序组合，得到预处理后的第m个脉组；再将预处理后的第m个脉组内的N个子脉冲信号进行合成，得到第m个合成信号S(f_r,t_m)，其中，m＝0，1，…M-1，f_r∈[0,B]为距离频率，B＝NΔf，Δf为子脉冲频率步进值。

2.如权利要求1所述的基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，其特征在于，步骤2中所述第n个子脉冲信号序列的表达式为：

d_{n} (\hat{t}, t_{m}) = [s (\hat{t}, t_{n}, t_{0}), ..., s (\hat{t}, t_{n}, t_{m}), ..., s (\hat{t}, t_{n}, t_{M - 1})];

其中，是第m个脉组内的第n个子脉冲信号，为快时间，t_n为一个脉组内的慢时间，t_n＝nT_R，n＝0,1,…N-1，N为每个脉组的子脉冲数量，T_R为两个相邻子脉冲的发射时间间隔，t_m为脉组间的慢时间，t_m＝mNT_R，m＝0，1，…M-1，M为发射的脉组总数。

3.如权利要求1所述的基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，其特征在于，所述步骤3的具体子步骤为：

3.1距离快速傅里叶变换：

运用驻定相位法对第n个子脉冲信号序列进行距离快速傅里叶变换，得到第n个距离频域子脉冲信号序列d_n(f_r,t_m)，其中，n＝0,1,…N-1，f_r∈[0,B]为距离频率，B＝NΔf，Δf为子脉冲频率步进值；

H_{d n} (f_{r}, t_{m}) = \exp (j \frac{4 π}{c - v_{r}} (f_{r} + f_{n}) (v_{r} (t_{n} + t_{m}) + \frac{1}{2} a_{r} {(t_{n} + t_{m})}^{2})),

3.3信号相关性创建：

将第n个多普勒模糊抑制后的子脉冲信号序列进行方位快速傅里叶变换，得到第n个二维频域多普勒模糊抑制后的子脉冲信号序列为

d_{n}^{1} (f_{r}, f_{a}) = d_{0} (f_{r}, f_{a}) \exp (j 2 {πf}_{a} t_{n}),

构造相关性创建函数H_n(f_r,f_a)为

H_n(f_r,f_a)＝exp(-j2πf_at_n)，

3.4频谱中心校正：

对第n个相关性创建后的子脉冲信号序列进行方位快速傅里叶逆变换，即将第n个相关性创建后的子脉冲信号序列转换到方位时域，得到第n个方位时域子脉冲信号序列构造频谱中心校正函数H_ref(f_r)为

H_{r e f} (f_{r}) = \exp (j π \frac{{(f_{r} + {βf}_{n})}^{2}}{{γα}^{2}} - j π \frac{{f_{r}}^{2}}{γ}),

其中，α是缩放因子，α＝(c-v_r)/(c+v_r)，β是频率中心移动因子，β＝2v_r/(c+v_r)；γ为发射信号的调频率，γ＝Δf/T_p，Δf为子脉冲频率步进值，T_p为脉冲宽度；

d_{n}^{3} (\hat{t}, t_{m}) = [s^{3} (\hat{t}, t_{n}, t_{0}), ..., s^{3} (\hat{t}, t_{n}, t_{m}), ..., s^{3} (\hat{t}, t_{n}, t_{M - 1})],

其中，为预处理后的第m个脉组内的第n个子脉冲信号；

4.如权利要求1所述的基于信号预处理的高速目标ISAR步进频信号合成方法，其特征在于，步骤4中所述第m个合成信号S(f_r,t_m)的表达式为：

\begin{matrix} S (f_{r}, t_{m}) = σ_{p} r e c t (\frac{f_{r}}{α B}) \exp (- j π \frac{{f_{r}}^{2}}{γ}) \\ \times \exp [- j \frac{4 π}{c - v_{r}} (f_{r} + f_{n}) (R_{o} + y_{p} - {ωx}_{p} t_{m})], \end{matrix}

其中，m＝0，1，…M-1，f_r∈[0，B]为距离频率，B＝NΔf，Δf为子脉冲频率步进值，σ_p为目标散射点的后向散射系数，R_o为雷达距高速目标的最近斜距，y_p为高速目标的距离向位置，x_p为高速目标的方位向位置，ω为目标旋转角速度。