CN105022060A - 针对快速空天目标的步进isar成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对快速空天目标的步进ISAR成像方法，主要解决在大时宽带宽积信号下快速空天目标的真实回波相位与“一步一停”模型近似回波相位之间存在的差异会导致成像效果的下降的问题。其实现过程是：（1）精确表达快速空天目标的步进回波信息；（2）抑制回波信息中的多普勒模糊；（3）重建不同子带间的相干性；（4）去除子带间的频谱中心偏移；（5）进行步进频带合成及距离匹配滤波；（6）进行楔石变换并完成方位聚焦。本发明显著提升了快速空天目标的步进ISAR成像效果，可用于大时宽带宽积条件下对空天目标的观测及监事成像。

Description

针对快速空天目标的步进ISAR成像方法

技术领域

本发明涉及雷达遥感信号处理及遥感成像方法领域，具体是针对快速空天目标的一种步进ISAR成像方法。

背景技术

作为一种全天候、全天时、远距离的信息获取手段，逆合成孔径雷达(InverseSynthetic Aperture Radar,ISAR)能够在复杂环境下完成光学雷达、红外雷达难以完成的侦察和监视任务，得到高分辨的ISAR二维图像。ISAR图像可以用来对运动目标进行识别和分类，战场预警及监视，飞机塔台控制和空间目标监视等，在军事和民用上都有广泛的应用。为了得到目标更细致的特征信息，需要获得目标高分辨率的ISAR图像，这就要求雷达发射带宽尽可能大的信号，但大带宽信号对雷达接收机的要求较高。当发射步进频率电磁波时，可以利用一个频率可变的窄带雷达接收机进行回波接收，再通过后期数据处理将步进频率信号合成为一个大带宽信号。这样大大降低了瞬时接收带宽和雷达系统的采样频率，降低了雷达硬件成本，因而被广泛应用。

然而，步进频率信号的带宽合成对雷达回波的相位非常敏感，对快速空天目标进行观测时，目标运动带来的多普勒使得不同子带之间存在相位差异，从而降低回波信号相干性，导致步进频率信号带宽合成的失配，影响最终的成像效果。目前步进ISAR成像方法都是基于“一步一停”近似回波模型，且依靠包络对齐和相位自聚焦技术完成运动补偿，Liu.Y等依靠步进频子带之间重叠带宽的相关性来估计目标运动参数，Karakasiliotis等在高信噪比条件下通过测量距离向偏移来估计目标运动参数。以上方法对快速空天目标进行ISAR成像时，由于“一步一停”回波模型和真实情况之间存在误差，从而导致了成像处理中各步进频率回波相位之间的差异，降低频带合成后的成像效果，因此并不能很好地解决快速目标步进频率ISAR成像处理问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对快速空天目标的步进ISAR成像方法，旨在以更精确的回波表达和子带处理获得更好的频带合成结果，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

快速空天目标步进ISAR成像处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在精确回波信号模型下表示步进ISAR接收到的快速空天目标的反射回波信号：

$s(\hat{t},t_m)={\mathrm{\σ}}_p{w}_r(\hat{t}-\mathrm{\τ})\exp \left(j\mathrm{\π}\mathrm{\γ}{\left(\hat{t}-\mathrm{\τ}\right)}^2\right)\exp (-j2{\mathrm{\πf}}_n\mathrm{\τ}),$

其中，为快时间，t_m为慢时间，τ为回波延迟，σ_p为目标散为射点的后向散射系数，γ为发射信号的调频率，f_n为信号载频，为距离向矩形窗函数，exp为以自然对数e为底的指数函数，j为虚数单位；

(2)对回波进行数据处理得到无模糊的理想的步进ISAR回波信号，过程如下：

2a)抑制目标回波多普勒模糊：

在距离频域-方位时域构建方位去斜函数H_d(f_r,t_m)：

$H_d(f_r,t_m)=\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{c-v_r}{f}_r\right(v_r{t}_m+\frac{1}{2}{a}_r{t_m}^2\left)\right),$

其中，f_r为距离频率，t_m为慢时间，v_r为目标运动速度，a_r为目标加速度，c为光速，j为虚数单位；

2b)重建不同步进频率子带之间的相关性：

在二维频率域构造方位时移相位的补偿函数H_i(f_r,f_a)：

H_i(f_r,f_a)＝exp(-j2πf_at_i)_，

其中，f_r为距离频率，f_a为方位频率，t_i为不同步进频率信号之间的发射时间差，j为虚数单位；

2c)校正不同步进频率子带的频谱中心：

在距离频域-方位时域构建频谱中心校正函数H_g(f_r)：

$H_g\left(f_r\right)=\exp (j\mathrm{\π}\frac{{(f_r+{\mathrm{\βf}}_n)}^2}{{\mathrm{\γ\α}}^2}-j\mathrm{\π}\frac{{f_r}^2}{\mathrm{\γ}}),$

其中，f_r为距离频率，f_n为信号载频，j为虚数单位，α＝(c-v_r)/(c+v_r)是缩放因子，β＝2v_r/(c+v_r)是频率中心移动因子，α和β都与目标的运动速度v_r有关；

(3)对完成解模糊处理的回波信号进行带宽合成和距离压缩，得到高分辨率的聚焦结果，过程如下：

3a)在距离频域将步进ISAR不同频率的回波信号进行频带拼接，获得一个大的合成带宽的回波信号；若将N个子带进行频带拼接，则合成后的带宽是子带带宽的N倍，距离分辨率也将提高N倍；

3b)根据回波信号形式，构建距离压缩匹配滤波函数H_mat(f_r)：

H_mat(f_r)＝exp(jπf_r ²/γ)，

其中，f_r为距离频率，γ为发射信号的调频率；

3c)、将匹配滤波函数与完成带宽合成后的回波信号相乘，再变换到距离时域即可完成距离向的聚焦；

(4)利用楔石变换(f_r+f_c)/f_c消除方位向的频率空变，得到距离时域-方位频域里二维聚焦的目标图像。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明是针对雷达发射的大时宽带宽积信号提出的一种ISAR成像方法，充分考虑到大时宽带宽积信号处理过程中的特殊性，有效地简化了大时宽带宽积信号的处理流程。

2)本发明考虑了快速空天目标的回波特点，提出了相应的处理方法，有效地抑制了快速空天目标回波中的模糊、重建了步进子带之间的相干性，并且校正了各子带的频率中心，解决了步进频带的合成问题。

3)本发明提出的针对快速空天目标的步进ISAR成像方法有效还原了空天目标ISAR回波的真实情况，并获得了较好的高分辨率的成像聚焦结果。

附图说明

图1是本发明的快速空天目标步进ISAR成像方法流程图。

图2是“一步一停”模型下快速空天目标步进ISAR的成像结果图。

图3是本发明中成像方法得到的快速空天目标步进ISAR的成像结果图。

具体实施方式

快速空天目标步进ISAR成像方法，包括以下步骤：

步骤一在精确回波信号模型下表示步进ISAR接收到的快速空天目标的反射回波信号：

$s(\hat{t},t_m)={\mathrm{\σ}}_p{w}_r(\hat{t}-\mathrm{\τ})\exp \left(j\mathrm{\π}\mathrm{\γ}{\left(\hat{t}-\mathrm{\τ}\right)}^2\right)\exp (-j2{\mathrm{\πf}}_n\mathrm{\τ}),$

其中，为快时间，t_m为慢时间，τ为回波延迟，σ_p为目标散为射点的后向散射系数，γ为发射信号的调频率，f_n为信号载频，为距离向矩形窗函数，exp为以自然对数e为底的指数函数，j为虚数单位。

步骤二对快速空天目标的回波信号进行谱分析，发现步进信号中不同子带的多普勒模糊数不统一，子带之间的信号相干性损失，各子带的频谱中心偏移不同。这三个情况在传统“一步一停”回波信号模型中不曾出现。针对快速空天目标的回波特性，进行对应的数据处理得到无模糊的理想的步进ISAR回波信号，过程如下：

a)抑制目标回波多普勒模糊：

在距离频域-方位时域构建方位去斜函数H_d(f_r,t_m)：

$H_d(f_r,t_m)=\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{c-v_r}{f}_r\right(v_r{t}_m+\frac{1}{2}{a}_r{t_m}^2\left)\right),$

其中，f_r为距离频率，t_m为慢时间，v_r为目标运动速度，a_r为目标加速度，c为光速，j为虚数单位。将方位去斜函数与回波信号相乘，可以大大压缩信号的方位频谱，完成多普勒模糊的抑制。

b)重建不同步进频率子带之间的相关性：

由于不同子带信号的发射时间存在固定差异，需要在频带拼接之前将时间差异去除。在二维频率域构造方位时移相位的补偿函数H_i(f_r,f_a)：

H_i(f_r,f_a)＝exp(-j2πf_at_i)_，

其中，f_r为距离频率，f_a为方位频率，t_i为不同步进频率信号之间的发射时间差，j为虚数单位。补偿不同步进频率子带之间的发射时间差之后，子带回波信号之间的相干性被重建，可以进行后续的频带合成处理。

c)校正不同步进频率子带的频谱中心：

在距离频域-方位时域构建频谱中心校正函数H_g(f_r)：

$H_g\left(f_r\right)=\exp (j\mathrm{\π}\frac{{(f_r+{\mathrm{\βf}}_n)}^2}{{\mathrm{\γ\α}}^2}-j\mathrm{\π}\frac{{f_r}^2}{\mathrm{\γ}}),$

其中，f_r为距离频率，f_n为信号载频，j为虚数单位，α＝(c-v_r)/(c+v_r)是缩放因子，β＝2v_r/(c+v_r)是频率中心移动因子，α和β都与目标的运动速度v_r有关。

步骤三对完成解模糊处理的回波信号进行带宽合成和距离压缩，得到高分辨率的聚焦结果，过程如下：

3a)在距离频域将步进ISAR不同频率的回波信号进行频带拼接，获得一个大的合成带宽的回波信号S(f_r,t_m)。若将N个子带进行频带拼接，则合成后的带宽是子带带宽的N倍，距离分辨率也将提高N倍。

$S(f_r,t_m)=\exp (-j\mathrm{\π}\frac{{f_r}^2}{\mathrm{\γ}})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}}{c-v_r}(f_r+f_n\left)\right(R_o+y_p-{\mathrm{\ωx}}_p{t}_m\left)\right),$

其中，f_r为距离频率，f_n为信号载频，是信号调频率，(x_p,y_p)是目标初始坐标，ω是目标旋转角速度，R_o是目标初始距离。

3b)根据回波信号形式，构建距离压缩匹配滤波函数H_mat(f_r)：

H_mat(f_r)＝exp(jπf_r ²/γ)，

其中，f_r为距离频率，γ为发射信号的调频率，完成距离向的匹配滤波。

3c)、将匹配滤波函数与完成带宽合成后的回波信号相乘，再变换到距离时域即可完成距离向的聚焦；

步骤四利用楔石变换(f_r+f_c)/f_c消除方位向的频率空变，得到距离时域-方位频域里二维聚焦的目标图像

$s(\hat{t},f_a)=A_0\sin c\[\mathrm{\α}B(\hat{t}-\frac{2(R_o+y_p)}{c-v_r})\]\sin c\[\frac{1}{T_R}(f_a-\frac{2f_c{\mathrm{\ωx}}_p}{c-v_r})\],$

其中，A₀为方位窗函数，B为频带合成后带宽，T_R为合成后的方位脉冲时间，sinc为辛格函数，是正弦函数和单调递减函数1/x的乘积。

至此，针对快速空天目标的步进ISAR成像处理基本完成。

以下通过目标仿真实验进一步说明本发明的有效性。

点目标仿真实验：

1.仿真条件：

仿真设置的目标为一种典型的快速空天目标——人造卫星。实验中人造卫星由1000个散射点构成，目标和步进ISAR的仿真参数如表1：

表1：仿真系统主要参数

2.仿真内容：

利用一组仿真对比实验验证本专利提出的针对快速空天目标的步进ISAR成像方法的有效性。在表1的仿真参数下，带宽合成后信号的时宽带宽积达到500,000，此时“一步一停”模型下卫星目标成像结果如图2所示，经过本发明中提出的数据处理方法，卫星目标的成像结果如图3所示。

3.仿真结果分析：

从图2可以看出，在如此大的时宽带宽积的条件下，在“一步一停”模型下进行带宽合成及成像处理将会导致距离向的散焦，降低距离向分辨率，模型近似和忽略目标快速运动获得的回波相位与真实回波相位之间的差异会导致成像效果的下降，产生严重的栅瓣，并且存在多普勒模糊，无法清晰辨认卫星目标。

从图3可以看出，本发明提出的针对快速空天目标的步进ISAR成像方法通过对回波数据的有效处理，有效明显了聚焦效果，降低了栅瓣，主瓣副瓣电平理想，并且有效压制了多普勒模糊，目标成像清晰，辨识度高。

Claims (1)

1.快速目标步进频率ISAR成像处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在精确回波信号模型下表示步进ISAR接收到的快速空天目标的反射回波信号：

$s(\hat{t},t_m)={\mathrm{\σ}}_p{w}_r(\hat{t}-\mathrm{\τ})\exp \left(j\mathrm{\π}\mathrm{\γ}{\left(\hat{t}-\mathrm{\τ}\right)}^2\right)\exp (-j2{\mathrm{\πf}}_n\mathrm{\τ}),$

其中，为快时间，t_m为慢时间，τ为回波延迟，σ_p为目标散为射点的后向散射系数，γ为发射信号的调频率，f_n为信号载频，为距离向矩形窗函数，exp为以自然对数e为底的指数函数，j为虚数单位；

(2)对回波进行数据处理得到无模糊的理想的步进ISAR回波信号，过程如下：

2a)抑制目标回波多普勒模糊：

在距离频域-方位时域构建方位去斜函数H_d(f_r,t_m)：

$H_d(f_r,t_m)=\exp \left(j\frac{4\mathrm{\π}}{c-v_r}{f}_r\right(v_r{t}_m+\frac{1}{2}{a}_r{t_m}^2\left)\right),$

其中，f_r为距离频率，t_m为慢时间，v_r为目标运动速度，a_r为目标加速度，c为光速，j为虚数单位；

2b)重建不同步进频率子带之间的相关性：

在二维频率域构造方位时移相位的补偿函数H_i(f_r,f_a)：

H_i(f_r,f_a)＝exp(-j2πf_at_i)_，

其中，f_r为距离频率，f_a为方位频率，t_i为不同步进频率信号之间的发射时间差；

2c)校正不同步进频率子带的频谱中心：

在距离频域-方位时域构建频谱中心校正函数H_g(f_r)：

$H_g\left(f_r\right)=\exp (j\mathrm{\π}\frac{{(f_r+{\mathrm{\βf}}_n)}^2}{{\mathrm{\γ\α}}^2}-j\mathrm{\π}\frac{f_r^2}{\mathrm{\γ}}),$

其中，f_r为距离频率，f_n为信号载频，j为虚数单位，α＝(c-v_r)/(c+v_r)是缩放因子，β＝2v_r/(c+v_r)是频率中心移动因子，α和β都与目标的运动速度v_r有关；

(3)对完成解模糊处理的回波信号进行带宽合成和距离压缩，得到高分辨率的聚焦结果，过程如下：

3a)在距离频域将步进ISAR不同频率的回波信号进行频带拼接，获得一个大的合成带宽的回波信号；若将N个子带进行频带拼接，则合成后的带宽是子带带宽的N倍，距离分辨率也将提高N倍；

3b)根据回波信号形式，构建距离压缩匹配滤波函数H_mat(f_r)：

$H_{mat}\left(f_r\right)=\exp ({\mathrm{j\πf}}_r^2/\mathrm{\γ}),$

其中，f_r为距离频率，γ为发射信号的调频率；

3c)、将匹配滤波函数与完成带宽合成后的回波信号相乘，再变换到距离时域即可完成距离向的聚焦；

(4)利用楔石变换(f_r+f_c)/f_c消除方位向的频率空变，得到距离时域-方位频域里二维聚焦的目标图像。