CN105974410B - 机载雷达的多舰船目标sar和isar混合成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其主要思路为：建立机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型，得到海面舰船目标的瞬时斜距R(ta)表达式；机载斜视SAR发射线性调频信号，则得到机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)，然后对s(t；ta)依次进行距离向FFT、线性距离走动校正和距离向脉压，得到脉压后的机载斜视SAR的原始回波信号再对依次进行二维去斜处理和方位向相位补偿，得到机载斜视SAR的粗聚焦成像S0后进行形态学弥补，得到经过形态学弥补后的机载SAR二值图像S2，然后对S2进行舰船目标边界检测，分离出D个舰船目标后并分别依次进行包络对齐、相位聚焦、转动越距离单元徙动校正和方位慢时间ta的中间时刻对应的频率分布估计，进而得到D个舰船目标的最终ISAR成像。
Description
技术领域
本发明属于SAR和ISAR混合成像技术领域，特别涉及一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，即机载雷达的多舰船目标合成孔径雷达和逆合成孔径雷达混合成像方法，适用于多舰船目标的精确成像。
背景技术
随着科学技术水平的发展，且为了应对未来的信息化战争，越来越多的国家开始大力发展海上国防力量；其中，海上舰船作为实施海上战略的重要工具，行使着海上侦察、作战等重要功能，成为新海洋防卫体系的焦点，同时海上舰船的发展动向对于及时获取情报、确保取得军事行动的成功起到重要作用。
探测海面舰船的主要手段包括光学方法和雷达传感器，采用光学方法得到的海面舰船成像分辨率高，且成像符合人眼观察规律、易于识别，缺陷是受恶劣环境影响大；相对于光学方法，雷达传感器具有全天候、全天时、不受天气限制的显著优越性，因此在舰船目标检测领域受到广泛关注。
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)具有全天时、全天候、宽覆盖、高分辨等优点外，还具有穿透能力，在战场环境侦察、军事敏感区域监视、重要军事目标成像以及打击效果评估等军事应用中具有广泛应用前景；但SAR成像针对的是静止目标，舰船目标表现在SAR图像上是散焦的；因此，基于舰船目标的非合作性，采用逆合成孔径雷达(ISAR)方法对舰船目标进行成像处理，以得到高分辨的舰船图像。
在实际情况中，雷达平台和舰船目标均在运动，所以得到的雷达回波里既具有SAR成分(雷达的确定性运动)，也具有ISAR成分(舰船目标的未知运动)，使得成像环境十分复杂；而且舰船目标自身属于大尺寸目标，在具有复杂电磁散射机理的同时，海面与舰船目标之间也存在复杂的电磁耦合，该电磁耦合随着海面起伏、舰船姿态、雷达与目标间几何关系的变化而不同，并与海水的介电常数、雷达频率、极化方式、入射波的擦地角、海面的粗糙度相关；由于螺旋桨、发动机和船舵会产生推动和控制，使得舰船目标的姿态角随着海浪变化，进而使得舰船目标存在横滚、俯仰和偏航。此外，由于多个舰船目标的运动特性不同，因此无法单独使用SAR对多个舰船目标同时成像；在海面多舰船目标条件下，且在同一雷达波束内存在距离上和方位上分不开的多个舰船目标，如果单独使用ISAR成像时，从距离向和方位向上无法从混合回波中分离出每一个舰船目标的回波信号，也不可能同时对每个舰船目标进行运动补偿。
发明内容
针对以上现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，该种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法首先对原始回波信号进行SAR粗聚焦成像处理，使得在距离向和方位向无法从混合回波中分离的多个舰船目标在图像域中分开；为分离出SAR图像中的多个舰船目标，使用基于自适应窗的舰船目标检测方法对多个舰船目标进行分离，再对分离出的多个舰船目标分别采用ISAR成像方法，实现多个舰船目标的精聚焦处理。
为达到上述技术目的，本发明采用如下方案予以实现。
一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，包括以下步骤：
步骤1，建立机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型，得到海面舰船目标的瞬时斜距R(ta)表达式；机载斜视SAR发射线性调频信号，则得到机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)，然后对机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)依次进行距离向快速傅里叶变换、线性距离走动校正和距离向脉压，得到脉压后的机载斜视SAR的原始回波信号再对原始回波信号依次进行二维去斜处理和方位向相位补偿，得到机载斜视SAR的粗聚焦成像S0；
其中，t表示距离快时间，ta表示方位慢时间，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率；
步骤2，对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补，得到经过形态学弥补后的机载SAR二值图像S2，然后对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测，分离出D个舰船目标；
步骤3，对D个舰船目标分别依次进行包络对齐、相位聚焦、转动越距离单元徙动校正和频率分布估计，进而得到D个舰船目标的最终ISAR成像。
本发明的有益效果为：针对传统机载斜视下对多舰船目标单独使用SAR成像方法或者单独使用ISAR成像方法成像效果差的问题，本发明提出了一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，该方法能对多舰船目标进行精确检测与分离，并能对舰船目标进行ISAR精确聚焦成像，最终得到包含多个舰船目标相对位置关系的SAR图像，同时也能够得到单个舰船目标ISAR图像。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法流程图；
图2是机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型图；其中，在XOYZ中，机载斜视SAR的载机P以速度υ沿X轴匀速运动，机载斜视SAR波束射线指向的斜视角为θ，方位慢时间ta＝0时舰船目标在X轴的速度分量为υx，ta＝0时舰船目标在Y轴的速度分量为υy，方位慢时间ta＝0时舰船目标在Z轴的速度分量的速度分量为υz，机载斜视SAR波束射线指向的斜视角为θ，Q表示舰船目标所在场景中心；
图3是机载斜视SAR对舰船目标成像仿真几何示意图；
图4a是机载斜视SAR对舰船目标成像仿真的舰船正视模型图；
图4b是机载斜视SAR对舰船目标成像仿真的舰船侧视模型图；
图4c是机载斜视SAR对舰船目标成像仿真的舰船俯视模型图；
图5a是使用本发明方法获得的机载斜视SAR粗聚焦的成像示意图；其中包括三个舰船目标，分别是舰船目标A、舰船目标B和舰船目标C；
图5b是使用本发明方法对图5a中的三个舰船目标进行检测所得到的精确舰船目标图；
图5c是使用本发明方法从图5a中分离得到的舰船目标A示意图；
图5d是使用本发明方法从图5a中分离得到的舰船目标B示意图；
图5e是使用本发明方法从图5a中分离得到的舰船目标C示意图；
图6a为使用本发明方法对图5a中分离出的舰船目标A进行机载斜视ISAR成像结果示意图；
图6b为使用本发明方法对图5a中分离出的舰船目标B进行机载斜视ISAR成像结果示意图；
图6c为使用本发明方法对图5a中分离出的舰船目标C进行机载斜视ISAR成像结果示意图。
具体实施方式
参照图1，为本发明的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法流程图；所述机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，包括以下步骤：
步骤1，建立机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型，得到海面舰船目标的瞬时斜距R(ta)表达式；机载斜视SAR发射线性调频(LFM)信号，则得到机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)，然后对机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)进行距离向快速傅里叶变换，将s(t；ta)变换到距离频域方位时域，得到距离频域方位时域的机载斜视SAR的原始回波信号，然后以场景中心为参考对距离频域方位时域的机载斜视SAR的原始回波信号依次进行线性距离走动校正和距离向脉压，得到脉压后的机载斜视SAR的原始回波信号再对原始回波信号依次进行二维去斜(dechirp)处理和方位向的残留相位补偿，得到机载斜视SAR的粗聚焦成像S0。
其中，t表示距离快时间，ta表示方位慢时间，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率。
步骤1的具体子步骤为：
1.1建立机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型，得到海面舰船目标的瞬时斜距R(ta)。
具体地，参照图2，为机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型图；其中，在XOYZ中，机载斜视SAR的载机P以速度υ沿X轴匀速运动，机载斜视SAR波束射线指向的斜视角为θ，方位慢时间ta＝0时舰船目标在X轴的速度分量为υx，ta＝0时舰船目标在Y轴的速度分量为υy，方位慢时间ta＝0时舰船目标在Z轴的速度分量的速度分量为υz，机载斜视SAR波束射线指向的斜视角为θ，舰船目标所在场景中心为Q。
建立机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型，得到海面舰船目标的瞬时斜距，并将海面舰船目标的瞬时斜距近似到四阶，得到近似到四阶的海面舰船目标的瞬时斜距；此处将所述近似到四阶的海面舰船目标的瞬时斜距作为海面舰船目标的瞬时斜距R(ta)表达式，其表达式为：
其中，υ表示机载斜视SAR的载机速度，ta表示方位慢时间，h表示ta＝0时机载斜视SAR的载机高度，υx表示ta＝0时舰船目标在X轴的速度分量，υy表示ta＝0时舰船目标在Y轴的速度分量，υz表示ta＝0时舰船目标在Z轴的速度分量的速度分量，θ表示机载斜视SAR波束射线指向的斜视角；R0表示机载斜视SAR波束中心线扫过舰船目标时的斜距，其表达式的系数为：
其中，A1(R0)表示A1中包含R0的因子式，A1表示方位慢时间ta的一次项系数；A2(R0)表示A2中包含R0的因子式，A2表示方位慢时间ta的二次项系数；A3(R0)表示A3中包含R0的因子式，A3表示方位慢时间ta的三次项系数；A4(R0)表示A4中包含R0的因子式，A4表示方位慢时间ta的四次项系数；k1(R0)为A1中包含R0的因子式，且表示A1中不包含机载斜视SAR的载机运动速度的方位慢时间一次项系数；k2(R0)表示A2中包含R0的因子式，且表示A2中不包含机载斜视SAR载机运动速度的方位慢时间二次项系数，k3(R0)表示A3中包含R0的因子式，且表示A3中机载斜视SAR的载机运动速度的方位慢时间三次项系数，k4(R0)表示A4中包含R0的因子式，且表示A4机载斜视SAR的载机运动速度的方位慢时间四次项系数，k1(υ；R0)表示A1中只包含机载斜视SAR的载机运动速度的方位慢时间一次项系数，k2(υ；R0)表示A2中只包含机载斜视SAR的载机运动速度的方位慢时间二次项系数，R0表示机载斜视SAR波束中心线扫过舰船目标时的斜距；由于水平方向上机载斜视SAR的载机速度υ远大于ta＝0时舰船目标在X轴的速度分量υx，即υ＞＞υx，因此近似认为υ-υx≈υ。
1.2在机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型中，机载斜视SAR发射线性调频(LFM)信号，则得到机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)，其表达式为：
其中，c表示光速，t表示距离快时间，R(ta)表示海面舰船目标的瞬时斜距，ta表示方位慢时间，γ表示机载斜视SAR发射线性调频信号的调频率，λ表示机载斜视SAR中心波长，wr(·)表示机载斜视SAR发射线性调频信号的窗函数，wa(·)表示机载斜视SAR发射线性调频信号的方位窗函数，exp[·]表示指数函数。
对式(3)作距离向快速傅里叶变换，将机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)变换到距离频域方位时域，得到距离频域方位时域的机载斜视SAR的原始回波信号S(fr,ta)，其表达式为：
其中，Wr(·)表示机载斜视SAR发射线性调频信号的窗函数，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率，wa(·)表示机载斜视SAR发射线性调频信号的方位窗函数，ta表示方位慢时间，γ表示机载斜视SAR发射线性调频信号的调频率，c表示光速，fc表示机载斜视SAR的中心载频，R(ta)表示海面舰船目标的瞬时斜距，ta表示方位慢时间。
在机载斜视SAR成像过程中，机载斜视SAR的载机运动存在较大线性距离走动，因此；首先以机载斜视SAR所在场景中心为参考位置对距离频域方位时域的机载斜视SAR的原始回波信号S(fr,ta)进行线性距离走动校正，其中使用的校正函数为HLRWC(fr,ta)，其表达式为：
其中，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率，fc表示机载斜视SAR的中心载频，ta表示方位慢时间，c表示光速，k1(υ；RC)表示k1中包含有υ、RC的因子式，RC表示方位慢时间ta＝0时舰船目标到机载斜视SAR载机之间的距离；将式(4)与式(5)相乘后并进行距离向脉压，得到脉压后的机载斜视SAR的原始回波信号其表达式为：
其中，Wr(·)表示机载斜视SAR发射线性调频信号的窗函数，wa(·)表示机载斜视SAR发射线性调频信号的方位窗函数，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率，ta表示方位慢时间，c表示光速，fc表示机载斜视SAR的中心载频，k1(υ；RC)表示A1中包含υ、RC的因子式，A1表示方位慢时间ta的一次项系数，υ表示机载斜视SAR的载机速度，RC表示方位慢时间ta＝0时舰船目标到机载斜视SAR载机之间的距离。
1.3对依次进行二维去斜(dechirp)处理和方位向的残留相位补偿，得到机载斜视SAR的粗聚焦成像S0。
具体地，对脉压后的机载斜视SAR的原始回波信号进行二维去斜(dechirp)处理，得到二维去斜(dechirp)处理后的机载斜视SAR的原始回波信号，其中二维去斜dechirp处理时使用的函数为HDechirp(fr,ta)，其表达式为：
其中，fc表示机载斜视SAR的中心载频，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率，k2(υ；RC)表示A2中包含有υ、RC的因子式，A2表示方位慢时间ta的二次项系数；υ表示机载斜视SAR的载机速度，RC表示方位慢时间ta＝0时舰船目标到机载斜视SAR载机之间的距离，c表示光速。
再将二维去斜(dechirp)处理后的机载斜视SAR的原始回波信号变换到距离时域方位频域，用于补偿方位向的残留相位，其中补偿函数为HDeramp(ta)：
其中，λ表示机载斜视SAR中心波长，k2(υ；R0)表示A2中包含有υ、R0的因子式，k2(υ；RC)表示A2中包含有υ、RC的因子式，A2表示方位慢时间ta的二次项系数；υ表示机载斜视SAR的载机速度，R0表示机载斜视SAR波束中心线扫过舰船目标时的斜距，RC表示方位慢时间ta＝0时舰船目标到机载斜视SAR载机之间的距离，ta表示方位慢时间。
步骤2，对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补，得到经过形态学弥补后的机载SAR二值图像S2，然后采用自适应窗的检测方法对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测，分离出D个舰船目标。
步骤2的具体子步骤为：
2.1首先对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补，得到经过形态学弥补后的机载SAR二值图像S2。
具体地，为了消除机载斜视SAR的粗聚焦成像S0中的舰船目标首尾分离现象，避免虚警发生，进而采用膨胀腐蚀算法对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补，得到经过形态学弥补后的机载SAR二值图像S2，其中对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补的过程为：
S0οU＝(S0⊕U)ΘU (9)
其中，ο表示闭操作，⊕表示膨胀操作，Θ表示腐蚀操作，U表示设定的N×N维全1的像素单元，N为自然数且取奇数，此处N＝9；形态学弥补操作是为了填补机载斜视SAR的粗聚焦成像S0轮廓线中的断裂，闭操作能够消除舰船目标首尾分离现象。
2.2初始化：k表示第k个舰船目标，且k初值为1。
2.3对D个舰船目标中第k个舰船目标Tk进行边界检测：分别计算第k个舰船目标Tk的最小距离单元ikmin、最大距离单元ikmax、最小方位单元jkmin和最大方位单元jkmax；其中，k∈{1,2,…,D}，D表示对S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数，S2表示经过形态学弥补后的机载SAR二值图像。
具体地，所述第k个舰船目标Tk的最小距离单元ikmin、最大距离单元ikmax、最小方位单元jkmin和最大方位单元jkmax，其表达式分别为：
其中，k∈{1,2,…,D}，D表示对S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数，ikmin表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最小距离单元，ikmax表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最大距离单元，jkmin表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最小方位单元，jkmax表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最大方位单元，S2表示经过形态学弥补后的机载SAR二值图像，i∈Tk，j∈Tk，i表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk包含的距离单元数，j表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk包含的方位单元数。
2.4利用D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最小距离单元ikmin、最大距离单元ikmax、最小方位单元jkmin和最大方位单元jkmax，对第k个舰船目标的自适应窗口边界进行合理设置，并结合第k个舰船目标的原图像分离出第k个舰船目标。
2.5令k加1，重复子步骤2.3到子步骤2.4，直到分离出第D个舰船目标，进而得到分离出的D个舰船目标。
步骤3，利用相邻包络的相关性对D个舰船目标分别进行包络对齐，再通过相位自聚焦算法分别进行相位聚焦，然后利用keystone变换分别进行转动越距离单元徙动校正，最后使用时频分析法分别估计方位慢时间ta的中间时刻对应的频率分布，进而得到D个舰船目标的最终ISAR成像。
步骤3的具体子步骤为：
3.1初始化：k表示第k个舰船目标，且k初值为1。
3.2采用相邻相关法、模-2距离方法、模-1距离方法或最小熵法对D个舰船目标中第k个舰船目标依次进行包络对齐、通过相位自聚焦算法进行相位自聚焦，进而计算得到相位自聚焦后第k个舰船目标的距离—慢时间域信号其中，k∈{1,2,…,D}，D表示对S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数。
具体地，分离出的D个舰船目标的处理方法相同，所以选取D个舰船目标中第k个舰船目标Tk进行处理方法的说明，假定D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的距离—慢时间域信号为s(t,ta)，其表达式为：
其中，sc(t)表示检测的第k个舰船目标Tk的边界，t表示距离快时间，ta表示方位慢时间，λ表示机载斜视SAR中心波长，Rt(ta)表示第k个舰船目标Tk平动引起的距离变化，并且对第k个舰船目标Tk包含的所有散射点的影响分别相同；c表示光速，Rr(ta)表示第k个舰船目标Tk转动引起的距离变化，并且大小与第k个舰船目标Tk包含的所有散射点的位置分别有关，也是ISAR高分辨成像的来源；k∈{1,2,…,D}，D表示对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数。
机载斜视SAR发射线性调频(LFM)信号并接收线性调频(LFM)信号的回波信号，当相邻两次接收到的回波信号中包含的D个舰船目标的转角分别小于0.01°时，由此而引起的散射点走动很小，即分离出的D个舰船目标各自实包络十分相似，进而对D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的距离—慢时间域信号为s(t,ta)进行平动补偿，所述平动补偿包括包络对齐和相位自聚焦，所述包络对齐的目的是去除第k个舰船目标Tk整体移动造成的包络徙动，采用利用相邻相关法、模-2距离方法、模-1距离方法或最小熵法对s(t,ta)进行包络对齐后，得到包络对齐后第k个舰船目标Tk的距离—慢时间域信号其表达式为：
其中，sc(t)表示检测的第k个舰船目标Tk的边界，t表示距离快时间，c表示光速，ta表示方位慢时间，λ表示机载斜视SAR中心波长，Rt(ta)表示第k个舰船目标Tk的平动距离，Rr(ta)表示第k个舰船目标Tk的转动距离，k∈{1,2,…,D}，D表示对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数。
包络对齐只是对复包络进行操作，包络对齐后第k个舰船目标Tk的距离—慢时间域信号中仍然包含Rt(ta)，此时需借助相位自聚焦算法去除Rt(ta)对相位的影响，计算得到相位自聚焦后第k个舰船目标的距离—慢时间域信号其表达式为：
其中，sc(t)表示检测的第k个舰船目标Tk的边界，t表示距离快时间，c表示光速，ta表示方位慢时间，λ表示机载斜视SAR中心波长，Rr(ta)表示第k个舰船目标Tk的转动距离，k∈{1,2,…,D}，D表示对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数。
3.3校正第k个舰船目标Tk的转动距离Rr(ta)引起的转动越距离单元徙动。
具体的，由于中的Rr(ta)是由第k个舰船目标Tk转动引起的距离变化进而产生转动越距离单元徙动，因此需要进行校正，并且第k个舰船目标Tk的运动比较复杂，即存在三个维度摇摆，导致Rr(ta)变化也比较复杂；考虑Rr(ta)对复包络的影响进行一阶近似，忽略Rr(ta)中包含加速度及其以上的分量，并利用泰勒展开式，得到Rr(ta)的近似表达式
其中，Rr0表示泰勒展开式的常数项，ta表示方位慢时间，υr表示泰勒展开式的一阶系数，Rr(ta)表示第k个舰船目标Tk的转动距离，k∈{1,2,…,D}，D表示对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数。
利用keystone变换去除Rr(ta)对复包络的影响，使得第k个舰船目标Tk的转动距离引起的越转动越距离单元徙动也被校正。
3.4对相位自聚焦后第k个舰船目标的距离—慢时间域信号进行距离单元划分，得到Lk个距离单元，进而得到Lk个距离单元各自对应的时频分布，然后取出方位慢时间ta的中间时刻对应的频率分布并按照Lk个距离单元排列顺序进行组合，得到第k个舰船目标Tk的ISAR成像。
具体的，由于相位自聚焦后第k个舰船目标的距离—慢时间域信号中的相位受到第k个舰船目标Tk的转动距离Rr(ta)的影响更为明显，导致相位自聚焦后第k个舰船目标的距离—慢时间域信号的多普勒发生时变，因此传统傅里叶变化无法准确估计出多普勒频率，需要使用时频分析法估计相位自聚焦后第k个舰船目标的距离—慢时间域信号中的时频分布，首先按分辨率大小对相位自聚焦后第k个舰船目标的距离—慢时间域信号进行距离单元划分，得到Lk个距离单元，进而得到Lk个距离单元各自对应的时频分布，然后取出方位慢时间ta的中间时刻对应的频率分布并按照Lk个距离单元排列顺序进行组合，得到第k个舰船目标Tk的ISAR成像。
3.5令k加1，重复子步骤3.1到子步骤3.3，直到得到第D个舰船目标TD的ISAR成像，进而得到D个舰船目标的最终ISAR成像。
至此，一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法处理基本完成。
通过以下仿真实验对本发明方法的有效性作进一步验证说明。
(一)舰船目标仿真数据
仿真几何模型如图3所示，图3为机载斜视SAR对舰船目标成像仿真几何示意图；在XOYZ中，机载斜视SAR的载机P以速度υ1沿X轴匀速运动，机载斜视SAR波束射线指向的斜视角为θ＝40°，机载斜视SAR的载机P所在场景中有3个舰船目标，分别为舰船目标A、舰船目标B和舰船目标C，3个舰船目标分别以速度υ2＝10m/s沿方位角度45°运动，机载斜视SAR波束中心位置放置舰船目标A，沿机载斜视SAR视线方向和垂直于机载斜视SAR视线方向分别放置舰船目标B和舰船目标C，间隔分别为1000m，此时的机载斜视SAR回波中舰船目标A和舰船目标C存在于同一距离单元内无法分开，而舰船目标A和舰船目标B存在于同一方位单元内无法分开；其中图4a是机载斜视SAR对舰船目标成像仿真的舰船正视模型图，图4b是机载斜视SAR对舰船目标成像仿真的舰船侧视模型图，图4c是机载斜视SAR对舰船目标成像仿真的舰船俯视模型图。
仿真参数包括机载斜视SAR载机运动参数和舰船运动参数，机载斜视SAR载机运动参数如表1所示、舰船运动参数如表2所示。
表1
| 载频 | 9.6GHz | PRF | 2KHz |
| 距离带宽 | 200MHz | 高度 | 15km |
| 距离采样率 | 240MHz | 斜距 | 35km |
| 方位积累时间 | 2s | 载机速度 | 150m和s |
| 方位角度 | 45o | 斜视角 | 40o |
表2
| 尺寸(长宽高) | 88m 33m 19.8m | 航速 | 10m和s |
| 横滚幅度 | 19.2° | 横滚周期 | 14.7s |
| 偏航幅度 | 1.9° | 偏航周期 | 12.2s |
| 俯仰幅度 | 1.7° | 俯仰周期 | 6.7s |
(二)仿真内容和结果分析
图5a为使用本发明方法获得的机载斜视SAR粗聚焦的成像示意图；其中包括三个舰船目标，分别是舰船目标A、舰船目标B和舰船目标C，其中舰船目标A和舰船目标C在同一距离单元上分开，舰船目标A和舰船目标B在同一方位单元内。经过舰船目标检测后，3个舰船目标被精确的选择出来，如图5b中矩形窗所示，图5b是使用本发明方法对图5a中的三个舰船目标进行检测所得到的精确舰船目标图；将检测结果返回原机载斜视SAR成像中，得到分离出的3个舰船目标，其中图5c为使用本发明方法从图5a中分离得到的舰船目标A示意图，图5d为使用本发明方法从图5a中分离得到的舰船目标B示意图，图5e为使用本发明方法从图5a中分离得到的舰船目标C示意图。容易看出，经过机载斜视SAR粗聚焦处理后的舰船目标，由于未补偿舰船自身运动分量，导致成像结果很差，无法满足成像要求，需要进一步进行机载斜视ISAR精聚焦成像。
对分离出的单个目标分别进行机载斜视ISAR成像，结果如图6a、图6b和图6c所示，图6a为使用本发明方法对图5a中分离出的舰船目标A进行机载斜视ISAR成像结果示意图，图6b为使用本发明方法对图5a中分离出的舰船目标B进行机载斜视ISAR成像结果示意图，图6c为使用本发明方法对图5a中分离出的舰船目标C进行机载斜视ISAR成像结果示意图；可见经过机载斜视ISAR成像，3个舰船目标的成像结果更加清晰，能够分辨出舰船目标的结构；另外由于舰船目标存在复杂的摇摆，每个舰船目标的机载斜视ISAR成像平面均不同，导致每个机载斜视ISAR成像对舰船目标的观测角度不同，而且由于相对于机载斜视SAR视线，3个目标转速也有差异，机载斜视ISAR成像的大小也不同。
综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性，有效性和可靠性。
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 (10)
1.一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型，得到海面舰船目标的瞬时斜距R(ta)表达式；机载斜视SAR发射线性调频信号，则得到机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)，然后对机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)依次进行距离向快速傅里叶变换、线性距离走动校正和距离向脉压，得到脉压后的机载斜视SAR的原始回波信号再对原始回波信号依次进行二维去斜处理和方位向相位补偿，得到机载斜视SAR的粗聚焦成像S0；
其中，t表示距离快时间，ta表示方位慢时间，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率；
步骤2，对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补，得到经过形态学弥补后的机载SAR二值图像S2，然后对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测，分离出D个舰船目标；
步骤3，对D个舰船目标分别依次进行包络对齐、相位聚焦、转动越距离单元徙动校正和频率分布估计，进而得到D个舰船目标的最终ISAR成像。
2.如权利要求1所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，在步骤1中，所述建立机载斜视SAR对海面舰船目标成像的几何模型，具体为：
在XOYZ中，机载斜视SAR的载机P以速度υ沿X轴匀速运动，机载斜视SAR波束射线指向的斜视角为θ，方位慢时间ta＝0时舰船目标在X轴的速度分量为υx，ta＝0时舰船目标在Y轴的速度分量为υy，方位慢时间ta＝0时舰船目标在Z轴的速度分量的速度分量为υz，机载斜视SAR波束射线指向的斜视角为θ，舰船目标所在场景中心为Q。
3.如权利要求1所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，在步骤1中，所述海面舰船目标的瞬时斜距R(ta)、所述机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)和所述脉压后的机载斜视SAR的原始回波信号其表达式分别为：
其中，υ表示机载斜视SAR的载机速度，ta表示方位慢时间，h表示ta＝0时机载斜视SAR的载机高度，υx表示ta＝0时舰船目标在X轴的速度分量，υy表示ta＝0时舰船目标在Y轴的速度分量，υz表示ta＝0时舰船目标在Z轴的速度分量的速度分量，θ表示机载斜视SAR波束射线指向的斜视角，R0表示机载斜视SAR波束中心线扫过舰船目标时的斜距，c表示光速，t表示距离快时间，R(ta)表示海面舰船目标的瞬时斜距，γ表示机载斜视SAR发射线性调频信号的调频率，λ表示机载斜视SAR中心波长，ωr(·)表示机载斜视SAR发射线性调频信号的窗函数，ωa(·)表示机载斜视SAR发射线性调频信号的方位窗函数，exp[·]表示指数函数，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率，fc表示机载斜视SAR的中心载频，k1(υ；RC)表示A1中包含υ、RC的因子式，A1表示方位慢时间ta的一次项系数，RC表示方位慢时间ta＝0时舰船目标到机载斜视SAR载机之间的距离；A2表示方位慢时间ta的二次项系数，A3表示方位慢时间ta的三次项系数，A4表示方位慢时间ta的四次项系数。
4.如权利要求1所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，在步骤1中，所述对机载斜视SAR的原始回波信号s(t；ta)依次进行距离向快速傅里叶变换、线性距离走动校正和距离向脉压，其中进行线性距离走动校正时使用的校正函数为HLRWC(fr，ta)，其表达式为：
其中，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率，fc表示机载斜视SAR的中心载频，ta表示方位慢时间，c表示光速，k1(υ；RC)表示k1中包含有υ、RC的因子式，RC表示方位慢时间ta＝0时舰船目标到机载斜视SAR载机之间的距离。
5.如权利要求1所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，在步骤1中，所述对依次进行二维去斜处理和方位向相位补偿，其中二维去斜处理时使用的函数为HDechirp(fr，ta)，其表达式为：
其中，fc表示机载斜视SAR的中心载频，fr表示机载斜视SAR发射线性调频信号的距离频率，k2(υ；RC)表示A2中包含有υ、RC的因子式，A2表示方位慢时间ta的二次项系数；υ表示机载斜视SAR的载机速度，RC表示方位慢时间ta＝0时舰船目标到机载斜视SAR载机之间的距离，c表示光速。
6.如权利要求1所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，在步骤2中，所述对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补，具体是采用膨胀腐蚀算法对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补，其过程为：
其中，表示闭操作，表示膨胀操作，Θ表示腐蚀操作，U表示设定的N×N维全1的像素单元，N为自然数且取奇数。
7.如权利要求1所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，在步骤2中，所述分离出D个舰船目标，过程为：
2.1 首先对机载斜视SAR的粗聚焦成像S0进行形态学弥补，得到经过形态学弥补后的机载SAR二值图像S2；
2.2 初始化：k表示第k个舰船目标，且k初值为1；
2.3 对D个舰船目标中第k个舰船目标Tk进行边界检测：分别计算第k个舰船目标Tk的最小距离单元ikmin、最大距离单元ikmax、最小方位单元jkmin和最大方位单元jkmax，其表达式分别为：
其中，k∈{1，2，…，D}，D表示对S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数，ikmin表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最小距离单元，ikmax表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最大距离单元，jkmin表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最小方位单元，jkmax表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最大方位单元，S2表示经过形态学弥补后的机载SAR二值图像，i∈Tk，j∈Tk，i表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk包含的距离单元数，j表示D个舰船目标中第k个舰船目标Tk包含的方位单元数；
2.4 利用D个舰船目标中第k个舰船目标Tk的最小距离单元ikmin、最大距离单元ikmax、最小方位单元jkmin和最大方位单元jkmax，对第k个舰船目标的自适应窗口边界进行设置，进而分离出第k个舰船目标；
2.5 令k加1，重复子步骤2.3到子步骤2.4，直到分离出第D个舰船目标，进而得到分离出的D个舰船目标。
8.如权利要求1所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，在步骤3中，所述D个舰船目标的最终ISAR成像，其得到过程为：
3.1 初始化：k表示第k个舰船目标，且k初值为13.2对D个舰船目标中第k个舰船目标依次进行包络对齐和相位自聚焦，依次计算得到相位自聚焦后第k个舰船目标的距离-慢时间域信号和第k个舰船目标Tk的转动距离Rr(ta)；其中，k∈{1，2，…，D}，D表示对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数；
3.3 校正第k个舰船目标Tk的转动距离Rr(ta)引起的转动越距离单元徙动；
3.4 对相位自聚焦后第k个舰船目标的距离-慢时间域信号进行距离单元划分，得到Lk个距离单元，进而得到Lk个距离单元各自对应的时频分布，然后取出方位慢时间ta的中间时刻对应的频率分布并按照Lk个距离单元排列顺序进行组合，得到第k个舰船目标Tk的ISAR成像；
3.5 令k加1，重复子步骤3.1到子步骤3.3，直到得到第D个舰船目标TD的ISAR成像，进而得到D个舰船目标的最终ISAR成像。
9.如权利要求8所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，所述相位自聚焦后第k个舰船目标的距离-慢时间域信号其表达式为：
其中，sc(t)表示检测的第k个舰船目标Tk的边界，t表示距离快时间，c表示光速，ta表示方位慢时间，λ表示机载斜视SAR中心波长，Rr(ta)表示第k个舰船目标Tk的转动距离，k∈{1，2，…，D}，D表示对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数。
10.如权利要求8所述的一种机载雷达的多舰船目标SAR和ISAR混合成像方法，其特征在于，所述校正第k个舰船目标Tk的转动距离Rr(ta)引起的越距离单元徙动，包括：忽略Rr(ta)中包含加速度及其以上的分量，并利用泰勒展开式，得到Rr(ta)的近似表达式
其中，Rr0表示泰勒展开式的常数项，ta表示方位慢时间，υr表示泰勒展开式的一阶系数，Rr(ta)表示第k个舰船目标Tk的转动距离，k∈{1，1，…，D}，D表示对机载SAR二值图像S2进行舰船目标边界检测后分离出的舰船目标总个数。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |