CN106291552A - 一种能够去除突跳和漂移误差的改进isar距离对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够去除突跳和漂移误差的改进ISAR距离对准方法，主要用于解决全局最小熵距离对准算法的突跳误差和成块距离漂移问题，包括顺序执行的以下步骤：步骤一、采用全局最小熵算法对ISAR脉压数据进行距离对准；步骤二、计算距离对准后每条回波与相邻一维距离像的归一化相关系数；步骤三、通过分析归一化相关系数判断回波数据是否为突跳脉冲；步骤四、通过突跳脉冲与相邻脉冲互相关将成块距离漂移的脉冲对齐；步骤五、对步骤四中获得的对准数据进行图像处理，得到距离对准图像的边缘轨迹；步骤六、利用Radon变换计算步骤五两条边缘轨迹的倾斜角；步骤七、根据步骤六得到的倾斜角对步骤四对准数据进行倾斜校正，获得ISAR高精度距离对准结果。

Description

一种能够去除突跳和漂移误差的改进ISAR距离对准方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术，特别是一种ISAR成像技术。

背景技术

逆合成孔径雷达(Inverse-Synthetic-Aperture-Radar，简称ISAR)距离对准是消除目标相对于雷达平动造成的相邻回波在距离向上的错位，对准后，目标上同一散射点的信号在不同的回波脉冲中都位于同一距离单元中。典型的算法有：相邻包络互相关法、时域和频域积累互相关法、包络最大修正峰度法、全局对准算法和全局最小熵算法等。全局最小熵算法是以平均距离像(Average range profile，简称ARP)熵最小为原则作为对准依据，通过迭代的方法使其对准效果更优。这类算法对脉冲样本之间的相关性要求不高，同时可以较好地抑制突跳和漂移误差，尤其当遇到回波有间断或回波突跳的情况时该算法具有较好的鲁棒性。

由于孔径时间内目标相对雷达的转动，回波相关性有较为复杂的变化，并且相关性总体呈下降趋势，该变化对全局最小熵算法对准准确性有一定影响，会造成脉冲突跳以及成块脉冲距离漂移的问题，对准的漂移误差会造成ISAR经过相位梯度自聚焦算法(PhaseGradient Autofocus，简称PGA)处理后成像出现散焦和重影现象。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种能够去除突跳和漂移误差的改进ISAR距离对准方法，用于解决现有距离对准算法在目标运动复杂情况下的突跳和成块漂移误差造成的成像散焦和重影问题。

技术方案：

一种能够去除突跳和漂移误差的改进ISAR距离对准方法，包括顺序执行的以下步骤：

步骤一：采用全局最小熵算法对ISAR脉压数据进行距离对准获得最小熵对准数据；

步骤二：计算距离对准后每条回波数据与相邻一维距离像的归一化相关系数；

步骤三：通过分析归一化相关系数判断回波数据是否为突跳脉冲；

步骤四：通过突跳脉冲与相邻脉冲互相关将成块距离漂移的脉冲对齐；

步骤五：对步骤四中获得的对准数据进行图像处理，得到距离对准图像的两条边缘轨迹；

步骤六：利用Radon变换计算步骤五中两条边缘轨迹的倾斜角；

步骤七：根据步骤六得到的倾斜角对步骤四中获得的对准数据进行倾斜校正，获得改进ISAR高精度距离对准结果。

进一步，本发明中解决距离对准突跳和成块漂移误差的过程：

所述步骤三中：先计算归一化相关系数的平均值，将每条回波数据的归一化相关系数与上述平均值比较，若归一化相关系数小于一定范围，判定为突跳脉冲；

所述步骤四中：通常在最小熵距离对准算法中为实现亚单元对准精度，采用频域补零实现时域插值。为不破坏对准精度，首先根据对准数据频谱特性补零，补零倍数一般为8倍，然后返回到距离时域计算突跳脉冲与相邻脉冲互相关函数最大时对应的偏移量，最后将偏移量除以相应补零倍数构造频移因子，实现该突跳脉冲与下一个突跳脉冲间所有漂移脉冲的对准。

所述步骤五中：利用canny算子提取去除成块漂移对准图像边缘，再利用形态学图像闭运算处理填充边缘孔洞，再提取边缘得到两条倾斜的边缘轨迹；

所述步骤六中：利用Radon变换计算两条边缘轨迹的倾斜角，取两倾斜角平均值，即为去除成块距离漂移的距离对准图像倾斜角度；

所述步骤七中：利用步骤六所得平均倾斜角度计算倾斜斜率，对步骤四所得去除距离漂移的对准数据进行倾斜校正。

有益效果：

本发明将归一化相关系数作为脉冲相关性能评价标准检测突跳脉冲，对于降低成像质量的突跳脉冲数据，不是采用剔除的方式，而是利用与其前一个相邻脉冲互相关计算偏移量将成块漂移脉冲对准，解决了传统ISAR距离对准突跳和漂移误差；

考虑到成块漂移脉冲对准后引入的距离对准图像倾斜问题，首次提出利用图像处理方法对距离对准结果做倾斜校正；经过成块漂移脉冲对准和倾斜校正后的距离对准数据利用PGA相位补偿后的成像结果聚焦效果有了很大改善，消除了重影。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为Radon变换原理说明图；

图3为传统距离对准算法处理结果；

图4为归一化相关系数值；

图5为成块距离漂移对准后结果；

图6是图像处理结果；图6(a)为canny算子提取边缘图像，图6(b)是闭运算后二值图，图6(c)是提取的两条边缘轨迹；

图7是Radon变换检测结果图；图7(a)为上边缘轨迹Radon变换结果图，图7(b)为下边缘轨迹Radon变换结果图；

图8是倾斜校正后对准结果；

图9是经过PGA相位补偿后成像结果图；图9(a)为传统全局最小熵对准后成像结果图，图9(b)为成块漂移对准后成像结果图，图9(c)为倾斜校正后成像结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示为本发明的基于归一化相关系数和图像处理的ISAR距离对准改进方法的流程图。包含的处理步骤可以归为两个阶段。第一价段为预处理，将ISAR脉压数据经过传统全局最小熵算法进行距离对准。第二阶段可以分为两个部分，第一部分为去除突跳和成块距离漂移，第二部分为基于图像处理的倾斜校正。

首先对去除突跳和成块距离漂移问题进行说明。

在最小熵距离对准后，利用(1)式计算每条回波与其相邻的脉冲回波即相邻一维距离像的归一化相关系数：

$cor\left(n\right)=\frac{s_n^T{s}_{n-1}}{\sqrt{\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{s}_n^2\left(m\right)}\sqrt{\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{s}_{n-1}^2\left(m\right)}},1\≤n\≤N---\left(1\right)$

其中s_n和s_n-1为两个相邻脉冲回波，N为脉冲数，M为距离单元数，m为距离单元序号，n为回波序号，T代表转置。

在已有归一化相关系数的基础上判断是否为突跳脉冲，先利用(2)式计算归一化相关系数的平均值：

$cor\_ave=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}cor\left(n\right)---\left(2\right)$

若cor(n)<cor_ave-Δ，则s_n为突跳脉冲，Δ视具体数据取值，数据质量好即脉冲之间相关性很强(相关系数的平均值很接近1)的情况下δ值小一点，可取0.02-0.04，否则Δ应大点，取0.1左右。

将最小熵对准数据傅里叶变换至距离向频域，根据频谱对称性补零后逆傅里叶变换至距离时域。将内插处理后突跳脉冲与前一个相邻脉冲互相关，求互相关函数取最大值对应的距离偏移量，互相关函数为下列(3)式：

$R\left(s\right)=\frac{\&Integral;S_i^{*}\left(r\right)S_{i-1}(r+s)dr}{{\&lsqb;\&Integral;|S_i\left(r\right){|}^{2}dr\&CenterDot;\&Integral;|S_{i-1}\left(r\right){|}^{2}dr\&CenterDot;\&rsqb;}^{1/2}}---\left(3\right)$

其中S_i(r)和S_i-1(r)为突跳脉冲对应的一维距离像及其相邻一维距离像，r为距离偏移量，i表示脉冲序号，表示S_i(r)取共轭。

用每个突跳脉冲计算得到的偏移量除以相应补零倍数构造频移因子，利用离散傅里叶变换性质频移特性通过频域乘以线性相位因子实现亚距离单元的时域移位，将该突跳脉冲与下一个突跳脉冲之间所有成块距离漂移脉冲对准。

接下来对基于图像处理的倾斜校正进行说明。

在去除突跳和成块距离漂移之后，对准结果因为偏移量积累会出现距离倾斜，如果不进行倾斜校正将会降低成像质量。倾斜校正需要得到距离对准边缘轨迹，再利用Radon变换检测倾斜角。

首先通过canny算子检测目标距离对准边缘。canny算子是一种性能优良的边缘检测算子，由下列基本步骤组成：用高斯滤波器平滑距离对准图像；用一阶偏导的有限差分来计算梯度值和方向角；对梯度幅值进行非极大值抑制；用双阈值处理和连接分析来检测并连接边缘。

然后利用形态学闭运算填充边缘孔洞，闭运算为先膨胀后腐蚀的过程。膨胀是将与物体接触的所有背景点合并到该物体中，使边界向外部扩张的过程；腐蚀是一种消除边界点，使边界向内部收缩的过程；闭运算用来填充物体内细小孔洞、连接临近物体、平滑其边界的同时并不明显改变其面积。形态学闭运算处理后提取边缘，即得到两条距离对准边缘轨迹。

接着，利用Radon变换计算两条边缘轨迹倾斜角。Radon变换可在任意维空间定义，下列(4)式给出在2维空间的定义式：

$R(\mathrm{\&rho;},\mathrm{\&theta;})=\underset{D}{\&Integral;\&Integral;}f(x,y)\mathrm{\&delta;}(\mathrm{\&rho;}-xcos\mathrm{\&theta;}-ysin\mathrm{\&theta;})dxdy---\left(4\right)$

式中，D为整个图像xy平面；如图2所示，f(x,y)对应原始数据域中的直线A在图像点(x,y)的灰度；ρ为坐标原点到直线A的距离；θ为以坐标原点与坐标原点在直线A上的垂直投影点所形成的连线与x轴的夹角。δ表示冲激函数。它使f(x,y)沿直线ρ＝x cosθ+y sinθ进行积分。图像中每条直线会在ρ-θ空间形成一个亮点，直线的检测转化为在ρ-θ变换域对亮点的检测。

通过Radon变换计算出两条边缘轨迹倾斜角后，取其平均值，得到距离对准图像倾斜角。计算出倾斜斜率，对距离对准数据进行距离倾斜校正，得到高精度ISAR距离对准结果。

最后，进行PGA相位补偿，利用RD算法实现ISAR高分辨率成像。

利用弹头仿真数据对本发明提出的基于归一化相关系数和图像处理的ISAR距离对准改进方法进行了验证，实验结果充分证明了本发明的有效性。

采用全局最小熵算法对弹头脉压数据进行距离对准，结果如图3所示。其中水平方向为方位向，垂直方向位距离向，后文图像与此相同，不再赘述。图3中用箭头指示部分漂移脉冲放大情形以便于观察。

图4是所有脉冲归一化相关系数值，可以看出大部分脉冲归一化相关系数稳定于0.95-0.99，而有少数脉冲归一化相关系数明显小于一定范围，弹头仿真数据设定δ＝0.04，可找出这些突跳脉冲并标记。

图5是去除突跳和成块距离漂移后的对准图，用箭头指示与图3对应位置放大情形，可以看到原突跳和漂移去除，但对准结果引入了距离倾斜，因此需要倾斜校正。

图6(a)是canny算子边缘检测结果，图6(b)是边缘检测后闭运算结果，图6(c)是进一步提取边缘结果。可以看到，经过一系列图像处理过程，提取出了对准结果的两条倾斜的边缘轨迹。

图7(a)是上边缘轨迹Radon变换检测结果，图7(b)是下边缘轨迹Radon变换检测结果。其中峰值对应的横坐标是积分方向角度，转换后可以得到直线倾斜角。可以得到两条边缘直线对应的倾斜角分别为0.943°和1.033°，求平均值得到0.988°。

图8是倾斜校正后对准结果，可以看到解决了突跳和漂移误差，并去除了距离倾斜，实现了高精度距离对准。

图9是采用不同对准结果的成像图。图9(a)是直接全局最小熵对准后成像图，图9(b)是去突跳和成块漂移后成像图，图9(c)是本发明最终倾斜校正后成像结果图。可以看到，图9(a)存在明显的散焦和重影现象；图9(b)虽然去除了重影，但由于距离倾斜使得成像结果模糊；图9(c)经过倾斜校正后，不仅保留了原有散射点分辨率，还去除了重影。可以看出，本发明提出的方法实现了没有重影的高分辨率ISAR成像。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种能够去除突跳和漂移误差的改进ISAR距离对准方法，其特征在于：包括顺序执行的以下步骤：

步骤一、采用全局最小熵算法对ISAR脉压数据进行距离对准获得最小熵对准数据；

步骤二、计算距离对准后每条回波数据与相邻一维距离像的归一化相关系数；

步骤三、通过分析归一化相关系数判断回波数据是否为突跳脉冲；

步骤四、通过突跳脉冲与相邻脉冲互相关将成块距离漂移的脉冲对齐；

步骤五、对步骤四中获得的对准数据进行图像处理，得到距离对准图像的两条边缘轨迹；

步骤六、利用Radon变换计算步骤五中两条边缘轨迹的倾斜角；

步骤七、根据步骤六得到的倾斜角对步骤四中获得的对准数据进行倾斜校正，获得改进ISAR距离对准结果。

2.根据权利要求1所述的一种能够去除突跳和漂移误差的改进ISAR距离对准方法，其特征在于：

所述步骤三中，先计算归一化相关系数的平均值，将每条回波数据的归一化相关系数与上述平均值比较，若归一化相关系数与归一化相关系数的平均值之间的差值小于设定范围，判定为突跳脉冲；

所述步骤四中，首先将最小熵对准数据傅里叶变换至距离向频域进行补零，然后逆傅里叶变换到距离时域，计算突跳脉冲与其前一个相邻脉冲的互相关函数最大时对应的距离偏移量，最后将每个突跳脉冲计算得到的距离偏移量除以相应补零倍数构造频移因子，利用离散傅里叶变换性质频移特性通过频域乘以线性相位因子实现亚距离单元的时域移位，实现该突跳脉冲与下一个突跳脉冲间所有漂移脉冲的对准；

所述步骤五中，利用canny算子提取去除成块漂移对准图像的边缘，再利用形态学图像闭运算处理填充边缘孔洞，再提取边缘得到两条倾斜的边缘轨迹；

所述步骤六中，利用Radon变换计算两条边缘轨迹的倾斜角，取两倾斜角平均值，即为去除成块距离漂移的距离对准图像倾斜角度；

所述步骤七中，利用步骤六所得去除成块距离漂移的距离对准图像倾斜角度计算倾斜斜率，对步骤四所得的去除距离漂移的对准数据进行倾斜校正。