CN106405550A

CN106405550A - 一种高速目标isar精确成像建模方法

Info

Publication number: CN106405550A
Application number: CN201610825035.8A
Authority: CN
Inventors: 周芳; 杨学志; 夏天; 夏晶凡
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2017-02-15

Abstract

本发明公开了一种高速目标ISAR精确成像建模方法，主要解决常规成像模型因假设雷达信号发射、传播和接收过程中目标静止而带来的模型误差的问题。其实现过程是：首先基于常规成像模型，忽略雷达收发过程中目标的运动，得到各慢时间目标与雷达之间的瞬时距离；然后考虑实际雷达脉冲发射、传播和接收过程中空间目标运动情况，根据雷达回波信号的收发时间关系建立精确成像模型的方程组，由此得到雷达脉冲发射到接收的总时间延迟和各慢时间目标与雷达之间的瞬时距离；最后结合发射信号的具体形式，可以得到目标回波的具体表达，进而确定高速目标ISAR精确成像模型。

Description

一种高速目标ISAR精确成像建模方法

技术领域

本发明涉及逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)成像技术领域，具体是一种针对空间高速运动目标的利用地基ISAR进行成像时所必需的精确的成像建模方法。

技术背景

伴随着信息技术的发展和应用需求的提升，为了获得更高分辨率更大成像场景的图像，除了对各种成像算法进行研究改进，还需要对信号补偿技术进行研究。在雷达信号发射、传播、接收、处理的各个过程里，存在方方面面的误差干扰影响最终获得的雷达图像的效果，这些误差干扰就包括模型误差。因此，研究ISAR成像建模技术有重要的理论意义和实用价值。

模型误差是指回波分析及成像算法中建立的回波信号模型和实际回波情况之间的差异。在SAR/ISAR成像中，大部分现有回波分析及成像算法均是假设雷达信号传播过程中目标不发生相对运动的模型下开展的，此种假设由于和实际情况存在差异，因此带来成像模型误差最终将会导致后续的成像处理效果大大降低。假设带来的成像模型误差仅在目标速度较低的情况下可以忽略，或者在成像效果要求很低的情况下可以忽略，而在星载SAR成像及对卫星、导弹等高速运动目标ISAR成像中，假设带来的成像模型误差会严重影响高分辨率成像效果。

因此，针对存在目标高速相对运动情况下的雷达成像模型研究，应减小理论假设与实际情况之间的差异，努力提高雷达信号发射-接收的总时延和目标-雷达的瞬时距离的计算精度，从而提高成像建模的精度，以提高最终成像效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速目标ISAR精确成像建模方法，旨在通过精确计算得到成像模型中的两个最重要的参数：发射-接收的总时延和目标-雷达的瞬时距离，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：

一种高速目标ISAR精确成像建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)忽略雷达信号发射、传播和接收过程中目标的运动，即认为在雷达信号发射、传播和接收过程中目标与ISAR雷达的距离保持不变，则目标与雷达在慢时间t_m时的瞬时距离表达式为：

R_p(t_m)＝R_o+v_rt_m+y_pcos(ωt_m)-x_psin(ωt_m)

其中，R_o为目标与雷达的初始距离，v_r为目标平动速度，t_m为慢时间，(x_p,y_p)为目标第P个散射点的坐标，ω为转动速度。

(2)充分考虑到雷达信号发射、传播和接收过程中目标的运动，建立符合高速目标运动几何的目标与ISAR雷达距离表达方程式。

假设雷达发射的电磁波在传播到运动目标时，立刻被运动目标反射并沿着原路返回。设雷达信号发射时刻为(t_s,t_m)，雷达信号在(t_s+τ/2,t_m)时刻到达目标并立刻被目标反射，雷达接收到被目标反射的回波信号时刻为(t_r,t_m)。那么，根据收发时间关系可得到如下距离方程组：

其中，c为真空中的光速，τ为信号从发射到接收的总时间延迟，R_p(t_s+τ/2,t_m)为符合实际情况的目标到雷达的精确的瞬时距离。

(3)以总时间延迟τ为未知数，对步骤(2)中的距离方程组进行求解，可得从，雷达脉冲发射到接收的总时间延迟τ为：

从而可得在雷达接收到目标反射的回波时刻，目标与雷达之间精确的瞬时距离R_p(t_r,t_m)为：

(4)利用成像模型中最重要的两个参数：总时间延迟τ和精确的瞬时距离R_p(t_r,t_m)，结合发射信号的具体形式，就可以得到针对高速目标的ISAR成像回波信号的具体表达，进而确定高速目标ISAR精确成像模型。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明克服了传统成像模型中假设空间目标在雷达信号发射、传播和接收过程中静止不动带来的模型误差问题，充分考虑到雷达信号的完整收发过程中，空间目标与雷达存在高速相对运动的情况，建立了精确的雷达回波发射-接收的总时延和目标-雷达的瞬时距离的表达式，构建针对高速目标的ISAR精确成像模型。本发明提出的成像模型减小了常规模型中的误差，得到的雷达回波发射-接收的总时延和目标-雷达的瞬时距离更为精确，有利于后续雷达成像处理，提高最终的成像聚焦效果。

附图说明

图1是精确回波信号模型的雷达信号传播示意图。

图2是常规成像模型与精确模型的目标-雷达的瞬时距离之间的差异。

具体实施方式：

针对高速目标的ISAR精确成像建模方法，包括以下步骤：

步骤一：基于常规成像模型，忽略雷达信号发射、传播和接收过程中目标的运动，得到各慢时间目标与雷达之间的瞬时距离。

步骤二：考虑雷达脉冲发射、传播和接收过程中快速运动的空间目标的运动情况，根据实际的雷达回波信号的收发时间关系建立方程组，得到精确的各慢时间目标与雷达之间的瞬时距离和雷达脉冲发射到接收的总时间延迟。

步骤三：利用步骤二中得到的成像模型中最重要的两个参数，结合发射信号的具体形式，可以得到针对高速目标的ISAR成像回波信号的具体表达，进而确定高速目标ISAR精确成像模型。

至此，高速目标ISAR精确成像建模方法的模型基本构建完成。

以下通过精确成像模型与常规成像模型(假设目标在雷达收发过程中静止)在目标-雷达的瞬时距离数值计算的对比试验进一步说明本发明的必要性。对比试验如下：

1.实验设置:

模型误差对比仿真实验中，各参数如下：

雷达载频为10GHz，脉冲宽度为40us，初始斜距为300km，目标平动速度为2500m/s，平动加速度为-200m/s²，旋转角速度为0.05rad/s。

2.结果分析

从图二可看出，常规成像模型与本发明提出的精确成像模型在目标-雷达的瞬时距离上存在米级的误差量，且误差量会随着合成孔径时间(ISAR雷达有效的成像观察时间)的增大而逐渐增大。

目前，高分辨以成为雷达成像的发展趋势，雷达分辨率常达到亚米级甚至厘米级，因此由常规成像模型的目标静止假设带来的米级误差在高分辨雷达成像中将不可容忍，会对最终的成像结果带来严重的影响。在高分辨雷达成像要求下，本发明提出的高速目标ISAR精确成像建模方法将显著提高成像效果，相对常规成像模型具有显著的优势。

Claims

1.一种高速目标ISAR精确成像建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

R_p(t_m)＝R_o+v_rt_m+y_pcos(ωt_m)-x_psin(ωt_m)

\{\begin{matrix} R_{p} (t_{s} + τ / 2, t_{m}) = R_{p} (t_{m}) + v_{r} (t_{s} + τ / 2) \\ R_{p} (t_{s} + τ / 2, t_{m}) = c τ / 2 \\ t_{r} - τ / 2 = t_{s} + τ / 2 \end{matrix}

其中，c为真空中的光速，τ为信号从发射到接收的总时间延迟，R_p(t_s+τ/2,t_m)为目标到雷达的精确的瞬时距离。

(3)以总时间延迟τ为未知数，对步骤(2)中的距离方程组进行求解，可得从，雷达脉冲发射-接收的总时间延迟τ为：

τ = τ (t_{r}, t_{m}) = \frac{2 R_{p} (t_{m})}{c + v_{r}} + \frac{2 v_{r}}{c + v_{r}} t_{r} .

从而可得在雷达接收到目标反射的回波时刻，目标与雷达之间精确的目标-雷达的瞬时距离R_p(t_r,t_m)为：

R_{p} (t_{r}, t_{m}) = \frac{c}{2} τ = \frac{c}{c + v_{r}} R_{p} (t_{m}) + \frac{{cv}_{r}}{c + v_{r}} t_{r}