CN107153191B - 一种针对隐形飞机的双基isar成像检测方法 - Google Patents

一种针对隐形飞机的双基isar成像检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法，主要解决了隐形飞机不能被单基地ISAR有效识别的问题。其实现过程是：（1）精确表达隐身飞机的点目标回波信息；（2）进行距离压缩处理；（3）进行包括距离走动距离徙动校正；（4）完成方位压缩得到方位聚焦结果；（5）对信号进行距离和方位的二维逆傅里叶变换，变换到二维时域得到高分辨率的成像结果。本发明具有聚焦效果较好的高分辨率成像结果，可利用双基地ISAR的成像处理方法可以对隐形飞机进行有效的检测。

Description

一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法
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，具体是一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法。
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。
与一般的双基地雷达相同，双基地逆合成孔径雷达(Bistatic InverseSynthetic Aperture Radar，BiISAR)是将ISAR的发射机平台和接收机平台分置于不同的空间位置上，利用后向散射波来获得目标回波信号，再通过适当的信号处理，最终对目标进行雷达成像。双基地ISAR通常发射大带宽信号以获得距离向高分辨能力，而方位向高分辨能力则是利用目标与收、发雷达之间相对转动产生的多普勒信息来实现的。
传统的单基地ISAR的发射机和接收机是一体的，而双基地ISAR的发射机、接收机是分置的，所以双基地ISAR能够比单基地ISAR获得更丰富的目标信息。对于一些隐身目标如隐形飞机来说，它们正是通过减少正前方方向的雷达散射截面积(Radar CrossSection，RCS)使单基地ISAR探测不到，达到隐身的效果。
而双基地ISAR探测角度的范围较大，其接收微弱信号的能力要远大于单基地ISAR，它在接收回波能量上有着较大优势，隐形飞机上一些不能被单基地ISAR检测到的弱散射点可以被双基地ISAR检测到。所以双基地ISAR对隐形飞机有着较好的显隐身性能，能够对隐形飞机进行有效地检测与识别，使得双基地ISAR在军事方面有很强的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法，以解决隐形飞机不能被单基地ISAR有效识别的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)利用距离—多普勒成像算法在精确回波信号模型下表示ISAR接收到的观测目标的反射回波信号，反射回波信号公式如下：
公式(1)中，ar(·)和aa(·)分别为雷达线性调频信号的窗函数和方位窗函数，tr为快时间，tm为慢时间，R(tm)是与慢时间有关的瞬时斜距，C为光速，exp为以自然对数e为底的指数函数，j为虚数单位，γ为发射信号的调频率，λ为信号波长；
(2)对反射回波信号构造距离压缩函数H1、距离徙动校正函数H2和H3、方位压缩函数H4，再分别与回波信号进行对应域的数据处理，过程如下：
2a)构造距离压缩函数H1：
公式(2)中，ar(·)为雷达线性调频信号的窗函数，tr为快时间，γ为发射信号的调频率；
2b)构造距离徙动校正函数H2和H3：
距离徙动包括距离走动和距离弯曲，在距离频域-方位时域构造距离走动项补偿函数：
公式(3)中，ΔR(tm)是距离走动项，C为光速，fc为信号载频，fr为快时间对应的距离频率；
在距离频域-方位频域构造距离弯曲项补偿函数：
公式(4)中，fa为慢时间对应的方位频率，C为光速，R0为雷达距观测目标的初始距离，fr为快时间对应的距离频率，fc为信号载频，θ0为雷达斜视角，V为观测目标的飞行速度；
2c)构造方位压缩函数：
在距离频域-方位频域构造方位向匹配函数H4，如公式(5)所示：
公式(5)中，fa为慢时间对应的方位频率，C为光速，R0为雷达距观测目标的初始距离，fc为信号载频，θ0为雷达斜视角，V为观测目标的飞行速度；
2d)数据处理
将反射回波信号公式(1)和公式(2)的距离压缩函数H1都利用FFT变换到距离频域进行相乘即可完成距离压缩处理。
将公式(3)的距离走动项补偿函数H2与距离压缩之后得到的信号在距离频域-方位时域进行相乘可完成对距离走动项的补偿。将公式(4)的距离弯曲项补偿函数H3与完成距离走动补偿的信号在距离频域-方位频域相乘，即可对距离弯曲项进行补偿。至此已完成距离徙动校正的处理。
将公式(5)的方位向匹配函数H4与完成距离徙动校正的信号相乘可以得到方位聚焦后的结果。
(3)对完成步骤(2)的回波信号进行距离向和方位向上的快速傅里叶逆变换，可得到距离时域-方位时域里二维聚焦的观测目标图像。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1)本发明是针对隐形飞机的有效检测而提出的ISAR成像方法，充分考虑到隐形飞机是通过减少RCS这一原理来使单基地ISAR探测不到，完善了相应的理论研究。
2)本发明考虑了隐形飞机上一些弱散射点的回波特点，提出了相应的处理方法，利用双基地ISAR对隐形飞机进行有效地检测与识别。
3)本发明提出的一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法完整地还原了隐形飞机上点目标回波的真实情况，并获得了较好的二维高分辨率的成像聚焦结果。
附图说明
图1是本发明的一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法的流程图。
图2是用来模拟隐形飞机的原始点目标模型，其中被黑框圈住的8个点是弱散射点，不能被单基地ISAR探测到。
图3是本发明中成像方法得到的单基地ISAR隐形飞机成像结果图。
图4是本发明中成像方法得到的双基地ISAR隐形飞机成像结果图。
具体实施方式
如图1所示，一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法，包括以下步骤：
步骤一
利用距离—多普勒成像算法对双基地ISAR接收到的观测目标的反射回波信号进行数学建模。
反射回波信号公式如下：
公式(1)中，ar(·)和aa(·)分别为雷达线性调频信号的窗函数和方位窗函数，tr为快时间，tm为慢时间，R(tm)是与慢时间有关的瞬时斜距，C为光速，exp为以自然对数e为底的指数函数，j为虚数单位，γ为发射信号的调频率，λ为信号波长。
步骤二
在得到回波信号之后，要对其进行包括距离压缩、距离徙动校正、方位压缩在内的数据处理。距离压缩是获得距离向高分辨率的有效处理方法，也是成像处理的基本步骤；而距离徙动校正结果的好坏也直接影响成像结果；方位压缩能够得到良好的方位聚焦效果，进而得到二维高分辨率的成像结果，过程如下：
a)距离压缩：
根据观测目标的反射回波信号，可构造距离向系统匹配函数H1如公式(2)所示：
公式(2)中，ar(·)为雷达线性调频信号的窗函数，tr为快时间，γ为发射信号的调频率。
将距离向系统匹配函数H1和公式(1)的回波信号变换到距离频域进行相乘即可完成距离压缩处理，可以获得距离向高分辨率。
b)距离徙动校正：
距离徙动包括距离走动和距离弯曲，在距离频域-方位时域构造补偿距离走动项的线性相位函数H2如公式(3)所示：
公式(3)中，ΔR(tm)是距离走动项，C为光速，fc为信号载频，fr为快时间对应的距离频率。
将此线性相位函数H2与距离压缩之后得到的信号在距离频域-方位时域进行相乘可完成对距离走动项的补偿。
在距离频域-方位频域构造包括补偿距离弯曲项在内的二次距离压缩函数H3，如公式(4)所示：
公式(4)中，fa为慢时间对应的方位频率，C为光速，R0为雷达距观测目标的初始距离，fr为快时间对应的距离频率，fc为信号载频，θ0为雷达斜视角，V为观测目标的飞行速度。
将此二次距离压缩函数H3与完成距离走动补偿的信号在距离频域-方位频域中相乘即可对距离弯曲项进行补偿。至此已完成距离徙动校正的处理。
c)方位压缩：
在距离频域-方位频域构造方位向匹配函数H4，如公式(5)所示：
公式(5)中，fa为慢时间对应的方位频率，C为光速，R0为雷达距观测目标的初始距离，fc为信号载频，θ0为雷达斜视角，V为观测目标的飞行速度。
将此方位向匹配函数H4与完成距离徙动校正的信号相乘可以得到方位聚焦后的结果。
步骤三
对完成步骤二的回波信号进行距离向和方位向上的快速傅里叶逆变换，可得到距离时域-方位时域里二维聚焦的观测目标图像。至此，一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测处理基本完成。
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.隐形飞机单基地ISAR成像仿真
(1)仿真条件：
本次仿真是模拟隐形飞机成像，原始点目标模型如图2所示，其中被黑框圈住的8个点是弱散射点，不能被单基地ISAR探测到。隐形飞机单基地ISAR的仿真参数如表1所示：
表1：隐形飞机单基地ISAR仿真参数
(2)仿真内容：
先对隐形飞机的单基地ISAR进行仿真成像，之后再对双基地ISAR进行仿真成像，利用一组仿真对比实验验证本专利提出的一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法的有效性。在表1的仿真参数下，单基地ISAR隐形飞机的成像结果如图3所示。
2.隐形飞机双基地ISAR成像仿真
(1)仿真条件：
本次仿真是模拟隐形飞机成像，原始点目标模型如图2所示。隐形飞机双基地ISAR的仿真参数如表2所示：
表2：隐形飞机双基地ISAR仿真参数
(2)仿真内容：
之前已对隐形飞机的单基地ISAR进行仿真成像，现在对双基地ISAR进行仿真成像，利用一组仿真对比实验验证本专利提出的一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法的有效性。在表2的仿真参数下，双基地ISAR隐形飞机的成像结果如图4所示。
3.仿真结果分析：
图2是原始点目标模型，单基地ISAR和双基地ISAR都对其进行仿真成像。正如图3中所示，单基地ISAR图像只能显示飞机模型的部分散射点，有一些点目标的位置信息在回波中被丢失，所以根据所成的图像没有办法对原点目标模型进行识别。而图4中，双基地ISAR成的是完整的飞机形状二维图像，回波中没有丢失目标信息。
这是因为对于隐形飞机来说，它是通过减少正前方方向的RCS使单基地ISAR探测不到，来达到隐身的目的。而双基地ISAR探测角度的范围较大，其接收微弱信号的能力要远大于单基地ISAR，它在接收回波能量上有着较大优势，隐形飞机上一些不能被单基地ISAR检测到的弱散射点可以被双基地ISAR检测到。这大大验证了本发明提出的一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法，利用双基地ISAR的成像方法可以对隐形飞机进行有效地检测与识别，对隐形飞机有着较好的显隐身性能。

Claims (1)

1.一种针对隐形飞机的双基ISAR成像检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)利用距离—多普勒成像算法在精确回波信号模型下表示ISAR接收到的观测目标的反射回波信号，反射回波信号公式如下：
公式(1)中，ar(·)和aa(·)分别为雷达线性调频信号的窗函数和方位窗函数，tr为快时间，tm为慢时间，R(tm)是与慢时间有关的瞬时斜距，C为光速，exp为以自然对数e为底的指数函数，j为虚数单位，γ为发射信号的调频率，λ为信号波长；
(2)对反射回波信号构造距离压缩函数H1、距离徙动校正函数H2和H3、方位压缩函数H4，再分别与回波信号进行对应域的数据处理，过程如下：
2a)构造距离压缩函数H1：
公式(2)中，ar(·)为雷达线性调频信号的窗函数，tr为快时间，γ为发射信号的调频率；
2b)构造距离徙动校正函数H2和H3：
距离徙动包括距离走动和距离弯曲，在距离频域-方位时域构造距离走动项补偿函数：
公式(3)中，ΔR(tm)是距离走动项，C为光速，fc为信号载频，fr为快时间对应的距离频率；
在距离频域-方位频域构造距离弯曲项补偿函数：
公式(4)中，fa为慢时间对应的方位频率，C为光速，R0为雷达距观测目标的初始距离，fr为快时间对应的距离频率，fc为信号载频，θ0为雷达斜视角，V为观测目标的飞行速度；
2c)构造方位压缩函数：
在距离频域-方位频域构造方位向匹配函数H4，如公式(5)所示：
公式(5)中，fa为慢时间对应的方位频率，C为光速，R0为雷达距观测目标的初始距离，fc为信号载频，θ0为雷达斜视角，V为观测目标的飞行速度；
2d)数据处理
将反射回波信号公式(1)和公式(2)的距离压缩函数H1都利用FFT变换到距离频域进行相乘即可完成距离压缩处理；
将公式(3)的距离走动项补偿函数H2与距离压缩之后得到的信号在距离频域-方位时域进行相乘可完成对距离走动项的补偿；将公式(4)的距离弯曲项补偿函数H3与完成距离走动补偿的信号在距离频域-方位频域相乘，即可对距离弯曲项进行补偿；至此已完成距离徙动校正的处理；
将公式(5)的方位向匹配函数H4与完成距离徙动校正的信号相乘可以得到方位聚焦后的结果；
(3)对完成步骤(2)的回波信号进行距离向和方位向上的快速傅里叶逆变换，可得到距离时域-方位时域里二维聚焦的观测目标图像。
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