CN107356923A - 一种基于子孔径划分的isar成像包络对齐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，属于ISAR雷达成像技术方法。本发明的方法利用了运动的平稳连续性，将全孔径分成若干个子孔径，保证了子孔径内部散射系数的近似均匀性，抑制了包络误差的积累，同时每个子孔径单独进行包络误差估计，再利用多项式拟合出最优化的全局包络误差函数，克服了由于大角度高分辨成像时包络漂移误差累积的问题；本发明的方法区别于最大相关处理方法和整体最优准则的对齐方法，本发明的方法利用了观测目标连续平稳的运动特性，将全孔径划分为若干个子孔径，对子孔径和全孔径包络误差分别进行线性和高阶多项式建模，有效抑制由于积累转角引起的包络漂移，从而有效提升包络对齐精度。
Description
技术领域
本发明一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，属于ISAR雷达成像技术方法。
背景技术
逆合成孔径雷达(ISAR)的关键技术包括平动补偿和转台成像等，其中平动补偿又分为包络误差补偿和相位误差补偿2个步骤。包络误差补偿一般利用包络对齐技术实现。精确的包络对齐是相位误差补偿的基础，又是高分辨成像的前提条件。
1980年代初期由Chen等提出包络对齐的互相关法以来，国内外学者又相继提出了多种ISAR包络对齐算法，大致可分为2类：第1类是最大相关处理方法，此类方法运用相邻距离像的相关性估计目标回波的包络徙动量，然后进行包络对齐处理，但其具有较强的噪声敏感性；第2类是整体最优准则处理方法，通常以平均距离像的熵最小或对比度最大为准则，通过优化算法求解各次回波间的包络偏移来进行包络对齐处理，此类方法利用了整体回波距离像的相关性信息，对噪声和散射起伏都具有较好的抑制作用，但一般需对全孔径包络误差进行搜索，相对于第1类方法运算量增大。实质上，两类包络对齐算法都是基于回波数据的相关性进行处理。但由于ISAR目标成像需要利用上百次回波(总转角一般要求大于等于5°)，随着视线角的变化，目标散射点相对雷达几何构型上会发生细微变化，从而引起包络漂移，产生较大的包络误差积累，这种情况随着分辨率的提升影响会更加剧烈，影响传统算法的包络对齐精度，从而影响最终的ISAR成像。
由于ISAR目标成像需要利用上百次回波(总转角一般要求大于5°)，随着视线角的变化，目标散射点相对雷达几何构型上会发生细微变化，从而引起包络漂移，产生较大的包络误差积累，这种情况随着分辨率的提升影响会更加剧烈，而传统方法的包络误差估计是全孔径相关方法，无法修正由于大积累转角引起的散射点散射系数起伏带来的全孔径回波包络相关性变差的问题，致使包络对齐误差累积增大，严重影响ISAR的方位向成像，造成方位成像的模糊。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法。
本发明的技术解决方案是：
一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，该方法的步骤包括：
(1)将ISAR成像周期所需的全孔径时间分为M个子孔径，每个子孔径长度相同；然后采用最小熵准则获取每个子孔径一阶包络误差导数向量ΔR′m，m＝1,2...M；
其中，ΔR′m为第m个子孔径的一阶包络误差导数向量；
则全孔径时间内的一阶包络误差导数向量为ξ：
ξ＝[ΔR′1,ΔR′2,...ΔR′m,...ΔR′M-1,ΔR′M]T (1)
(2)用每个子孔径的中心时刻tm构造时间的序列α＝[t1,t2,...tm,...tM]T，然后采用高阶多项式近似拟合包络误差，构造每个子孔径的包络误差函数为ΔR(tm)：
其中，t1为第一个子孔径的中心时刻，t2为第二个子孔径的中心时刻，tm为第m个子孔径的中心时刻，tM为第M个子孔径的中心时刻，aq为多项式系数，Q为包络误差拟合的阶数，q为子孔径的中心时刻tm的阶数，q＝1,2,...Q；
对式(2)求导得到每个子孔径的一阶包络误差导数向量为ΔR′(tm)：
(3)将步骤(2)得到的公式(3)进行展开，得到
根据步骤(1)得到的公式(1)可知，
令令多项式系数得到
(4)对于ξ＝φβ形式的超定矩阵，利用最小二乘法对包络误差函数中多项式系数β进行估计，得到：
(5)将步骤(4)得到的多项式系数β的估计结果带入到步骤(2)得到的公式(2)中，得到每个子孔径的包络误差函数的估计结果再利用公式(2)得到M个子孔径对应的包络误差值ΔR(tm)；
(6)根据每个子孔径的包络误差函数值ΔR(tm)，将每个子孔径内的每一个回波信号的所有距离单元向距离零点方向平移ΔR(tm)个距离单元，完成包络对齐。
ISAR成像积累转角大于等于5°。
所述的ISAR成像一个周期所需的时间为全孔径时间。
子孔径数M的确定方法为：首先使得每个子孔径的包络误差小于半个距离单元，然后设定M的初值M0，根据公式(2)获得每个子孔径的包络误差函数若对于每个子孔径都满足：
式(8)中，c为光速，fs为采样率；
则求得满足公式(8)的最小M0值即为最小的子孔径个数。
包络误差拟合的阶数Q满足Q＝M-1。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的方法利用了运动的平稳连续性，将全孔径分成若干个子孔径，保证了子孔径内部散射系数的近似均匀性，抑制了包络误差的积累，同时每个子孔径单独进行包络误差估计，再利用多项式拟合出最优化的全局包络误差函数，克服了由于大角度高分辨成像时包络漂移误差累积的问题；
(2)本发明的方法区别于最大相关处理方法和整体最优准则的对齐方法，本发明的方法利用了观测目标连续平稳的运动特性，将全孔径划分为若干个子孔径，对子孔径和全孔径包络误差分别进行线性和高阶多项式建模，有效抑制由于积累转角引起的包络漂移，从而有效提升包络对齐精度；
(3)由于传统包络对齐方法只着眼于回波数据的相关性，而没有利用观测目标的运动特性，而在实际ISAR成像中，一定的观测时间内，目标特别是空间卫星目标的平动一般较为平稳，回波信号的包络误差调制也是平稳连续变化的，而且包络对齐的精度仅要求在距离分辨单元数量级(一般在米级或者分米级)，所以在包络对齐处理中，根据上述平稳运动特性，将包络误差建模为慢时间的高阶多项式形式，就能够有效克服低信噪比情况下包络误差估计的突跳问题；
(4)本发明的方法，将包络对齐的全孔径分成若干个子孔径，每个子孔径单独进行包络误差估计，再利用多项式拟合出最优化的全局包络误差函数，克服了由于大角度高分辨成像时包络漂移误差累积的问题；
(5)本发明的方法将包络对齐的全孔径分成若干个子孔径，每个子孔径单独进行包络误差估计，再利用多项式拟合出最优化的全局包络误差函数，从而实现包络的精确对齐。
附图说明
图1为相关最大法对齐方法得到的ISAR图像；
图2为实施例中采用本申请的方法得到的ISAR图像。
具体实施方式
一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，该方法针对成像积累转角大于等于5°时的包络对齐问题，该方法的步骤包括：
(1)定义一个ISAR成像周期所需的时间为全孔径时间，将全孔径时间分为M个子孔径，每个子孔径长度相同；用每个子孔径的中心时刻tm构造时间的序列α＝[t1,t2,...tm,...tM]T，t1为第一个子孔径的中心时刻，t2为第二个子孔径的中心时刻，tm为第m个子孔径的中心时刻，tM为第M个子孔径的中心时刻，m＝1,2...M；当M足够大时，即每个子孔径的方位向采样时间足够小，近似认为动目标在子孔径时间内的速度不变，所以可将包络对齐误差可看做为线性，简化了子孔径的包络误差模型；采用最小熵准则获取每个子孔径一阶包络误差导数向量ΔR′m，m＝1,2...M，ΔR′1为第一个子孔径的一阶包络误差导数向量，ΔR′2为第二个子孔径的一阶包络误差导数向量，ΔR′m为第m个子孔径的一阶包络误差导数向量；ΔR′M为第M个子孔径的一阶包络误差导数向量；
则全孔径时间内的一阶包络误差导数向量为ξ：
ξ＝[ΔR′1,ΔR′2,...ΔR′m,...ΔR′M-1,ΔR′M]T (1)
其中，ΔR′m为第m个子孔径的一阶包络误差导数向量；
(2)采用高阶多项式近似拟合包络误差，构造每个子孔径的包络误差函数为ΔR(tm)：
式中，aq为多项式系数，Q为包络误差拟合的阶数，q为子孔径的中心时刻tm的阶数，q＝1,2,...Q；Q值越大，包络误差拟合的精度越高，但会造成运算量增加；
对式(2)求导可以得到每个子孔径的一阶包络误差导数向量为：
(3)将步骤(2)得到的公式(3)进行展开，得到
根据步骤(1)得到的公式(1)可知，令令多项式系数得到
(4)对于ξ＝φβ形式的超定矩阵，利用最小二乘法对包络误差函数中多项式系数β进行估计，得到：
此处为了保证φTφ可逆，需要M≥Q。
(5)将步骤4)求得的多项式系数β的估计结果带入到步骤(2)得到的公式(2)中，得到每个子孔径的包络误差函数的估计结果利用公式(2)得到M个子孔径对应的包络误差值ΔR(tm)，按照ISAR成像方法进行包络对齐。
子孔径数M的选取原则是使得每个子孔径的包络误差小于半个距离单元，因此对于初始选择的M0，根据上述方法可以获得每个子孔径的包络误差函数其中表示在子孔径数量为M0的条件下，每个子孔径的包络误差值，若对于每个子孔径都满足：
式(8)中，c为光速，fs为采样率，由雷达系统确定；
求得满足公式(8)的最小M0值即为最小的子孔径个数。
参数Q的选择原则：Q＝M-1。
(1)将全孔径时间分为M个子孔径，每个子孔径长度相同。当M足够大时，及每个子孔径的方位向采样时间足够小，近似认为动目标在该段时间内的速度不变，所以可将包络对齐误差近似为线性，简化了子孔径的包络误差模型。分别对每个子孔径作线性拟合，采用最小熵准则对每个子孔径的线性系数进行搜索，得到线性系数估计向量，即为一阶包络误差导数向量：
ξ＝[ΔR′1,ΔR′2,...ΔR′i,...ΔR′M-1,ΔR′M]T (1)
(2)采用高阶多项式近似拟合包络误差，构造误差函数为：
式中，Q为包络误差拟合的阶数，q为慢时间tm的阶数，q＝1,2,...Q。Q值越大，包络误差拟合的精度越高，但会造成运算量增加。
对式(2)求导可以得到一阶包络误差导数为：
(3)用每个子孔径的中心时刻构造时间序列α＝[t1,t2,...ti,...tM]T,生成包络误差导数与包络误差稀疏矩阵之间的关系如下：
(4)对于ξ＝φβ形式的超定矩阵，利用最小二乘法实现对包络误差多项式系数β的估计，得到：
此处为了保证φTφ可逆，需要M≥Q。
(5)将步骤4求得的多项式系数的估计结果带入到式(2)中，得到包络误差的多项式估计结果利用式(2)得到N个方位采样点对应的包络误差，对信号S(tk,tm)进行包络对齐。
实施例
首先根据方位向分辨率要求确定成像积累时间和积累转角，当成像积累转角大于等于5°时，应用本申请提出的方法获得明显的包络误差估计精度改善。具体方法为首先成像积累时间视为全孔径时间，将全孔径时间一分为二，得到两个子孔径时间，然后分别按照本申请提供的方法计算每个子孔径的线性系数进行搜索，得到线性系数估计向量，即为一阶包络误差导数向量。而后利用每个子孔径的中心时刻构造时间序列，生成包络误差导数与包络误差稀疏矩阵之间的关系式。最后利用最小二乘法实现对包络误差多项式系数的估计，得到每个子孔径的包络误差偏移量。然后判断该子孔径数量是否满足最小子孔径的要求，若满足则按照ISAR方法进行包络误差补偿，否则子孔径数加一，重复上述操作指导满足要求为止。
为了更清楚的表明本方法的优点，在此进行数学仿真，仿真参数：信号时宽τ＝1us，带宽B＝50MHz，脉冲重复频率prf＝100us，脉冲积累个数N＝1024，等效积累转角为10°，转动过程中散射点散射系数变化10％。图1为相关最大法对齐方法得到的ISAR图像，而图2是利用本申请提出的改进包络对齐法得到的ISAR图像，可以明显看出，图2中所有散射点都被清晰的分开，而图1中多个散射点连在一起，因此图2的成像质量优于图1，这是由于相关最大方法的包络误差估计是全角度相关方法，无法修正由于大积累转角引起的散射点散射系数起伏带来的全局回波包络相关性变差的问题，致使包络对齐误差累积增大，严重影响ISAR的方位向成像，造成方位成像的模糊。由于本申请的方法对包络误差的建模利用了运动的平稳连续性，将全孔径分成若干个子孔径，保证了子孔径内部散射系数的近似均匀性，抑制了包络误差的积累，从而达到改善分辨率的目的。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)将ISAR成像周期所需的全孔径时间分为M个子孔径，每个子孔径长度相同；然后采用最小熵准则获取每个子孔径一阶包络误差导数向量ΔR′m，m＝1,2...M；
其中，ΔR′m为第m个子孔径的一阶包络误差导数向量；
则全孔径时间内的一阶包络误差导数向量为ξ：
ξ＝[ΔR'1,ΔR'2,...ΔR'm,...ΔR'M-1,ΔR'M]T (1)
(2)用每个子孔径的中心时刻tm构造时间的序列α＝[t1,t2,...tm,...tM]T，然后采用高阶多项式近似拟合包络误差，构造每个子孔径的包络误差函数为ΔR(tm)：
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其中，t1为第一个子孔径的中心时刻，t2为第二个子孔径的中心时刻，tm为第m个子孔径的中心时刻，tM为第M个子孔径的中心时刻，aq为多项式系数，Q为包络误差拟合的阶数，q为子孔径的中心时刻tm的阶数，q＝1,2,...Q；
对式(2)求导得到每个子孔径的一阶包络误差导数向量为ΔR'(tm)：
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(3)将步骤(2)得到的公式(3)进行展开，得到
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根据步骤(1)得到的公式(1)可知，令令多项式系数得到
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</mrow>
(4)对于ξ＝φβ形式的超定矩阵，利用最小二乘法对包络误差函数中多项式系数β进行估计，得到：
<mrow>
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<mo>=</mo>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
(5)将步骤(4)得到的多项式系数β的估计结果带入到步骤(2)得到的公式(2)中，得到每个子孔径的包络误差函数的估计结果再利用公式(2)得到M个子孔径对应的包络误差值ΔR(tm)；
(6)根据每个子孔径的包络误差函数值ΔR(tm)，将每个子孔径内的每一个回波信号的所有距离单元向距离零点方向平移ΔR(tm)个距离单元，完成包络对齐。
2.根据权利要求1所述的一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，其特征在于：ISAR成像积累转角大于等于5°。
3.根据权利要求1所述的一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，其特征在于：所述的ISAR成像一个周期所需的时间为全孔径时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，其特征在于：子孔径数M的确定方法为：首先使得每个子孔径的包络误差小于半个距离单元，然后设定M的初值M0，根据公式(2)获得每个子孔径的包络误差函数若对于每个子孔径都满足：
<mrow>
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</mrow>
式(8)中，c为光速，fs为采样率；
则求得满足公式(8)的最小M0值即为最小的子孔径个数。
5.根据权利要求1所述的一种基于子孔径划分的ISAR成像包络对齐方法，其特征在于：包络误差拟合的阶数Q满足Q＝M-1。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201710464508.0A CN107356923A (zh) | 2017-06-19 | 2017-06-19 | 一种基于子孔径划分的isar成像包络对齐方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2017-06-19 CN CN201710464508.0A patent/CN107356923A/zh active Pending
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