CN108627831B - 一种超低信噪比中高轨卫星目标isar成像方法 - Google Patents

一种超低信噪比中高轨卫星目标isar成像方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108627831B
CN108627831B CN201810449849.5A CN201810449849A CN108627831B CN 108627831 B CN108627831 B CN 108627831B CN 201810449849 A CN201810449849 A CN 201810449849A CN 108627831 B CN108627831 B CN 108627831B
Authority
CN
China
Prior art keywords
target
pulse
satellite
envelope
phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810449849.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108627831A (zh
Inventor
李锦伟
李财品
左伟华
张升
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Institute of Space Radio Technology
Original Assignee
Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Institute of Space Radio Technology filed Critical Xian Institute of Space Radio Technology
Priority to CN201810449849.5A priority Critical patent/CN108627831B/zh
Publication of CN108627831A publication Critical patent/CN108627831A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108627831B publication Critical patent/CN108627831B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
    • G01S13/904—SAR modes
    • G01S13/9064—Inverse SAR [ISAR]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，主要涉及到逆合成孔径雷达成像技术领域。本发明的方法利用目标卫星轨道和雷达天线相位中心位置计算地面雷达到目标卫星之间的斜距历程，对雷达接收的原始回波数据进行脉冲压缩；然后根据斜距历程和雷达成像几何参数校正目标包络的弯曲走动；沿方位向补偿电离层延迟相位，利用线性模型校正由雷达几何参数测量误差和卫星轨道测量误差导致的包络对齐误差；然后补偿目标平动相位并进行沿方位向快速傅立叶变换(FFT)，即得到初始的ISAR图像；最后根据初始ISAR图像估计并补偿目标二次平动相位误差，获得最终的中高轨卫星目标ISAR图像。

Description

一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法
技术领域
本发明涉及一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，主要涉及到逆合成孔径雷达成像技术领域，所述的超低信噪比是指信噪比的值不大于-10dB，所述的中轨卫星是指轨道高度不低于2000公里的卫星，所述的高轨卫星是指轨道高度不低于20000公里的卫星。
背景技术
中高轨SAR是运行于中轨或地球同步轨道的新型微波遥感雷达，对构建我国航天遥感体系，确保长期、稳定的航天微波遥感数据来源，加快高精度遥感数据库的建设具有重大意义，可广泛应用于中高分辨率重要地区立体测绘数据获取、灾害预警及监测等方面。相对于低轨SAR卫星，中高轨SAR卫星具有快速重访、时间分辨率高、成像观测范围大且能兼顾分辨率、区域连续观测时间长等独特优势，已经成为国内外研究的一个热点，但目前世界上还没有工程实施先例。中高轨SAR卫星由于其特殊的轨道特性在使其获得独特优势的同时，与低轨SAR存在明显不同的特点。
ISAR是一种真正能在地面实现星载SAR系统端到端测试的方法。进行ISAR成像时，雷达系统放于地面，将雷达天线波束指向上空经过的地球轨道上的卫星，利用在轨卫星的运动产生合成孔径并成像。ISAR成像时雷达系统的工作过程、工作参数、电磁波传播路径与SAR在星上对地成像观测时相同，特别适合于对中高轨SAR成像链路进行验证，因此研究中高轨ISAR成像具有重要的意义。相比于低轨卫星、飞机、舰船目标的ISAR成像，中高轨卫星目标ISAR成像主要面临超低信噪比回波(低于-50dB)、雷达成像几何参数存在测量误差等难点，使中高轨ISAR成像在方法上明显不同，因此研究中高轨ISAR成像具有重要的意义。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，该方法通过目标卫星轨道信息和雷达成像几何参数估计ISAR成像所需的包络弯曲走动量和目标平动相位，对目标包络校正残余误差和目标二次平动相位误差进行建模、估计和补偿，最终得到聚焦良好的ISAR图像，该方法填补了中高轨卫星目标ISAR成像的技术空白，能够为中高轨SAR系统和地面ISAR系统的设计与指标论证提供支撑，具有重要的应用价值。
本发明的技术解决方案是：
一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，该方法的步骤包括：
1、第一步，根据测量的地面雷达天线相位中心位置矢量和测量的目标卫星的位置矢量，计算地面雷达到卫星目标的斜距变化历程，方法是：
1.1、首先测量地面雷达天线相位中心的位置矢量，并将测量得到的地面雷达天线相位中心位置矢量转换到WGS84地心固连坐标系，得到地面雷达天线相位中心在WGS84地心固连坐标系下的位置矢量Pr；
1.2、首先测量目标卫星的位置矢量，并将测量得到的卫星目标的位置矢量转换到WGS84地心固连坐标系，然后对转换后的位置矢量进行插值，得到目标卫星在WGS84地心固连坐标系下的位置矢量Ps(tm)，tm为第m个脉冲的发射时刻，m＝1,2,3,...；
1.3、计算从脉冲发射时刻到波束照射到目标卫星的时间延迟Δtm＝|Pr-Ps(tm)|/c，c为光速，|·|为计算矢量模值操作；
1.4、对Ps(tm)重新插值，得到脉冲照射到目标卫星时刻的卫星位置矢量Ps(t'm)，其中t'm＝tm+Δtm，t'm为第m个脉冲照射到目标卫星的时刻；
1.5、计算每个脉冲照射到目标卫星时刻t'm地面雷达到目标卫星的斜距R(t'm)＝|Ps(t'm)-Pr|，R(t'm)为t'm时刻地面雷达到目标卫星的斜距。
2、第二步，对地面雷达接收到的脉冲回波数据进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的回波数据S1(t'm,fr)，方法是：
2.1、地面雷达接收目标卫星的脉冲回波数据，并对接收到的每个脉冲回波进行快速傅立叶变换(FFT)，得到S(t'm,fr)，其中fr∈[-Fs/2,Fs/2]表示距离频率，其中Fs为脉冲采样频率，S(t'm,fr)为脉冲回波的距离向频谱；
2.2、构造匹配滤波器
Figure BDA0001658169370000031
W(fr)为加窗函数，
Figure BDA0001658169370000032
Kr＝Br/Tp为发射脉冲调频率，Br为发射脉冲带宽，Tp为发射脉冲时间宽度，H1(fr)为匹配滤波器；
2.3、将脉冲回波的距离向频谱S(t'm,fr)与H1(fr)相乘，得到脉冲压缩后的脉冲回波数据S1(t'm,fr)＝S(t'm,fr)·H1(fr)；
3、第三步，根据第一步得到的斜距变化历程，对第二步得到的脉冲压缩后回波数据S1(t'm,fr)中目标卫星的包络弯曲走动进行校正，实现包络粗对齐，得到包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)，方法是：
3.1、计算每个脉冲的目标卫星的包络弯曲走动量ΔR(t'm)＝R(t'm)-R0，R(t'm)为t'm时刻地面雷达到目标卫星的距离，即R(t'm)＝|Ps(t'm)-Pr|，R0为参考距离，这里取参考距离R0＝τsc/2+NrΔr/2，τs为地面雷达波门开启的距离时间，Nr为脉冲采样点数，Δr＝c/(2Fs)为距离采样间隔；
3.2、构造包络校正函数H2(t'm,fr)＝exp(j4πfrΔR(t'm)/c)，将S1(t'm,fr)与H2(t'm,fr)相乘实现包络平移，得到包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)＝S1(t'm,fr)·H2(t'm,fr)；
4、第四步，利用电离层测量仪测量的电离层数据计算由电离层引入的电离层延迟相位，对第三步得到的包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)进行电离层延迟相位校正，得到电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)，方法是：
4.1、使用电离层测量仪测量电离层数据，对测量得到的电离层数据进行插值，得到每个脉冲照射到目标卫星时刻的电离层数值TEC(t'm)，TEC表示电离层中单位面积柱体包含的电子总数，单位为TECU，1TECU＝1016，TEC(t'm)为t'm时刻电离层中单位面积柱体所包含的电子总数；
4.2、将电离层数值转换为相位延迟H3(t'm,fr)＝exp(j4πK·TEC(t'm)/(f0+fr)/c)，其中K＝40.28m3/s2，f0为地面雷达中心频率；将S2(t'm,fr)与H3(t'm,fr)相乘实现电离层延迟相位补偿，得到电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)＝S2(t'm,fr)·H3(t'm,fr)。
5、第五步，对第四步得到的电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)中的残余包络对齐误差进行线性建模，根据信噪比最大准则确定和校正S3(t'm,fr)中的残余包络对齐误差，得到包络精对齐的脉冲回波数据s(t'm,τ)，方法是：
将残余包络对齐误差建模为Δr(t'm)＝Ke·(t'm-t0)，其中Ke为残余误差随时间变化的斜率，单位是采样单元/秒，t0为参考方位时间，取为第1个脉冲照射到卫星的时刻t1'；构造残余包络对齐误差补偿函数H4(t'm,fr)＝exp(j4πfrΔr(t'm)/c)，将S3(t'm,fr)与H4(t'm,fr)相乘补偿残余包络对齐误差，S4(t'm,fr)＝S3(t'm,fr)·H4(t'm,fr)；对频域回波S4(t'm,fr)进行快速逆傅立叶变换(IFFT)得到脉冲压缩、电离层补偿和包络对齐后回波数据s(t'm,τ)，即s(t'm,τ)＝IFFT(S4(t'm,fr))，IFFT(·)为快速逆傅立叶变换，τ为距离时间。
其中，Ke的确定方法为：假定Ke∈[-10,10]，在[-10,10]范围内等间隔取若干Ke，对于每个Kei，按照校正包络对齐误差方法和步骤第六步处理后得到初始ISAR图像Ii，统计每幅图像的信噪比SNRi，
Figure BDA0001658169370000041
其中Imax,i表示第i幅ISAR图像的功率最大值，
Figure BDA0001658169370000042
表示第i幅图像的平均功率，σi表示第i幅图像的功率标准差；信噪比最大的ISAR图像对应的Kei即为Ke估计值；
6、第六步，对第五步得到的包络精对齐的脉冲回波数据s(t'm,τ)进行目标卫星的平动相位补偿，得到平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)，方法是：
构造目标维修平动相位补偿函数H5(t'm)＝exp(j4πR(t'm)/λ)，其中λ为波长；将s(t'm,τ)与H5(t'm)相乘完成平动相位补偿，得到平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)＝s(t'm,τ)·H5(t'm)。
7、第七步，对第六步得到的平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)进行二次平动相位误差估计补偿和快速傅里叶变换(FFT)，得到最终的ISAR图像Ifnl，方法是：
将残余二次平动相位误差建模为
Figure BDA0001658169370000051
其中Δka为平动相位二次变化率误差，在方位时域补偿二次平动相位误差，经FFT变换得到最终的ISAR图像Ifnl，即Ifnl＝FFT(s(t'm,τ)H5(t'm)H6(t'm))，FFT(·)表示快速傅立叶变换。
其中，Δka的确定方法为：假定
Figure BDA0001658169370000052
在
Figure BDA0001658169370000053
范围内等间隔取若干Δka，对于每个Δkai，按照步骤7.1校正二次平动相位误差和方位FFT变换后得到ISAR图像Ifnl_i，统计每幅图像的信噪比SNRi，方法和步骤5.2相同，信噪比最大的ISAR图像即为最终的ISAR图像Ifnl，对应的Δkai即为Δka估计值。
Figure BDA0001658169370000054
为平动相位的平均二次变化率，
Figure BDA0001658169370000055
有益效果
(1)本发明的方法利用目标卫星轨道位置和雷达天线相位中心位置计算地面雷达到目标卫星之间的斜距历程，并根据斜距历程和雷达成像几何参数进行目标回波包络对齐、平动相位补偿等操作，克服了传统基于数据估计相关参数的算法在超低信噪比情况下失效的缺陷；
(2)本发明的方法考虑了电离层导致的相位延迟和雷达几何参数测量误差，根据图像信噪比最大准则对卫星目标的残余包络对齐误差和二次平动相位误差进行估计和校正，克服了randon变换、hough变换等在低信噪比情况下失效的缺陷。
(3)本发明提供了一种超低信噪比中高轨卫星目标逆合成孔径雷达(ISAR)成像方法。ISAR是一种真正能在地面实现星载SAR系统端到端测试的方法。ISAR成像时雷达系统的工作过程、工作参数、电磁波传播路径与SAR在星上对地成像观测时相同，特别适合于中高轨SAR成像链路的验证。相比于低轨卫星、飞机、舰船目标的ISAR成像，中高轨卫星目标ISAR成像主要面临超低信噪比回波(低于-50dB)、雷达成像几何参数存在测量误差等难点，使中高轨ISAR成像在方法上明显不同。本方法利用目标卫星轨道和雷达天线相位中心位置计算地面雷达到目标卫星之间的斜距历程，对雷达接收的原始回波数据进行脉冲压缩；然后根据斜距历程和雷达成像几何参数校正目标包络的弯曲走动；沿方位向补偿电离层延迟相位，利用线性模型校正由雷达几何参数测量误差和卫星轨道测量误差导致的包络对齐误差；然后补偿目标平动相位并进行沿方位向快速傅立叶变换(FFT)，即得到初始的ISAR图像；最后根据初始ISAR图像估计并补偿目标二次平动相位误差，获得最终的中高轨卫星目标ISAR图像。
(4)本发明的方法利用目标卫星轨道位置和雷达天线相位中心位置计算地面雷达到目标卫星之间的斜距历程，并根据斜距历程和雷达成像几何参数校正目标包络的弯曲走动，考虑了电离层相位延迟误差的补偿，对目标包络对齐误差和二次平动相位误差进行估计和补偿，得到最终的中高轨卫星目标ISAR图像。
(5)针对中高轨卫星目标ISAR成像中面临的回波超低信噪比(信噪比低于-50dB)、雷达几何参数测量存在误差等难点，本发明的方法完全利用雷达成像几何进行目标回波包络对齐、平动相位补偿等操作，克服了传统基于数据估计相关参数的算法在超低信噪比情况下失效的缺陷，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像流程图；
图2为脉冲压缩后二维数据存储矩阵示意图；
图3为根据测量的地面雷达天线相位中心位置矢量和测量的目标卫星的位置矢量，计算得到的地面雷达到实施例数据中卫星目标的斜距变化历程；
图4为实施例数据的脉冲压缩后的二维脉冲回波数据幅度图；
图5为包络粗对齐后二维时域脉冲回波数据幅度图；
图6为根据最大信噪比准则得到残余包络对齐误差斜率搜索结果；
图7为包络精对齐后二维时域脉冲回波数据幅度图；
图8为经过处理得到的中轨卫星目标的最终ISAR图像。
具体实施方式
本发明给出了一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，成像流程如图1所示，其特征在于步骤如下：
1、第一步，根据测量的地面雷达天线相位中心位置矢量和测量的目标卫星的位置矢量，计算地面雷达到卫星目标的斜距变化历程，方法是：
1.1、首先测量地面雷达天线相位中心的位置矢量，并将测量得到的地面雷达天线相位中心位置矢量转换到WGS84地心固连坐标系，得到地面雷达天线相位中心在WGS84地心固连坐标系下的位置矢量Pr；
1.2、首先测量目标卫星的位置矢量，并将测量得到的卫星目标的位置矢量转换到WGS84地心固连坐标系，然后对转换后的位置矢量进行插值，得到目标卫星在WGS84地心固连坐标系下的位置矢量Ps(tm)，tm为第m个脉冲的发射时刻，m＝1,2,3,...；
1.3、计算从脉冲发射时刻到波束照射到目标卫星的时间延迟Δtm＝|Pr-Ps(tm)|/c，c为光速，|·|为计算矢量模值操作；
1.4、对Ps(tm)重新插值，得到脉冲照射到目标卫星时刻的卫星位置矢量Ps(t'm)，其中t'm＝tm+Δtm，t'm为第m个脉冲照射到目标卫星的时刻；
1.5、计算每个脉冲照射到目标卫星时刻t'm地面雷达到目标卫星的斜距R(t'm)＝|Ps(t'm)-Pr|，R(t'm)为t'm时刻地面雷达到目标卫星的斜距。
2、第二步，对地面雷达接收到的脉冲回波数据进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的回波数据S1(t'm,fr)，方法是：
2.1、地面雷达接收目标卫星的脉冲回波数据，并对接收到的每个脉冲回波进行快速傅立叶变换(FFT)，得到S(t'm,fr)，其中fr∈[-Fs/2,Fs/2]表示距离频率，其中Fs为脉冲采样频率，S(t'm,fr)为脉冲回波的距离向频谱；
2.2、构造匹配滤波器
Figure BDA0001658169370000071
W(fr)为加窗函数，
Figure BDA0001658169370000081
Kr＝Br/Tp为发射脉冲调频率，Br为发射脉冲带宽，Tp为发射脉冲时间宽度，H1(fr)为匹配滤波器；
2.3、将脉冲回波的距离向频谱S(t'm,fr)与H1(fr)相乘，得到脉冲压缩后的脉冲回波数据S1(t'm,fr)＝S(t'm,fr)·H1(fr)。图2为脉冲压缩后二维数据存储矩阵示意图。每个接收脉冲的数据存为一行，所有接收脉冲数据沿列向依次存储。行向为距离向，不同距离门的采样点具有不同的距离时间τ，τ表示从雷达脉冲发射时刻到接收到回波数据的延迟时间。列向为方位向，tm表示第m个脉冲的发射时间。在进行目标包络对齐校正之前，卫星目标包络在数据中为弯曲曲线。
3、第三步，根据第一步得到的斜距变化历程，对第二步得到的脉冲压缩后回波数据S1(t'm,fr)中目标卫星的包络弯曲走动进行校正，实现包络粗对齐，得到包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)，方法是：
3.1、计算每个脉冲的目标卫星的包络弯曲走动量ΔR(t'm)＝R(t'm)-R0，R(t'm)为t'm时刻地面雷达到目标卫星的距离，即R(t'm)＝|Ps(t'm)-Pr|，R0为参考距离，这里取参考距离R0＝τsc/2+NrΔr/2，τs为地面雷达波门开启的距离时间，Nr为脉冲采样点数，Δr＝c/(2Fs)为距离采样间隔；
3.2、构造包络校正函数H2(t'm,fr)＝exp(j4πfrΔR(t'm)/c)，将S1(t'm,fr)与H2(t'm,fr)相乘实现包络平移，得到包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)＝S1(t'm,fr)·H2(t'm,fr)；
4、第四步，利用电离层测量仪测量的电离层数据计算由电离层引入的电离层延迟相位，对第三步得到的包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)进行电离层延迟相位校正，得到电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)，方法是：
4.1、使用电离层测量仪测量电离层数据，对测量得到的电离层数据进行插值，得到每个脉冲照射到目标卫星时刻的电离层数值TEC(t'm)，TEC表示电离层中单位面积柱体包含的电子总数，单位为TECU，1TECU＝1016，TEC(t'm)为t'm时刻电离层中单位面积柱体所包含的电子总数；
4.2、将电离层数值转换为相位延迟H3(t'm,fr)＝exp(j4πK·TEC(t'm)/(f0+fr)/c)，其中K＝40.28m3/s2，f0为地面雷达中心频率；将S2(t'm,fr)与H3(t'm,fr)相乘实现电离层延迟相位补偿，得到电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)＝S2(t'm,fr)·H3(t'm,fr)。
5、第五步，对第四步得到的电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)中的残余包络对齐误差进行线性建模，根据信噪比最大准则确定和校正S3(t'm,fr)中的残余包络对齐误差，得到包络精对齐的脉冲回波数据s(t'm,τ)，方法是：
将残余包络对齐误差建模为Δr(t'm)＝Ke·(t'm-t0)，其中Ke为残余误差随时间变化的斜率，单位是采样单元/秒，t0为参考方位时间，取为第1个脉冲照射到卫星的时刻t1'；构造残余包络对齐误差补偿函数H4(t'm,fr)＝exp(j4πfrΔr(t'm)/c)，将S3(t'm,fr)与H4(t'm,fr)相乘补偿残余包络对齐误差，S4(t'm,fr)＝S3(t'm,fr)·H4(t'm,fr)；对频域回波S4(t'm,fr)进行快速逆傅立叶变换(IFFT)得到脉冲压缩、电离层补偿和包络对齐后回波数据s(t'm,τ)，即s(t'm,τ)＝IFFT(S4(t'm,fr))，IFFT(·)为快速逆傅立叶变换，τ为距离时间。
其中，Ke的确定方法为：假定Ke∈[-10,10]，在[-10,10]范围内等间隔取若干Ke，对于每个Kei，按照校正包络对齐误差方法和步骤第六步处理后得到初始ISAR图像Ii，统计每幅图像的信噪比SNRi，
Figure BDA0001658169370000091
其中Imax,i表示第i幅ISAR图像的功率最大值，
Figure BDA0001658169370000092
表示第i幅图像的平均功率，σi表示第i幅图像的功率标准差；信噪比最大的ISAR图像对应的Kei即为Ke估计值；
6、第六步，对第五步得到的包络精对齐的脉冲回波数据s(t'm,τ)进行目标卫星的平动相位补偿，得到平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)，方法是：
构造目标维修平动相位补偿函数H5(t'm)＝exp(j4πR(t'm)/λ)，其中λ为波长；将s(t'm,τ)与H5(t'm)相乘完成平动相位补偿，得到平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)＝s(t'm,τ)·H5(t'm)。
7、第七步，对第六步得到的平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)进行二次平动相位误差估计补偿和快速傅里叶变换(FFT)，得到最终的ISAR图像Ifnl，方法是：
将残余二次平动相位误差建模为
Figure BDA0001658169370000101
其中Δka为平动相位二次变化率误差，在方位时域补偿二次平动相位误差，经FFT变换得到最终的ISAR图像Ifnl，即Ifnl＝FFT(s(t'm,τ)H5(t'm)H6(t'm))，FFT(·)表示快速傅立叶变换。
其中，Δka的确定方法为：假定
Figure BDA0001658169370000102
在
Figure BDA0001658169370000103
范围内等间隔取若干Δka，对于每个Δkai，按照步骤7.1校正二次平动相位误差和方位FFT变换后得到ISAR图像Ifnl_i，统计每幅图像的信噪比SNRi，方法和步骤5.2相同，信噪比最大的ISAR图像即为最终的ISAR图像Ifnl，对应的Δkai即为Δka估计值。
Figure BDA0001658169370000104
为平动相位的平均二次变化率，
Figure BDA0001658169370000105
实施例
本实施例采用2016年12月录取的L频段中轨卫星目标ISAR数据，选择的卫星目标是美国的探险者科学卫星，轨道高度约6000km。数据处理使用的地面雷达天线相位中心位置由高精度差分GPS测量得到，卫星目标位置矢量由上海天文台观测获得，电离层数据由电离层测量仪获取。试验数据脉冲重复频率(PRF)为160Hz，数据脉冲总数为5000，即31.25s的脉冲回波数据，地面雷达的发射脉冲带宽为50MHz，接收脉冲采样频率为100MHz，每个脉冲的采样单元数为50000。
如图1所示，第一步、根据测量的地面雷达天线相位中心位置矢量和测量的目标卫星的位置矢量，计算地面雷达到卫星目标的斜距变化历程如图3所示。在脉冲回波录取时间范围内，卫星高度变化约2.7km，对应卫星目标在回波中包络走动约1800采样单元。从脉冲发射时刻到波束照射到目标卫星的时间延迟为0.0199s。
第二步，对地面雷达接收到的脉冲回波数据进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的回波数据S1(t'm,fr)，如图4所示。由于雷达接收回波信噪比超低，在脉冲压缩后回波中不能直观看到卫星目标的能量曲线。
第三步，根据第一步得到的斜距变化历程，对第二步得到的脉冲压缩后回波数据S1(t'm,fr)中目标卫星的包络弯曲走动进行校正，实现包络粗对齐，得到包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)。为便于展示，图5为对S2(t'm,fr)进行距离向IFFT后得到的包络粗对齐后二维时域脉冲回波数据。根据雷达方程计算脉冲压缩后回波信噪比约-11dB，经过回波包络粗对齐，目标卫星的包络弯曲走动已被校正掉，从图5可以看出目标卫星的能量包络曲线，校正后的目标卫星包络仍未完全对齐，残余的包络对齐误差可以利用线性模型近似。
第四步，利用电离层测量仪测量脉冲回波录取时的电离层数据TEC(t'm)，根据TEC(t'm)计算由电离层引入的电离层延迟相位，对第三步得到的包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)进行电离层延迟相位校正，得到电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)。由于实施例数据在冬季的夜晚录取，因此电离层活动较弱，电离层TEC在数据录取时间范围内为常数(约31.5TECU，对应电离层相位延迟359rad)，但常数电离层导致的电离层延迟相位对ISAR图像聚焦的影响可以忽略。
第五步，对第四步得到的电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)中的残余包络对齐误差进行线性建模，根据信噪比最大准则确定和校正S3(t'm,fr)中的残余包络对齐误差，得到包络精对齐的脉冲回波数据s(t'm,τ)。图6为根据最大信噪比准则得到残余包络对齐误差斜率搜索结果，确定残余包络对齐误差斜率为-2.11采样单元/s，即经过包络粗对齐后目标卫星的包络以每秒2.11个采样单元的速率漂移。图7为包络精对齐后二维时域脉冲回波数据幅度图，经过包络精对齐处理后，目标卫星的包络在不同发射脉冲的回波数据中已经完全对齐。
第六步，对第五步得到的包络精对齐的脉冲回波数据s(t'm,τ)进行目标卫星的平动相位补偿，得到平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)。卫星的平动相位可以由图3所示的距离历程直接乘以4π/λ得到。
第七步，对第六步得到的平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)进行二次平动相位误差估计补偿和快速傅里叶变换(FFT)，得到最终的ISAR图像Ifnl，如图8所示。经过估计确定的二次平动相位误差小于平均二次相位变化率的0.01％，对成像聚焦的影响可以忽略。最终ISAR图像的功率最大像素的信噪比为30.33dB。

Claims (8)

1.一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，其特征在于该方法的步骤包括：
第一步，计算地面雷达到卫星目标的斜距变化历程；
第二步，对地面雷达接收到的目标卫星的脉冲回波数据进行脉冲压缩，得到脉冲压缩后的回波数据S1(t'm,fr)，t'm为第m个脉冲照射到目标卫星的时刻，fr为距离频率；
第三步，根据第一步得到的斜距变化历程对第二步得到的脉冲压缩后的回波数据S1(t'm,fr)中目标卫星的包络弯曲走动进行校正，实现包络粗对齐，得到包络粗对齐后的脉冲回波数据S2(t'm,fr)；
第四步，利用电离层测量仪测量脉冲回波录取时的电离层数据TEC(t'm)，并根据电离层数据TEC(t'm)对第三步得到的包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)进行电离层延迟相位校正，得到电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)；
第五步，对第四步得到的电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)中的残余包络对齐误差进行线性建模，根据信噪比最大准则确定和校正S3(t'm,fr)中的残余包络对齐误差，得到包络精对齐的脉冲回波数据s(t'm,τ)，τ为距离时间；
第六步，对第五步得到的包络精对齐的脉冲回波数据s(t'm,τ)进行目标卫星的平动相位补偿，得到平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)；
第七步，对第六步得到的平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)进行二次平动相位误差估计补偿和快速傅里叶变换，得到最终的ISAR图像Ifnl；
所述的第五步中，利用线性模型校正残余包络对齐误差的方法是：
将残余包络对齐误差建模为Δr(t'm)＝Ke·(t'm-t0)，其中Ke为残余误差随时间变化的斜率，单位是采样单元/秒，t0为参考方位时间，取为第1个脉冲照射到卫星的时刻t'1；构造残余包络对齐误差补偿函数H4(t'm,fr)＝exp(j4πfrΔr(t'm)/c)，将S3(t'm,fr)与H4(t'm,fr)相乘补偿残余包络对齐误差，S4(t'm,fr)＝S3(t'm,fr)·H4(t'm,fr)；对频域回波S4(t'm,fr)进行快速逆傅立叶变换得到脉冲压缩、电离层补偿和包络对齐后回波数据s(t'm,τ)，即s(t'm,τ)＝IFFT(S4(t'm,fr))，IFFT(·)为快速逆傅立叶变换，τ为距离时间；
Ke的确定方法为：在设定的区间范围内等间隔取若干Ke，对于每个Kei，得到初始ISAR图像Ii，然后统计每幅图像的信噪比SNRi，
Figure FDA0002339148990000021
其中Imax,i表示第i幅ISAR图像的功率最大值，
Figure FDA0002339148990000022
表示第i幅图像的平均功率，σi表示第i幅图像的功率标准差；信噪比最大的ISAR图像对应的Kei即为Ke估计值。
2.根据权利要求1所述的一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，其特征在于：所述的第一步中，计算地面雷达到卫星目标的斜距变化历程的方法是：
1.1、首先测量地面雷达天线相位中心的位置矢量，然后将测量得到的地面雷达天线相位中心位置矢量转换到WGS84地心固连坐标系，得到地面雷达天线相位中心在WGS84地心固连坐标系下的位置矢量Pr；
1.2、首先测量目标卫星的位置矢量，并将测量得到的卫星目标的位置矢量转换到WGS84地心固连坐标系，然后对转换后的位置矢量进行插值，得到目标卫星在WGS84地心固连坐标系下的位置矢量Ps(tm)，tm为第m个脉冲的发射时刻，m＝1,2,3,...；
1.3、计算从脉冲发射时刻到波束照射到目标卫星的时间延迟Δtm＝|Pr-Ps(tm)|/c，c为光速，|·|为计算矢量模值操作；
1.4、对Ps(tm)重新插值，得到脉冲照射到目标卫星时刻的目标卫星的位置矢量Ps(t'm)，其中t'm＝tm+Δtm，t'm为第m个脉冲照射到目标卫星的时刻；
1.5、计算每个脉冲照射到目标卫星时刻t'm地面雷达到目标卫星的斜距R(t'm)＝|Ps(t'm)-Pr|，R(t'm)为t'm时刻地面雷达到目标卫星的斜距。
3.根据权利要求1所述的一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，其特征在于：所述的第二步中，地面雷达对接收到的目标卫星的脉冲回波数据进行脉冲压缩的方法是：
2.1、地面雷达接收目标卫星的脉冲回波数据，并对接收到的每个脉冲回波进行快速傅立叶变换，得到S(t'm,fr)，其中fr∈[-Fs/2,Fs/2]表示距离频率，其中Fs为脉冲采样频率，S(t'm,fr)为脉冲回波的距离向频谱；
2.2、构造匹配滤波器
Figure FDA0002339148990000031
W(fr)为加窗函数，
Figure FDA0002339148990000032
Kr＝Br/Tp为发射脉冲调频率，Br为发射脉冲带宽，Tp为发射脉冲时间宽度，H1(fr)为匹配滤波器；
2.3、将脉冲回波的距离向频谱S(t'm,fr)与H1(fr)相乘，得到脉冲压缩后的脉冲回波数据S1(t'm,fr)＝S(t'm,fr)·H1(fr)。
4.根据权利要求3所述的一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，其特征在于：所述的第三步中，校正目标卫星的包络弯曲走动，实现包络粗对齐的方法是：
3.1、计算每个脉冲的目标卫星的包络弯曲走动量ΔR(t'm)＝R(t'm)-R0，R(t'm)为t'm时刻地面雷达到目标卫星的距离，R0＝τsc/2+NrΔr/2，τs为地面雷达波门开启的距离时间，Nr为脉冲采样点数，Δr＝c/(2Fs)为距离采样间隔；
3.2、构造包络校正函数H2(t'm,fr)＝exp(j4πfrΔR(t'm)/c)，将S1(t'm,fr)与H2(t'm,fr)相乘实现包络平移，得到包络粗对齐后脉冲回波数据S2(t'm,fr)＝S1(t'm,fr)·H2(t'm,fr)。
5.根据权利要求1所述的一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，其特征在于：所述的第四步中，对电离层引入的延迟相位进行补偿的方法是：
4.1、使用电离层测量仪测量电离层数据，对测量得到的电离层数据进行插值，得到每个脉冲照射到目标卫星时刻的电离层数值TEC(t'm)，TEC(t'm)为t'm时刻电离层中单位面积柱体所包含的电子总数；
4.2、将电离层数值转换为相位延迟H3(t'm,fr)＝exp(j4πK·TEC(t'm)/(f0+fr)/c)，其中K＝40.28m3/s2，f0为地面雷达中心频率；将S2(t'm,fr)与H3(t'm,fr)相乘实现电离层延迟相位补偿，得到电离层补偿后的脉冲回波数据S3(t'm,fr)＝S2(t'm,fr)·H3(t'm,fr)。
6.根据权利要求1所述的一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，其特征在于：所述的第六步中，对目标卫星进行平动相位补偿的方法是：
构造目标维修平动相位补偿函数H5(t'm)＝exp(j4πR(t'm)/λ)，其中λ为波长；将s(t'm,τ)与H5(t'm)相乘完成平动相位补偿，得到平动相位补偿的脉冲回波数据s1(t'm,τ)＝s(t'm,τ)·H5(t'm)。
7.根据权利要求1所述的一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，其特征在于：所述的第七步中，对目标卫星进行二次平动相位误差估计补偿和快速傅里叶变换(FFT)的方法是：
将残余二次平动相位误差建模为
Figure FDA0002339148990000041
其中Δka为平动相位二次变化率误差，在方位时域补偿二次平动相位误差，经FFT变换得到最终的ISAR图像Ifnl，即Ifnl＝FFT(s1(t'm,τ)·H6(t'm))，FFT(·)表示快速傅立叶变换。
8.根据权利要求7所述的一种超低信噪比中高轨卫星目标ISAR成像方法，其特征在于：Δka的确定方法为：假定
Figure FDA0002339148990000042
在
Figure FDA0002339148990000043
范围内等间隔取若干Δka，对于每个Δkai，得到最终的ISAR图像Ifnl_i，统计每幅图像的信噪比SNRi，
Figure FDA0002339148990000044
其中Imax,i表示第i幅ISAR图像的功率最大值，
Figure FDA0002339148990000045
表示第i幅图像的平均功率，σi表示第i幅图像的功率标准差；信噪比最大的ISAR图像即为最终的ISAR图像Ifnl，对应的Δkai即为Δka估计值，
Figure FDA0002339148990000046
为平动相位的平均二次变化率，
Figure FDA0002339148990000047
CN201810449849.5A 2018-05-11 2018-05-11 一种超低信噪比中高轨卫星目标isar成像方法 Active CN108627831B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810449849.5A CN108627831B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 一种超低信噪比中高轨卫星目标isar成像方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810449849.5A CN108627831B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 一种超低信噪比中高轨卫星目标isar成像方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108627831A CN108627831A (zh) 2018-10-09
CN108627831B true CN108627831B (zh) 2020-06-09

Family

ID=63692774

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810449849.5A Active CN108627831B (zh) 2018-05-11 2018-05-11 一种超低信噪比中高轨卫星目标isar成像方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108627831B (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109085590B (zh) * 2018-10-16 2020-07-10 中国人民解放军国防科技大学 基于arp分段相参积累宽带直采数据isar成像方法
CN109541597B (zh) * 2018-12-12 2020-07-31 中国人民解放军国防科技大学 一种多站雷达isar图像配准方法
CN109709552B (zh) * 2019-01-24 2022-04-05 南京信息职业技术学院 一种低信噪比isar成像运动补偿方法
CN109782280B (zh) * 2019-03-06 2020-10-27 中国科学院电子学研究所 基于定标卫星的中高轨sar天线距离向方向图测量方法
CN110275165B (zh) * 2019-05-07 2021-05-28 北京理工大学 一种编队geo sar的等效相位中心及积累时间优化方法
CN110286360B (zh) * 2019-06-28 2021-06-11 西安空间无线电技术研究所 一种基于固定距离延迟的星载sar回波模拟及成像方法
CN111551935B (zh) * 2020-05-26 2022-03-04 北京无线电测量研究所 一种合成孔径雷达的运动误差补偿方法
CN111884981B (zh) * 2020-08-04 2021-05-18 北京航空航天大学 一种适用于高灵敏度星载ads-b接收机的信号处理方法
CN112327301B (zh) * 2020-10-11 2023-11-10 北京理工大学 基于子孔径grft的低信噪比下参数化平动补偿快速方法
CN112578382B (zh) * 2020-11-13 2023-10-31 中国科学院国家空间科学中心 一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法
CN112986996B (zh) * 2021-02-08 2023-08-25 中国科学院空天信息创新研究院 基于几何熵的多源sar卫星联合三维定位方法
CN113406627B (zh) * 2021-05-12 2023-05-16 北京理工大学 面向分布式多通道sar的两步式通道误差估计与补偿方法
CN113567940B (zh) * 2021-07-23 2023-10-20 中山大学 基于长时间积累的宽带雷达系统通道误差估计方法、计算机装置和存储介质
CN117092649B (zh) * 2023-10-11 2023-12-26 中国科学院空天信息创新研究院 一种月球轨道合成孔径雷达成像轨道误差补偿方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8193967B2 (en) * 2008-12-10 2012-06-05 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method and system for forming very low noise imagery using pixel classification
CN103901428A (zh) * 2014-03-28 2014-07-02 西安电子科技大学 弹载sar子孔径前斜视高阶非线性调频变标成像方法
CN104808182A (zh) * 2015-04-13 2015-07-29 南京航空航天大学 一种高分辨率宽测绘带机载sar实时运动补偿算法
CN104931967A (zh) * 2015-06-12 2015-09-23 西安电子科技大学 一种改进的高分辨率sar成像自聚焦方法
CN105044716A (zh) * 2015-05-27 2015-11-11 西安空间无线电技术研究所 一种补偿背景电离层对geosar成像影响的参数化自聚焦方法
KR20160053520A (ko) * 2014-11-05 2016-05-13 국방과학연구소 비행 궤적 및 형태학적 처리를 이용한 효과적인 다중 표적 역합성 개구면 레이더 영상 형성 방법 및 장치
CN105974414A (zh) * 2016-06-24 2016-09-28 西安电子科技大学 基于二维自聚焦的高分辨聚束sar自聚焦成像方法
CN107356923A (zh) * 2017-06-19 2017-11-17 西安空间无线电技术研究所 一种基于子孔径划分的isar成像包络对齐方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9335409B2 (en) * 2013-03-20 2016-05-10 Raytheon Company Bistatic inverse synthetic aperture radar imaging

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8193967B2 (en) * 2008-12-10 2012-06-05 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Method and system for forming very low noise imagery using pixel classification
CN103901428A (zh) * 2014-03-28 2014-07-02 西安电子科技大学 弹载sar子孔径前斜视高阶非线性调频变标成像方法
KR20160053520A (ko) * 2014-11-05 2016-05-13 국방과학연구소 비행 궤적 및 형태학적 처리를 이용한 효과적인 다중 표적 역합성 개구면 레이더 영상 형성 방법 및 장치
CN104808182A (zh) * 2015-04-13 2015-07-29 南京航空航天大学 一种高分辨率宽测绘带机载sar实时运动补偿算法
CN105044716A (zh) * 2015-05-27 2015-11-11 西安空间无线电技术研究所 一种补偿背景电离层对geosar成像影响的参数化自聚焦方法
CN104931967A (zh) * 2015-06-12 2015-09-23 西安电子科技大学 一种改进的高分辨率sar成像自聚焦方法
CN105974414A (zh) * 2016-06-24 2016-09-28 西安电子科技大学 基于二维自聚焦的高分辨聚束sar自聚焦成像方法
CN107356923A (zh) * 2017-06-19 2017-11-17 西安空间无线电技术研究所 一种基于子孔径划分的isar成像包络对齐方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"High resolution ISAR imaging of high speed moving targets";Xing M.D等;《IET Radar, Sonar and navigation》;20050430;第58-67页 *
"L波段雷达电离层高速运动目标ISAR成像补偿方法";黄小红等;《电子与信息学报》;20151231;第37卷(第12期);第2971-2976页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108627831A (zh) 2018-10-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108627831B (zh) 一种超低信噪比中高轨卫星目标isar成像方法
EP3144702B1 (en) Method and device for synthethic aperture radar imaging based on non-linear frequency modulation signal
EP2998763B1 (en) Phase calibration of a stepped-chirp signal for a synthetic aperture radar
CN105974414B (zh) 基于二维自聚焦的高分辨聚束sar自聚焦成像方法
EP3364212A1 (en) A method and an apparatus for computer-assisted processing of sar raw data
US4924229A (en) Phase correction system for automatic focusing of synthetic aperture radar
CN101430380B (zh) 基于非均匀采样的大斜视角机载sar聚束模式成像方法
CN108594228B (zh) 基于isar图像重聚焦的空间目标姿态估计方法
CN105759263B (zh) 一种高分辨率大场景下的星载斜视sar雷达成像方法
CN110632594B (zh) 一种长波长星载sar成像方法
CN102707269B (zh) 一种机载雷达距离走动校正方法
CN114545411B (zh) 一种基于工程实现的极坐标格式多模高分辨sar成像方法
Anger et al. IoSiS–A high performance experimental imaging radar for space surveillance
Eshbaugh et al. HUSIR signal processing
CN108107432B (zh) 基于时域扰动的高低轨双基sar保相成像方法
CN116299551A (zh) 一种太赫兹sar二维自聚焦成像算法
CN116794612A (zh) 基于线性变标的合成孔径雷达距离-孔径空变运动补偿方法
CN102759734B (zh) 一种用于高分辨率星载sar的改进距离徙动校正算法的成像方法
CN105182335B (zh) 基于奇异值分解的地球同步轨道sar成像方法
CN112415512B (zh) 基于进退法和黄金分割法的sar运动目标聚焦方法
CN103616669B (zh) 二维频域中对非均匀场景进行通道均衡方法
Anger et al. IoSiS-A high-performance imaging radar for surveillance of objects in low earth orbit
CN104749575B (zh) 一种改进的地球同步轨道sar频域成像方法
CN114578354A (zh) 一种星机双基sar时频同步方法
CN115015924A (zh) 一种参数优化二维空变相位误差补偿的isar成像方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant