CN109031295B - 一种基于波程差补偿的isar图像配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于波程差补偿的ISAR图像配准方法。技术方案是：设利用InISAR成像系统获得第一目标回波、第二目标回波、第三目标回波，三个目标回波来自InISAR成像系统中的不同雷达，第一目标回波对应的天线为发射天线，包括下述步骤:第一步，估计目标的旋转角速度；第二步，根据几何关系计算目标任意散射点到不同天线的波程差；第三步，构造相位差补偿相位，并进行相位补偿；第四步，计算配准之后的ISAR图像。本发明计算量小，配准精度高。

Description

一种基于波程差补偿的ISAR图像配准方法

技术领域

本发明涉及InISAR(Interferometric Inverse Synthetic Aperture Radar，干涉逆合成孔径雷达)三维成像领域，特别涉及一种ISAR(Inverse Synthetic ApertureRadar，逆合成孔径雷达)图像配准方法。

背景技术

InISAR三维成像技术是高分辨ISAR成像技术和干涉技术的结合，通过对两幅配准后的ISAR图像进行干涉处理获得干涉相位。ISAR图像配准是InISAR三维成像里面一个重要的技术，其目的是实现同一散射点在不同ISAR图像中的对齐，以便于后续的ISAR图像干涉处理是在同一个散射点之间进行，最终通过干涉得到散射点的三维坐标。

近些年，国内外学者提出了很多ISAR图像配准相关的算法和应用。刘承兰等提出一种基于相位校正的图像配准方法，该方法通过在回波域将两幅ISAR图像利用各自的参考距离分别完成聚焦实现配准。该方法对于雷达的测距和测角精度要求比较高，尤其是在低信噪比情况下雷达测距和测角精度比较差时，导致图像配准和三维成像精度进一步变差，具体参见文献：刘承兰,高勋章,贺峰,等.一种基于相位校正的InISAR图像配准新方法[J].国防科技大学学报,2011,35(5):116-122.。另外，张群等人提出一种利用多天线结构三维成像技术，在互差的平均值为0.3034。由图5的三维成像结果可知，基于波程差补偿的ISAR图像通过长基线测得的目标转角对短基线接收的回波进行补偿，实现ISAR图像的配准。这种成像系统的天线结构相当复杂，给天线布阵带来极大的挑战，并且硬件成本太高。具体参见文献：Zhang Q,Yeo T S,Du G,et al.Estimation of three-dimensional motionparameters in interferometric ISAR imaging[J].Geoscience&Remote Sensing IEEETransactions on,2004,42(2):292-300.。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对InISAR成像系统ISAR图像配准方法精度不高及对于雷达硬件系统要求过高等不足，提供一种基于波程差补偿的ISAR图像配准方法。

本发明技术方案的基本思路是：本发明基于相位补偿消除散射点到不同天线的波程差，进而实现ISAR图像配准。其基本原理是，使用Chirp傅里叶变换估计得到目标的转动角速度，并根据几何关系计算各散射点到不同天线的波程差，构造相位进行波程差补偿。

本发明的技术方案是：一种基于波程差补偿的ISAR图像配准方法，设利用InISAR成像系统获得第一目标回波、第二目标回波、第三目标回波，三个目标回波来自InISAR成像系统中的不同雷达，第一目标回波对应的天线为发射天线，包括下述步骤:

第一步，估计目标的旋转角速度：

对第一目标回波进行解线频调处理，再进行距离向脉冲压缩，获得目标的一维距离像；消除一维距离像的剩余视频相位和包络斜置项；利用Chirp傅里叶变换估计得到目标的旋转角速度。

第二步，根据几何关系计算目标任意散射点到不同天线的波程差：

利用下式计算目标任意散射点到不同天线之间的波程差：

其中：L表示InISAR成像系统的天线基线长度，w^AB表示目标旋转角速度在第一目标天线和第二目标天线以及电轴决定的平面上的投影,w^AC表示目标旋转角速度在第一目标天线和第三目标天线以及电轴决定的平面上的投影；

表示在慢时间为t_m时，第一目标回波天线和第二目标回波天线的波程差；

表示在慢时间为t_m时，第一目标回波天线和第三目标回波天线的波程差。

第三步，构造相位差补偿相位，并进行相位补偿：

根据上述得到的随慢时间变化的波程差，构造波程差补偿相位。依次对第二目标回波和第三目标回波进行补偿。

第四步，计算配准之后的ISAR图像：

对经过上述处理的三个目标回波分别进行距离向和方位向的脉冲压缩获得配准之后的三幅ISAR图像。

本发明的有益效果是：本发明可以有效消除散射点到不同天线之间的波程差，因此，配准精度较高；本发明不需要进行滑窗计算相关系数，可以有效减小计算量；此外，本发明致力于估计和补偿散射点到不同天线的波程差，对雷达成像系统的测距和测角精度要求不高。

附图说明

图1是本发明实施例的雷达观测模型；

图2是本发明的总体流程图；

图3是旋转角速度估计方法示例说明；

图4是利用本发明得到的三部天线的配准后的ISAR图像；

图5是经过本发明处理后对目标进行三维成像的结果；

图6是经过基于相关系数配准方法处理后对目标进行三维成像的结果。

具体实施方式

为了对本发明进行更加清楚的描述，下面以三部雷达组成的InISAR成像系统为例对本发明进行详细描述。

图1是本发明实施例的雷达观测模型。如图1所示，图中包含两个互相平行的坐标系：雷达坐标系(A-XYZ)和目标坐标系(O-xyz)；在雷达坐标系中，Y轴方向为电轴方向；三部雷达在雷达坐标系下位置分别为A(0,0,0),B(L,0,0)和C(0,0,L)。利用InISAR成像系统对目标进行成像时，仅仅天线A发射电磁波，三部天线均接收电磁波。目标中心在雷达坐标系下的位置为O(X₀,Y₀,Z₀)；目标坐标系原点位于目标的几何中心，即O(X₀,Y₀,Z₀)；目标第k个散射点P_k在目标坐标系下的位置为P_k(x_k,y_k,z_k)，天线A观测目标的方位角为

俯仰角为α。目标相对于雷达旋转角速度不变。图2是本发明的总体流程图，首先使用Chirp傅里叶变换估计目标的旋转角速度，其次根据几何关系计算得到目标任意散射点到不同天线的波程差，然后构造波程差补偿相位消除波程差的影响，最后计算配准之后的ISAR图像。整个流程分为四个大的步骤。

第一步，估计目标的旋转角速度：

将天线A接收到的回波进行解线频调处理，再进行距离向压缩得到回波的一维距离像，随后消除一维距离像的剩余视频相位和包络斜置项。以上处理参见文献:保铮,邢孟道,王彤.雷达成像技术[M].北京:电子工业出版社.2005.。然后对上述结果利用Chirp傅里叶变换估计目标回波多普勒频率的调频斜率，再通过换算得到目标的旋转角速度，可参见文献：罗文茂，崔应留.基于调频傅里叶变换的高速目标ISAR距离像算法[J].火力与指挥控制.2016年11月，第41卷，第11期：36-40.

为了提高估计旋转角速度结果的稳定性，此处选择目标强散射点所在距离单元的前后多个距离单元(调频斜率变化不大)的一维距离像作为距离单元块，对目标回波多普勒频率的调频斜率进行估计。在各个距离单元块估计得到调频斜率之后，再根据调频斜率与散射点径向距离之间的线性约束关系，对多个距离单元块估计得到的调频斜率进行最小二乘拟合，得到拟合直线。最终拟合得到的直线斜率k与目标的旋转角速度w成一一对应关系：

上述公式中λ表示InISAR成像系统中的雷达的工作波长。

第二步，根据几何关系计算目标任意散射点到不同天线的波程差：

设目标成像慢时间t_m时，目标到A(即前述的第一目标天线)、B(即前述的第二目标天线)、C天线(即前述的第三目标天线)的距离为

根据雷达的基线长度L、目标旋转角速度w^AB和w^AC，和成像慢时间t_m，计算目标任意散射点到A、B天线的波程差

和到A、C天线的波程差

分别表示为：

第三步，构造相位差补偿相位，并进行相位补偿：

设天线A发射的电磁波的波长为λ、调频斜率为γ、成像快时间为

使用第二步估计得到的目标到不同天线之间的波程差，利用下式构建波程差补偿相位

和

上述公式中c表示光速，

设B、C天线补偿前的回波为

和

用波程差补偿相位

和

补偿之后的回波为

和

第四步，计算配准之后的ISAR图像：

对经过上述处理的回波进行距离向和方位向的脉冲压缩，得到配准之后的ISAR图像S_A、S_B和S_C。

图3至图6是利用本发明实施例进行仿真实验的结果。实验环境为：Intel(R)Core(TM)i7 7700 CPU@3.6GHz and 16GB RAM。仿真实验的条件是：InISAR成像系统包括三部天线，三部天线在雷达坐标系下位置分别为A(0,0,0),B(10,0,0)和C(0,0,10)。利用InISAR成像系统对目标进行成像时，仅仅天线A发射电磁波，三部天线均接收电磁波。发射电磁波为线性调频信号，参数为：载频f_c＝10GHz，带宽B＝1GHz，脉冲宽度T_p＝0.1ms，脉冲重复频率PRF＝100Hz。目标旋转角速度w＝0.0112rad/s。

图3是利用本发明的第一步估计目标的旋转角速度的估计结果的示例说明。如图所示，图3中的横坐标表示各散射单元块的距离，纵坐标表示调频斜率，折线表示对各个距离单元块估计得到的调频斜率结果，斜线是对各单元块的调频斜率估计结果进行最小二乘拟合得到的。从图中可以计算得到目标的旋转角速度w＝0.0111rad/s，可知与真实值的误差仅有0.89％。由图3的估计结果可知，本发明第一步的处理方式对于目标旋转角速度的估计比较精确。

图4是利用本发明实施例进行图像配准的结果，得到的配准后目标的ISAR图像如图4所示。图4(a)、图4(b)和图4(c)依次为A、B、C三部天线接收回波利用本发明后得到的ISAR图像。为了进一步说明本发明的配准精度，从图4的不同ISAR成像结果中提取出的8个强散射点的位置如表1所示，其中括号内前一个数为散射点所在的方位向单元位置，后一个数为散射点在距离向的位置。由图4和表1可知，经过波程差补偿后，8个强散射点在三幅ISAR图像中的方位向单元位置和距离向单元均相同，表明本发明实施例中A、B、C三部天线所获得的三幅不同ISAR图像之间完成了精确配准。

对配准之后的三幅ISAR图像分别进行干涉处理，最终得到的目标三维结果如图5所示。其中星号“*”为目标的真实结构，圆圈“○”为所成三维图像。其中，圆圈“○”与最近的“*”点在x、y、z三个方向上的坐标差的平均值为0.3034。由图5的三维成像结果可知，基于波程差补偿的ISAR图像配准方法不仅可以实现很好的配准效果，而且最终的三维成像精度较高。

我们比较了本发明与常用的基于相关系数的图像配准方法的运行时间和成像结果。基于相关系数的图像配准方法(简称相关法)的最终三维成像结果如图6所示。由图6可见，圆圈“○”与最近的星号“*”点的坐标相差甚远，其在x、y、z三个方向上的坐标差的平均值达到了45.8529，表明其三维重构精度较低，成像结果较差。另外，在用相关法进行图像配准时，由于需要对ISAR图像进行十倍插值和滑窗计算相关系数，大大增加了基于相关系数的图像配准方法的计算量和计算时间开销。本发明完成图像配准所需时间和相关法完成图像配准所需时间的比较如表2所示。由表2可见，相关法完成图像配准所需时间为15916秒，本发明完成图像配准所需时间为10秒，时间开销明显降低99.93％。本发明可有效减小图像配准所需时间，而且最终成像精度也比较高。

表1.本发明进行配准后三幅图像中各散射点坐标

表2.时间代价的比较

Claims (1)

1.一种基于波程差补偿的ISAR图像配准方法，设利用InISAR成像系统获得第一目标回波、第二目标回波、第三目标回波，三个目标回波来自InISAR成像系统中的不同雷达，第一目标回波对应的天线为发射天线，InISAR是指干涉逆合成孔径雷达，ISAR是指逆合成孔径雷达，其特征在于，包括下述步骤:

第一步，估计目标的旋转角速度：

对第一目标回波进行解线频调处理，再进行距离向脉冲压缩，获得目标的一维距离像；消除一维距离像的剩余视频相位和包络斜置项；利用Chirp傅里叶变换估计得到目标的旋转角速度；

第二步，根据几何关系计算目标任意散射点到不同天线的波程差：

利用下式计算目标任意散射点到不同天线之间的波程差：

其中：L表示InISAR成像系统的天线基线长度，w^AB表示目标旋转角速度在第一目标天线和第二目标天线以及电轴决定的平面上的投影,w^AC表示目标旋转角速度在第一目标天线和第三目标天线以及电轴决定的平面上的投影；

表示在慢时间为t_m时，第一目标回波天线和第二目标回波天线的波程差；

表示在慢时间为t_m时，第一目标回波天线和第三目标回波天线的波程差；

第三步，构造相位差补偿相位，并进行相位补偿：

根据上述得到的随慢时间变化的波程差，构造波程差补偿相位；依次对第二目标回波和第三目标回波进行补偿具体步骤为：

设第一目标回波发射的电磁波的波长为λ、调频斜率为γ、成像快时间为

使用第二步估计得到的目标到不同天线之间的波程差，利用下式构建第二波程差补偿相位

和第三波程差补偿相位

上述公式中c表示光速；

设第二目标回波为

和第三目标回波为

用第二波程差补偿相位补偿第二目标回波之后的回波为

用第三波程差补偿相位补偿第三目标回波之后的回波为

第四步，计算配准之后的ISAR图像：

对经过上述处理的三个目标回波分别进行距离向和方位向的脉冲压缩获得配准之后的三幅ISAR图像。

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