CN109633644A - 一种机动目标isar成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机动目标ISAR成像方法，属于雷达信号处理领域，其包括步骤：1）根据雷达接收到的基带回波，通过匹配滤波实现脉冲压缩，生成一维距离像序列；2）对一维距离像序列进行运动补偿；3）采用keystone变换对运动补偿后的一维距离像序列进行越距离单元徙动校正；4）依据雷达的测量信息，得到成像期间目标的累积转角变化曲线，并进行二阶拟合，得到等效旋转角速度和角加速度值；5）依据目标的等效旋转角速度和角加速度值，构造匹配傅里叶变换的基函数；6）对越距离单元徙动校正后的一维距离像的每个距离单元进行MFT，完成方位压缩，得到ISAR二维图像。本发明通过构造MFT基函数，对每个距离单元作MFT，得到机动目标的ISAR图像，步骤简单，成像质量高。

Description

一种机动目标ISAR成像方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种机动目标ISAR成像方法。

背景技术

根据现阶段的研究，逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)成像技术是雷达技术的一个分支，其通过宽带信号的脉冲压缩获取目标距离向超分辨，通过雷达与目标之间的相对转动实现多普勒向高分辨。利用ISAR技术对目标成像，可以提供目标的二维结构特征及尺寸信息，有利于目标分类与识别，在民用和军用领域都有广泛的应用。机动目标ISAR成像时，由于成像期间目标上的散射点等效转动一般非匀速，直接采用经典的距离-多普勒(Range-Doppler,RD)算法成像会导致多普勒单元的走动，方位压缩后会引起图像散焦，影响后续的目标识别。

为消除目标机动引入的方位高次相位项，可采用以下方法：方法一、时频分析方法，该类方法对多分量信号处理时，会产生交叉项，严重干扰自身项的识别，并且算法数据运算量和存储量较大。方法二、高次相位补偿的方法，该类方法通过估计机动目标运动参数，构造补偿相位项，对方位慢时间相位进行补偿，进而消除掉高次相位项。但由于构造补偿相位项时，需要首先估计目标的等效旋转中心进而对目标进行定标，而该操作过程相当复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种机动目标ISAR成像方法，该方法将傅里叶变换MFT应用到机动目标的ISAR成像中，通过构造与目标方位相位一致的基函数，完成方位压缩，消除了目标转速不均匀带来的图像散焦问题，避免了等效旋转中心估计的繁琐过程。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种机动目标ISAR成像方法，其包括以下步骤：

步骤1、根据雷达接收到的基带回波，通过匹配滤波实现脉冲压缩，生成一维距离像序列；

步骤2、对一维距离像序列进行运动补偿；

步骤3、采用keystone变换对运动补偿后的一维距离像序列进行越距离单元徙动校正；

步骤4、依据雷达的测量信息，得到成像期间目标的累积转角变化曲线，并进行二阶拟合，得到等效旋转角速度和角加速度值；

步骤5、依据等效旋转角速度和角加速度值，构造匹配傅里叶变换MFT的基函数；

步骤6、对越距离单元徙动校正后的一维距离像的每个距离单元进行傅里叶变换MFT，完成方位压缩，得到ISAR二维图像。

进一步的，所述步骤1具体包括：

步骤a、建立ISAR基带回波模型

设雷达发射线性调频信号的脉冲重复周期为T_PRT，则发射信号的表达式为：

其中，rect(u)为矩形窗函数，当|u|≤0.5时，rect(u)＝1，当|u|＞0.5时，rect(u)＝0；

为快时间，t_m＝mT_PRT(m＝0,1,2,...)为发射时刻，称作慢时间，t为全时间，三者之间的关系为：f_c为载波频率，T_p为脉冲宽度，μ为调频率；

设目标上某个散射点记为p，则第m个脉冲时刻，雷达接收到该散射点p的基带回波模型如表达式(1)所示：

其中，σ_p为散射点p的散射系数；

c为光速，值为3×10⁸m/s；

R_pm为散射点p到雷达的距离，其表达式(2)如下：

R_pm＝R_Om+(x_psinθ_m+y_pcosθ_m) (2)

其中，R_Om为目标质心到雷达的距离；

θ_m为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角；

x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标值和距离坐标值；

步骤b、对基带回波信号进行脉冲压缩处理，得到一维距离像序列s_c，具体方法如下：

使用匹配滤波器对基带回波信号进行脉冲压缩，得到目标的一维距离像序列如下表达式(3)所示：

进一步的，所述步骤2具体包括：

步骤2-a、采用包络最大互相关方法对一维距离像序列进行包络对齐，得到包络对齐后的一维距离像s_{r_align}；

步骤2-b、采用PGA算法对s_{r_align}进行相位校正，得到相位校正后的一维距离像s_{phase_correct}，相位校正后的一维距离像s_{phase_correct}的表达式(4)如下：

其中，为快时间，t_m＝mT_PRT(m＝0,1,2,...)为发射时刻，称作慢时间，t为全时间；

f_c为载波频率，T_p为脉冲宽度，μ为调频率；

σ_p为散射点p的散射系数；

c为光速，值为3×10⁸m/s；

VR_pm的表达式(5)为：VR_pm＝x_psinθ_m+y_pcosθ_m (5)

其中，x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标值和距离坐标值；

θ_m为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角。

对于所述步骤2-b后续还包括：

由于雷达视角变化很小，累积转角作如下近似：sinθ_m≈θ_m，cosθ_m≈1，则表达式(5)表示为表达式(6)，如下：

VR_pm＝y_p-x_pθ_m (6)

对于机动目标，其等效旋转速度不是均匀的，由于成像时间较短，累积转角θ_m用慢时间的二次项表示，即如下表达式(7)：

进而表达式(6)表示为如下表达式(8)：

其中，ω为目标等效旋转角速度；

a_ω为目标等效旋转角加速度。

进一步的，所述步骤3具体包括：

步骤3-a、将运动补偿后的一维距离像s_{phase_correct}转换至频域，表示为如下表达式(9)：

其中，S_b(f)为发射信号基带信号的频谱；

f_c为载波频率；f为信号频谱；

σ_p为散射点p的散射系数；

c为光速，值为3×10⁸m/s；

VR_pm的表达式(5)为：VR_pm＝x_psinθ_m+y_pcosθ_m (5)

其中，x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标值和距离坐标值；

θ_m为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角；

步骤3-b、由于雷达视角变化很小，累积转角作如下近似：sinθ_m≈θ_m，cosθ_m≈1，则表达式(5)表示为表达式(6)，如下：

VR_pm＝y_p-x_pθ_m (6)

对于机动目标，其等效旋转速度不是均匀的，由于成像时间较短，累积转角θ_m用慢时间的二次项表示，即如下表达式(7)：

其中，ω为目标等效旋转角速度；

a_ω为目标等效旋转角加速度；

t_m＝mT_PRT(m＝0,1,2,...)为发射时刻，称作慢时间；T_PRT为雷达发射线性调频信号的脉冲重复周期；

进而表达式(6)表示为如下表达式(8)：

将表达式(8)带入表达式(9)，获得表达式(10)如下：

步骤3-c、定义虚拟慢时间τ_m，使其满足表达式(11)：

(f_c+f)t_m＝f_cτ_m (11)

步骤3-d、将表达式(11)带入表达式(10)，获得表达式(12)如下：

步骤3-e、将表达式(12)的快时间维逆傅里叶变换至时域，并将τ_m用t_m表示，得表达式(13)：

至此，与表达式(4)相比，一维距离像的越距离单元徙动已消除。

进一步的，所述步骤4具体包括：

步骤4-a、依据雷达自身的角度测量信息，得到成像期间目标的累积转角θ_m组成的变化曲线；

步骤4-b、对累积转角θ_m组成的变化曲线进行二阶拟合，得到目标等效旋转角速度值ω、角加速度值a_ω。

进一步的，所述步骤5中：

依据表达式(13)指数项，构造傅里叶变换MFT的基函数的表达式(14)如下：

进一步的，所述步骤6中：

以表达式(14)为基函数对一维距离像式(13)的每个距离单元进行傅里叶变换MFT，得：

其中，即为ISAR二维图像；

T_p为发射信号脉冲宽度；

A为信号复幅度；

f_d为方位多普勒。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明将傅里叶变换MFT应用到机动目标ISAR成像中，相比现有技术，不存在RID成像的交叉项，也无需估计目标的等效旋转中心，操作过程简单；第二，本发明能够有效消除目标机动引起的多普勒散焦，成像质量更高。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明的示意流程图。

图2是实施例的仿真场景。

图3是实施例的仿真模型。

图4是实施例的运动补偿后的一维距离像序列。

图5是实施例的keystone变换后的一维距离像序列。

图6是实施例的累积转角变化曲线。

图7是实施例的现有技术RD算法对机动目标的成像结果。

图8是实施例的现有技术RID算法对机动目标的成像结果。

图9是实施例的本发明方法对机动目标的成像结果。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为更好的理解本发明，下面结合附图1和一个机动目标ISAR成像实例来详细描述本发明所提出的方法的有效性，实例的仿真场景如图2所示，图中，“◇”为雷达站位置，目标运动轨道高度为30Km，目标在轨道上作机动运动，运动速度为300m/s，加速度为40m/s²，加粗部分为选择的雷达成像区域。仿真散射点模型如图3所示。

参照附图1，一种机动目标ISAR成像方法，包括以下步骤：

步骤1、根据雷达接收到的基带回波，通过匹配滤波实现脉冲压缩，生成一维距离像序列；

步骤2、对一维距离像序列进行运动补偿；

步骤3、采用keystone变换对运动补偿后的一维距离像序列进行越距离单元徙动校正；

步骤4、依据雷达的测量信息，得到成像期间目标的累积转角变化曲线，并进行二阶拟合，得到等效旋转角速度和角加速度值；

步骤5、依据等效旋转角速度和角加速度值，构造匹配傅里叶变换(MFT)的基函数；

步骤6、对越距离单元徙动校正后的一维距离像的每个距离单元进行MFT，完成方位压缩，得到ISAR二维图像。

进一步的，步骤1包括以下子步骤：

步骤a、建立ISAR基带回波模型s_r__b；

假设雷达发射线性调频信号的脉冲重复周期为T_PRT，则发射信号的表达式为

其中，rect(u)为矩形窗函数，当|u|≤0.5时，rect(u)＝1，当|u|＞0.5时，rect(u)＝0；为快时间，t_m＝mT_PRT(m＝0,1,2,...)为发射时刻，称作慢时间，t为全时间，三者之间的关系为：f_c为载波频率，T_p为脉冲宽度，μ为调频率。

假设目标上某个散射点记为p，则第m个脉冲时刻，雷达接收到该散射点的的基带回波为如下表达式(1)：

其中，σ_p为散射点p的散射系数，R_pm为散射点p到雷达的距离，表达式(2)为

R_pm＝R_Om+(x_psinθ_m+y_pcosθ_m) (2)

其中，R_Om为目标质心到雷达的距离，θ_m为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角，x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标值和距离坐标值。

步骤b、对基带回波信号脉冲压缩处理，得到一维距离像序列s_c。

使用匹配滤波器对基带回波信号进行脉冲压缩，得到目标的一维距离像为

进一步的，步骤2包括以下子步骤：

步骤2-a、采用包络最大互相关方法对一维距离像序列进行包络对齐，得到包络对齐后的一维距离像s_{r_align}，具体的计算方法为本领域的常用技术手段，此处不再赘述；

步骤2-b、采用PGA算法对s_{r_align}进行相位校正，得到相位校正后的一维距离像s_{phase_corre}，具体的计算方法为本领域的常用技术手段，此处不再赘述。s_{phase_corre}的表达式为

其中，VR_pm＝x_psinθ_m+y_pcosθ_m (5)

步骤2-c，由于雷达视角变化很小，累积转角还可以作如下近似：sinθ_m≈θ_m，cosθ_m≈1，则式(5)可表示为

VR_pm＝y_p-x_pθ_m (6)

对于机动目标，其等效旋转速度不是均匀的，由于成像时间较短，累积转角可用慢时间的二次项表示，即

进一步，式(6)可表示为

其中，ω为目标等效旋转角速度，a_ω为目标等效旋转角加速度。

本实施例中，成像使用的脉冲个数M＝512，每个脉冲快时间采样个数为N＝512，得到的一维距离像s_{phase_correct}如图4所示。

进一步的，步骤3包括以下子步骤：

步骤3-a，将运动补偿后的一维距离像s_{phase_correct}转换至频域，可表示为

式中，S_b(f)为发射信号基带信号的频谱。

步骤3-b，将式(8)带入式(9)，可得

步骤3-c，定义虚拟慢时间τ_m，使其满足

(f_c+f)t_m＝f_cτ_m (10)

步骤d，将式(10)带入式(9)，可得

步骤e，将式(11)的快时间维逆傅里叶变换至时域，并将τ_m用t_m表示，得

相比式(4)，一维距离像的越距离单元徙动已消除。

本实施例中，keystone变换后的一维距离像如图5所示。

进一步的，步骤4包括以下子步骤：

步骤4-a，依据雷达自身的角度测量信息，可得到成像期间目标的累积转角θ_m；

步骤4-b，对累积转角曲线θ_m进行二阶拟合，得到目标等效旋转角速度值ω、角加速度值a_ω。

本实施例中，由雷达测量信息得到的累积转角θ_m变化曲线如图6所示，对该曲线进行二阶拟合，得到目标等效旋转角速度ω为9.1×10^-3rad/s，角加速度a_ω为1.1×10^-3rad/s²。

进一步的，所述步骤5中：

依据式(12)指数项，构造MFT的基函数

本实施例中，构造的基函数为

进一步的，所述步骤6中：

以式(13)为基函数，对一维距离像式(11)的每个距离单元进行MFT，得：

即为ISAR二维图像。

本实施例中，图7为现有技术中RD算法直接成像结果，可以看出，由于目标机动运动，图像方位向出现了较为严重的散焦；图8为现有技术中距离瞬时多普勒算法(RID)成像结果(时频分析采用WVD分布)，由于单一距离单元上有多个散射点，图像出现明显的交叉项；图9是本发明方法成像结果，目标聚焦良好，成像质量明显由于现有技术。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

综上所述，仅为本发明的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种机动目标ISAR成像方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤1、根据雷达接收到的基带回波，通过匹配滤波实现脉冲压缩，生成一维距离像序列；

步骤2、对一维距离像序列进行运动补偿；

步骤3、采用keystone变换对运动补偿后的一维距离像序列进行越距离单元徙动校正；

步骤4、依据雷达的测量信息，得到成像期间目标的累积转角变化曲线，并进行二阶拟合，得到等效旋转角速度和角加速度值；

步骤5、依据等效旋转角速度和角加速度值，构造匹配傅里叶变换MFT的基函数；

步骤6、对越距离单元徙动校正后的一维距离像的每个距离单元进行傅里叶变换MFT，完成方位压缩，得到ISAR二维图像。

2.根据权利要求1所述的一种机动目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤a、建立ISAR基带回波模型

设雷达发射线性调频信号的脉冲重复周期为T_PRT，则发射信号的表达式为：

其中，rect(u)为矩形窗函数，当|u|≤0.5时，rect(u)＝1，当|u|＞0.5时，rect(u)＝0；

为快时间，t_m＝mT_PRT(m＝0,1,2,...)为发射时刻，称作慢时间，t为全时间，三者之间的关系为：f_c为载波频率，T_p为脉冲宽度，μ为调频率；

设目标上某个散射点记为p，则第m个脉冲时刻，雷达接收到该散射点p的基带回波模型如表达式(1)所示：

其中，σ_p为散射点p的散射系数；

c为光速，值为3×10⁸m/s；

R_pm为散射点p到雷达的距离，其表达式(2)如下：

R_pm＝R_Om+(x_psinθ_m+y_pcosθ_m) (2)

其中，R_Om为目标质心到雷达的距离；

θ_m为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角；

x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标值和距离坐标值；

步骤b、对基带回波信号进行脉冲压缩处理，得到一维距离像序列s_c，具体方法如下：

使用匹配滤波器对基带回波信号进行脉冲压缩，得到目标的一维距离像序列如下表达式(3)所示：

3.根据权利要求1所述的一种机动目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2-a、采用包络最大互相关方法对一维距离像序列进行包络对齐，得到包络对齐后的一维距离像s_{r_align}；

步骤2-b、采用PGA算法对s_{r_align}进行相位校正，得到相位校正后的一维距离像s_{phase_correct}，相位校正后的一维距离像s_{phase_correct}的表达式(4)如下：

其中，为快时间，t_m＝mT_PRT(m＝0,1,2,...)为发射时刻，称作慢时间，t为全时间；

f_c为载波频率，T_p为脉冲宽度，μ为调频率；

σ_p为散射点p的散射系数；

c为光速，值为3×10⁸m/s；

VR_pm的表达式(5)为：VR_pm＝x_psinθ_m+y_pcosθ_m (5)

其中，x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标值和距离坐标值；

θ_m为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角。

4.根据权利要求3所述的一种机动目标ISAR成像方法，其特征在于，对于所述步骤2-b后续还包括：

由于雷达视角变化很小，累积转角作如下近似：sinθ_m≈θ_m，cosθ_m≈1，则表达式(5)表示为表达式(6)，如下：

VR_pm＝y_p-x_pθ_m (6)

对于机动目标，其等效旋转速度不是均匀的，由于成像时间较短，累积转角θ_m用慢时间的二次项表示，即如下表达式(7)：

进而表达式(6)表示为如下表达式(8)：

其中，ω为目标等效旋转角速度；

a_ω为目标等效旋转角加速度。

5.根据权利要求1所述的一种机动目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3-a、将运动补偿后的一维距离像s_{phase_correct}转换至频域，表示为如下表达式(9)：

其中，S_b(f)为发射信号基带信号的频谱；

f_c为载波频率；f为信号频谱；

σ_p为散射点p的散射系数；

c为光速，值为3×10⁸m/s；

VR_pm的表达式(5)为：VR_pm＝x_psinθ_m+y_pcosθ_m (5)

其中，x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标值和距离坐标值；

θ_m为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角；

步骤3-b、由于雷达视角变化很小，累积转角作如下近似：sinθ_m≈θ_m，cosθ_m≈1，则表达式(5)表示为表达式(6)，如下：

VR_pm＝y_p-x_pθ_m (6)

对于机动目标，其等效旋转速度不是均匀的，由于成像时间较短，累积转角θ_m用慢时间的二次项表示，即如下表达式(7)：

其中，ω为目标等效旋转角速度；

a_ω为目标等效旋转角加速度；

t_m＝mT_PRT(m＝0,1,2,...)为发射时刻，称作慢时间；T_PRT为雷达发射线性调频信号的脉冲重复周期；

进而表达式(6)表示为如下表达式(8)：

将表达式(8)带入表达式(9)，获得表达式(10)如下：

步骤3-c、定义虚拟慢时间τ_m，使其满足表达式(11)：

(f_c+f)t_m＝f_cτ_m (11)

步骤3-d、将表达式(11)带入表达式(10)，获得表达式(12)如下：

步骤3-e、将表达式(12)的快时间维逆傅里叶变换至时域，并将τ_m用t_m表示，得表达式(13)：

至此，与表达式(4)相比，一维距离像的越距离单元徙动已消除。

6.根据权利要求1所述的一种机动目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤4-a、依据雷达自身的角度测量信息，得到成像期间目标的累积转角θ_m组成的变化曲线；

步骤4-b、对累积转角θ_m组成的变化曲线进行二阶拟合，得到目标等效旋转角速度值ω、角加速度值a_ω。

7.根据权利要求5所述的一种机动目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤5中：

依据表达式(13)指数项，构造傅里叶变换MFT的基函数的表达式(14)如下：

8.根据权利要求7所述的一种机动目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤6中：

以表达式(14)为基函数对一维距离像式(13)的每个距离单元进行傅里叶变换MFT，得：

其中，即为ISAR二维图像；

T_p为发射信号脉冲宽度；

A为信号复幅度；

f_d为方位多普勒。