CN109633645A - 一种双基地isar自聚焦二维图像成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法及系统。所述成像方法包括：利用匹配滤波法，对待测目标的基频回波脉冲进行压缩，获取一维脉压数据并确定包络对齐处理后的脉压数据；根据包络对齐处理后的脉压数据确定转动相位‑时间关系；根据转动相位‑时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数；根据变化速率以及变化倍数对双基地角的时变进行补偿，直至关于双基地角的时变的泰勒公式内的高阶相位项归零，确定待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像。采用本发明所提供的双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法及系统能够提高待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像的对比度以及清晰度。

Description

一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法及系统

技术领域

本发明涉及双基地ISAR自聚焦二维图像成像领域，特别是涉及一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法及系统。

背景技术

目前，双基地逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar，ISAR)成像主要借鉴单基地ISAR的成像算法来完成，这些成像算法一般需满足成像期间目标双基地角恒定不变的假设，双基地角恒定不变的假设会造成二维图像的散焦，增大了图像熵值，降低了图像对比度，使目标的二维像偏离真是目标轮廓，不利于后续的目标识别和分类。在实际成像过程中，双基地角是随着时间变化的，因此，在传统的双基地逆合成孔径雷达成像技术中，双基地角时变情况下，成像图像的对比度大大下降，产生图像模糊的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法及系统，以提高待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像的对比度以及清晰度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法，包括：

利用匹配滤波法，对待测目标的基频回波脉冲进行压缩，获取一维脉压数据；

对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据；

根据所述包络对齐处理后的脉压数据确定双基地角在转动相位上随时间变化的转动相位-时间关系；

根据所述转动相位-时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数；

根据变化速率以及所述变化倍数对所述双基地角的时变进行补偿，直至关于所述双基地角的时变的泰勒公式内的高阶相位项归零，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像。

可选的，所述根据所述包络对齐处理后的脉压数据确定双基地角在转动相位上随时间变化的转动相位-时间关系之后，还包括：

利用二阶泰勒公式将所述转动相位-时间关系展开，确定转动相位项二阶泰勒公式。

可选的，所述根据所述转动相位-时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数，具体包括：

利用离散多项式相位变换方法估计转动相位项二阶泰勒公式内转动相位项的阶数和系数；所述阶数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率，所述系数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数。

可选的，所述利用离散多项式相位变换方法估计转动相位项二阶泰勒公式内转动相位项的阶数和系数，具体包括：

所述包络对齐处理后的脉压数据包括多个距离单元；所述距离单元为快时间域内的待测目标距离采样数；

从第一个距离单元开始逐个完成所有所述距离单元的方位压缩，并用N表示距离单元数；

令N＝1，对于第N个距离单元，将所述第N个距离单元的方位向回波利用泰勒公式进行三阶展开，并基于离散多项式相位变换方法估计高阶相位项的定阶参数、二阶参数以及三阶参数，确定转动相位项的阶数和系数。

可选的，所述基于离散多项式相位变换方法估计高阶相位项的定阶参数、二阶参数以及三阶参数，确定转动相位项的阶数和系数之后，还包括：

在进行定阶参数及高阶参数估计的过程中，先估计三阶参数并完成三次高阶项的补偿；

在完成三阶项补偿的基础上，进行二阶参数的估计并完成二次项补偿；

完成二次项补偿之后，所述第N个距离单元的转动相位项仅留下成像所需的线性相位项，完成对所述第N个距离单元的相位补偿；

判断所述N是否已达到所有距离单元总数，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述N已达到所有距离单元总数，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像；

若所述第一判断结果表示为所述N未达到所有距离单元总数，将N加上1，并返回至对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据的步骤。

一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统，包括：

一维脉压数据获取模块，用于利用匹配滤波法，对待测目标的基频回波脉冲进行压缩，获取一维脉压数据；

包络对齐处理模块，用于对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据；

转动相位-时间关系确定模块，用于根据所述包络对齐处理后的脉压数据确定双基地角在转动相位上随时间变化的转动相位-时间关系；

变化速率以及变化倍数确定模块，用于根据所述转动相位-时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数；

待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像确定模块，用于根据变化速率以及所述变化倍数对所述双基地角的时变进行补偿，直至关于所述双基地角的时变的泰勒公式内的高阶相位项归零，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像。

可选的，还包括：

转动相位项二阶泰勒公式确定模块，用于利用二阶泰勒公式将所述转动相位-时间关系展开，确定转动相位项二阶泰勒公式。

可选的，所述转动相位-时间关系确定模块具体包括：

转动相位项的阶数和系数确定单元，用于利用离散多项式相位变换方法估计转动相位项二阶泰勒公式内转动相位项的阶数和系数；所述阶数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率，所述系数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数。

可选的，所述转动相位项的阶数和系数确定单元具体包括：

所述包络对齐处理后的脉压数据包括多个距离单元；所述距离单元为快时间域内的待测目标距离采样数；

方位压缩子单元，用于从第一个距离单元开始逐个完成所有所述距离单元的方位压缩，并用N表示距离单元数；

转动相位项的阶数和系数确定子单元，用于令N＝1，对于第N个距离单元，将所述第N个距离单元的方位向回波利用泰勒公式进行三阶展开，并基于离散多项式相位变换方法估计高阶相位项的定阶参数、二阶参数以及三阶参数，确定转动相位项的阶数和系数。

可选的，还包括：

三次高阶项补偿子单元，用于在进行定阶参数及高阶参数估计的过程中，先估计三阶参数并完成三次高阶项的补偿；

二次项补偿子单元，用于在完成三阶项补偿的基础上，进行二阶参数的估计并完成二次项补偿；

相位补充子单元，用于完成二次项补偿之后，所述第N个距离单元的转动相位项仅留下成像所需的线性相位项，完成对所述第N个距离单元的相位补偿；

第一判断子单元，用于判断所述N是否已达到所有距离单元总数，得到第一判断结果；

待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像子单元，用于若所述第一判断结果表示为所述N已达到所有距离单元总数，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像；

返回子单元，用于若所述第一判断结果表示为所述N未达到所有距离单元总数，将N加上1，并返回至对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据的步骤。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法及系统，在完成自聚焦的过程中，没有将双基地角假定为恒定不变，而是将双基地角的时变用高阶多项式建模并完成补偿，解决了高次相位项影响自聚焦精度的问题，提高了聚焦精度，更符合双基地成像的实际条件，因此，本发明提供的双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法及系统能适用于双基地角时变条件下的二维ISAR成像，解决了双基地角时变带来的图像对比度下降，图像模糊问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法流程图；

图2为本发明所提供的双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法及系统，以解决双基地角时变带来的图像对比度下降，图像模糊问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法流程图，如图1所示，一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法，包括：

步骤101：利用匹配滤波法，对待测目标的基频回波脉冲进行压缩，获取一维脉压数据。

步骤102：对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据。

步骤103：根据所述包络对齐处理后的脉压数据确定双基地角在转动相位上随时间变化的转动相位-时间关系。

步骤104：根据所述转动相位-时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数。

步骤105：根据变化速率以及所述变化倍数对所述双基地角的时变进行补偿，直至关于所述双基地角的时变的泰勒公式内的高阶相位项归零，通过方位压缩确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像。

在对一维脉压数据完成包络对齐之后，将双基地角在转动相位上随时间的变化用二阶泰勒公式展开，其中，转动相位为在ISAR成像过程中，目标质心随雷达视线的径向运动造成的相位称之为平动相位项；目标上的其他散射点围绕质心的转动带来的相位项称之为转动相位。

其次利用离散多项式相位变换的方法估计转动相位项的阶数和系数；其中，用多项式对转动相位进行建模，自变量是慢时间，慢时间的最高阶次数就是阶数，该阶数实际表示为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率；多项式中与各阶慢时间相的数就是系数，该系数实际表示为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数。

本发明适用于发射线性调频信号，接收方式采用脉冲压缩的宽带成像雷达。雷达将目标反射的线性调频回波进行脉冲压缩，得到一维距离像，利用最小互相关法完成包络对齐。从第一个距离单元开始逐个完成所有距离单元的方位压缩，用N表示距离单元数，令N＝1，对于第N各距离单元，将其方位向回波利用泰勒公式进行三阶展开，基于离散多项式相位变换完成高阶相位项的定阶和二阶及三阶参数的估计。其中，距离单元严格意义上来讲应该是一维距离像的距离采样单元，一维距离像包括多少个距离单元是由脉冲宽度和采样频率决定的，脉冲宽度与采样频率相乘的结果就是一维距离像包括的距离采样单元数，距离单元实际为快时间域内的目标距离采样数。

在进行定阶及高阶参数估计的过程中，先估计三阶参数并完成三次高阶项的补偿，在完成三阶项补偿的基础上，进行二阶参数的估计并完成二次项补偿，将高阶相位项归零，去除高阶成像干扰项对成像的影响；可以采用如下步骤进行估计：1.在包络对齐以后，对第1个距离采样单元的数据进行多项式相位变换；2.对多项式项目变换后的数据进行快速傅里叶变换；3.选择出傅里叶变换后数据输出最大的点对应的频点数即为三阶项目的系数。

在完成二次项补偿之后，第N个距离单元的转动相位项仅留下成像所需的线性相位项，此时转动相位项的相位因子符合相位梯度自聚焦(phase gradient autofocusing，PGA)算法所需的应用条件，故可利用PGA算法完成相位误差的估计并进行补偿，至此，就完成了该距离单元的相位补偿。最后判断N是否已达所有距离单元总数，若没有达到所有距离单元总数，则将N加上1，并返回至包络对齐之后，重复以上步骤，只至N等于所有距离单元数即可。

利用估计出的系数构造补偿相位项；补偿相位项用来与高阶转动相位项完成相乘运算的，完成相乘运算后，高阶相位项就被补偿为0；补偿相位项是对应高阶转动相位项的共轭；该补偿相位项实际表示为高阶转动相位项的虚拟耦合对；完成高阶转动相位的补偿。

在完成高阶转动相位补偿之后，转动相位项就仅留下一阶线性相位项，此时，可借助方位向傅里叶变换的方法完成方位向的聚焦，从而形成所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像。

图2为本发明所提供的双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统结构图，如图2所示，一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统，包括：

一维脉压数据获取模块201，用于利用匹配滤波法，对待测目标的基频回波脉冲压缩，获取一维脉压数据。

包络对齐处理模块202，用于对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据。

转动相位-时间关系确定模块203，用于根据所述包络对齐处理后的脉压数据确定双基地角在转动相位上随时间变化的转动相位-时间关系。

所述转动相位-时间关系确定模块203具体包括：转动相位项的阶数和系数确定单元，用于利用离散多项式相位变换方法估计转动相位项二阶泰勒公式内转动相位项的阶数和系数；所述阶数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率，所述系数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数。

所述转动相位项的阶数和系数确定单元具体包括：所述包络对齐处理后的脉压数据包括多个距离单元；所述距离单元为快时间域内的待测目标距离采样数；方位压缩子单元，用于从第一个距离单元开始逐个完成所有所述距离单元的方位压缩，并用N表示距离单元数；转动相位项的阶数和系数确定子单元，用于令N＝1，对于第N个距离单元，将所述第N个距离单元的方位向回波利用泰勒公式进行三阶展开，并基于离散多项式相位变换方法估计高阶相位项的定阶参数、二阶参数以及三阶参数，确定转动相位项的阶数和系数。

变化速率以及变化倍数确定模块204，用于根据所述转动相位-时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数。

待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像确定模块205，用于根据变化速率以及所述变化倍数对所述双基地角的时变进行补偿，直至关于所述双基地角的时变的泰勒公式内的高阶相位项归零，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像。

在实际应用中，本发明还包括：转动相位项二阶泰勒公式确定模块，用于利用二阶泰勒公式将所述转动相位-时间关系展开，确定转动相位项二阶泰勒公式。

在实际应用中，本发明还包括：三次高阶项补偿子单元，用于在进行定阶参数及高阶参数估计的过程中，先估计三阶参数并完成三次高阶项的补偿；二次项补偿子单元，用于在完成三阶项补偿的基础上，进行二阶参数的估计并完成二次项补偿；相位补充子单元，用于完成二次项补偿之后，所述第N个距离单元的转动相位项仅留下成像所需的线性相位项，完成对所述第N个距离单元的相位补偿；第一判断子单元，用于判断所述N是否已达到所有距离单元总数，得到第一判断结果；所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像子单元，用于若所述第一判断结果表示为所述N已达到所有距离单元总数，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像；返回子单元，用于若所述第一判断结果表示为所述N未达到所有距离单元总数，将N加上1，并返回至对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据的步骤。

本发明在完成自聚焦的过程中，没有将双基地角假定为恒定不变，而是在双基地角时变的条件下进行的，更符合双基地成像的实际条件，将双基地角时变用高阶多项式建模并完成补偿，解决了高次相位项影响自聚焦精度的问题，提高了聚焦精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法，其特征在于，包括：

利用匹配滤波法，对待测目标的基频回波脉冲进行压缩，获取一维脉压数据；

对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据；

根据所述包络对齐处理后的脉压数据确定双基地角在转动相位上随时间变化的转动相位-时间关系；

根据所述转动相位-时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数；

根据变化速率以及所述变化倍数对所述双基地角的时变进行补偿，直至关于所述双基地角的时变的泰勒公式内的高阶相位项归零，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像。

2.根据权利要求1所述的双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法，其特征在于，所述根据所述包络对齐处理后的脉压数据确定双基地角在转动相位上随时间变化的转动相位-时间关系之后，还包括：

利用二阶泰勒公式将所述转动相位-时间关系展开，确定转动相位项二阶泰勒公式。

3.根据权利要求2所述的双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法，其特征在于，所述根据所述转动相位-时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数，具体包括：

利用离散多项式相位变换方法估计转动相位项二阶泰勒公式内转动相位项的阶数和系数；所述阶数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率，所述系数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数。

4.根据权利要求3所述的双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法，其特征在于，所述利用离散多项式相位变换方法估计转动相位项二阶泰勒公式内转动相位项的阶数和系数，具体包括：

所述包络对齐处理后的脉压数据包括多个距离单元；所述距离单元为快时间域内的待测目标距离采样数；

从第一个距离单元开始逐个完成所有所述距离单元的方位压缩，并用N表示距离单元数；

令N＝1，对于第N个距离单元，将所述第N个距离单元的方位向回波利用泰勒公式进行三阶展开，并基于离散多项式相位变换方法估计高阶相位项的定阶参数、二阶参数以及三阶参数，确定转动相位项的阶数和系数。

5.根据权利要求4所述的双基地ISAR自聚焦二维图像成像方法，其特征在于，所述基于离散多项式相位变换方法估计高阶相位项的定阶参数、二阶参数以及三阶参数，确定转动相位项的阶数和系数之后，还包括：

在进行定阶参数及高阶参数估计的过程中，先估计三阶参数并完成三次高阶项的补偿；

在完成三阶项补偿的基础上，进行二阶参数的估计并完成二次项补偿；

完成二次项补偿之后，所述第N个距离单元的转动相位项仅留下成像所需的线性相位项，完成对所述第N个距离单元的相位补偿；

判断所述N是否已达到所有距离单元总数，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述N已达到所有距离单元总数，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像；

若所述第一判断结果表示为所述N未达到所有距离单元总数，将N加上1，并返回至对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据的步骤。

6.一种双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统，其特征在于，包括：

一维脉压数据获取模块，用于利用匹配滤波法，对待测目标的基频回波脉冲进行压缩，获取一维脉压数据；

包络对齐处理模块，用于对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据；

转动相位-时间关系确定模块，用于根据所述包络对齐处理后的脉压数据确定双基地角在转动相位上随时间变化的转动相位-时间关系；

变化速率以及变化倍数确定模块，用于根据所述转动相位-时间关系确定对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率以及对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数；

待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像确定模块，用于根据变化速率以及所述变化倍数对所述双基地角的时变进行补偿，直至关于所述双基地角的时变的泰勒公式内的高阶相位项归零，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像。

7.根据权利要求6所述的双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统，其特征在于，还包括：

转动相位项二阶泰勒公式确定模块，用于利用二阶泰勒公式将所述转动相位-时间关系展开，确定转动相位项二阶泰勒公式。

8.根据权利要求7所述的双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统，其特征在于，所述转动相位-时间关系确定模块具体包括：

转动相位项的阶数和系数确定单元，用于利用离散多项式相位变换方法估计转动相位项二阶泰勒公式内转动相位项的阶数和系数；所述阶数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化速率，所述系数为对成像有干扰的转动相位项对慢时间的变化倍数。

9.根据权利要求8所述的双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统，其特征在于，所述转动相位项的阶数和系数确定单元具体包括：

所述包络对齐处理后的脉压数据包括多个距离单元；所述距离单元为快时间域内的待测目标距离采样数；

方位压缩子单元，用于从第一个距离单元开始逐个完成所有所述距离单元的方位压缩，并用N表示距离单元数；

转动相位项的阶数和系数确定子单元，用于令N＝1，对于第N个距离单元，将所述第N个距离单元的方位向回波利用泰勒公式进行三阶展开，并基于离散多项式相位变换方法估计高阶相位项的定阶参数、二阶参数以及三阶参数，确定转动相位项的阶数和系数。

10.根据权利要求9所述的双基地ISAR自聚焦二维图像成像系统，其特征在于，还包括：

三次高阶项补偿子单元，用于在进行定阶参数及高阶参数估计的过程中，先估计三阶参数并完成三次高阶项的补偿；

二次项补偿子单元，用于在完成三阶项补偿的基础上，进行二阶参数的估计并完成二次项补偿；

相位补充子单元，用于完成二次项补偿之后，所述第N个距离单元的转动相位项仅留下成像所需的线性相位项，完成对所述第N个距离单元的相位补偿；

第一判断子单元，用于判断所述N是否已达到所有距离单元总数，得到第一判断结果；

待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像子单元，用于若所述第一判断结果表示为所述N已达到所有距离单元总数，确定所述待测目标的双基地ISAR自聚焦二维图像；

返回子单元，用于若所述第一判断结果表示为所述N未达到所有距离单元总数，将N加上1，并返回至对所述一维脉压数据进行包络对齐处理，确定包络对齐处理后的脉压数据的步骤。