CN109655829A - 双基地isar图像畸变校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双基地ISAR图像畸变校正方法，包括以下步骤：根据双基地雷达接收到的回波，生成一维距离像序列；对一维距离像序列进行运动补偿；根据雷达的测量信息，构建补偿相位项；利用补偿相位项对运动补偿后的一维距离像序列进行相位补偿；将补偿后的一维距离像序列的方位向进行压缩得到ISAR二维图像。所述方法无需计算图像的畸变角度即可完成图像畸变校正，省去了畸变角度计算的繁琐过程；利用补偿相位项的方式完成图像的畸变校正，校正后图像的散射点不存在波瓣分裂的现象，成像质量更高。

Description

双基地ISAR图像畸变校正方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理方法技术领域，尤其涉及一种双基地ISAR图像畸变校正方法。

背景技术

双基地逆合成孔径雷达是基于双基地雷达平台的逆合成孔径雷达(InverseSynthetic Aperture Radar,ISAR)系统，在具备“四抗”特性的同时，它利用接收的目标非后向散射回波进行成像，能够较单基地雷达获取更加丰富的目标信息。为此，双(多)基地雷达系统日益成为现代雷达研究的热点问题。距离-多普勒(Range-Doppler,RD)算法是双基地ISAR成像的经典算法，由于其物理意义明确、操作简便被广泛应用于成像仿真及实测数据的处理中，但双基地ISAR采用RD算法成像时，由于双基地角的存在，得到的二维图像会出现畸变，影响后续的目标识别。

针对双基地ISAR图像畸变的问题，现有技术通过计算图像畸变角度然后对二维图像的每个距离单元进行多普勒向的移位操作，完成畸变校正。这种方法存在如下问题：(1)未得到精确的图像畸变角度，计算过程复杂；(2)畸变校正时对移位的多普勒单元取整操作会产生量化误差，造成散射点波瓣的分裂，影响畸变校正的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种无需计算图像的畸变角度，并且校正后图像的散射点不存在波瓣分裂现象的双基地ISAR图像畸变校正方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据双基地雷达接收到的回波，生成一维距离像序列；

对一维距离像序列进行运动补偿；

根据雷达的测量信息，构建补偿相位项；

利用补偿相位项对运动补偿后的一维距离像序列进行相位补偿；

将补偿后的一维距离像序列的方位向进行压缩得到ISAR二维图像。

进一步的技术方案在于：所述根据双基地雷达接收到的回波，生成一维距离像序列包括：

建立双基地ISAR基带回波模型s_{r_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。

进一步的技术方案在于：所述建立双基地ISAR基带回波模型s_{r_b}的方法如下：

设收发双站雷达理想同步，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；

设雷达所探测的目标上有P个散射点，则雷达接收到的第m个脉冲的基带回波为：

其中，σ_p为散射点p的散射系数，R_pm为散射点p到收发双站的距离和，表达式为：

其中，R_Om为目标质心到收发双站的距离和，θ_m、β_m分别为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角、双基地角，x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标和距离坐标值。

进一步的技术方案在于，对基带回波信号脉冲压缩处理，得到一维距离像序列s_c的方法如下：

使用匹配滤波器对目标回波进行脉冲压缩，得到目标的一维距离像为

进一步的技术方案在于，所述对一维距离像序列进行运动补偿的方法包括如下步骤：

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_{range_alignment}；

采用PGA算法对所述一维距离像s_{range_alignment}进行相位校正，得到相位校正后的一维距离像s_{phase_correction}，s_{phase_correction}的表达式为

其中，

对s_{phase_correction}离散化表示：

设成像期间双基地雷达采集回波的脉冲个数为M，每个脉冲的快时间采样个数为N(即距离单元数为N)，则s_{phase_correction}可离散化表示为：

式中，s_n,m表示s_{phase_correction}的第m个脉冲、第n个距离单元的值。

进一步的技术方案在于，所述根据雷达的测量信息，构建补偿相位项的方法如下：

双基地ISAR图像畸变机理分析：

对式(5)中的指数项求导，得到散射点p的多普勒信息为：

令

其中：f_d1为目标转动引起的多普勒项，f_d2为双基地角时变引起的多普勒项；并且，f_d1中的第一项用于方位坐标x_P的分辨，第二项是θ'_m与sinθ_m两个较小因子的乘积；f_d2中第一项是与sinθ_m两个较小因子的乘积，第二项是散射点的距离坐标y_P值的函数关系；

构造补偿相位项Φ：

构建补偿相位项Φ：

式中，θ_m、β_m均由雷达的测量信息计算得到；

对Φ离散化表示：

设每个脉冲的采样时间间隔为t_s，对Φ可离散化表示为：

式中，

进一步的技术方案在于，所述利用补偿相位项对运动补偿后的一维距离像序列进行相位补偿步骤中：

将式(12)与式(7)相乘，得到的一维距离像s_correction可表示为

s_correction＝s_{phase_correction}·*Φ (13)

式中“·*”表示两个矩阵的点乘；

在s_correction中，引起畸变的相位项已消除。

进一步的技术方案在于，所述将补偿后的一维距离像序列的方位向进行压缩得到ISAR二维图像步骤中：

对一维距离像s_correction的每个距离单元作傅里叶变换，得到畸变校正后的ISAR二维像I_correction。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法无需计算图像的畸变角度即可完成图像畸变校正，省去了畸变角度计算的繁琐过程；利用补偿相位项的方式完成图像的畸变校正，校正后图像的散射点不存在波瓣分裂的现象，成像质量更高。

附图说明

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是本发明实施例所述方法的流程图；

图2是本发明实施例中仿真场景示意图；

图3是本发明实施例中仿真模型示意图；

图4是本发明实施例中运动补偿后的一维距离像序列图；

图5是实施例的未进行图像畸变校正的成像结果；

图6是实施例的现有技术对图像畸变校正的成像结果；

图7是实施例的本发明方法对图像畸变校正的成像结果；

具体实施方式

下面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的一部分实施例，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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种双基地ISAR图像畸变校正方法，包括以下步骤：

1)根据双基地雷达接收到的回波，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)根据雷达的测量信息，构建补偿相位项；

4)利用补偿相位项对运动补偿后的一维距离像序列进行相位补偿；

5)将补偿后的一维距离像序列的方位向进行压缩得到ISAR二维图像。

图2中，“◇”为发射站位置，“○”为接收站位置，雷达基线长度约为60Km，目标轨道高度为25Km，运动速度为400m/s，仿真散射点模型如图3所示。

下面对上述步骤进行详细说明：

步骤1)包括以下子步骤：

步骤a，建立双基地ISAR基带回波模型s_r__b：

假设收发双站雷达理想同步，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。

假设雷达所探测的目标上有P个散射点，则雷达接收到的第m个脉冲的基带回波为：

其中，σ_p为散射点p的散射系数，R_pm为散射点p到收发双站的距离和，表达式为：

其中，R_Om为目标质心到收发双站的距离和，θ_m、β_m分别为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角、双基地角，x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标和距离坐标值。

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：

使用匹配滤波器对目标回波进行脉冲压缩，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_{range_alignment}，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b，采用PGA算法对s_{range_alignment}进行相位校正，得到相位校正后的一维距离像s_{phase_correction}，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_correction}的表达式为

其中，

步骤c，对s_{phase_correction}离散化表示。

假设成像期间双基地雷达采集回波的脉冲个数为M，每个脉冲的快时间采样个数为N(即距离单元数为N)，则s_{phase_correction}可离散化表示为：

式中，s_n,m表示s_{phase_correction}的第m个脉冲、第n个距离单元的值。

本实施例中，成像使用的脉冲个数M＝500，每个脉冲快时间采样个数为N＝1024，得到的一维距离像s_{phase_correction}如图4所示。

进一步的，步骤3)包括以下子步骤：

步骤a，双基地ISAR图像畸变机理分析：

对式(4)中的指数项求导，得到散射点p的多普勒信息为：

令

f_d1为目标转动引起的多普勒项，f_d2为双基地角时变引起的多普勒项。并且，f_d1中的第一项用于方位坐标x_P的分辨，第二项是θ'_m与sinθ_m两个较小因子的乘积，该项值很小，只会引起多普勒单元的徙动；f_d2中第一项是与sinθ_m两个较小因子的乘积，该项也只会引起多普勒徙动，第二项是散射点的距离坐标y_P值的函数关系，由于双基地角时变，该项会产生较大的多普勒走动，并且，目标的距离坐标越大，引起的多普勒走动越大，这就是双基地角时变引起的图像方位畸变。

步骤b，构造补偿相位项Φ；

为了消除双基地ISAR的图像畸变，就需要将式(5)中引起多普勒偏移的相位补偿掉，该多普勒是由指数项的后半部分引起的，因此，构建补偿相位项

式中，θ_m、β_m均可由雷达的测量信息计算得到。

步骤c，对Φ离散化表示。

假设每个脉冲的采样时间间隔为t_s，对Φ可离散化表示为

式中，

进一步的，所述步骤4)中：

将式(12)与式(7)相乘，得到的一维距离像s_correction可表示为：

s_correction＝s_{phase_correction}·*Φ (13)

式中“·*”表示两个矩阵的点乘。

在s_correction中，引起畸变的相位项已消除。

进一步的，所述步骤5)中：

对s_correction的每个距离单元作傅里叶变换，得到畸变校正后的ISAR二维像I_correction。

本实施例中，图5为未进行图像畸变校正的RD成像结果，对比仿真模型可以看出，成像结果方位出现错位，存在畸变现象；图6是现有技术对图像畸变校正的结果，由于多普勒向移位的取整操作存在误差，畸变校正后的图像出现了散射点分裂的现象；图7是本发明方法对图像畸变校正的结果，图像畸变现象已消除，并且各散射点形状圆滑，不存在波瓣分裂的现象。

Claims (8)

1.一种双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据双基地雷达接收到的回波，生成一维距离像序列；

对一维距离像序列进行运动补偿；

根据雷达的测量信息，构建补偿相位项；

利用补偿相位项对运动补偿后的一维距离像序列进行相位补偿；

将补偿后的一维距离像序列的方位向进行压缩得到ISAR二维图像。

2.如权利要求1所述的双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，所述根据双基地雷达接收到的回波，生成一维距离像序列包括：

建立双基地ISAR基带回波模型s_{r_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。

3.如权利要求2所述的双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，所述建立双基地ISAR基带回波模型s_{r_b}的方法如下：

设收发双站雷达理想同步，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；

设雷达所探测的目标上有P个散射点，则雷达接收到的第m个脉冲的基带回波为：

其中，σ_p为散射点p的散射系数，R_pm为散射点p到收发双站的距离和，表达式为：

其中，R_Om为目标质心到收发双站的距离和，θ_m、β_m分别为第m个脉冲时刻对应的成像累积转角、双基地角，x_p、y_p分别为散射点p的方位坐标和距离坐标值。

4.如权利要求3所述的双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，对基带回波信号脉冲压缩处理，得到一维距离像序列s_c的方法如下：

使用匹配滤波器对目标回波进行脉冲压缩，得到目标的一维距离像为

5.如权利要求1所述的双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，所述对一维距离像序列进行运动补偿的方法包括如下步骤：

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_{range_alignment}；

采用PGA算法对所述一维距离像s_{range_alignment}进行相位校正，得到相位校正后的一维距离像s_{phase_correction}，s_{phase_correction}的表达式为

其中，

对s_{phase_correction}离散化表示：

设成像期间双基地雷达采集回波的脉冲个数为M，每个脉冲的快时间采样个数为N(即距离单元数为N)，则s_{phase_correction}可离散化表示为：

式中，s_n,m表示s_{phase_correction}的第m个脉冲、第n个距离单元的值。

6.如权利要求1所述的双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，所述根据雷达的测量信息，构建补偿相位项的方法如下：

双基地ISAR图像畸变机理分析：

对式(5)中的指数项求导，得到散射点p的多普勒信息为：

令

其中：f_d1为目标转动引起的多普勒项，f_d2为双基地角时变引起的多普勒项；并且，f_d1中的第一项用于方位坐标x_P的分辨，第二项是θ'_m与sinθ_m两个较小因子的乘积；f_d2中第一项是与sinθ_m两个较小因子的乘积，第二项是散射点的距离坐标y_P值的函数关系；

构造补偿相位项Φ：

构建补偿相位项Φ：

式中，θ_m、β_m均由雷达的测量信息计算得到；

对Φ离散化表示：

设每个脉冲的采样时间间隔为t_s，对Φ可离散化表示为：

式中，

7.如权利要求1所述的双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，所述利用补偿相位项对运动补偿后的一维距离像序列进行相位补偿步骤中：

将式(12)与式(7)相乘，得到的一维距离像s_correction可表示为

s_correction＝s_{phase_correction}·*Φ (13)

式中“·*”表示两个矩阵的点乘；

在s_correction中，引起畸变的相位项已消除。

8.如权利要求1所述的双基地ISAR图像畸变校正方法，其特征在于，所述将补偿后的一维距离像序列的方位向进行压缩得到ISAR二维图像步骤中：

对一维距离像s_correction的每个距离单元作傅里叶变换，得到畸变校正后的ISAR二维像I_correction。