CN110501706B - 大角度非均匀转动空间目标isar成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆合成孔径雷达成像信号处理技术，尤其涉及一种大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法。本发明基于空间目标的姿态稳定性，根据雷达窄带跟踪信息计算目标的转角变化曲线，拟合出空间目标的非均匀转动参数；然后针对平动补偿后的一维距离像数据进行转动中心搜索，实现大转角引起的高次相位和包络走动量补偿；进而针对非匀速转动引起的散射点多普勒频率随时间变化，进行慢时间非均匀重新采样使方位向多普勒频率恒定；最后，采用Keystone变换消除越距离单元走动，通过傅里叶变换实现方位压缩，得到高质量目标ISAR图像，有效解决了空间目标大转角非均匀转动情况下的ISAR成像问题。本发明对促进宽带雷达目标识别向实用化、精细化方向发展起到重要作用。

Description

大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法

技术领域

本发明涉及逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)成像信号处理技术，尤其涉及一种大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法。

背景技术

ISAR具有对非合作目标的二维高分辨成像的能力，被广泛应用于各种军事和民用背景下。距离向的高分辨可通过发射大带宽信号获得，而在方位向，高分辨是利用目标相对雷达视线的旋转产生的相位调制来获得。一般而言，为更好的解译目标，ISAR图像的方位向分辨率要与距离向分辨率相当。因此，在获得距离向高分辨之后，需相应提高方位向分辨率。方位向分辨率正比于波长，反比于目标相对于雷达的转角。在雷达系统相对工作带宽为10％的情况下，为使方位向分辨率与距离像分辨率相当，可以求得所需相干积累转角大约为5.7°，而在相对工作带宽为20％的情况下，需要的相干积累转角约为11.5°。大转角意味着长的相干积累时间，在此期间，目标出现非均匀转动、转轴指向变化等复杂情况的可能性大大增加。这些因素都可能导致基于傅里叶变换的距离-多普勒(Range-Doppler，RD)成像算法无法获得高质量的ISAR图像。

针对非匀速转动情况，目前主要有两种方法。第一种是利用时频变换方法进行成像，得到目标的距离-瞬时多普勒(Range Instantaneous Doppler，RID)图像(Yong Wang,Yanchao Lin.ISAR imaging of non-uniformly rotating target via range-instantaneous-doppler-derivatives algorithm[J].IEEE Journal of SelectedTopics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,2014,7(1):167-176)，然而时频变换方法存在计算量大且难以标定的问题，同时不同时间切片下得到的RID图像会出现显著差异，难以完整反映目标的姿态结构信息。第二种是对相干积累时间内目标转动参数求解，然后进行转动高次相位补偿，从而得到聚焦ISAR像(黄雅静,曹敏,付耀文等,基于匹配傅里叶变换的匀加速旋转目标成像[J].信号处理,2009,25(6):864-867.)。由于目标的非合作性，同时运动参数估计的方法存在对所有距离单元均进行求解并拟合，计算量大，难以快速准确的求得目标的转动参数。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，首先，基于空间目标的姿态稳定性，通过几何分析得出其在成像积累时间内的转角近似等于观测起止时刻雷达视线的夹角，因此可根据雷达窄带跟踪信息计算目标的转角变化曲线。然后，在大转角条件下目标可能呈现为非匀速转动，散射点多普勒频率随时间变化，对一维像数据进行转动中心搜索补偿高次相位，并进行慢时间非均匀重新采样使方位向多普勒频率恒定。最后，采用Keystone变换消除越距离单元走动，通过傅里叶变换实现方位压缩，得到高质量目标ISAR图像。

本发明采用的技术方案为：一种大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，该方法包括以下步骤：

S1：雷达回波脉冲压缩

假设雷达发射宽带线性调频(Linear frequency modulation，LFM)信号：

其中f_c是载频，T_p是脉冲宽度，γ是调频斜率，带宽B＝γT_p，

为快时间，t_m为慢时间，

为全时间，m表示脉冲序号，m＝1,2，…，M，M为脉冲个数。

根据理想散射点模型，目标回波可以近似为目标上散射点回波的叠加。假设目标包含K个散射点，第k个散射点对应的散射系数为σ_k(k＝1,2,…,K)，那么雷达回波可以表示为：

其中τ_k,m＝2R_k,m/c表示第k个散射点回波信号时延，R_k,m表示第k个散射点距雷达的距离，c是电磁波在空间中传播的速度。

根据转台模型，目标相对于雷达的运动可以分解为平动和转动，即

R_k,m＝R_{Trans_m}+R_{Rot_k,m} (3)

其中，R_{Trans_m}表示目标相对于雷达的平动分量，R_{Rot_k,m}表示目标相对于雷达的转动分量，R_{Rot_k,m}＝y_kcos(θ_m)+x_ksin(θ_m)，x_k和y_k为散射点k的二维坐标，θ_m为成像期间第m个脉冲的转角变化。

回波信号经过开窗采集并进行下变频后得到基频信号为：

δ_m表示开窗采集的误差；

对基频信号进行匹配滤波脉冲压缩得到目标一维距离像

S2：一维距离像平动补偿

由于存在开窗采集的误差δ_m，导致进行匹配滤波脉冲压缩后得到的目标一维距离像

的包络存在随机抖动，不能正确反映目标的运动规律，因此需要进行包络对齐；同时，开窗采集的误差δ_m导致了一维距离像相位的抖动，同样需要进行相位补偿。具体包括以下两步：

S2.1采用基于改进的全局包络对齐方法对进行匹配滤波脉冲压缩后得到的目标一维距离像

进行包络粗对齐(Wang,Junfeng,and X.Liu."Improved GlobalRange Alignment for ISAR."IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems 43.3(2007):1070-1075.)，包络粗对齐后的目标一维距离像

可以写为：

R_{Trans_0}表示目标成像起始时刻的平动距离；

S2.2采用快速最小熵法(邱晓晖,Heng Wang Cheng Alice,Yeo Siew Yam，“ISAR成像快速最小熵相位补偿方法”，《电子与信息学报》，2004,26(10):1656-1660。)对包络粗对齐后的一维距离像

进行相位精补偿，实现相位精补偿后的目标一维距离像

可以写为：

从公式(7)可以看出，经过一维距离像平动补偿后，目标成像等效为转台模型，目标的转动分量一方面为方位向多普勒分辨提供了可能，另一方面也带来包络的走动效应，需要进一步进行补偿。

S3：基于雷达测量参数拟合目标转动参数

从公式(7)可知，对转动分量R_{Rot_k,m}的分析是ISAR成像方位聚焦的关键，而其中最直接的就是目标相对雷达的转角变化规律的分析。本步骤针对目标相对雷达的转角进行分析，提供基于雷达测量参数的目标转动参数拟合。

由于空间目标特有的轨道确定性和姿态稳定性，目标在成像积累时间内的转角等于雷达视线转过的角度，使得根据窄带跟踪信息求解空间目标转角变化成为可能。宽带雷达系统多采用宽窄带信号交替发射模式，窄带信号用于发现和跟踪目标，确定目标位置，从而得到目标距离、方位和俯仰信息，并由此引导宽带信号的发射和接收。窄带测得的跟踪参数反映了雷达视线变化，假设第m个脉冲时刻目标方位为α_m，俯仰为β_m，那么雷达视线方向的单位向量为

因此，相邻两个脉冲期间目标转过的角度为

则在M个脉冲周期内，目标总的转角为

根据公式(10)求得转角变化曲线后，采用多项式拟合方法获取成像起始时刻目标的转动速度ω和转动加速度a，则有

此时，实现相位精补偿后的目标的一维距离像可以重新写为：

S4：基于最小熵的转动中心估计与高次项补偿

在大转角情况下，需要将公式(12)中的正弦函数和余弦函数按二阶泰勒展开，得到

于是，实现相位精补偿后的目标的一维距离像可以进一步重新写为

由上式可知，转动加速度a不仅造成散射点越距离单元走动(Migration thoughresolution cell，MTRC)，同时会引入高次相位项。目标的匀加速转动可视为对慢时间的非均匀采样，此时若直接用FT进行方位压缩，将导致图像方位向散焦。

本部分首先针对大转角引起的包络高次走动量以及高次相位分量

进行校正，通过步骤S3已经拟合出θ_m的变化规律，因此只需要计算y_k的值。需要指出的是y_k是相对于目标转动中心的距离，因而必须估计出目标的转动中心。本步骤提出一种基于最小熵的转动中心估计与高次项补偿方法，具体步骤如下：

S4.1针对公式(12)所示的目标一维距离像，提取目标在完整一维距离像中所占的有效距离单元数，记为[n_down,n_up]，并记初始转动中心估计值为n₀＝(n_down+n_up)/2。

S4.2以图像熵为衡量函数，采用黄金分割搜索方法在区间[n_down,n_up]上快速搜索得到目标的准确转动中心估计值

S4.3以转动中心估计值

对一维距离像包络高次走动量及高次相位分量

进行补偿，即针对每个距离单元n，补偿分量为

其中dy为距离单元分辨率。

补偿后的一维距离像为

S5：脉冲间慢时间非均匀采样

从公式(15)可以看出，由于转动加速度a的存在，目标转角θ_m非均匀变化，导致慢时间非均匀采样，如果直接进行傅里叶变换方位压缩将出现散焦情况。本步骤针对脉冲间的慢时间进行重新非均匀采样，使得重新采样后的时间变量变为均匀间隔，具体如下：

定义一个新的慢时间变量t′_m，令

其中

为成像积累时间内的平动转动速度。将公式(16)代入公式(15)，得到

从上式可以看出，在新的慢时间变量t′_m上，方位向是均匀采样的，可以利用傅里叶变换进行压缩。

S6：基于Keystone变换的越距离单元走动校正

公式(17)中，大转角的转动分量同样引起了包络的MTRC效应，为了实现方位压缩的有效积累，必须对MTRC进行校正，本步骤通过Keystone变换校正MTRC，校正后的一维距离像为

S7：方位向傅里叶变换，获取ISAR图像

最后，沿慢时间对公式(18)做傅里叶变换即可得到聚焦的ISAR图像：

其中T_M为方位向M个脉冲的积累时间，f_d为多普勒频率。

本发明具有以下有益效果：通过本发明，基于空间目标的姿态稳定性，根据雷达窄带跟踪信息计算目标的转角变化曲线，拟合出空间目标的非均匀转动参数；然后针对平动补偿后的一维距离像数据进行转动中心搜索，实现大转角引起的高次相位和包络走动量补偿；进而针对非匀速转动引起的散射点多普勒频率随时间变化，进行慢时间非均匀重新采样使方位向多普勒频率恒定。最后，采用Keystone变换消除越距离单元走动，通过傅里叶变换实现方位压缩，得到高质量目标ISAR图像，有效解决了空间目标大转角非均匀转动情况下的ISAR成像问题。本发明对促进宽带雷达目标识别向实用化、精细化方向发展起到重要作用。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2是仿真目标模型；

图3-(a)是雷达跟踪的方位曲线；

图3-(b)是雷达跟踪的俯仰曲线；

图4是目标相对雷达的转角曲线；

图5-(a)是目标一维距离像序列；

图5-(b)是第234个距离单元时频分析结果；

图6-(a)是目标RD算法ISAR成像结果；

图6-(b)是目标慢时间非均匀采样后ISAR成像结果；

图6-(c)是目标慢时间非均匀采样并进行Keystone变换后ISAR成像结果；

图6-(d)是目标RID算法ISAR成像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

图1为本发明总处理流程。

本发明所述一种大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，该方法包括以下步骤：

S1：雷达回波脉冲压缩；

S2：一维距离像平动补偿；

S3：基于雷达测量参数拟合目标转动参数；

S4：基于最小熵的转动中心估计与高次项补偿；

S5：脉冲间慢时间非均匀采样；

S6：基于Keystone变换的越距离单元走动校正；

S7：方位向傅里叶变换，获取ISAR图像。

下面以仿真数据来检验本发明的有益效果。

如图2所示，图2是仿真目标模型；仿真目标为一模拟卫星，包含97个等强度的散射点。雷达发射宽带LFM信号，载频15GHz，带宽2GHz，脉冲宽度50μs，PRF为100Hz。

图3给出了我国某宽带雷达跟踪某空间目标的窄带跟踪参数，图中给出了其中1500个脉冲的跟踪曲线，其中图3(a)和(b)分别为方位和俯仰跟踪曲线。以图3所示跟踪参数为基准，仿真生成1500次宽带回波。

根据公式(10)计算得到转角曲线如图4所示，目标总的转角约23°，且转角变化为非均匀。

从中选取第801-1312个脉冲进行成像处理。目标转角为9°，对应的方位分辨率为0.06m。一维距离像序列如图5(a)所示，对第234个距离单元的方位信号进行短时傅里叶变换，时频分布结果如图5(b)所示。由于目标非均匀转动，可见散射点多普勒频率随慢时间线性变化，此时直接用FT进行方位压缩无法得到聚焦的ISAR像。

图6(a)给出了直接用RD算法得到的目标图像，图像中各散射点出现了不同程度的散焦，且离转动中心距离越远，散焦越严重。采用本发明方法进行成像处理，图6(b)给出了慢时间非均匀重新采样后的成像结果，散射点在方位向的展宽得到了明显改善；使用Keystone变换校正散射点距离向的展宽，得到如图6(c)所示成像结果，目标结构清晰完整，各散射点聚焦程度得到进一步改善。作为对比，图6(d)给出了基于参数估计的RID成像算法得到的成像结果，由图可知，相比于RD图像，RID图像质量得到了一定的提升，然而由于参数估计误差图像上出现了虚假散射点，与此同时，图像上也存在丢失目标散射点情况。

表1计算时间对比

表1对比了三种方法的成像处理时间，RD方法最快，本发明方法次之，RID方法最慢。结合图像质量来看，本发明方法以较小的时间代价取得了图像质量的提高，从而验证了本发明方法的有效性及优越性。

Claims (5)

1.一种大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：雷达回波脉冲压缩

假设雷达发射宽带线性调频信号：

其中f_c是载频，T_p是脉冲宽度，γ是调频斜率，带宽B＝γT_p，

为快时间，t_m为慢时间，

为全时间，m表示脉冲序号，m＝1,2，…，M，M为脉冲个数；

根据理想散射点模型，目标回波可以近似为目标上散射点回波的叠加；假设目标包含K个散射点，第k个散射点对应的散射系数为σ_k，k＝1,2,…,K，那么雷达回波可以表示为：

其中τ_k,m＝2R_k,m/c表示第k个散射点回波信号时延，R_k,m表示第k个散射点距雷达的距离，c是电磁波在空间中传播的速度；

根据转台模型，目标相对于雷达的运动可以分解为平动和转动，即

R_k,m＝R_{Trans_m}+R_{Rot_k,m} (3)

其中，R_{Trans_m}表示目标相对于雷达的平动分量，R_{Rot_k,m}表示目标相对于雷达的转动分量，R_{Rot_k,m}＝y_kcos(θ_m)+x_ksin(θ_m)，x_k和y_k为散射点k的二维坐标，θ_m为成像期间第m个脉冲的转角变化；

回波信号经过开窗采集并进行下变频后得到基频信号为：

δ_m表示开窗采集的误差；

对基频信号进行匹配滤波脉冲压缩得到目标一维距离像

S2：一维距离像平动补偿

由于存在开窗采集的误差δ_m，导致进行匹配滤波脉冲压缩后得到的目标一维距离像

的包络存在随机抖动，不能正确反映目标的运动规律，因此需要进行包络对齐；同时，开窗采集的误差δ_m导致了一维距离像相位的抖动，同样需要进行相位补偿；具体包括以下两步：

S2.1对进行匹配滤波脉冲压缩后得到的目标一维距离像

进行包络粗对齐，包络粗对齐后的目标一维距离像

可以写为：

R_{Trans_0}表示目标成像起始时刻的平动距离；

S2.2对包络粗对齐后的一维距离像

进行相位精补偿，实现相位精补偿后的目标一维距离像

可以写为：

从公式(7)可以看出，经过一维距离像平动补偿后，目标成像等效为转台模型，目标的转动分量一方面为方位向多普勒分辨提供了可能，另一方面也带来包络的走动效应，需要进一步进行补偿；

S3：基于雷达测量参数拟合目标转动参数

由于空间目标特有的轨道确定性和姿态稳定性，目标在成像积累时间内的转角等于雷达视线转过的角度，使得根据窄带跟踪信息求解空间目标转角变化成为可能；宽带雷达系统多采用宽窄带信号交替发射模式，窄带信号用于发现和跟踪目标，确定目标位置，从而得到目标距离、方位和俯仰信息，并由此引导宽带信号的发射和接收；窄带测得的跟踪参数反映了雷达视线变化，假设第m个脉冲时刻目标方位为α_m，俯仰为β_m，那么雷达视线方向的单位向量为：

因此，相邻两个脉冲期间目标转过的角度为：

则在M个脉冲周期内，目标总的转角为：

根据公式(10)求得转角变化曲线后，获取成像起始时刻目标的转动速度ω和转动加速度a，则有：

此时，实现相位精补偿后的目标的一维距离像可以重新写为：

S4：基于最小熵的转动中心估计与高次项补偿

在大转角情况下，需要将公式(12)中的正弦函数和余弦函数按二阶泰勒展开，得到

于是，实现相位精补偿后的目标的一维距离像可以进一步重新写为：

由上式可知，转动加速度a不仅造成散射点越距离单元走动，同时会引入高次相位项；目标的匀加速转动可视为对慢时间的非均匀采样，此时若直接用FT进行方位压缩，将导致图像方位向散焦；

本部分首先针对大转角引起的包络高次走动量以及高次相位分量

进行校正，通过步骤S3已经拟合出θ_m的变化规律，因此只需要计算y_k的值；需要指出的是y_k是相对于目标转动中心的距离，因而必须估计出目标的转动中心；本步骤提出一种基于最小熵的转动中心估计与高次项补偿方法，具体步骤如下：

S4.1针对公式(12)所示的目标一维距离像，提取目标在完整一维距离像中所占的有效距离单元数，记为[n_down,n_up]，并记初始转动中心估计值为n₀＝(n_down+n_up)/2；

S4.2以图像熵为衡量函数，在区间[n_down,n_up]上快速搜索得到目标的准确转动中心估计值

S4.3以转动中心估计值

对一维距离像包络高次走动量及高次相位分量

进行补偿，即针对每个距离单元n，补偿分量为

其中dy为距离单元分辨率；

补偿后的一维距离像为：

S5：脉冲间慢时间非均匀采样

从公式(15)可以看出，由于转动加速度a的存在，目标转角θ_m非均匀变化，导致慢时间非均匀采样，如果直接进行傅里叶变换方位压缩将出现散焦情况；本步骤针对脉冲间的慢时间进行重新非均匀采样，使得重新采样后的时间变量变为均匀间隔，具体如下：

定义一个新的慢时间变量t′_m，令

其中

为成像积累时间内的平动转动速度；将公式(16)代入公式(15)，得到

从上式可以看出，在新的慢时间变量t′_m上，方位向是均匀采样的，可以利用傅里叶变换进行压缩；

S6：基于Keystone变换的越距离单元走动校正

公式(17)中，大转角的转动分量同样引起了包络的MTRC效应，为了实现方位压缩的有效积累，必须对MTRC进行校正，本步骤通过Keystone变换校正MTRC，校正后的一维距离像为

S7：方位向傅里叶变换，获取ISAR图像

最后，沿慢时间对公式(18)做傅里叶变换即可得到聚焦的ISAR图像：

其中T_M为方位向M个脉冲的积累时间，f_d为多普勒频率。

2.一种根据权利要求1所述大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，其特征在于：S2.1中，进行包络粗对齐时所采用的方法为基于改进的全局包络对齐方法。

3.一种根据权利要求1所述大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，其特征在于：S2.1中，进行相位精补偿时所采用的方法为快速最小熵法。

4.一种根据权利要求1所述大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，其特征在于：S3中，获取成像起始时刻目标的转动速度ω和转动加速度a时采用的方法为多项式拟合法。

5.一种根据权利要求1所述大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，其特征在于：S4.2中，在区间[n_down,n_up]上快速搜索得到目标的准确转动中心估计值

时采用的方法为黄金分割搜索方法。

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