CN110515077A - 一种高轨舰船目标子孔径isar成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，解决由于轨道高度高、运行速度相对较小，高轨卫星实现高分辨率成像所需的合成孔径时间达到数百上千秒，而在长合成孔径时间内，舰船运动导致图像散焦，分辨率难以有效提升的问题，为解决这一问题，一方面，子孔径合成孔径时间短，减小了舰船运动对成像的影响，另一方面，舰船摇摆产生的转动角度也有助于实现高分辨率ISAR成像。本发明突破了将舰船运动看作运动误差的传统理解，而是利用舰船运动进行高分辨率ISAR成像，解决了高轨长合成孔径时间与舰船运动之间的矛盾问题，可用于高轨舰船目标检测、识别和成像领域。

Description

一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法
技术领域
本发明一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，属于雷达技术领域，更进一步涉及合成孔径雷达成像信号处理技术，可用于高轨舰船目标检测、识别和成像领域。
背景技术
高轨卫星以超高轨道获得大范围覆盖、快速重访等观测优势，在遥感测绘领域具有巨大的应用潜力。
超高轨道给高轨卫星带来观测优势的同时，也给成像处理带来了很多问题。超高轨道首先导致高轨卫星实现方位高分辨率成像需要数百上千秒的合成孔径时间，而长合成孔径时间内卫星轨道弯曲，不能近似为直线，且考虑到地球自转影响，回波斜距模型已不再是简单的二次曲线模型；其次，超高轨道导致卫星到地球作用距离远，回波信号传播延时长，“停-走”假设不再成立，所以传统的频域成像算法已无法进行有效的成像处理。在考虑地球自转和传播延时的条件下，通过对传统频域算法进行改进或利用时域BP算法可以实现静止场景目标成像，而舰船目标在海面上是运动的，长合成孔径时间内舰船目标除了自身航行的平动运动以外，还会进行多周期的三维摇摆运动，受海面实时风浪影响，舰船目标三维摇摆运动特性是未知的，长合成孔径时间内运动特性未知的非线性三维摇摆运动难以补偿，从而导致回波信号无法实现相干积累，影响成像分辨率的有效提升。
目前国内外对于高轨长合成孔径时间舰船目标成像研究未见公开，因此亟需一种能解决高轨长合成孔径时间与舰船运动之间矛盾的成像方法，这也是高轨对舰船目标进行侦查、监视等应用需考虑的重要问题之一。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服高轨长合成孔径时间与舰船运动之间的矛盾，提出一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，为高轨对舰船目标进行侦查、监视等应用提供技术支持。
本发明解决的技术方案是：一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，步骤如下：
步骤1：获取雷达回波数据；
步骤2：根据海况信息，确定子孔径成像时间；
步骤3：根据步骤2确定的子孔径时间，从雷达回波数据中截取子孔径回波数据，并对子孔径回波数据进行成像处理，实现舰船目标粗聚焦成像；
步骤4：在步骤3成像处理后，对粗聚焦的舰船目标进行检测、提取处理；
步骤5：根据步骤4提取的舰船目标，得到舰船目标原始数据；
步骤6：对步骤5得到的舰船原始数据进行距离徙动校正处理；
步骤7：在步骤6距离徙动校正后，沿距离单元提取舰船目标的方位信号，并对舰船目标的方位信号进行方位聚焦成像；
步骤8：遍历所有距离单元，所有距离单元的舰船目标方位信号经过聚焦成像后，得到舰船目标子孔径ISAR成像结果。
步骤1中获取的雷达回波数据既包含了舰船回波数据，又包含了海面杂波数据。
步骤2中的海况信息是指风力作用下的海面外貌特征，海况信息决定了舰船摇摆剧烈程度，舰船摇摆剧烈程度又决定了舰船摇摆的周期和幅度，子孔径成像时间根据舰船摇摆周期确定，所以海况信息决定了子孔径成像时间，而不同海况等级下的舰船摇摆周期可以查阅国内外相关研究机构发布的公开文献获取。
步骤3中对子孔径回波进行成像处理时，由于回波中包含杂波数据，舰船运动参数难以估计，在舰船运动参数未知的条件下只能实现舰船目标粗聚焦成像。
步骤4中将粗聚焦的舰船目标检测并提取出来，实现了舰船目标数据从雷达回波数据中分离，同时滤除了杂波数据。
步骤5中将提取的舰船目标变换到数据域有利于后续的方位聚焦处理。
舰船目标回波信号是距离向和方位向的二维信号，其中方位向为装载雷达的卫星飞行方向，距离向与方位向垂直。
步骤6中的距离徙动校正可以将舰船目标回波信号在距离向沿距离单元对齐，同样有利于后续的方位聚焦处理。
步骤7中的方位聚焦处理主要包含对舰船目标运动参数的估计过程。
步骤8中遍历所有距离单元，沿所有距离单元的舰船目标的方位信号经过聚焦成像，具体为：重复步骤7，遍历所有距离单元，沿所有距离单元提取舰船目标的方位信号，并对每个距离单元对应的舰船目标的方位信号进行方位聚焦成像。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明方法属于高轨舰船目标成像方法，国内外对于高轨长合成孔径时间舰船目标成像研究未见公开，现有的只有针对静止场景的高轨成像算法和针对舰船目标的低轨成像算法，针对静止场景的高轨成像算法没有考虑到舰船运动对成像的影响，而针对舰船目标的低轨成像算法合成孔径时间非常短，舰船目标运动近似为线性，这两类算法都不适用于高轨舰船目标成像。相比而言，本发明突破了将舰船运动看作运动误差的传统理解，而是利用舰船运动进行高分辨率ISAR成像，很好地解决了高轨长合成孔径时间和舰船运动的矛盾问题，适用于高轨对舰船目标的侦察、监视等应用；
(2)本发明通过在子孔径短合成孔径时间内进行成像的方案，减小了舰船运动对成像的影响，避免了成像结果的散焦；
(3)本发明利用舰船摇摆进行子孔径成像的方案，不仅降低了成像处理的复杂度，而且充分利用舰船目标足够的摇摆角度，有利于实现高分辨率成像；
(4)本发明通过先粗聚焦成像，然后检测、提取舰船目标的方案，不仅有效分离了舰船目标数据与海面杂波数据，而且后续的成像处理只针对小块的舰船目标回波数据，减小了后续处理的运算量；
(5)本发明在对舰船目标的方位信号进行方位聚焦成像时，将方位信号模型从二次信号模型扩展到三次信号模型，不仅能够适应高海况下舰船目标的剧烈摇摆运动，而且能够提高成像精度。
附图说明
图1为本发明方法处理流程图。
图2为本发明不同轨道时刻舰船目标分辨率，其中(a)为0h时刻舰船目标分辨率，(b)为3h时刻舰船目标分辨率，(c)为6h时刻舰船目标分辨率，(d)为9h时刻舰船目标分辨率，(e)为12h时刻舰船目标分辨率。
图3为本发明高轨舰船目标成像仿真实验结果，其中(a)为仿真实验构造的舰船目标散射点模型，(b)为子孔径成像处理后提取的舰船目标粗聚焦成像结果，(c)为第42个距离单元方位信号聚焦成像结果，(d)为舰船子孔径ISAR成像结果。
具体实施方式
下面对本发明实施及效果作进一步的详细描述。
本发明公开了一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，解决由于轨道高度高、运行速度相对较小，高轨卫星实现高分辨率成像所需的合成孔径时间达到数百上千秒，而在长合成孔径时间内，舰船运动导致图像散焦，分辨率难以有效提升的问题，为解决这一问题，一方面，子孔径合成孔径时间短，减小了舰船运动对成像的影响，另一方面，舰船摇摆产生的转动角度也有助于实现高分辨率ISAR成像。本发明突破了将舰船运动看作运动误差的传统理解，而是利用舰船运动进行高分辨率ISAR成像，解决了高轨长合成孔径时间与舰船运动之间的矛盾问题，可用于高轨舰船目标检测、识别和成像领域。
本发明方法为针对海面舰船目标的高轨成像方法，借助高轨卫星平台的宽覆盖以及短重访优势，该方法成像结果可用于对海面大型舰船目标的大范围快速侦查、识别和监视任务，该方法克服了高轨长合成孔径时间与舰船运动之间的矛盾，解决了舰船目标成像中的距离徙动校正、方位聚焦成像等关键问题。针对舰船目标的高轨成像方法未见公开，而现有的基于低轨或机载平台的成像算法也不适用于高轨舰船目标成像。
如图1所示，本发明的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，步骤如下：
步骤1：获取雷达回波数据；获取的雷达回波数据既包含了舰船回波数据，又包含了海面杂波数据
步骤2：根据海况信息，确定子孔径成像时间；
海况信息优选为风力作用下的海面外貌特征，海况信息决定了舰船摇摆剧烈程度，舰船摇摆剧烈程度又决定了舰船摇摆的周期和幅度，子孔径成像时间根据舰船摇摆周期确定，优选为1/4～1/2个摇摆周期，海况信息决定了子孔径成像时间，而不同海况等级下的舰船摇摆周期可以查阅国内外相关研究机构发布的公开文献获取。
步骤3：根据步骤2确定的子孔径时间，从雷达回波数据中截取子孔径回波数据，并对子孔径回波数据进行成像处理，实现舰船目标粗聚焦成像，具体如下：
1)子孔径回波数据中舰船回波信号优选表示为：
其中，σp为p点(p点为舰船目标上任一散射点)后向散射能量，t为距离快时间，tm为方位慢时间，ar(·)为距离向窗函数，c为光速，λ为发射信号波长，γ为发射信号方位调频率，Rp(tm)为卫星到散射点p的瞬时斜距。
2)子孔径时间较短，子孔径回波数据成像处理可以通过距离向的脉冲压缩处理和方位向的傅里叶变换实现，距离向的脉冲压缩处理优选表示为：
其中，fr为距离频率，FFTt[·]和分别为距离向傅里叶变换和距离向逆傅里叶变换，sr(t,tm)为距离脉冲压缩后的舰船回波信号，优选表示为：
H(t)为距离脉压函数，可以表示为：
H(t)＝ar(t)exp(-jπγt2)
3)距离脉压处理后，经方位向傅里叶变换并实现舰船目标粗聚焦成像优选表示为：
其中，fa为方位频率，s(t,fa)为舰船目标粗聚焦成像结果。
步骤4：成像处理后，对粗聚焦的舰船目标进行检测、提取处理；
舰船目标检测优选利用CFAR检测实现，舰船目标提取过程优选如下：首先，以检测到的舰船目标能量最强散射点为中心，构造边长为A的正方形提取窗，提取窗边长A根据预估的舰船目标散焦程度确定(舰船目标散焦程度同样由海况信息决定)，然后直接提取窗内的舰船回波数据，而将窗外的杂波数据滤除。
步骤5：根据提取的舰船目标，得到舰船原始数据，优选如下：
由于舰船检测、提取不改变舰船回波信号形式，所以通过方位逆傅里叶变换可以直接得到舰船原始数据，其信号表示形式与步骤3中经过距离脉压处理后的信号形式相同，即
步骤6：对舰船原始数据进行距离徙动校正处理，优选如下；
1)通过距离向傅里叶变换将舰船原始数据变换到距离频域，优选表示为
其中，sr(fr,tm)为舰船回波信号在距离频域的表示，fc为雷达发射信号中心载频，ar(fr)为舰船回波信号在距离频域窗函数。
2)利用插值方法(可采用sinc插值方法)对sr(fr,tm)进行插值处理，实现
(fr+fc)tm＝fcτm
其中，τa为插值后的新的方位时间。插值后的舰船回波信号优选表示为
3)通过距离向逆傅里叶变换将sr(fr,τm)变换到距离时域，并优选表示为：
其中，Rp0为雷达到p点的中心斜距。
步骤7：距离徙动校正后，沿距离单元(距离单元方向与装载雷达的卫星飞行方向垂直)提取舰船目标的方位信号，并对方位信号进行方位聚焦处理，优选如下；
1)将步骤6中距离徙动校正后的舰船回波信号中的Rp(τm)进行泰勒级数展开，并近似到三次项，优选表示为
其中，k0为恒定频率，l0为调频率，m0为调频率微分。沿第一个距离单元取方位信号，并以tm＝n/N对方位信号进行离散化处理，忽略幅度影响，离散后的方位信号优选表示为
其中，n为离散化的方位时间，N为方位信号长度，WN＝exp(-j2π/N)。
2)对离散化的方位信号进行变换处理，该过程优选表示为
其中k，l，m分别为各次相位系数。基于定理
优选得到
也就是当l＝l0且m＝m0时，S(k,l,m)在k＝k0处得到峰值，此时的峰值即是回波信号补偿方位高次相位后的方位聚焦结果。
步骤8：遍历所有距离单元，所有距离单元的方位信号经过聚焦处理后，得到舰船目标子孔径ISAR成像结果；
通过分辨率仿真实验，本发明方法中利用舰船摇摆进行子孔径成像对于分辨率的提升首先得到了验证。图2为本发明不同轨道时刻舰船目标分辨率，其中(a)为0h时刻舰船目标分辨率，(b)为3h时刻舰船目标分辨率，(c)为6h时刻舰船目标分辨率，(d)为9h时刻舰船目标分辨率，(e)为12h时刻舰船目标分辨率。如图2的(a)～(e)，上图高轨成像时为没有考虑舰船摇摆运动得到的分辨率仿真结果，下图为利用舰船摇摆运动进行高轨成像的分辨率成像结果，可以看出，在没有考虑舰船摇摆运动时，无论是否考虑地球自转，高轨成像分辨率都很低，基本上在百米量级，而利用舰船摇摆运动进行高轨成像时，由于舰船在短合成孔径时间内的摇摆角度也足够大，可以实现高分辨率成像，最高可以达到米级，分辨率提升数十倍。
然后通过舰船目标散射点仿真实验，本发明提出的先粗聚焦成像，再沿距离单元进行方位聚焦实现ISAR成像方案的有效性也得到了验证，如图3的(a)所示为仿真实验中的舰船散射点模型，(b)为子孔径成像处理后粗聚焦成像的舰船成像结果，(c)为某一距离单元的方位聚焦结果，从(c)可以看出，利用本发明方法可以实现舰船回波信号的方位聚焦成像，而遍历所有距离单元可以得到(d)所示的舰船目标ISAR成像结果，对比(b)中的粗聚焦成像结果，可以看出明显的分辨率提升。
通过仿真实验对本发明的效果做进一步说明：根据表1给出的舰船目标在不同海况条件下的转动参数,进行分辨率计算仿真,图2首先给出了3级海况条件下高轨不同轨道时刻仿真计算得到的舰船目标分辨率结果,图(a)～图2(e)分别为0h、3h、6h、9h、12h轨道时刻利用本发明仿真得到的舰船目标分辨率,可以看到在不同轨道时刻,利用舰船目标转动成像,即使在子孔径短合成孔径时间内,分辨率提升也是非常显著的。
表1不同海况舰船转动参数
为了进一步验证本发明的成像效果，图3给出了利用本发明仿真得到的舰船目标成像结果，图3为本发明高轨舰船目标成像仿真实验结果，其中(a)为仿真实验构造的舰船目标散射点模型，(b)为子孔径成像处理后提取的舰船目标粗聚焦成像结果，(c)为第42个距离单元方位信号聚焦成像结果，(d)为舰船子孔径ISAR成像结果。图3的(a)为本发明仿真实验构造的舰船目标散射点模型，图3的(b)子孔径成像后提取的舰船目标粗聚焦结果，图3(c)为某一距离单元方位聚焦成像结果，图3的(d)为利用本发明得到的舰船子孔径ISAR成像结果。通过对比图3的(b)与图3的(d)同样可以看出本发明对舰船目标成像分辨率的提升。
仿真结果表明，本发明很好地解决了高轨长合成孔径时间和舰船运动的矛盾问题，即使在子孔径短时间内，利用舰船转动也能实现高分辨率ISAR成像，适用于高轨对舰船目标的侦察、监视等应用。

Claims (10)

1.一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法,其特征在于步骤如下：
步骤1：获取雷达回波数据；
步骤2：根据海况信息，确定子孔径成像时间；
步骤3：根据步骤2确定的子孔径时间，从雷达回波数据中截取子孔径回波数据，并对子孔径回波数据进行成像处理，实现舰船目标粗聚焦成像；
步骤4：在步骤3成像处理后，对粗聚焦的舰船目标进行检测、提取处理；
步骤5：根据步骤4提取的舰船目标，得到舰船目标原始数据；
步骤6：对步骤5得到的舰船原始数据进行距离徙动校正处理；
步骤7：在步骤6距离徙动校正后，沿距离单元提取舰船目标的方位信号，并对舰船目标的方位信号进行方位聚焦成像；
步骤8：遍历所有距离单元，所有距离单元的舰船目标方位信号经过聚焦成像后，得到舰船目标子孔径ISAR成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：步骤1中获取的雷达回波数据既包含了舰船回波数据，又包含了海面杂波数据。
3.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：步骤2中的海况信息是指风力作用下的海面外貌特征，海况信息决定了舰船摇摆剧烈程度，舰船摇摆剧烈程度又决定了舰船摇摆的周期和幅度，子孔径成像时间根据舰船摇摆周期确定，所以海况信息决定了子孔径成像时间，而不同海况等级下的舰船摇摆周期可以查阅国内外相关研究机构发布的公开文献获取。
4.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：步骤3中对子孔径回波进行成像处理时，由于回波中包含杂波数据，舰船运动参数难以估计，在舰船运动参数未知的条件下只能实现舰船目标粗聚焦成像。
5.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：步骤4中将粗聚焦的舰船目标检测并提取出来，实现了舰船目标数据从雷达回波数据中分离，同时滤除了杂波数据。
6.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：步骤5中将提取的舰船目标变换到数据域有利于后续的方位聚焦处理。
7.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：舰船目标回波信号是距离向和方位向的二维信号，其中方位向为装载雷达的卫星飞行方向，距离向与方位向垂直。
8.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：步骤6中的距离徙动校正可以将舰船目标回波信号在距离向沿距离单元对齐，同样有利于后续的方位聚焦处理。
9.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：步骤7中的方位聚焦处理主要包含对舰船目标运动参数的估计过程。
10.根据权利要求1所述的一种高轨舰船目标子孔径ISAR成像方法，其特征在于：步骤8中遍历所有距离单元，沿所有距离单元的舰船目标的方位信号经过聚焦成像，具体为：重复步骤7，遍历所有距离单元，沿所有距离单元提取舰船目标的方位信号，并对每个距离单元对应的舰船目标的方位信号进行方位聚焦成像。
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