CN110716201A - 一种基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频isar成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)成像方法，技术特征在于：利用目标旋转这一特点，设计发射脉冲序列，使得ISAR成像转角内所需的采样数目足够，实现对旋转目标的ISAR成像。包括以下步骤：估计旋转目标频率；根据估计的旋转频率，设计发射脉冲串；发射设计好的脉冲串，抽取回波中成像所需转角时间对应的脉冲回波；利用二分法循环迭代，对目标频率进行精估计，同时获得目标的ISAR像；对目标成不同时刻的ISAR成像，获得视频ISAR像。本发明提出的方法，克服了使用传统的ISAR成像算法无法获得旋转目标ISAR图像的缺点，不仅实现了对旋转目标的视频ISAR成像，同时也提高了对目标旋转频率的估计精度。

Description

一种基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频ISAR成 像方法

技术领域

本发明涉及雷达成像、雷达信号与信息处理技术，具体涉及一种基于发射脉冲周期时延 设计的空间旋转目标视频逆合成孔径雷达(ISAR)成像方法。

背景技术

随着空间装备军事应用需求的不断增强和空间对抗装备技术的日趋成熟，空间已经成为 国际战略竞争的制高点。世界各国航天航空活动日益频繁，各类空间目标数量急剧增加，空 间目标的探测与识别对于维护国家空间利益、保障空间安全的意义变得日益突出。雷达是防 空反导的重要武器装备，通过分析雷达回波特征实现对目标的识别是当前研究的热点问题。 文献“Chen V C.Analysis of radar micro-Doppler signature withtime-frequency transform.Proc. Statistical Signal and Array Processing,2000,463-466.”正式将“微多普勒效应”及“微动”的 概念引入到雷达探测领域中，将目标除质心平动以外的，如自旋，锥旋，振动等运动，称之 为微动，其对雷达回波的调制特性，即目标的微多普勒效应。随之，雷达目标微多普勒特征 提取以及微动目标的成像技术引起了雷达领域学者的广泛研究，因为微动特征具有独一无二 性，通过分析回波的微多普勒效应，提取出对应的微动特征，为目标识别提供了稳定性好、 可分性高的新特征。微动特征为雷达目标的探测与识别开辟了新道路。

逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，简称“ISAR”)成像以其全天时、全 天候、高分辨等特点，在空间目标的探测中发挥着十分重要的作用，其技术原理是将远场目 标运动等效成对转台目标成像。最常用最基本的ISAR成像算法是距离-多普勒(Range-Doppler，简称“RD”)成像算法。但是，采用RD算法对微动目标进行ISAR成像 尚未见公开报道。因为对于微动目标，当采用RD算法进行ISAR成像时，由于雷达发射信 号的脉冲重复频率有限，目标的微动使得在成像所需转角时间内回波脉冲数量过少，因此导 致ISAR成像质量不理想。考虑到旋转目标运动为天然的转台模型，且旋转具有周期性，则 可以通过控制发射脉冲，使得目标在ISAR成像所需转角时间内回波脉冲数量足够，利用RD 算法实现旋转目标的ISAR成像。

发明内容

本发明为了克服现有问题，提出一种基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频 ISAR成像方法，包括下列步骤：

第一步：估计旋转目标的旋转频率；

第二步：根据估计的旋转频率，设计发射脉冲串；

第三步：发射设计好的脉冲串，抽取回波中成像所需转角时间对应的脉冲回波；

第四步：利用二分法循环迭代，对目标频率进行精估计，同时获得目标的ISAR像；

第五步：对目标进行不同时刻下的ISAR成像，获得视频ISAR像。

进一步，所述第一步具体为：

雷达发射线性调频信号，设雷达脉冲重复间隔为PRI(Pulse RepetitionInterval)，设脉冲 重复频率为PRF(pulse repetition frequency)，空间中有一旋转目标，旋转周期为T，对于目 标上某散射点，天线接收到的回波为

其中，t_k为脉内时间，也称快时间，t_m为脉间时间，也称慢时间，

此时，

T_p为脉冲宽度，j为虚数单位，c为光速，f_c为载频，γ为调频 斜率，σ为该散射点的散射系数，R(t_m)为该时刻散射点到雷达的距离；

完成目标平动补偿后，抽取回波在每一脉冲的同一快时间单元，得到行信号y_n，其中， n＝1,2,L,N为慢时间采样数，N为总的慢时间采样数，采用正弦调频傅立叶贝塞尔级数对y_n进行展开，得到目标的初始估计频率

进一步，所述第二步具体为：

目标自身旋转满足转台成像条件，且旋转具有周期性，因此，可以通过控制发射脉冲， 使得ISAR成像转角时间内脉冲数增多，实现对旋转目标的ISAR成像；

首先，确定好对旋转目标进行ISAR成像的成像转角θ，以及成像所需转角时间内总的 脉冲数M，通常情况下，ISAR成像转角为2°～5°，成像所需转角时间内的脉冲数不少于30个；其次，根据雷达脉冲重复频率PRF，以及估计出的旋转频率

计算出相关参数， 包括：目标旋转一周成像所需转角时间内脉冲数Q，目标旋转一周采样脉冲数I，目标所需 旋转周期数L，计算过程如公式(2)-(5)所示，即

其中，

为向下取整符号。则目标每旋转一圈雷达发射脉冲延迟时间t_Δ为

t_Δ＝1/(L×PRF) (5)

由此，发射脉冲串设计如下：发射脉冲串总的脉冲数为L×I，以目标旋转周期T为周期， 周期内雷达正常发射脉冲重复间隔为PRI的线性调频信号(参数设置同第一步)，从第二个 周期开始，后一个周期的起始脉冲在前一个周期最后一个脉冲信号结束后延迟t_Δ。

进一步，所述第三步具体为：

发射第二步中设计好的脉冲串，收集回波，记为s_d，s_d∈R^L×I，s_d为观测时间目标总的 回波，R^L×I代表s_d为长度为L×I的实数，从s_d中抽取出转角时间内对应的回波并依次进行 排列，此时的回波记为s_r，抽取规则如下：首先确定回波起始脉冲序号，然后以观测到的目 标旋转圈数L为周期，周期内下一个脉冲序号为前一个脉冲序号加I，周期间后一个周期的起 始脉冲序号为前一个周期的起始脉冲序号加1，过程中若周期间脉冲序号超过总的回波数， 则结束该周期的回波抽取，转为抽取下一个周期起始脉冲回波，直到s_r的脉冲数达到M。

进一步，所述第四步具体为：

以ISAR图像熵最小化为目标函数，利用二分法对旋转频率进行精估计，即以第一步估 计的频率扩展±10％为搜索区间，记为[f_min,f_max]，分别计算区间两端频率对应的I值，按该 值重新抽取总回波中的脉冲回波，进行ISAR成像并计算出图像熵，若f_max对应的图像熵更 小，将搜索区间缩小至[(f_min+f_max)/2,f_max]，否则，搜索区间缩小为[f_min,(f_min+f_max)/2]，如 此循环，最终循环结束时区间中点值为目标旋转频率的精估计结果，此时得到的ISAR图像 即为对旋转目标的ISAR成像结果。

进一步，所述第五步具体为：

通过选取不同的起始脉冲序号，并抽取此时成像转角时间内的脉冲回波进行成像，可以 获得不同时刻即目标旋转不同角度时目标的ISAR图像，将各个时刻的ISAR图像按时间排列 即形成了目标的视频ISAR像。

本方法的技术效果在于，利用目标旋转的周期性，设计一组发射脉冲串，采用传统的距 离-多普勒算法即可实现对旋转目标的ISAR成像，在成像过程中，通过二分法循环搜索，可 以提高目标旋转频率估计的精度。此外，通过成不同时刻的ISAR像，可以实现空间旋转目 标的视频ISAR成像。

附图说明

图1示出雷达与空间三维旋转目标几何关系图；

图2示出设计发射脉冲串示意图；

图3示出抽取成像所需转角时间内脉冲示意图；

图4示出初始估计频率对应的ISAR图像；

图5示出循环过程中频率估计结果；

图6示出循环过程中ISAR图像熵结果；

图7示出循环结束时ISAR图像；

图8示出不同角度下旋转目标的ISAR图像，其中图8(a)为目标旋转72°-74°时的ISAR 像，图8(b)为目标旋转210°-212°时的ISAR像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的 本发明各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频ISAR成像方法包括下列步骤：

第一步：估计旋转目标的旋转频率；

雷达与空间三维旋转目标的几何关系图如图1所示，坐标系(X,Y,Z)为雷达坐标系，雷 达静止与坐标原点O。坐标系(x,y,z)为参考坐标系，原点为目标质心O'(初始时刻与雷达 的距离为R₀)，各坐标轴分别平行于雷达坐标系各坐标轴。雷达发射线性调频信号，雷达脉 冲重复间隔为PRI，脉冲重复频率为PRF，空间中有一旋转目标，分别以角速度ω_x，ω_y和ω_z绕参考坐标系的x轴，y轴和z轴做旋转运动，旋转周期为T。对于目标上某散射点P，初始 时刻其在参考坐标系中的坐标为r₀，一段时间后，P旋转到P'的位置，坐标为r，此时天线接收到的回波为

其中，t_k为脉内时间，也称快时间，t_m为脉间时间，也称慢时间，

此处，

T_p为脉冲宽度，j为虚数单位，c为光速，f_c为载频，γ为调频 斜率，σ为该散射点的散射系数，R(t_m)为该时刻散射点到雷达的距离。

完成目标平动补偿后，抽取回波在每一脉冲的同一快时间单元，得到行信号y_n，其中 n＝1,2,L,N为慢时间采样数，N为总的慢时间采样数。采用正弦调频傅立叶贝塞尔级数对y_n进行展开，得到目标的初始估计频率

第二步：根据估计的旋转频率，设计发射脉冲串；

目标自身旋转满足转台成像条件，且旋转具有周期性，因此，可以通过控制发射脉冲， 使得ISAR成像转角时间内脉冲数增多，实现对旋转目标的ISAR成像。

首先，确定好对旋转目标进行ISAR成像的成像转角θ，以及成像所需转角时间内总的 脉冲数M，通常情况下，ISAR成像转角为2°～5°，成像所需转角时间内的脉冲数不少于30个。其次，根据雷达脉冲重复频率PRF，以及估计出的旋转频率

计算出相关参数，包括：目标旋转一周成像所需转角时间内脉冲数Q，目标旋转一周采样脉冲数I，目标所需旋转周期数L，计算过程如公式(2)-(5)所示，即

其中，

为向下取整符号。则目标每旋转一圈发射脉冲延迟时间t_Δ为

t_Δ＝1/(L×PRF) (5)

由此，发射脉冲串设计如下：发射脉冲串总的脉冲数为L×I，以目标旋转周期T为周期， 周期内雷达正常发射脉冲重复间隔为PRI的线性调频信号(参数设置同第一步)，从第二个 周期开始，后一个周期的起始脉冲在前一个周期最后一个脉冲信号结束后延迟t_Δ。设计的发 射脉冲串示意图如图2所示。

第三步：发射设计好的脉冲串，抽取回波中成像所需转角时间对应的脉冲回波；

发射第二步中设计好的脉冲串，收集回波，记为s_d，s_d∈R^L×I。s_d为观测时间目标总的 回波，R^L×I代表s_d为长度为L×I的实数。从s_d中抽取出转角时间内对应的回波并依次进行 排列，此时的回波记为s_r，抽取规则如下：首先确定回波起始脉冲序号，然后以观测到的目 标旋转圈数L为周期，周期内下一个脉冲序号为前一个脉冲序号加I，周期间后一个周期的起 始脉冲序号为前一个周期的起始脉冲序号加1，过程中若周期间脉冲序号超过总的回波数， 则结束该周期的回波抽取，转为抽取下一个周期起始脉冲回波，直到s_r的脉冲数达到M。抽 取成像所需转角时间内的回波过程示意图如图3所示。

第四步：利用二分法循环迭代，对目标频率进行精估计，同时获得目标的ISAR像；

以ISAR图像熵最小化为目标函数，利用二分法对旋转频率进行精估计，即以第一步估 计的频率扩展±10％为搜索区间，记为[f_min,f_max]，分别计算区间两端频率对应的I值，按该 值重新抽取总回波中的脉冲回波，进行ISAR成像并计算出图像熵，若f_max对应的图像熵更 小，将搜索区间缩小至[(f_min+f_max)/2,f_max]，否则，搜索区间缩小为[f_min,(f_min+f_max)/2]，如 此循环，最终循环结束时区间中点值为目标旋转频率的精估计结果，此时得到的ISAR图像 即为对旋转目标的ISAR成像结果。

第五步：对目标进行不同时刻下的ISAR成像，获得视频ISAR像。

通过选取不同的起始脉冲序号，并抽取此时成像转角时间内的脉冲回波进行成像，可以 获得不同时刻即目标旋转不同角度时目标的ISAR图像。将各个时刻的ISAR图像按时间排列 即形成了目标的视频ISAR像。

实例测试

为了验证本发明所提基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频ISAR成像方法的 有效性，进行计算机仿真实验。

雷达发射线性调频信号，载频f_c＝10GHz，带宽为300MHz，信号脉宽T_p＝1μs，脉冲重复频率PRF＝1000Hz。雷达具备目标运动补偿功能，对目标回波可进行精确的运动补偿。目标距雷达10km，旋转频率为2Hz，目标上有三个散射点。为了更好的显示ISAR成像效果，设置目标绕z轴旋转，三个散射点在参考坐标系中的初始坐标分别为(6.0，-5.0，0)m，(0，10.0，0)m，(-5.0，-10.0，0)m。成像转角θ＝2°，成像转角所需脉冲数M＝50。信号中 加入信噪比为10dB的高斯白噪声。

采用正弦调频傅立叶贝塞尔级数展开进行频率估计，估计结果为

将此估计 结果代入公式(2)-(4)中，得到目标旋转一周成像所需转角时间内脉冲数Q＝3，目标旋转 一周采样脉冲数I＝481，目标所需旋转周期数L＝17，发射脉冲延迟时间为t_Δ＝0.588μs。 通过发射设计好的脉冲串，提取初始时刻，即初始的2°时间内的回波进行ISAR成像，得到 的图像如图4所示，由于实际上目标旋转一周采样数为500，而抽取时所用的I＝481，所以成 像质量不好。

将初始估计的频率扩展±10％，得到频率搜索区间f∈[1.8720,2.2880]Hz。用二分法搜索 频率精估计值，循环过程中频率结果图如图5所示，每一次频率搜索会得到对应的ISAR图 像，循环过程中ISAR图像熵结果如图6所示，可以看出，经过5次迭代之后，频率趋于稳 定不变，此时频率估计值为2.0007Hz，与真实频率十分接近，对应的ISAR图像熵为0.9096。 图7给出了最终的ISAR成像结果，三个散射点的能量十分聚集，且三个散射点位置与理论 值一致。图8又给出了两个不同角度即对应不同时刻下旋转目标的ISAR图像，图像质量均 良好，且散射点位置均与理论结果一致。以上测试结果证明了本发明实现旋转目标视频ISAR 成像的有效性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但 凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频ISAR成像方法，包括下列步骤：

第一步：估计旋转目标的旋转频率；

第二步：根据估计的旋转频率，设计发射脉冲串；

第三步：发射设计好的脉冲串，抽取回波中成像所需转角时间对应的脉冲回波；

第四步：利用二分法循环迭代，对目标频率进行精估计，同时获得目标的ISAR像；

第五步：对目标进行不同时刻下的ISAR成像，获得视频ISAR像。

2.如权利要求1所述的基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频ISAR成像方法，其特征在于：所述第一步具体为：

雷达发射线性调频信号，设雷达脉冲重复间隔为PRI(Pulse Repetition Interval)，设脉冲重复频率为PRF(pulse repetition frequency)，空间中有一旋转目标，旋转周期为T，对于目标上某散射点，天线接收到的回波为

其中，t_k为脉内时间，也称快时间，t_m为脉间时间，也称慢时间，此时，

T_p为脉冲宽度，j为虚数单位，c为光速，f_c为载频，γ为调频斜率，σ为该散射点的散射系数，R(t_m)为该时刻散射点到雷达的距离；

完成目标平动补偿后，抽取回波在每一脉冲的同一快时间单元，得到行信号y_n，其中，n＝1,2,L,N为慢时间采样数，N为总的慢时间采样数，采用正弦调频傅立叶贝塞尔级数对y_n进行展开，得到目标的初始估计频率

3.如权利要求1所述的空间旋转目标视频ISAR成像方法，其特征在于：所述第二步具体为：

首先，确定好对旋转目标进行ISAR成像的成像转角θ，以及成像所需转角时间内总的脉冲数M，通常情况下，ISAR成像转角为2°～5°，成像所需转角时间内的脉冲数不少于30个；其次，根据雷达脉冲重复频率PRF，以及估计出的旋转频率

计算出相关参数，包括：目标旋转一周成像所需转角时间内脉冲数Q，目标旋转一周采样脉冲数I，目标所需旋转周期数L，计算过程如公式(2)-(5)所示，即

其中，

为向下取整符号，则目标每旋转一圈雷达发射脉冲延迟时间t_Δ为

t_Δ＝1/(L×PRF) (5)

由此，发射脉冲串设计如下：发射脉冲串总的脉冲数为L×I，以目标旋转周期T为周期，周期内雷达正常发射脉冲重复间隔为PRI的线性调频信号(参数设置同第一步)，从第二个周期开始，后一个周期的起始脉冲在前一个周期最后一个脉冲信号结束后延迟t_Δ。

4.如权利要求1所述的基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频ISAR成像方法，其特征在于：所述第三步具体为：

发射第二步中设计好的脉冲串，收集回波，记为s_d，s_d∈R^L×I，s_d为观测时间目标总的回波，R^L×I代表s_d为长度为L×I的实数，从s_d中抽取出转角时间内对应的回波并依次进行排列，此时的回波记为s_r，抽取规则如下：首先确定回波起始脉冲序号，然后以观测到的目标旋转圈数L为周期，周期内下一个脉冲序号为前一个脉冲序号加I，周期间后一个周期的起始脉冲序号为前一个周期的起始脉冲序号加1，过程中若周期间脉冲序号超过总的回波数，则结束该周期的回波抽取，转为抽取下一个周期起始脉冲回波，直到s_r的脉冲数达到M。

5.如权利要求1所述的基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频ISAR成像方法，其特征在于：所述第四步具体为：

以ISAR图像熵最小化为目标函数，利用二分法对旋转频率进行精估计，即以第一步估计的频率扩展±10％为搜索区间，记为[f_min,f_max]，分别计算区间两端频率对应的I值，按该值重新抽取总回波中的脉冲回波，进行ISAR成像并计算出图像熵，若f_max对应的图像熵更小，将搜索区间缩小至[(f_min+f_max)/2,f_max]，否则，搜索区间缩小为[f_min,(f_min+f_max)/2]，如此循环，最终循环结束时区间中点值为目标旋转频率的精估计结果，此时得到的ISAR图像即为对旋转目标的ISAR成像结果。

6.如权利要求1所述的基于发射脉冲周期时延设计的空间旋转目标视频ISAR成像方法，其特征在于：所述第五步具体为：

通过选取不同的起始脉冲序号，并抽取此时成像转角时间内的脉冲回波进行成像，可以获得不同时刻即目标旋转不同角度时目标的ISAR图像，将各个时刻的ISAR图像按时间排列即形成了目标的视频ISAR像。

Images