CN111830505A - 基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法、装置和计算机可存储介质，其中方法包括：对空间锥形目标的雷达回波信号进行高速运动补偿；对高速运动补偿后的雷达回波信号进行广义Keystone变换，获得相位补偿后的目标一维距离像；利用Hough变换检测目标一维距离像中的微动特征，确定目标存在微动的方位向时间区间；截取存在微动的目标一维距离像，利用时频分析估计微动周期，确定幅值掩膜区间长度；对所截取的目标一维距离像进行幅值掩膜；对掩膜后的一维距离像信号进行方位向快速微动成像，得到空间锥形目标的二维雷达图像。本发明可在目标微动条件下实现高分辨率快速雷达二维成像，大幅降低数据计算量，适用于实时数据处理。

Description

基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法和装置
技术领域
本发明涉及雷达信号处理和特征提取领域，尤其涉及一种基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法、装置和计算机可读存储介质。
背景技术
随着雷达技术的快速发展，雷达成像已经作为基本功能而被广泛应用到各种领域当中，对应的逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture SAR，ISAR)图像可以直接提供目标的形状、结构等本质属性特征，己成为空间目标特征提取与识别的重要手段。由于空间锥形目标在大气层外做无阻力飞行时，目标会产生自旋、锥旋等微运动，使目标在多普勒域发生展宽，致使方位向产生欠采样和多普勒模糊，所得图像存在严重的副瓣噪声和失真。现有成像算法主要基于优化算法和参数估计等方法对目标回波进行散射中心迭代估计，这类算法计算复杂度较高，不利于空间目标的实时性处理。
因此，针对以上问题，需要提出一种基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有雷达成像方法的计算复杂度较高的问题，提供一种基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法、装置和计算机可读存储介质。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，该方法包括：
S1、对空间锥形目标的雷达回波信号进行高速运动补偿；
S2、对高速运动补偿后的雷达回波信号进行广义Keystone变换，获得相位补偿后的目标一维距离像；
S3、利用Hough变换检测目标一维距离像中的微动特征，确定目标存在微动的方位向时间区间；
S4、截取存在微动的目标一维距离像，利用时频分析估计微动周期，确定幅值掩膜区间长度；
S5、对所截取的目标一维距离像进行幅值掩膜；
S6、对掩膜后的目标一维距离像信号进行方位向快速微动成像，得到空间锥形目标的二维雷达图像。
在根据本发明所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，优选地，在步骤S1中，在对雷达回波信号进行高速运动补偿时，针对目标运动引起的目标距离像位置偏移，需构造快时间域的补偿滤波器：
Figure BDA0002610450810000021
其中t为距离快时间，fm为多普勒频率，c为光速，
Figure BDA0002610450810000024
为通过参数估计获得的目标运动速度；
针对目标运动产生的多普勒相位，需构造多普勒域的补偿滤波器：
Figure BDA0002610450810000022
其中tm为方位慢时间。
在根据本发明所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，优选地，在步骤S2中，广义Keystone变换关系为
Figure BDA0002610450810000023
其中τm为变量代换后的方位向慢时间，γ为雷达发射信号的线性调频率，fc为雷达中心频率。
在根据本发明所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，优选地，在步骤S3中，利用Hough变换把目标一维距离像中图像点映射到Hough参数空间，通过检测参数空间中峰值点来检测图像中的类正弦曲线；通过Hough变换检测，获得目标一维距离像中产生微动的方位起始时刻tstart和终止时刻tstop。
在根据本发明所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，优选地，在步骤S4中，截取方位起始时刻tstart和终止时刻tstop对应的目标一维距离像，对目标一维距离像进行时频分析，获得时频分布图；计算时频分布图的循环相关系数矩阵和平均循环相关系数，估计平均循环相关系数的峰值间隔作为微动周期的估计值T。
在根据本发明所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，优选地，在步骤S5中，掩膜大小为N×M，其中N为目标一维距离像对应的距离向分辨单元个数，M为目标一维距离像对应的方位向观测帧数，在方位起始时刻tstart和终止时刻tstop对应周期T处的幅值为1，其余为0；利用所得掩膜与目标一维距离像进行点乘处理，获得幅值掩膜后的目标一维距离像。
在根据本发明所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，优选地，在步骤S6中，对掩膜后的目标一维距离像信号进行方位向一维逆傅里叶变换，实现目标快速成像。
本发明第二方面，提供了一种执行基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法的装置，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如前任一项所述的方法。
本发明第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如前任一项所述的方法。
实施本发明的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法、装置和计算机可读存储介质，具有以下有益效果：本发明针对空间锥形目标和微动方式，提出一种快速微动成像方法，通过对一维距离像进行微动周期估计和幅值掩膜，并利用逆傅里叶变换实现空间锥形目标二维成像，可解决空间锥形目标微动产生的方位向欠采样和多普勒模糊，为逆合成孔径雷达成像在空中防御工程应用提供技术支撑。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法的流程图；
图2为基于常规距离-多普勒二维成像方法获得的空间锥形目标成像结果；
图3为利用本发明所示的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法得到的结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的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。
本发明提供了一种基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，其包括：针对空间锥形目标雷达回波信号，对回波信号进行高速运动补偿；对高速运动补偿后的回波信号进行广义Keystone变换，获得相位补偿后的目标一维距离像；利用Hough变换检测一维距离像中的微动特征，确定目标存在微动的方位向时间区间；截取存在微动的目标一维距离像，利用时频分析估计微动周期，确定幅值掩膜区间长度；对所截取的一维距离像进行幅值掩膜；对掩膜后的一维距离像信号进行方位向快速微动成像，得到空间锥形目标的二维雷达图像。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法的流程图。如图1所示，该实施例提供基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法包括以下步骤：
首先，在步骤S1中，对空间锥形目标的雷达回波信号进行高速运动补偿。
优选地，在步骤S1中，
在对雷达回波信号进行高速运动补偿时，针对目标运动引起的目标距离像位置偏移，需构造快时间域的补偿滤波器：
Figure BDA0002610450810000051
其中t为距离快时间，fm为多普勒频率，c为光速；
Figure BDA0002610450810000054
为通过参数估计获得的目标运动速度，该目标运动速度的参数估计值可利用相关函数放估计回波多普勒中心获得。
针对目标运动产生的多普勒相位，需构造多普勒域的补偿滤波器：
Figure BDA0002610450810000052
其中tm为方位慢时间。
在步骤S2中，对高速运动补偿后的雷达回波信号进行广义Keystone变换，获得相位补偿后的目标一维距离像。
优选地，在步骤S2中，广义Keystone变换关系为
Figure BDA0002610450810000053
其中τm为变量代换后的方位向慢时间，γ为雷达发射信号的线性调频率，fc为雷达中心频率。
在步骤S3中，利用Hough变换检测目标一维距离像中的微动特征，确定目标存在微动的方位向时间区间。
优选地，在步骤S3中，将经过补偿后的回波信号进行距离像一维逆傅里叶变换，获得高分辨率一维距离像；利用Hough变换把目标一维距离像中图像点映射到Hough参数空间，通过检测参数空间中峰值点来检测图像中的类正弦曲线；通过Hough变换检测，获得目标一维距离像中产生微动的方位起始时刻和终止时刻，分别记作tstart和tstop。
在步骤S4中，截取存在微动的目标一维距离像，利用时频分析估计微动周期，确定幅值掩膜区间长度。
优选地，在步骤S4中，截取方位时刻为tstart和tstop对应的目标一维距离像，对目标一维距离像进行时频分析，获得时频分布图；计算时频分布图的循环相关系数矩阵和平均循环相关系数，估计平均循环相关系数的峰值间隔，即为微动周期的估计值，记作T。
在步骤S5中，对所截取的目标一维距离像进行幅值掩膜。
优选地，在步骤S5中，掩膜大小为N×M，其中N为目标一维距离像对应的距离向分辨单元个数，M为目标一维距离像对应的方位向观测帧数，在方位起始时刻tstart和终止时刻tstop对应周期T处的幅值为1，其余为0；利用所得掩膜与目标一维距离像进行点乘处理，获得幅值掩膜后的目标一维距离像。
在步骤S6中，对掩膜后的目标一维距离像信号进行方位向快速微动成像，得到空间锥形目标的二维雷达图像。
优选地，在步骤S6中，对掩膜后的目标一维距离像信号进行方位向一维逆傅里叶变换，实现目标快速成像。
本发明实施例还提供了一种执行基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法的装置，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法。
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法。
请参阅图2，为基于常规距离-多普勒二维成像方法获得的空间锥形目标成像结果。回波数据来源于某次实测试验任务，雷达工作波段为C波段，带宽为1GHz，距离向采样点数为101，方位向采样间隔为0.2s。基于距离-多普勒二维成像方法对存在微动的回波数据进行成像，从结果中可看出目标方位向出现多普勒展宽，成像模糊，无法反演目标方位向结构尺寸。
请参阅图3，为利用本发明所示的一种基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法得到的结果。从图像重建结果中可看出，重构结果基本反映目标形状，不存在散焦现象。经过转动补偿和方位定标，可直接从成像结果中获取目标尺寸信息。验证了本发明方法的有效性。
综上所述，本发明的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法及装置，可在目标微动条件下实现高分辨率快速雷达二维成像，大幅降低数据计算量，适用于实时数据处理。
应该理解地是，本发明中基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法及装置的原理相同，因此对基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法的实施例的详细阐述也适用于基于微动周期掩膜的雷达快速成像装置。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，其特征在于，该方法包括：
S1、对空间锥形目标的雷达回波信号进行高速运动补偿；
S2、对高速运动补偿后的雷达回波信号进行广义Keystone变换，获得相位补偿后的目标一维距离像；
S3、利用Hough变换检测目标一维距离像中的微动特征，确定目标存在微动的方位向时间区间；
S4、截取存在微动的目标一维距离像，利用时频分析估计微动周期，确定幅值掩膜区间长度；
S5、对所截取的目标一维距离像进行幅值掩膜；
S6、对掩膜后的目标一维距离像信号进行方位向快速微动成像，得到空间锥形目标的二维雷达图像。
2.根据权利要求1所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，其特征在于，在步骤S1中，在对雷达回波信号进行高速运动补偿时，针对目标运动引起的目标距离像位置偏移，需构造快时间域的补偿滤波器：
Figure FDA0002610450800000011
其中t为距离快时间，fm为多普勒频率，c为光速，
Figure FDA0002610450800000012
为通过参数估计获得的目标运动速度；
针对目标运动产生的多普勒相位，需构造多普勒域的补偿滤波器：
Figure FDA0002610450800000013
其中tm为方位慢时间。
3.根据权利要求2所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，其特征在于，在步骤S2中，广义Keystone变换关系为
Figure FDA0002610450800000014
其中τm为变量代换后的方位向慢时间，γ为雷达发射信号的线性调频率，fc为雷达中心频率。
4.根据权利要求3所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，其特征在于，在步骤S3中，利用Hough变换把目标一维距离像中图像点映射到Hough参数空间，通过检测参数空间中峰值点来检测图像中的类正弦曲线；通过Hough变换检测，获得目标一维距离像中产生微动的方位起始时刻tstart和终止时刻tstop。
5.根据权利要求4所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，其特征在于，在步骤S4中，截取方位起始时刻tstart和终止时刻tstop对应的目标一维距离像，对目标一维距离像进行时频分析，获得时频分布图；计算时频分布图的循环相关系数矩阵和平均循环相关系数，估计平均循环相关系数的峰值间隔作为微动周期的估计值T。
6.根据权利要求4所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，其特征在于，在步骤S5中，掩膜大小为N×M，其中N为目标一维距离像对应的距离向分辨单元个数，M为目标一维距离像对应的方位向观测帧数，在方位起始时刻tstart和终止时刻tstop对应周期T处的幅值为1，其余为0；利用所得掩膜与目标一维距离像进行点乘处理，获得幅值掩膜后的目标一维距离像。
7.根据权利要求1所述的基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法，其特征在于，在步骤S6中，对掩膜后的目标一维距离像信号进行方位向一维逆傅里叶变换，实现目标快速成像。
8.一种执行基于微动周期掩膜的雷达快速成像方法的装置，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在存储器中的计算机程序指令，其特征在于，当计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
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