CN111856466A - 一种高效的复杂运动目标isar平动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，属于信号处理技术领域。首先将目标回波信号建模为多成分的多项式相位信号；再利用相位差分和Keystone变换将目标上的所有散射体的能量聚集到同一距离单元；然后通过吕氏分布变换将该距离单元内的所有散射体能量聚焦为一个高分辨的强点，精确获取目标运动参数；最终实现ISAR平动补偿。本发明能够在低SNR环境下保持良好的平动补偿性能，且避免了多维搜索，具有较低的计算复杂度，在实际应用中具有一定的可行性。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，涉及一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法。
背景技术
逆合成孔径雷达(Inverse synthetic aperture radar,ISAR)作为一种高分辨成像雷达，能够全天时、全天候、远距离精确获取非合作目标的高分辨图像，在军事和民用领域都具有广泛的应用价值和应用潜质。在ISAR成像系统中，目标的复杂运动通常可分解为平动和转动。转动对成像是有益的，能够产生方位向高分辨率；而平动将导致目标散射点产生包络偏移和相位误差，对成像是有害的，严重影响成像质量，有时甚至无法获取目标ISAR图像，需要进行补偿。同时在复杂探测环境中普遍存在目标运动复杂，信噪比低等问题，给开展高精度平动补偿算法带来严峻挑战。因此，为了获取目标高分辨ISAR成像，需要进一步研究稳健且快速的ISAR平动补偿方法。
ISAR平动补偿主要包括包络对齐和初相校正两个步骤。传统的包络对齐方法包括基于相邻脉冲相关性最大的包络对齐(Maximum Correlation-based Range Alignment,MCRA)方法，其主要利用相邻脉冲回波之间的相关性，计算出最大相关值的对应的偏移量完成包络对齐，但是当SNR较低时，噪声容易破坏相邻脉冲之间的相关性；基于信息熵和对比度优化的包络对齐方法主要利用信息熵作为代价函数对距离包络进行优化和搜索，该方法属于非相干积累，噪声抑制能力有限，且在实际运用中计算量较大。目前，常见的初相校正方法主要分为两类，其中一类是基于目标特显点方法，该类方法利用特显点为基准来补偿和校正其它散射点，但在实际ISAR成像中，很难得到理想的散射点，且易受到杂波和噪声的影响；另一类是基于图像锐化度的初相校正方法，该类方法在图像域建立相应的代价函数来找到最佳图像质量点，但该类方法噪声抑制能力有限，且计算较为复杂。针对上述问题，近年来国内外科研人员提出了联合包络对齐和初相校正的参数化平动补偿方法，如基于图像质量评价指标(Image Quality Evaluation Metric,IQEM)、基于粒子群(ParticleSwarm Optimization,PSO)的全局最优平动系数求解等方法，该类方法虽充分利用了ISAR系统的二维相干积累增益，但涉及多维搜索存在运算复杂等问题；且当SNR较低时，IQEM也很难有效地评估图像质量导致不能有效的实现平动补偿。因此，需进一步研究稳健且高效的ISAR平动补偿方法。
发明内容
有鉴于此，本发明针对复杂探测环境中，由于目标运动复杂、信噪比低等原因，导致现有平动补偿方法存在精度低、计算复杂度高等问题，提出一种稳健的高效复杂运动目标ISAR平动补偿方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高效复杂运动目标逆合成孔径雷达ISAR平动补偿方法，该方法包括如下步骤：
步骤1)将回波信号在距离频域—方位时域建模成多成分的多项式相位信号，移除距离调制项；
步骤2)对回波信号进行相位差分PD和Keystone变换KT，将运动目标的所有散射体能量聚集在同一个距离单元，然后沿距离频率进行逆傅里叶变换获得信号；
步骤3)利用幅度检测法检测出运动目标的散射体能量所在的距离门；
步骤4)对目标所有散射体能量所在距离门数据进行吕氏分布变换LVD，得到LVD输出
然后通过峰值检测法估计出平动系数b1和b2；再根据估计出的平动系数
和
求得运动目标的平动加速度α和加速度率β；
步骤5)根据估计获得的α和β值，运用Dechirp技术对原始回波数据进行解调处理，补偿目标平动中加速度和加加速度的影响；
步骤6)利用KT移除剩余的线性平动项；然后沿方位时间和距离频率维进行二维快速FT，得到聚焦良好的ISAR图像。
可选的，所述步骤1)包括对运动目标的回波数据建模，获取距离频域-方位时域序列：
其中，A为散射中心的反射系数，fr为tr对应的频率变量，fc为载波频率，Br为发射信号带宽，Tp是脉冲宽度，γ为线性调频斜率；exp-j4π(fr+fc)Rtrans(ta)/c是与目标平动相关的相位项，与目标散射中心位置无关，即同一目标的所有散射体具有相同的平动轨迹；exp-j4πfrRtrans(ta)/c会引起距离徙动现象，exp-j4πfcRtrans(ta)/c会引起相位误差。
可选的，所述步骤1)还包括将目标的平动距离轨迹建模为三阶多项式信号：
其中R0为运动目标的初始径向距离，υ为径向速度，α径向加速度，β径向加速度率。
可选的，所述步骤2)包括利用PD变换来缓减距离平动轨迹和降低相位的阶数：
其中PDl,c-terms(fr；ta)为PD操作后的交叉项，τ1＝mTPRT,m＝1,2,...,N。
可选的，所述步骤2)还包括运用KT操作来消除线性距离平动轨迹的影响：
可选的，所述步骤3)包括利用幅度检测法找到同一目标的散射体能量聚焦的距离门：
可选的，所述步骤4)包括计算参数对称瞬时自相关函数和利用尺度变换来消除τm与tm耦合关系，其中参数对称瞬时自相关函数表达式为：
式中，
为延迟变量，tΔ为时延常数，
为交叉项。尺度变换的表达式为：
其中h为尺度变换因子，
可选的，所述步骤4)还包括利用峰值检测法得到估计的平动系数b1和b2，然后根据估计系数
和
获得运动目标的平动加速度α和加速度率β：
可选的，所述步骤5)包括根据估计获得的α和β值，利用Dechirp技术构造补偿函数：
可选的，所述步骤6)包括利用KT操作移除剩余的线性平动项，然后沿方位时间—距离频率域进行二维快速傅里叶变换，得到逆合成孔径雷达ISAR图。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明能够在低SNR环境下保持良好的平动补偿性能；
(2)本发明避免了多维搜索，具有较低的计算复杂度。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明流程图；
图2为复杂运动目标的三维ISAR成像几何模型；
图3为Yak-42飞机；
图4为距离压缩后的平动轨迹；
图5为PD和KT后的目标平动轨迹；
图6为LVD处理结果图；
图7为发明提出的方法用于实测Yak-42平动补偿后的ISAR聚焦图像；
图8为发明提出的方法与其他方法信息熵对比图；
图9为发明提出的方法与其他方法运行时间对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，ISAR平动补偿的过程：
步骤1)、典型的机动目标的三维ISAR成像几何模型如图2，其中向量R为雷达视线方向(LOS)向量，转动角速度向量w可分解为与视线方向平行的分量wR和垂直的分量we，向量wR与目标方位的多普勒频率变化无关，向量we为有效旋转向量。则运动目标上任一散射点P(xk,yk)在ta时刻与雷达之间的瞬时斜距为：
Rk(ta)＝Rtrans(ta)+ykcos(θ(ta))+xksin(θ(ta)) (1)
其中，θ(ta)＝wta为瞬时旋转角，w为有效旋转向量we的标量值。由于ISAR成像中的相干积累时间内旋转角一般很小(3°-5°)，故可近似为
ISAR系统常用的发射信号为线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号，假设运动目标由K个散射点组成，则目标反射回来的回波信号，解调到基带后在距离频域-方位时域表示为
其中，A为散射中心的反射系数，fr为tr对应的频率变量，fc为载波频率，Br为发射信号带宽，Tp是脉冲宽度，γ为线性调频斜率；exp-j4π(fr+fc)Rtrans(ta)/c是与目标平动相关的相位项，与目标散射中心位置无关，即同一目标的所有散射体具有相同的平动轨迹；exp-j4πfrRtrans(ta)/c会引起距离徙动现象，exp-j4πfcRtrans(ta)/c会引起相位误差。
为了消除平动带来的影响，本发明将目标的平动距离轨迹建模为三阶多项式信号，表达式为
将式(4)代入式(3)，回波信号变为：
步骤2)、由式(5)可知，对于给定的距离频率，回波信号沿方位时间ta维可视为多成分PPS，而PPS的参数决定了运动目标的平动参数；因此，本发明引入PD操作降低PPS的阶数，来缓减距离平动轨迹和降低相位的阶数。对式(5)沿ta进行PD操作，可得
式中PDl,c-terms(fr；ta)为PD操作后的交叉项，τ1＝mTPRT,m＝1,2,...,N。由式(6)可知，经过PD操作后，相位的阶数降到了二阶，新的PPS系数也变为
和
然而
仍然会引起线性距离走动，因此本发明运用KT操作来消除线性距离平动轨迹的影响。对式(6)进行KT操作，可得
由式(7)可知，由4τ1α项引起的线性距离走动已被消除，而距离频率变量fr与方位时间变量tm仍然存在高阶耦合；由于fr＝fc，在fr＝0处进行泰勒级数展开，可得
将式(8)带入式(7)，并沿fr进行IFT，可得
经过PD和KT操作后，目标的平动参数变为
和
其中
是平动二次项；R0(xk)为初始距离单元，它取决于目标方位尺寸xk的大小，其仿真参数为：R0,υ,α,β＝10km,60m/s,5m/s2,2m/s3、载波频率10GHz、角速度0.02rad/s、传输带宽150MHz、采样频率200MHz、脉冲频率300Hz、有效回波脉冲256。由于ΔR(xk)远小于二分之一距离分辨单元，且Rqrcm(β)由加速度率β决定，其最大值足够小可以忽略不计，因此，经过PD和KT处理后，同一目标的所有散射体能量聚焦在同一个距离门内，式(9)可以简化为
由式(10)可知，运动目标的平动轨迹由系数bk，i，i＝0，1，2，决定，因此为了实现平动补偿，需要精确估计出上述系数。
步骤3)、经过PD和KT操作后，同一目标的散射体能量聚焦在同一个距离们内，因此利用幅度检测法找到相应的距离门，可表示为
步骤4)、设运动目标的散射体能量聚集在第l个距离单元，则式(10)可表示为
式中
n(tm)为方差为δ2的加性复高斯白噪声。LVD通过尺度运算和二维FT可以在多普勒中心频率-调频率域平面上提供更好的时频表示，且不受旋转、搜索和交叉项的影响。因此，本发明运用LVD来估计它的运动参数，具体实现过程如下。首先，计算参数对称瞬时自相关函数，可得
其中，
为延迟变量，tΔ为时延常数，
为交叉项。由式(13)可知，
与tm存在耦合，因此，采用如(14)式所示的尺度变换来消除该耦合关系。
式(14)中的h为尺度变换因子，
将式(14)代如式(13)，可得
对式(18)沿tm维进行二维FT，可得
在经过LVD处理后，目标散射体的自项能量在
平面
处聚集为一个强点，从而有效地抑制了交叉项和虚假伪峰，然后根据强点位置即可得到估计的平动系数b1和b2
接着根据估计系数
和
以及式(10)，很容易获得运动目标的平动加速度α和加速度率β
步骤5)、根据估计获得的α和β值，利用Dechirp技术构造补偿函数
并对原始回波数据进行解调处理
步骤6)、利用KT移除剩余的线性平动项
然后沿方位时间—距离频率域进行二维快速FT，得到聚焦良好的ISAR图像
实测数据实验：Yak-42飞机如图3所示，雷达系统相关参数为：载频fc为5.52GHz，发射信号带宽为400MHz，脉冲宽度为25.6us，脉冲重复频率为100Hz。图4给出了SNR＝0dB回波信号直接距离压缩后的平动轨迹，图5给出了PD和KT处理后的平动轨迹图，图6给出了LVD操作后的目标散射体的能量聚集到一个强点的图。采用本发明方法对Yak-42的回波信号进行平动补偿后，结果如图7所示，且飞机轮廓清晰，聚焦良好，有利于后续对运动目标高效检测和识别。图8和图9分别为本发明提出的方法与传统的平动补偿算法(MCRA、IQEM-PSO)在不同信噪比环境下的信息熵与运行时间的对比曲线图，由图示可知，MRCA算法的运行时间最短，但随着SNR的降低，其性能也会急剧下降；而本发明提出的算法的运行时间虽稍高于MRCA方法，但避免了多维搜索因此其运行时间短于IQEM-PSO方法，且在信噪比较低的环境下也能保持良好的平动补偿性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种高效复杂运动目标逆合成孔径雷达ISAR平动补偿方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1)将回波信号在距离频域—方位时域建模成多成分的多项式相位信号，移除距离调制项；
步骤2)对回波信号进行相位差分PD和Keystone变换KT，将运动目标的所有散射体能量聚集在同一个距离单元，然后沿距离频率进行逆傅里叶变换获得信号；
步骤3)利用幅度检测法检测出运动目标的散射体能量所在的距离门；
步骤4)对目标所有散射体能量所在距离门数据进行吕氏分布变换LVD，得到LVD输出
然后通过峰值检测法估计出平动系数b1和b2；再根据估计出的平动系数
和
求得运动目标的平动加速度α和加速度率β；
步骤5)根据估计获得的α和β值，运用Dechirp技术对原始回波数据进行解调处理，补偿目标平动中加速度和加加速度的影响；
步骤6)利用KT移除剩余的线性平动项；然后沿方位时间和距离频率维进行二维快速FT，得到聚焦良好的ISAR图像。
2.根据权利要求1所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤1)包括对运动目标的回波数据建模，获取距离频域-方位时域序列：
其中，A为散射中心的反射系数，fr为tr对应的频率变量，fc为载波频率，Br为发射信号带宽，Tp是脉冲宽度，γ为线性调频斜率；exp-j4π(fr+fc)Rtrans(ta)/c是与目标平动相关的相位项，与目标散射中心位置无关，即同一目标的所有散射体具有相同的平动轨迹；exp-j4πfrRtrans(ta)/c会引起距离徙动现象，exp-j4πfcRtrans(ta)/c会引起相位误差。
3.根据权利要求2所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤1)还包括将目标的平动距离轨迹建模为三阶多项式信号：
其中R0为运动目标的初始径向距离，υ为径向速度，α径向加速度，β径向加速度率。
4.根据权利要求1所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤2)包括利用PD变换来缓减距离平动轨迹和降低相位的阶数：
其中PDl,c-terms(fr；ta)为PD操作后的交叉项，τ1＝mTPRT,m＝1,2,...,N。
5.根据权利要求4所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤2)还包括运用KT操作来消除线性距离平动轨迹的影响：
6.根据权利要求1所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤3)包括利用幅度检测法找到同一目标的散射体能量聚焦的距离门：
7.根据权利要求1所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤4)包括计算参数对称瞬时自相关函数和利用尺度变换来消除τm与tm耦合关系，其中参数对称瞬时自相关函数表达式为：
式中，τm为延迟变量，tΔ为时延常数，
为交叉项。尺度变换的表达式为：
其中h为尺度变换因子，
8.根据权利要求7所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤4)还包括利用峰值检测法得到估计的平动系数b1和b2，然后根据估计系数
和
获得运动目标的平动加速度α和加速度率β：
9.根据权利要求1所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤5)包括根据估计获得的α和β值，利用Dechirp技术构造补偿函数：
10.根据权利要求1所述的一种高效的复杂运动目标ISAR平动补偿方法，其特征在于：所述步骤6)包括利用KT操作移除剩余的线性平动项，然后沿方位时间—距离频率域进行二维快速傅里叶变换，得到逆合成孔径雷达ISAR图。
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