CN112255626A - 基于参数化平动补偿的isar反投影方法 - Google Patents

基于参数化平动补偿的isar反投影方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，包括以下步骤：对目标回波信号进行初补偿，得到初补偿目标回波信号及初补偿二维ISAR像；获取轨道补偿距离误差的参数化表达式，得到参数化平动补偿因子；获得参数化平动补偿二维ISAR像；选出对比度最大的参数化平动补偿二维ISAR像对应的参数化平动补偿因子作为精补偿因子；利用精补偿因子对初补偿目标回波信号进行精补偿，得到精补偿目标回波信号及等效旋转中心；进行反投影成像得到目标ISAR二维图像。本发明消除了平动误差对反投影成像处理的影响，克服了传统反投影算法对目标运动误差敏感的缺点，更适用于实测数据成像，实现低信噪比下对目标的精确成像。

Description

基于参数化平动补偿的ISAR反投影方法
技术领域
本发明涉及一种基于参数化平动补偿的ISAR反投影方法。
背景技术
对目标进行雷达成像是开展目标观测的一种重要技术手段。逆合成孔径雷达通过发射大带宽信号获得距离维高分辨，利用成像积累时间内雷达和观测目标之间相对转动产生的等效合成孔径实现方位维高分辨，进而可以得到目标的二维ISAR(逆合成孔径雷达)图像。
ISAR领域应用最广泛的成像算法是距离多普勒(RD)算法，物理意义明确，实现起来简单快速、精度高，但基本的RD算法存在明显的应用局限：当目标的运动规律不满足小角度均匀转动时，散射点会发生越距离单元和越多普勒单元徙动，从而导致成像质量严重恶化；此外，利用RD算法进行双基地ISAR成像时，还会出现因双基地角时变而导致图像畸变的现象。
反投影算法作为一种需要已知运动信息的精确时域高分辨成像算法，在大转角、非均匀转动的场景下能够无畸变地重建目标的高分辨二维图像。现阶段的反投影成像算法都是直接利用目标到雷达的绝对距离进行反投影，但该方式对目标的平动误差很敏感，目前还没有对反投影进行参数化平动补偿的成像方法。
此外，传统的非参数化平动补偿，大都基于回波数据的相关性进行包络对齐，利用数据本身进行相位自聚焦，此时要求回波信噪比较高。当目标到雷达的距离较远时，雷达接收到的回波信噪比较低，因此，传统的非参数化平动补偿方法不利于远距离目标ISAR成像。即便目标的运动信息能够根据轨道预报模型预测得到，但由于轨道参数初始误差及轨道预报模型的不准确性等因素的影响，平动补偿精度往往满足不了传统实现方式的需求。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，并提供一种基于参数化平动补偿的ISAR反投影方法。
为实现上述目的，本发明提供一种基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，包括以下步骤：
a、对目标回波信号进行初补偿，得到初补偿目标回波信号以及对应的初补偿二维ISAR像；
b、获取轨道补偿距离误差的参数化表达式，进而得到参数化平动补偿因子；
c、利用初补偿目标回波信号和参数化平动补偿因子获得参数化平动补偿二维ISAR像；
d、选出对比度最大的参数化平动补偿二维ISAR像对应的参数化平动补偿因子作为精补偿因子；
e、利用精补偿因子对初补偿目标回波信号进行精补偿，得到精补偿目标回波信号及其等效旋转中心；
f、进行反投影成像，得到目标ISAR二维图像。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(a)中，利用轨道预报模型对目标运动轨道进行预报，并利用轨道预报结果进行运动初补偿，得到初补偿目标回波信号以及对应的初补偿二维ISAR像。
根据本发明的一个方面，利用轨道预报模型得到轨道预报距离序列Rpre(tm)，其中，tm为慢时间；
利用轨道预报距离序列Rpre(tm)对目标回波信号进行运动初补偿，补偿方法为目标回波信号在频域乘以初补偿因子，得到初补偿目标回波信号；
其中初补偿因子为：
Figure BDA0002716891540000031
其中，fc为待补偿回波载波频率，f为待补偿回波频率，c为光速；
利用反投影算法或距离多普勒算法对初补偿目标回波信号进行二维ISAR成像，得到初补偿二维ISAR像。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(b)中，对初补偿二维ISAR像进行慢时间的一阶和二阶参数搜索，得到一系列的轨道补偿速度误差Δv和轨道补偿加速度误差Δa；
其中，参数搜索过程中轨道补偿速度误差的搜索初始值v0以及轨道补偿加速度误差的搜索初始值a0的设置方式为：
用包络相关法对初补偿目标回波信号对应的一维距离像序列进行对齐，记录下每个初补偿目标回波信号脉冲相对于第一个脉冲的移位量Rshift(tm)；
对去掉野值和跳变后的距离移位量Rshift′(tm)进行二阶拟合，拟合系数作为参数搜索初始值v0和a0；
轨道补偿速度误差的搜索步进量δv以及轨道补偿加速度误差δa的搜索步进量，共同引起的误差不超过一个距离分辨单元和一个多普勒分辨单元；
根据轨道补偿速度误差Δv和轨道补偿加速度误差Δa，构建随慢时间变化的轨道补偿距离误差ΔR(tm)的参数化表达式：
Figure BDA0002716891540000032
其中，tm为慢时间；
依据ΔR(tm)，获得对应的一系列参数化平动补偿因子H(tm)：
Figure BDA0002716891540000041
根据本发明的一个方面，在所述步骤(c)中，将初补偿目标回波信号分别与参数化平动补偿因子H(tm)相乘，得到各个参数化平动补偿因子对应的参数化平动补偿目标回波信号；
对各个参数化平动补偿目标回波信号进行脉冲压缩获得各自对应的参数化补偿一维距离像，组成参数化补偿一维距离像序列，进而得到参数化平动补偿二维ISAR像；
其中，利用反投影算法或距离多普勒算法对参数化补偿一维距离像序列进行二维ISAR成像，得到对应的参数化平动补偿二维ISAR像。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(d)中，计算各个参数化平动补偿二维ISAR像的二维图像对比度，将对比度最大的参数化平动补偿二维ISAR像对应的参数化平动补偿因子作为精补偿因子；
二维图像对比度计算函数为：
Figure BDA0002716891540000042
其中，I(i,j)为参数化平动补偿二维ISAR像中第i行j列像素点值，
Figure BDA0002716891540000043
为所有像素点的均值，补偿二维ISAR像中共有M×N个像素。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(e)中，将初补偿目标回波信号与精补偿因子相乘，得到精补偿目标回波信号，对精补偿目标回波信号进行脉冲压缩获得各自对应的精补偿一维距离像，组成精补偿一维距离像序列；
利用单特显点法，在精补偿一维距离像序列中寻找特显点，该特显点即为回波的等效旋转中心。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(f)中，利用等效旋转中心所在距离单元处各个精补偿一维距离像的相位分别补偿其自身所在精补偿一维距离像所有距离单元处的相位，得到各个相位补偿一维距离像，组成相位补偿一维距离像序列。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(f)中，将等效旋转中心所在的距离单元作为距离参考零值，对相位补偿一维距离像序列进行反投影成像，得到目标ISAR二维图像，完成目标ISAR反投影成像。
根据本发明，先对目标回波信号进行初补偿，获取轨道补偿距离误差的参数化表达式，并利用参数化补偿后的二维图像，结合图像对比度最大值准则，确定精补偿因子，基于精补偿因子对初补偿目标回波信号进行补偿，得到精补偿目标回波信号以及相应的等效旋转中心，最后再进行后续反投影成像。实现远距离低信噪比条件下的ISAR反投影成像，并消除了平动误差对反投影成像处理的影响，克服了传统反投影算法对目标运动误差敏感的缺点，更适用于实测数据成像，实现低信噪比下对目标的精确成像。
根据本发明，不需要额外的窄带跟踪测量设备提供目标的运动信息，降低了成像系统实现的复杂度，具有更好的工程实用性。
附图说明
图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于参数化平动补偿的ISAR反投影方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
参见图1，本发明的基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，首先对目标回波信号进行初补偿，具体的，利用轨道预报模型对目标运动轨道进行预报，并利用轨道预报结果进行运动初补偿，得到初补偿目标回波信号以及对应的初补偿二维ISAR像。
利用轨道预报模型进行轨道预报，得到轨道预报距离序列Rpre(tm)，其中，tm为慢时间。随后利用轨道预报距离序列Rpre(tm)对目标回波信号进行运动初补偿，补偿方法为目标回波信号在频域乘以初补偿因子，得到初补偿目标回波信号；其中初补偿因子为：
Figure BDA0002716891540000061
其中，fc为待补偿回波载波频率，f为待补偿回波频率，c为光速；
利用反投影算法或距离多普勒算法等ISAR成像算法对初补偿目标回波信号进行二维ISAR成像，得到初补偿二维ISAR像。
本发明中，利用参数化补偿后的二维图像，结合图像对比度最大值准则，确定精补偿因子。并利用之对初补偿目标回波信号进行精补偿，得到精补偿目标回波信号以及相应的等效旋转中心。具体的，对初补偿二维ISAR像进行慢时间的一阶和二阶参数搜索，得到一系列的轨道补偿速度误差Δv和轨道补偿加速度误差Δa。其中，参数搜索过程中轨道补偿速度误差的搜索初始值v0以及轨道补偿加速度误差的搜索初始值a0的设置方式为：
首先，用包络相关法对初补偿目标回波信号对应的一维距离像序列进行对齐，记录下每个初补偿目标回波信号脉冲相对于第一个脉冲的移位量Rshift(tm)；然后，对去掉野值和跳变后的距离移位量Rshift′(tm)进行二阶拟合，拟合系数作为参数搜索初始值v0和a0；
轨道补偿速度误差的搜索步进量δv以及轨道补偿加速度误差δa的搜索步进量，共同引起的误差不超过一个距离分辨单元，也不超过一个多普勒分辨单元。
根据轨道补偿速度误差Δv和轨道补偿加速度误差Δa，构建随慢时间变化的轨道补偿距离误差ΔR(tm)的参数化表达式：
Figure BDA0002716891540000071
其中，tm为慢时间；
依据ΔR(tm)，获得对应的一系列参数化平动补偿因子H(tm)：
Figure BDA0002716891540000072
随后可利用参数化平动补偿因子与初补偿目标回波信号获得参数化平动补偿二维ISAR像。具体的，将初补偿目标回波信号分别与一系列的参数化平动补偿因子H(tm)相乘，得到各个参数化平动补偿因子对应的参数化平动补偿目标回波信号，再对各个参数化平动补偿目标回波信号进行脉冲压缩获得各自对应的参数化补偿一维距离像，组成参数化补偿一维距离像序列，由参数化补偿一维距离像序列可进而得到参数化平动补偿二维ISAR像。本发明中，利用反投影算法或距离多普勒算法对参数化补偿一维距离像序列进行二维ISAR成像，得到对应的参数化平动补偿二维ISAR像。
在确定精补偿因子时，计算各个参数化平动补偿二维ISAR像的二维图像对比度，将对比度最大的参数化平动补偿二维ISAR像对应的参数化平动补偿因子作为精补偿因子。本发明中，二维图像对比度计算函数为：
Figure BDA0002716891540000073
其中，I(i,j)为参数化平动补偿二维ISAR像中第i行j列像素点值，u为所有像素点的均值，补偿二维ISAR像中共有M×N个像素。
将初补偿目标回波信号与精补偿因子相乘，得到精补偿目标回波信号，对精补偿目标回波信号进行脉冲压缩获得各自对应的精补偿一维距离像，组成精补偿一维距离像序列。
本发明中，利用单特显点法，在精补偿一维距离像序列中寻找特显点，该特显点即为回波的等效旋转中心。利用等效旋转中心所在距离单元处各个精补偿一维距离像的相位，各自去补偿其自身所在精补偿一维距离像所有距离单元处的相位，得到各个相位补偿一维距离像，组成相位补偿一维距离像序列。最终，将等效旋转中心所在的距离单元作为距离参考零值，对相位补偿一维距离像序列进行反投影成像，得到目标ISAR二维图像，完成目标ISAR反投影成像。
综上，可以利用本发明的基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，实现远距离低信噪比条件下的ISAR反投影成像。本方法消除了平动误差对反投影成像处理的影响，克服了传统反投影算法对目标运动误差敏感的缺点，更适用于实测数据成像，实现低信噪比下对目标的精确成像。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，包括以下步骤：
a、对目标回波信号进行初补偿，得到初补偿目标回波信号以及对应的初补偿二维ISAR像；
b、获取轨道补偿距离误差的参数化表达式，进而得到参数化平动补偿因子；
c、利用初补偿目标回波信号和参数化平动补偿因子获得参数化平动补偿二维ISAR像；
d、选出对比度最大的参数化平动补偿二维ISAR像对应的参数化平动补偿因子作为精补偿因子；
e、利用精补偿因子对初补偿目标回波信号进行精补偿，得到精补偿目标回波信号及其等效旋转中心；
f、进行反投影成像，得到目标ISAR二维图像。
2.根据权利要求1所述基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，利用轨道预报模型对目标运动轨道进行预报，并利用轨道预报结果进行运动初补偿，得到初补偿目标回波信号以及对应的初补偿二维ISAR像。
3.根据权利要求2所述基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，其特征在于，利用轨道预报模型得到轨道预报距离序列Rpre(tm)，其中，tm为慢时间；
利用轨道预报距离序列Rpre(tm)对目标回波信号进行运动初补偿，补偿方法为目标回波信号在频域乘以初补偿因子，得到初补偿目标回波信号；
其中初补偿因子为：
Figure FDA0002716891530000021
其中，fc为待补偿回波载波频率，f为待补偿回波频率，c为光速；
利用反投影算法或距离多普勒算法对初补偿目标回波信号进行二维ISAR成像，得到初补偿二维ISAR像。
4.根据权利要求1所述基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，对初补偿二维ISAR像进行慢时间的一阶和二阶参数搜索，得到一系列的轨道补偿速度误差Δv和轨道补偿加速度误差Δa；
其中，参数搜索过程中轨道补偿速度误差的搜索初始值v0以及轨道补偿加速度误差的搜索初始值a0的设置方式为：
用包络相关法对初补偿目标回波信号对应的一维距离像序列进行对齐，记录下每个初补偿目标回波信号脉冲相对于第一个脉冲的移位量Rshift(tm)；
对去掉野值和跳变后的距离移位量Rshift′(tm)进行二阶拟合，拟合系数作为参数搜索初始值v0和a0；
轨道补偿速度误差的搜索步进量δv以及轨道补偿加速度误差δa的搜索步进量，共同引起的误差不超过一个距离分辨单元和一个多普勒分辨单元；
根据轨道补偿速度误差Δv和轨道补偿加速度误差Δa，构建随慢时间变化的轨道补偿距离误差ΔR(tm)的参数化表达式：
Figure FDA0002716891530000022
其中，tm为慢时间；
依据ΔR(tm)，获得对应的一系列参数化平动补偿因子H(tm)：
Figure FDA0002716891530000031
5.根据权利要求1所述基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，其特征在于，在所述步骤(c)中，将初补偿目标回波信号分别与参数化平动补偿因子H(tm)相乘，得到各个参数化平动补偿因子对应的参数化平动补偿目标回波信号；
对各个参数化平动补偿目标回波信号进行脉冲压缩获得各自对应的参数化补偿一维距离像，组成参数化补偿一维距离像序列，进而得到参数化平动补偿二维ISAR像；
其中，利用反投影算法或距离多普勒算法对参数化补偿一维距离像序列进行二维ISAR成像，得到对应的参数化平动补偿二维ISAR像。
6.根据权利要求1所述基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，其特征在于，在所述步骤(d)中，计算各个参数化平动补偿二维ISAR像的二维图像对比度，将对比度最大的参数化平动补偿二维ISAR像对应的参数化平动补偿因子作为精补偿因子；
二维图像对比度计算函数为：
Figure FDA0002716891530000032
其中，I(i,j)为参数化平动补偿二维ISAR像中第i行j列像素点值，
Figure FDA0002716891530000033
为所有像素点的均值，补偿二维ISAR像中共有M×N个像素。
7.根据权利要求1所述基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，其特征在于，在所述步骤(e)中，将初补偿目标回波信号与精补偿因子相乘，得到精补偿目标回波信号，对精补偿目标回波信号进行脉冲压缩获得各自对应的精补偿一维距离像，组成精补偿一维距离像序列；
利用单特显点法，在精补偿一维距离像序列中寻找特显点，该特显点即为回波的等效旋转中心。
8.根据权利要求7所述基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，其特征在于，在所述步骤(f)中，利用等效旋转中心所在距离单元处各个精补偿一维距离像的相位分别补偿其自身所在精补偿一维距离像所有距离单元处的相位，得到各个相位补偿一维距离像，组成相位补偿一维距离像序列。
9.根据权利要求8所述基于参数化平动补偿的ISAR反投影成像方法，其特征在于，在所述步骤(f)中，将等效旋转中心所在的距离单元作为距离参考零值，对相位补偿一维距离像序列进行反投影成像，得到目标ISAR二维图像，完成目标ISAR反投影成像。
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