CN112578381B - 一种基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法 - Google Patents

一种基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法，包括：对干涉逆合成孔径雷达的三个接收通道的数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正回波预处理；对预处理后的回波数据进行逆合成孔径雷达成像处理，得到三幅复图像，以其中一幅图像作为基准对三幅复图像进行配准，对同一基线上的两幅复图像进行干涉，得到两幅图像的干涉相位，进而估计出目标沿基线方向的坐标，结合视线方向的时延实现目标的3D坐标估计；提取预处理后的回波数据中含有散射中心的距离单元，对每个距离单元的方位向回波进行LvD变换，估计出该距离单元内每个散射中心回波对应的中心频率和调频率；对每个散射中心回波对应的中心频率、调频率和3D坐标估计做回归分析，估计出目标的3D转动矢量。

Description

一种基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，特别涉及雷达应用中对目标的识别和追踪，具体涉及一种基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法。
背景技术
干涉逆合成孔径雷达(InISAR)利用多个特定排列的天线形成两条正交基线来获得干涉相位，进而获得目标沿基线方向的尺寸，利用目标回波在雷达视线方向的时延获得目标的距离向尺寸，从而实现三维(3D)目标的重建(文献[1]：G.Wang,X.Xia,andV.C.Chen,“Three-dimensional ISAR imaging of maneuvering targets using threereceivers,”IEEE Trans.Image Process.,vol.10,no.3,pp.436-447,Mar.2001)。
目标的3D转动矢量可以完整的描述目标的旋转姿态，而不必依赖于雷达的视线方向；同时，对3D转动矢量的估计有助于确定目标随时间的运动轨迹，从而增强了多站雷达网络的跟踪和成像能力(文献[2]：Tran H T,Giusti E,Martorella M,et al.Estimation ofthe total rotational velocity of a non-cooperative target using a 3D InISARsystem[J].IEEE National Radar Conference-Proceedings,2015,2015:937-941.)。
现有的估计方法(文献[3]：Ng W H,Tran H T,Martorella M,et al.Estimationof the total rotational velocity of a non-cooperative target with a highcross-range resolution three-dimensional interferometric inverse syntheticaperture radar system[J].Iet Radar Sonar Nav,2017,11(6):1020-1029.)是对每一个距离单元的方位向回波进行局部多项式傅里叶变换(LPFT)来估计该距离单元内多普勒频率的调频率(CR)，然后结合InISAR技术估计得到的干涉相位，估计出目标的3D转动矢量。但是LPFT只能处理含有单一CR的信号，如果信号中含有多个不同的CR分量，LPFT将不再适用。在实际应用中，一个距离单元中往往含有多个散射中心，不同散射中心的多普勒频率的CR可能有很大差异，这种情况下继续使用LPFT估计的CR进行3D转动矢量估计就会造成很大误差。
发明内容
本发明的目的在于克服单个距离单元内含有多个散射中心时目标的3D转动矢量估计误差增大的问题，从而提供一种基于InISAR成像系统的目标3D转动矢量估计方法，在单个距离单元内含有多个散射中心的情况下，该方法能够提高多普勒频率的CR估计精度，从而提高目标3D转动矢量的估计精度。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法，所述方法包括：
对干涉逆合成孔径雷达的三个接收通道的数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正回波预处理；
对预处理后的回波数据进行逆合成孔径雷达成像处理，得到三幅复图像，以其中一幅图像作为基准对三幅复图像进行配准，对同一基线上的两幅复图像进行干涉，得到两幅图像的干涉相位，进而估计出目标沿基线方向的坐标，结合视线方向的时延实现目标的3D坐标估计；
提取预处理后的回波数据中含有散射中心的距离单元，对每个距离单元的方位向回波进行LvD变换，估计出该距离单元内每个散射中心回波对应的中心频率和调频率；
对每个散射中心回波对应的中心频率、调频率和3D坐标估计做回归分析，估计出目标的3D转动矢量。
作为上述方法的一种改进，所述对干涉逆合成孔径雷达的三个接收通道的数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正回波预处理；具体包括：
利用匹配滤波对天线A的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线A上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xAi(tm)＝xi(tm)iA
其中，t是快时间，即发射信号的时长，tm表示慢时间，即总共的成像时间，f0表示载频，γ表示调频率,TP表示脉冲宽度；ρ表示散射强度；c为光速；xAi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线A的LOS方向的投影距离，xi(tm)是tm时刻第i个散射中心在Tx坐标系中的坐标，Tx坐标系是以有效转动矢量Ωe为x3轴，以天线A的LOS方向为x2轴；iA是Tx坐标系下天线A的LOS方向的单位矢量，iA＝(0,1,0)；
利用匹配滤波对天线B的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线C上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xBi(tm)＝xi(tm)iB
其中，xBi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线B的LOS方向的投影距离；iB是Tx坐标系下天线B的LOS方向的单位矢量：
其中，L表示基线的长度，即同一方向上两个天线之间的距离，RAO表示天线A到目标中心的距离；
利用匹配滤波对天线C的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线C上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xCi(tm)＝xi(tm)iC
其中，xCi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线C的LOS方向的投影距离；iC是Tx坐标系下天线C的LOS方向的单位矢量：
作为上述方法的一种改进，所述对预处理后的回波数据进行逆合成孔径雷达成像处理，得到三幅复图像，以其中一幅图像作为基准对三幅复图像进行配准，对同一基线上的两幅复图像进行干涉，得到两幅图像的干涉相位，进而估计出目标沿基线方向的坐标，结合视线方向的时延实现目标的3D坐标估计；
对预处理后的回波数据进行合成孔径成像处理，得到三个天线A、B和C对应的三幅复数图像imgA,imgB和imgC，以imgA作为基准对三幅复图像进行配准，第i个散射点在天线A和天线B之间的干涉相位和第i个散射点在天线A和天线C之间的干涉相位/>为：
其中，angle(·)表示取相位函数，(·)*表示取复共轭操作，imgA(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgA图像中的位置，imgB(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgB图像中的位置，imgC(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgC图像中的位置，共有K个散射中心；
计算第i个散射中心在目标坐标系下的x方向的坐标值u1i和方向的坐标值u3i：
其中，λ为发射信号的波长；
第i个散射中心在目标坐标系下的y方向的坐标值u2i通过距离向时延得到。
作为上述方法的一种改进，所述提取预处理后的回波数据中含有散射中心的距离单元，对每个距离单元的方位向回波进行LvD变换，估计出该距离单元内每个散射中心回波对应的中心频率和调频率；具体包括：
对含有散射中心的距离单元回波分别进行LvD变换，得到LvD变换后的图像；
通过提取LvD变换后的图像峰值所在位置估计出为第i个散射中心的回波的中心频率CFi以及调频率CRi。
作为上述方法的一种改进，所述对每个散射中心的回波对应的中心频率、调频率和3D坐标估计做回归分析，估计出目标的3D转动矢量；具体包括：
根据第i个散射中心的(CFi,u1i,u3i)，1≤i≤K，和关系式：
其中，Ωe1,Ωe3分别代表目标转动矢量在沿目标坐标系的x方向和z方向的分量，
利用回归分析估计出Ωe1,Ωe3的值，进而得到Ωe的估计值：
则对于调频率的关系式：
Ω2代表目标转动矢量沿目标坐标系的y方向的矢量，且是唯一的未知量，将调频率的关系式简化为：
βi＝αiΩ2
其中，
αi＝u1iΩe1+u3iΩe3
对所有K个散射中心进行回归分析，线性拟合的斜率就是Ω2的估计值；
从而得到目标的3D转动矢量(Ωe1,Ωe2,Ωe3)。
本发明的优势在于：
1、本发明的方法利用LVD变换能都分离多个LFM信号的特性，将LVD变换应用到目标方位向回波以实现不同LFM信号的分离，继而对不同散射中心的CF和CR进行分离，最后联合InISAR技术估计出目标的3D转动矢量；
2、本发明的方法能够适用于雷达回波中单个距离单元含有多个散射中心的情况，进而提高了3D转动的估计精度。
附图说明
图1为本发明提出的基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法的流程图；
图2为三天线L型InISAR成像系统几何图；
图3为对某一距离单元方位向回波进行LvD变换后的效果图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的实施方式作进一步的描述。
本发明公开了一种基于干涉逆合成孔径雷达(InISAR)的目标三维(3D)转动矢量估计方法，所述方法主要包括回波预处理，目标三维坐标估计，多普勒频率的中心频率(CF)和调频率(CR)估计，3D转动矢量估计四个部分。首先对InISAR系统三个接收通道的数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正等回波预处理操作；对预处理后的数据进行逆合成孔径雷达(ISAR)成像处理，得到三幅复图像，以其中一幅图像作为基准对三幅复图像进行配准，对同一基线上的两幅复图像进行干涉，得到两幅图像的干涉相位，进而估计出目标沿基线方向的坐标，结合视线方向的时延实现目标的3D坐标估计；提取预处理后的回波中含有散射中心的距离单元，对每个距离单元的方位向回波进行LvD变换估计出该距离单元内每个散射中心回波对应的CF和CR；对每个散射中心的CF,CR和3D坐标做回归分析，估计出目标的3D转动矢量。
如图1所示，本发明提出的一种基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法，具体步骤包括：
步骤1)雷达发射如下LFM信号，
其中，t是时刻，tm是慢时间,f0表示载频，γ表示调频率,TP表示脉冲宽度。
利用匹配滤波对天线A的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线A上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xAi(tm)＝xi(tm)iA (3)
其中，t是快时间，即发射信号的时长，tm表示慢时间，即总共的成像时间，f0表示载频，γ表示调频率,TP表示脉冲宽度；ρ表示散射强度；c为光速；xAi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线A的LOS方向的投影距离，xi(tm)是tm时刻第i个散射中心在Tx坐标系中的坐标，Tx坐标系是以有效转动矢量Ωe为x3轴，以天线A的LOS方向为x2轴；iA是Tx坐标系下天线A的LOS方向的单位矢量，iA＝(0,1,0)；
利用匹配滤波对天线B的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线C上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xBi(tm)＝xi(tm)iB (5)
其中，xBi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线B的LOS方向的投影距离；iB是Tx坐标系下天线B的LOS方向的单位矢量：
其中，L表示基线的长度，即同一方向上两个天线之间的距离，RAO表示天线A到目标中心的距离；
利用匹配滤波对天线C的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线C上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xCi(tm)＝xi(tm)iC (7)
其中，xCi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线C的LOS方向的投影距离；iC是Tx坐标系下天线C的LOS方向的单位矢量：
步骤2)对预处理后的回波数据进行合成孔径成像处理，得到三个天线A、B和C对应的三幅复数图像imgA,imgB和imgC，以imgA作为基准对三幅复图像进行配准，第i个散射点在天线A和天线B之间的干涉相位和第i个散射点在天线A和天线C之间的干涉相位/>为：
其中，angle(·)表示取相位函数，(·)*表示取复共轭操作，imgA(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgA图像中的位置，imgB(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgB图像中的位置，imgC(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgC图像中的位置，共有K个散射中心；
计算第i个散射中心在目标坐标系下的x方向的坐标值u1i和方向的坐标值u3i：
其中，λ为发射信号的波长；
y方向的坐标值u2i通过距离向时延得到，因此，目标的三维坐标得以重建。
步骤3)对每个含有散射中心的距离单元回波进行LvD变换。一个含有K个散射中心的距离单元的回波可以表示为：
其中各变量定义如下：
i为改距离单元内的散射中心序号；Ai为散射强度；
Ωe为目标总转动矢量在垂直于视线的平面上的投影，即有效转速；
Ω2为目标总转动矢量在平行于视线方向上的投影，
(x1i,x2i,x3i)为散射中心在图2中Tx下的坐标，与目标坐标系下的(u1i,u2i,u3i)的关系为，
计算LvD变换的核函数为，
其中τ是时间延迟，C(t,τ)是交叉项，通过keystone变换后，
其中tn＝tm(τ+1)，然后对(10)相对于tn和τ分别做傅里叶变换，因为在进行傅里叶变换时交叉项不会积累，即抑制了交叉项，因此，傅里叶变换后的信号可以表示为，
然后通过提取LvD变换后的图像峰值所在位置估计出每个散射中心多普勒频率的CF和CR。
由(14)可以看出，通过LvD变换后，信号从(t，τ)域转换到了(fn,fτ)域,图3为某一距离单元内回波通过LvD变换后的效果图，通过峰值所在位置可以直接获得每个散射点回波多普勒频率的CF和CR，即
(CFi,CRi)＝argmax[L(fn,fτ)] (15)
其中，
其中，Ωe1,Ωe3分别是Ωe在u1,u3上的投影大小，即，
步骤4)对于含有多个散射中心的目标，收集这些散射中心的(CFi,u1i,u3i)，然后利用回归分析估计出Ωe1,Ωe3的值，进而得到Ωe的估计值，
此时，(17)中只有Ω2一个未知量，我们将(17)简化为，
βi＝αiΩ2 (20)
其中，
然后对所有散射中心进行回归分析，线性拟合的斜率就是Ω2的估计值，至此就可以得到完整的目标3D转动矢量(Ωe1,Ωe2,Ωe3)。
本发明利用LVD变换能都分离多个LFM信号的特性，将LVD变换应用到目标方位向回波以实现不同散射中心多普勒频率的CF和CR的分离和估计，同时利用InISAR系统估计出散射中心的3D坐标，继而估计出目标的3D转动矢量。与现有的估计方法相比，本发明提高了雷达回波中单个距离单元含有多个散射中心的情况下3D转动的估计精度，对目标的识别和追踪具有重要意义。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法，所述方法包括：
对干涉逆合成孔径雷达的三个接收通道的数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正回波预处理；
对预处理后的回波数据进行逆合成孔径雷达成像处理，得到三幅复图像，以其中一幅图像作为基准对三幅复图像进行配准，对同一基线上的两幅复图像进行干涉，得到两幅图像的干涉相位，进而估计出目标沿基线方向的坐标，结合视线方向的时延实现目标的3D坐标估计；
提取预处理后的回波数据中含有散射中心的距离单元，对每个距离单元的方位向回波进行LvD变换，估计出该距离单元内每个散射中心回波对应的中心频率和调频率；
对每个散射中心回波对应的中心频率、调频率和3D坐标估计做回归分析，估计出目标的3D转动矢量。
2.根据权利要求1所述的基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法，其特征在于，所述对干涉逆合成孔径雷达的三个接收通道的数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正回波预处理；具体包括：
利用匹配滤波对天线A的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线A上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xAi(tm)＝xi(tm)iA
其中，t是快时间，即发射信号的时长，tm表示慢时间，即总共的成像时间，f0表示载频，γ表示调频率,TP表示脉冲宽度；ρ表示散射强度；c为光速；xAi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线A的LOS方向的投影距离，xi(tm)是tm时刻第i个散射中心在Tx坐标系中的坐标，Tx坐标系是以有效转动矢量Ωe为x3轴，以天线A的LOS方向为x2轴；iA是Tx坐标系下天线A的LOS方向的单位矢量，iA＝(0,1,0)；
利用匹配滤波对天线B的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线B上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xBi(tm)＝xi(tm)iB
其中，xBi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线B的LOS方向的投影距离；iB是Tx坐标系下天线B的LOS方向的单位矢量：
其中，L表示基线的长度，即同一方向上两个天线之间的距离，RAO表示天线A到目标中心的距离；
利用匹配滤波对天线C的回波数据分别进行脉冲压缩，通过互相关法和PGA技术进行平动补偿，然后通过Keystone变换实现越距离迁徙矫正，天线C上的目标上第i个散射点的回波表示为：
其中，
xCi(tm)＝xi(tm)iC
其中，xCi(tm)是第i个散射中心在目标坐标系中沿天线C的LOS方向的投影距离；iC是Tx坐标系下天线C的LOS方向的单位矢量：
3.根据权利要求2所述的基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法，其特征在于，所述对预处理后的回波数据进行逆合成孔径雷达成像处理，得到三幅复图像，以其中一幅图像作为基准对三幅复图像进行配准，对同一基线上的两幅复图像进行干涉，得到两幅图像的干涉相位，进而估计出目标沿基线方向的坐标，结合视线方向的时延实现目标的3D坐标估计；
对预处理后的回波数据进行合成孔径成像处理，得到三个天线A、B和C对应的三幅复数图像imgA,imgB和imgC，以imgA作为基准对三幅复图像进行配准，第i个散射点在天线A和天线B之间的干涉相位和第i个散射点在天线A和天线C之间的干涉相位/>为：
其中，angle(·)表示取相位函数，()*表示取复共轭操作，imgA(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgA图像中的位置，imgB(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgB图像中的位置，imgC(nai,nri)表示提取的第i个散射中心在imgC图像中的位置，共有K个散射中心；
计算第i个散射中心在目标坐标系下的x方向的坐标值u1i和z方向的坐标值u3i：
其中，λ为发射信号的波长；
第i个散射中心在目标坐标系下的y方向的坐标值u2i通过距离向时延得到。
4.根据权利要求3所述的基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法，其特征在于，所述提取预处理后的回波数据中含有散射中心的距离单元，对每个距离单元的方位向回波进行LvD变换，估计出该距离单元内每个散射中心回波对应的中心频率和调频率；具体包括：
对含有散射中心的距离单元回波分别进行LvD变换，得到LvD变换后的图像；
通过提取LvD变换后的图像峰值所在位置估计出为第i个散射中心的回波的中心频率CFi以及调频率CRi。
5.根据权利要求4所述的基于干涉逆合成孔径雷达的目标三维转动矢量估计方法，其特征在于，所述对每个散射中心的回波对应的中心频率、调频率和3D坐标估计做回归分析，估计出目标的3D转动矢量；具体包括：
根据第i个散射中心的(CFi,u1i,u3i)，1≤i≤K，和关系式：
其中，K表示共有K个散射中心，Ωe1,Ωe3分别代表目标转动矢量在沿目标坐标系的x方向和z方向的分量，
利用回归分析估计出Ωe1,Ωe3的值，进而得到Ωe的估计值：
则对于调频率的关系式：
Ω2代表目标转动矢量沿目标坐标系的y方向的矢量，且是唯一的未知量，将调频率的关系式简化为：
βi＝αiΩ2
其中，
αi＝u1iΩe1+u3iΩe3
对所有K个散射中心进行回归分析，线性拟合的斜率就是Ω2的估计值；
从而得到目标的3D转动矢量(Ωe1,Ωe2,Ωe3)。
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