CN112578382A - 一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的方法公开了一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，所述方法包括：对逆合成孔径雷达三个接收通道的回波数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正回波预处理；对预处理后的数据直接逆合成孔径雷达成像，得到多普勒频率聚焦前的ISAR图像，然后对含有散射中心的距离单元分别进行LvD变换，从而估计每个散射中心方位向回波的二次项相位；对每个散射中心的距离单元分别做迭代多普勒聚焦处理，对二次项相位进行补偿；对补偿后的回波沿方位向进行傅里叶变换，获得多普勒频率聚焦后的ISAR图像。本发明针对单个距离单元中含有多个散射中心的情况，能够实现更好的ISAR图像聚焦效果。

Description

一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，适用于雷达应用中对目标的识别和追踪，具体涉及一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法。
背景技术
逆合成孔径雷达(ISAR)成像技术可以全天时、全天候的实现对远距离非合作目标的二维成像，通过发射宽带信号实现距离向的高分辨率，通过雷达与目标之间的相互转动视线方位向的高分辨率，因此ISAR成像技术被广泛的应用于军事和民用领域。(文献[1]：V.C.Chen and M.Martorella,Inverse Synthetic Aperture Radar Imaging:Principles,Algorithms and Applications.Edison,NJ,USA:SciTech,2014,pp.1–290.)。
在传统的ISAR成像中，认为多普勒频率是随慢时间固定的，因此直接对方位向回波进行傅里叶变换就可以得到目标的ISAR图像。但是这种方法仅在目标转动速度很小或者成像时间满足一定条件时才适用，当目标的转速或者成像时间超出一定限制后，回波的多普勒不再是固定的，要得到高质量的ISAR图像就需要进行多普勒聚焦，即需要去除散射中心方位向回波中的二次项相位甚至更高次项相位。(文献[2]：Ng W H,Tran H T,Martorella M,et al.Estimation of the total rotational velocity of a non-cooperative target with a high cross-range resolution three-dimensionalinterferometric inverse synthetic aperture radar system[J].Iet Radar SonarNav,2017,11(6):1020-1029.)。
现有的ISAR成像方法中，针对多普勒频率聚焦主要存在两个问题。一个是忽视了目标第三位坐标和转速的影响，而实际中的目标的结构和运动往往是三维的，这就导致这类多普勒聚焦方法并不能总是适用(文献[3]：Gao Y,Xing M,Zhang Z,et al.ISARImaging and Cross-Range Scaling for Maneuvering Targets by Using the NCS-NLSAlgorithm[J].IEEE Sensors Journal,2019,PP(99):1-1.)；另一个则是忽视了单个距离单元中含有多个散射中心的问题，这种情况下方位向回波中含有多个二次项相位分量，严重影响多普勒频率的聚焦效果(文献[4]：Tran H T,Giusti E,Martorella M,etal.Estimation of the total rotational velocity of a non-cooperative targetusing a 3D InISAR system[J].IEEE National Radar Conference-Proceedings,2015,2015:937-941.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，在目标进行三维转动且单一距离单元内具有多个散射中心的情况下，该方法能够提高方位向回波中二次项相位的估计精度，从而实现更好的ISAR图像聚焦效果。
为实现上述目的，本发明提出了一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，所述方法包括：
对逆合成孔径雷达三个接收通道的回波数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正回波预处理；
对预处理后的数据直接逆合成孔径雷达成像，得到多普勒频率聚焦前的ISAR图像，然后对含有散射中心的距离单元分别进行LvD变换，从而估计每个散射中心方位向回波的二次项相位；
对每个散射中心的距离单元分别做迭代多普勒聚焦处理，对二次项相位进行补偿；
对补偿后的回波沿方位向进行傅里叶变换，获得多普勒频率聚焦后的ISAR图像。
作为上述方法的一种改进，所述对逆合成孔径雷达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：
利用匹配滤波对逆合成孔径雷达的回波数据进行脉冲压缩，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，则目标上第k个散射中心的回波srk(t,tm)表示为：
Figure BDA0002776830930000021
其中，
Figure BDA0002776830930000022
Figure BDA0002776830930000023
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为载频，γ为调频率,TP为脉冲宽度，ρ为第k个散射中心的散射强度；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，
Figure BDA0002776830930000031
为第k个散射中心在目标坐标系下的坐标。
作为上述方法的一种改进，所述对预处理后的数据直接逆合成孔径雷达成像，得到多普勒频率聚焦前的ISAR图像，然后对含有散射中心的距离单元分别进行LvD变换，从而估计每个散射中心方位向回波的二次项相位；具体包括：
对预处理后的数据进行ISAR成像处理，得到未经多普勒频率聚焦的ISAR图像img0，提取距离单元nr的方位向回波：
Figure BDA0002776830930000032
其中，K为该距离单元内散射中心的数量；Ai为该距离单元内的第i个散射中心的散射强度；λ为发射信号的波长；
对snr(tm)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，估计出该距离单元内的第i个散射中心回波中的一次项相位系数αi和二次项相位系数βi。
作为上述方法的一种改进，所述对每个散射中心的距离单元分别做迭代多普勒聚焦处理，对二次项相位进行补偿；具体包括：
提取距离单元nr内所有散射中心的最大的二次项相位系数，记为βmax，构造如下相位函数与snr(tm)进行共轭相乘，得到：
Figure BDA0002776830930000033
对snri_focus(tm)进行傅里叶变换，得到
SFi＝FFT[snri_focus(tm)]
利用一维CLEAN算法消去SFi中距离单元nr中第i个散射中心的包络，将剩余包络记为SFi_res；
将SFi_res进行傅里叶逆变换，实现对该距离单元的所有散射中心的回波的二次项相位的补偿；
对其它所有的距离单元进行上述的处理，实现每个距离单元的散射中心的回波的二次项相位的补偿。
本发明的优点在于：
1、本发明的方法考虑了目标第三维的坐标和转速，使得该方法在目标进行三维转动时仍然适用；
2、本发明针对单个距离单元中含有多个散射中心的情况，通过LvD变换对不同散射中心回波的二次项相位系数进行分离，然后通过IDF处理进行了二次项相位补偿，从而实现更好的ISAR图像聚焦效果。
附图说明
图1为本发明提出的三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法的流程图；
图2为ISAR成像模型的观测几何关系示意图；
图3(a)表示通过IDF处理前的ISAR图像图；
图3(b)表示通过IDF处理后的ISAR图像图。
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。
本发明公开了一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，所述方法包括：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；对预处理后的数据直接逆合成孔径雷达(ISAR)成像，得到多普勒频率聚焦前的ISAR图像，然后提取含有散射中心的距离单元分别进行LvD变换来估计每个散射中心方位向回波的二次项相位；对每个距离单元分别做迭代多普勒聚焦(IDF)处理进行二次项相位补偿；对补偿后的回波沿方位向进行傅里叶变换，获得多普勒频率聚焦后的ISAR图像。
如图1所示，本发明提出的一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，该方法具体步骤包括：
步骤1)雷达发射如下LFM信号，
Figure BDA0002776830930000041
对回波进行预处理，包括：利用匹配滤波对接收数据进行脉冲压缩，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，然后目标上的第k个散射中心的回波可以表示为：
Figure BDA0002776830930000051
Figure BDA0002776830930000052
Figure BDA0002776830930000053
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为载频，γ为调频率,TP为脉冲宽度，ρ为第k个散射中心的散射强度；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，
Figure BDA0002776830930000054
为第k个散射中心在目标坐标系下的坐标。
步骤2)对预处理后的数据进行ISAR成像处理，得到未经多普勒频率聚焦的ISAR图像img0，提取距离单元nr的方位向回波：
Figure BDA0002776830930000055
其中，K为该距离单元内散射中心的数量；Ai为该距离单元内的第i个散射中心的散射强度；λ为发射信号的波长；
计算LvD变换的核函数为，
Figure BDA0002776830930000056
其中τ是时间延迟，C(tn,τ)是交叉项，C(tn,τ)通过keystone变换后，
Figure BDA0002776830930000057
其中tn＝tm(τ+1)，然后对(6)相对于tn，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，
Figure BDA0002776830930000058
此时，信号从(t，τ)域转换到了(fn,fτ)域,通过峰值所在位置可以直接获得每个散射点回波对应的一次项相位系数αi和二次项相位系数βi：
(αi,βi)＝argmax[L(fn,fτ)] (8)
其中，argmax(·)表示取峰值函数。
步骤3)对所有含有散射中心的距离单元进行IDF处理，包括
提取距离单元nr内所有散射中心的最大的二次项相位系数，记为βmax，构造如下相位函数与snr(tm)进行共轭相乘，得到：
Figure BDA0002776830930000061
对snri_focus(tm)进行傅里叶变换，得到
SFi＝FFT[snri_focus(tm)] (10)
利用一维CLEAN算法消去SFi中距离单元nr中第i个散射中心的包络，将剩余包络记为SFi_res；
将SFi_res进行傅里叶逆变换，实现对该距离单元的所有散射中心的回波的二次项相位的补偿；
对其它所有的距离单元均进行上述处理。
图3(a)和(b)分别表示通过IDF处理前后的无人机成像的ISAR图像对比图，很明显图3(b)具有更好的成像质量。
步骤4)对经过IDF处理后的回波沿方位向进行傅里叶变换，获得多普勒频率聚焦后的ISAR图像。
本发明以三维转动的三维目标作为目标模型，通过LvD变换对不同散射中心回波的二次项相位系数进行分离，然后通过IDF处理进行了二次项相位补偿。理论上，该方法在对三维转动目标成像和单个距离单元中含有多个散射中心的情况下，能实现更好的ISAR图像聚焦效果，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 (4)

1.一种三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，所述方法包括：
对逆合成孔径雷达三个接收通道的回波数据进行脉冲压缩，平动补偿和越距离迁徙矫正回波预处理；
对预处理后的数据直接逆合成孔径雷达成像，得到多普勒频率聚焦前的ISAR图像，然后对含有散射中心的距离单元分别进行LvD变换，从而估计每个散射中心方位向回波的二次项相位；
对每个散射中心的距离单元分别做迭代多普勒聚焦处理，对二次项相位进行补偿；
对补偿后的回波沿方位向进行傅里叶变换，获得多普勒频率聚焦后的ISAR图像。
2.根据权利要求1所述的三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，其特征在于，所述对逆合成孔径雷达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：
利用匹配滤波对逆合成孔径雷达的回波数据进行脉冲压缩，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，则目标上第k个散射中心的回波srk(t,tm)表示为：
Figure FDA0002776830920000011
其中，
Figure FDA0002776830920000012
Figure FDA0002776830920000013
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为载频，γ为调频率,TP为脉冲宽度，ρ为第k个散射中心的散射强度；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，
Figure FDA0002776830920000014
为第k个散射中心在目标坐标系下的坐标。
3.根据权利要求1所述的三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，其特征在于，所述对预处理后的数据直接逆合成孔径雷达成像，得到多普勒频率聚焦前的ISAR图像，然后对含有散射中心的距离单元分别进行LvD变换，从而估计每个散射中心方位向回波的二次项相位；具体包括：
对预处理后的数据进行ISAR成像处理，得到未经多普勒频率聚焦的ISAR图像img0，提取距离单元nr的方位向回波：
Figure FDA0002776830920000021
其中，K为该距离单元内散射中心的数量；Ai为该距离单元内的第i个散射中心的散射强度；λ为发射信号的波长；
对snr(tm)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，估计出该距离单元内的第i个散射中心回波中的一次项相位系数αi和二次项相位系数βi。
4.根据权利要求3所述的三维转动目标回波多普勒频率聚焦方法，其特征在于，所述对每个散射中心的距离单元分别做迭代多普勒聚焦处理，对二次项相位进行补偿；具体包括：
提取距离单元nr内所有散射中心的最大的二次项相位系数，记为βmax，构造如下相位函数与snr(tm)进行共轭相乘，得到：
Figure FDA0002776830920000022
对snri_focus(tm)进行傅里叶变换，得到
SFi＝FFT[snri_focus(tm)]
利用一维CLEAN算法消去SFi中距离单元nr中第i个散射中心的包络，将剩余包络记为SFi_res；
将SFi_res进行傅里叶逆变换，实现对该距离单元的所有散射中心的回波的二次项相位的补偿；
对其它所有的距离单元进行上述的处理，实现每个距离单元的散射中心的回波的二次项相位的补偿。
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