CN113030967A - 一种用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法及系统 - Google Patents

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CN113030967A CN202110263357.9A CN202110263357A CN113030967A CN 113030967 A CN113030967 A CN 113030967A CN 202110263357 A CN202110263357 A CN 202110263357A CN 113030967 A CN113030967 A CN 113030967A
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Abstract

本发明公开了一种用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法及系统。该方法包括：保存脉压后的ISAR原始数据，然后将每个脉冲回波脉压进行傅里叶变换获得每个脉冲的频域数据；对每个脉冲的频域数据通过递推算法获得递推参数并递推出雷达发射信号带宽之外的信息；对递推后的脉冲频域数据通过傅立叶逆变换成像，得到超分辨图像；通过全局最小熵算法对超分辨图像进行距离对准处理，得到每个脉冲压缩图像距离对准误差；原始脉压后的回波信号按照Δr(n)进行移动，该方法具有计算效率高，对准效果好的基础上，实现亚距离单元对准，提高了ISAR距离对准的精度，提高ISAR成像质量。

Description

一种用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达成像技术领域，特别是涉及一种用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法及系统。
背景技术
逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar，简称ISAR)的成像目标一般为非合作目标，目标相对于雷达的运动可以分解为两部分，即平动和转动。其中，对成像有贡献的只有转动部分，平动必须要被补偿掉。经过平动补偿以后，ISAR成像就转变成转台成像。平动补偿是ISAR成像的关键技术，它可以分为两步。第一步是补偿复包络的时间延迟，也就是所谓的距离对准；第二步是找到一个参考点，然后根据这个参考点来调整初相，通常把这一步叫相位补偿。其中，距离对准作为相位补偿的基础直接影响到ISAR成像的质量，是ISAR成像的关键技之一。
随着对ISAR成像分辨要求的不断提高，非合作目标高分辨率成像逐渐成为一个重要的研究方向。对于ISAR成像来说，分辨率的提高意味着需要更大的积累角和更长的孔径时间，同时要求距离对准算法具有更好的精度和鲁棒性。现有的距离对准算法主要有：相邻包络互相关法、包络最大修正峰度法、全局对准算法、全局最小熵算法等。以上算法都具有比较好的鲁棒性，对提高空间目标的成像质量具有一定作用，但是以上算法的距离对准精度是一个距离单元，无法满足非合作目标日益增加的高分辨率成像要求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法及系统。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法，包括：步骤S1，保存脉压后的ISAR原始数据，然后将每个脉冲回波脉压进行傅里叶变换获得每个脉冲的频域数据；步骤S2，对每个脉冲的频域数据通过递推算法获得递推参数，利用所述递推参数基于公式
Figure BDA0002971008460000021
递推出雷达发射信号带宽之外的信息，其中
Figure BDA0002971008460000022
为当前位置的递推信息；n为每个脉冲频域数据之外的递推数据点序号，且N≤n≤4N，N表示脉冲的频域数据的点数；x[n-k]为当前位置之前第k个位置的有效数据；
Figure BDA0002971008460000023
为前位置之前第k个位置的p阶递推参数，p为所选取的递推阶数，且
Figure BDA0002971008460000024
步骤S3，对递推后的脉冲频域数据通过傅立叶逆变换成像，得到超分辨图像；步骤S4，通过全局最小熵算法对超分辨图像进行距离对准处理，得到每个脉冲压缩图像距离对准的Δr(m),0≤m≤M-1，其中，Δr(m)为通过全局最小熵算法得到的第m个脉冲的距离对准误差，M为脉冲数；步骤S5，原始脉压后的回波信号按照Δr(m)进行移动完成亚距离单元精度的距离对准。
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S2中，通过递推算法获得递推参数的过程为：步骤S21，初始化预测参数：
Figure BDA0002971008460000031
Figure BDA00029710084600000325
表示前向预测误差的初始值，
Figure BDA0002971008460000032
表示后向预测误差的初始值，
Figure BDA0002971008460000033
表示信号的自相关函数；步骤S22，通过Burg算法估计反射系数，使预测值和真实值之间的均方误差之和最小来求取前位置之前第k个位置第k阶递推的反射系数
Figure BDA0002971008460000034
Figure BDA0002971008460000035
Figure BDA00029710084600000326
中下标k表示递推阶数，k＝1,2,...,p；
Figure BDA0002971008460000036
表示对
Figure BDA0002971008460000037
信号取共轭；
Figure BDA0002971008460000038
表示第n－1个递推数据点的k－1阶递推数据点的后向预测误差；
Figure BDA0002971008460000039
表示第n个递推数据点的k－1阶递推数据点的前向预测误差；利用Levinson－Durbin递推得到AR参数估计值
Figure BDA00029710084600000310
Figure BDA00029710084600000327
表示前位置之前第1个位置的p阶递推参数，
Figure BDA00029710084600000311
表示前位置之前第2个位置的p阶递推参数，
Figure BDA00029710084600000312
表示前位置之前第p个位置的p阶递推参数；其中，
Figure BDA00029710084600000313
的递推过程为：按照k＝1,2,...,p的取值顺序，递推阶数k从1到p逐渐增加，第k阶递推公式为：
Figure BDA00029710084600000314
上述递推公式中，
Figure BDA00029710084600000315
中存在如下关系：
Figure BDA00029710084600000316
其中，
Figure BDA00029710084600000317
表示对
Figure BDA00029710084600000318
信号取共轭；
Figure BDA00029710084600000319
表示对
Figure BDA00029710084600000320
信号取共轭，如果k＝1，则
Figure BDA00029710084600000321
利用公式
Figure BDA00029710084600000322
递推得到末尾参数
Figure BDA00029710084600000323
将数组
Figure BDA00029710084600000324
作为递推参数。
在本发明的一种优选实施方式中，在所述步骤S1中，脉冲回波脉压为：
Figure BDA0002971008460000041
其中，B＝K·Tr表示距离向带宽，K为信号调频斜率，Tr为信号脉冲宽度，fτ为每个脉冲傅里叶变换后的距离向频率，fc为雷达发射信号频率，Rt为目标与雷达之间的斜距，c为光速，rect(·)表示矩形窗函数；对脉冲回波脉压做傅里叶变换，得到：
Figure BDA0002971008460000042
其中，令
Figure BDA0002971008460000043
τ为距离向时间。
上述技术方案的有益效果为：上述方法通过递推雷达发射信号带宽之外的信息来获得超分辨图像，且利用全局最小熵算法对超分辨图像进行距离对准处理，进而实现了亚距离单元精度的距离对准，该方法除了具有全局最小熵算法计算效率高，对准效果好的有益效果外，还实现亚距离单元对准，提高了ISAR距离对准的精度，提高ISAR成像质量。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种雷达成像系统，包括雷达和成像处理器，所述成像处理器接收雷达发射信号在非合作目标表面反射回来的回波信号，并按照本发明所述的距离对准方法进行回波信号距离对准。
上述技术方案的有益效果为：该系统通过递推雷达发射信号带宽之外的信息来获得超分辨图像，且利用全局最小熵算法对超分辨图像进行距离对准处理，进而实现了亚距离单元精度的距离对准，除了具有全局最小熵算法计算效率高，对准效果好的有益效果外，还实现亚距离单元对准，提高了ISAR距离对准的精度，提高ISAR成像质量。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中距离对准方法的流程示意图；
图2是本发明在一种应用场景中的距离对准效果对比图，其中，图2(a)为雷达回波信号未进行距离对准前的数据图形，图2(b)为雷达回波信号按照现有的全局最小熵距离对准算法对准后的数据图像，图2(c)为雷达回波信号按照本发明提供的距离对准方法对准后的数据图形；
图3是本发明在一种应用场景中各距离单元所有脉冲幅度累加对比图，其中，点A为使用本发明提供的距离对准方法后的脉冲幅度累加值最高点，点B为使用现有的全局最小熵距离对准算法后的脉冲幅度累加值最高点；
图4是本发明在一种应用场景中成像结果对比图，其中，图4(a)为使用现有的全局最小熵距离对准算法对准后的ISAR成像结果，图4(b)为按照本发明提供的距离对准方法对准后的ISAR成像结果；
图5是本发明在一种应用场景中方位向点目标剖面图，其中，点C为使用本发明提供的距离对准方法后的方位向点目标剖面图中的幅度最高点，点D为使用现有的全局最小熵距离对准算法后的方位向点目标剖面图中的幅度最高点；
图6是本发明在一种应用场景中距离向点目标剖面图，其中，点E为使用本发明提供的距离对准方法后的距离向点目标剖面图中的幅度最高点，点F为使用现有的全局最小熵距离对准算法后的距离向点目标剖面图中的幅度最高点。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。
本发明提供了一种用于逆合成孔径雷达成像的的距离对准方法，在一种优选实施方式中，该方法的流程示意图如图1所示，包括：
步骤S1，保存脉压后的ISAR原始数据，然后将每个脉冲回波脉压进行傅里叶变换获得每个脉冲的频域数据；
步骤S2，对每个脉冲的频域数据通过递推算法获得递推参数，利用所述递推参数基于公式
Figure BDA0002971008460000061
递推出雷达发射信号带宽之外的信息，其中
Figure BDA0002971008460000062
为当前位置的递推信息；n为每个脉冲频域数据之外的递推数据点序号，且N≤n≤4N，N表示脉冲的频域数据的点数；x[n-k]为当前位置之前第k个位置的有效数据；
Figure BDA0002971008460000071
为前位置之前第k个位置的p阶递推参数，p为所选取的递推阶数，且
Figure BDA0002971008460000072
步骤S3，对递推后的脉冲频域数据通过傅立叶逆变换成像，得到超分辨图像；
步骤S4，通过全局最小熵算法对超分辨图像进行距离对准处理，得到每个脉冲压缩图像距离对准的Δr(m),0≤m≤M-1，其中，Δr(m)为通过全局最小熵算法得到的第m个脉冲的距离对准误差，M为脉冲数；
步骤S5，原始脉压后的回波信号按照Δr(m)进行移动完成亚距离单元精度的距离对准。具体的，对脉压后的每个距离向信号由步骤S4得到的Δr(m)进行移动，实现各个脉冲回波信号有用回波对准成一条线线，完成距离对准。
在本实施方式中，全局最小熵算法为现有的距离对准算法中的一种，全局最小熵法算法通过迭代，得到使所有ISAR目标回波和的熵达到最小时各目标回波需要补偿的相移量，完成最后距离对准。该算法计算效率高，对准效果好，是目前最常用的一种距离对准算法。该算法的对准精度通常为一个距离单元。
在本实施方式中，优选的，脉冲回波脉压为：
Figure BDA0002971008460000073
其中，B＝K·Tr表示距离向带宽，K为信号调频斜率，Tr为信号脉冲宽度，fτ为每个脉冲傅里叶变换后的距离向频率，fc为雷达发射信号频率，Rt为目标与雷达之间的斜距，c为光速，rect(·)表示矩形窗函数；
对脉冲回波脉压做傅里叶变换，得到：
Figure BDA0002971008460000074
其中，令
Figure BDA0002971008460000075
Sinc(x)＝sin(πx)/πx，τ为距离向时间。
由上式可得，距离向脉冲回波脉压信号的分辨率取决于距离向信号的带宽B。要想得到距离向超分辨的成像结果，用Burg算法线性外推发射信号带宽之外的信息，使其能在不扩大发射信号带宽的情况下，有效增加目标的信号带宽，得到距离向亚距离单元信息。
在一种优选实施方式中，在步骤S2中，通过递推算法获得递推参数的过程为：
步骤S21，初始化预测参数：
Figure BDA0002971008460000081
Figure BDA0002971008460000082
Figure BDA0002971008460000083
Figure BDA0002971008460000084
Figure BDA0002971008460000085
表示前向预测误差的初始值，
Figure BDA0002971008460000086
表示后向预测误差的初始值，
Figure BDA0002971008460000087
表示信号的自相关函数；
步骤S22，通过Burg算法估计反射系数，使预测值和真实值之间的均方误差之和最小来求取前位置之前第k个位置第k阶递推的反射系数
Figure BDA0002971008460000088
Figure BDA0002971008460000089
Figure BDA00029710084600000810
中下标k表示递推阶数，k＝1,2,...,p；
Figure BDA00029710084600000811
表示对
Figure BDA00029710084600000812
信号取共轭；
Figure BDA00029710084600000813
表示第n－1个递推数据点的k－1阶递推数据点的后向预测误差；
Figure BDA00029710084600000814
表示第n个递推数据点的k－1阶递推数据点的前向预测误差；
利用Levinson－Durbin递推得到AR参数估计值
Figure BDA00029710084600000815
Figure BDA00029710084600000817
表示前位置之前第1个位置的p阶递推参数，
Figure BDA00029710084600000816
表示前位置之前第2个位置的p阶递推参数，
Figure BDA0002971008460000091
表示前位置之前第p个位置的p阶递推参数；其中，
Figure BDA0002971008460000092
的递推过程为：按照k＝1,2,...,p的取值顺序，递推阶数k从1到p逐渐增加，第k阶递推公式为：
Figure BDA0002971008460000093
上述递推公式中，
Figure BDA0002971008460000094
中存在如下关系：
Figure BDA0002971008460000095
其中，
Figure BDA0002971008460000096
表示对
Figure BDA0002971008460000097
信号取共轭；
Figure BDA0002971008460000098
表示对
Figure BDA0002971008460000099
信号取共轭，如果k＝1，则
Figure BDA00029710084600000910
利用公式
Figure BDA00029710084600000911
递推得到末尾参数
Figure BDA00029710084600000912
将数组
Figure BDA00029710084600000913
作为递推参数。
在本实施方式中，Burg算法先估计反射系数，然后利用Levinson－Durbin递推得到AR参数估计值。基于使预测误差功率的估计值达到极小利用递推方法对不同阶反射系数预测，得到反射系数的估计值。
在本发明提供的距离对准方法的一种应用场景中，获取了一组实测的雷达回波脉压数据，该组数据方位向为512个脉冲和距离向为256个距离波门。
在该应用场景中，如图2所示为距离对准效果对比图，其中，图2(a)为雷达回波信号未进行距离对准前的数据图形，图2(b)为雷达回波信号按照现有的全局最小熵距离对准算法对准后的数据图像，图2(c)为雷达回波信号按照本发明提供的距离对准方法对准后的数据图形；通过图2可以看出本发明提出的距离对准算法和现有的全局最小熵距离对准算法都能够实现距离对准。
在该应用场景中，为了对本发明提出的距离对准算法和现有的全局最小熵距离对准算法进行比较，下面对每个距离单元上各个脉冲回波幅度进行累加，其结果如图3所示，图3中，横坐标表示距离向采样像素点，纵坐标表示幅度，点A为使用本发明提供的距离对准方法后的脉冲幅度累加值最高点，点B为使用现有的全局最小熵距离对准算法后的脉冲幅度累加值最高点。通过图3可以看出，本发明提供的距离对准方法的幅度明显高于现有的全局最小熵距离对准算法幅度，也就是证明了本发明提供的距离对准方法的对准结果优于现有的全局最小熵距离对准算法的结果。
在该应用场景中，为了评估本发明提供的距离对准方法的性能，该组数据通过本发明提供的距离对准算法和现有的全局最小熵距离对准算法的成像性能进行比较，其结果如图4、图5和图6所示，图4是本发明在一种应用场景中成像结果对比图，其中，图4中横坐标表示方位向像素点，纵坐标表示距离向像素点，图4(a)为使用现有的全局最小熵距离对准算法对准后的ISAR成像结果，图4(b)为按照本发明提供的距离对准方法对准后的ISAR成像结果。图5是本发明在一种应用场景中方位向点目标剖面图，图5中横坐标表示方位向采样像素点，纵坐标表示幅度，其中，点C为使用本发明提供的距离对准方法后的方位向点目标剖面图中的幅度最高点，点D为使用现有的全局最小熵距离对准算法后的方位向点目标剖面图中的幅度最高点；图6是本发明在一种应用场景中距离向点目标剖面图，图6中横坐标表示距离向采样像素点，纵坐标表示幅度，其中，点E为使用本发明提供的距离对准方法后的距离向点目标剖面图中的幅度最高点，点F为使用现有的全局最小熵距离对准算法后的距离向点目标剖面图中的幅度最高点。
通过观察图4、图5和图6可见，通过对比数据的成像结果和点目标剖面图，可以得到本发明提供的距离对准方法的成像结果优于现有的全局最小熵的成像结果，通过数据的处理证明本发明提出距离对准算法的有效性，具有更优的距离对准精度和成像质量。
本发明还提供了一种雷达成像系统，在一种优选实施方式中，该系统包括雷达和成像处理器，成像处理器接收雷达发射信号在非合作目标表面反射回来的回波信号，并按照上述距离对准方法进行回波信号距离对准。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法，其特征在于，包括：
步骤S1，保存脉压后的ISAR原始数据，然后将每个脉冲回波脉压进行傅里叶变换获得每个脉冲的频域数据；
步骤S2，对每个脉冲的频域数据通过递推算法获得递推参数，利用所述递推参数基于公式
Figure FDA0002971008450000011
递推出雷达发射信号带宽之外的信息，其中
Figure FDA0002971008450000012
为当前位置的递推信息；n为每个脉冲频域数据之外的递推数据点序号，且N≤n≤4N，N表示脉冲的频域数据的点数；x[n-k]为当前位置之前第k个位置的有效数据；
Figure FDA0002971008450000013
为前位置之前第k个位置的p阶递推参数，p为所选取的递推阶数，且
Figure FDA0002971008450000014
步骤S3，对递推后的脉冲频域数据通过傅立叶逆变换成像，得到超分辨图像；
步骤S4，通过全局最小熵算法对超分辨图像进行距离对准处理，得到每个脉冲压缩图像距离对准的Δr(m),0≤m≤M-1，其中，Δr(m)为通过全局最小熵算法得到的第m个脉冲的距离对准误差，M为脉冲数；
步骤S5，原始脉压后的回波信号按照Δr(m)进行移动完成亚距离单元精度的距离对准。
2.如权利要求1所述的用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过递推算法获得递推参数的过程为：
步骤S21，初始化预测参数：
Figure FDA0002971008450000021
Figure FDA0002971008450000022
Figure FDA0002971008450000023
Figure FDA0002971008450000024
Figure FDA0002971008450000025
表示前向预测误差的初始值，
Figure FDA0002971008450000026
表示后向预测误差的初始值，
Figure FDA0002971008450000027
表示信号的自相关函数；
步骤S22，通过Burg算法估计反射系数，使预测值和真实值之间的均方误差之和最小来求取前位置之前第k个位置第k阶递推的反射系数
Figure FDA0002971008450000028
Figure FDA0002971008450000029
Figure FDA00029710084500000210
中下标k表示递推阶数，k＝1,2,...,p；
Figure FDA00029710084500000211
表示对
Figure FDA00029710084500000212
信号取共轭；
Figure FDA00029710084500000213
表示第n－1个递推数据点的k－1阶递推数据点的后向预测误差；
Figure FDA00029710084500000214
表示第n个递推数据点的k－1阶递推数据点的前向预测误差；
利用Levinson－Durbin递推得到AR参数估计值
Figure FDA00029710084500000215
Figure FDA00029710084500000216
表示前位置之前第1个位置的p阶递推参数，
Figure FDA00029710084500000217
表示前位置之前第2个位置的p阶递推参数，
Figure FDA00029710084500000218
表示前位置之前第p个位置的p阶递推参数；其中，
Figure FDA00029710084500000219
的递推过程为：按照k＝1,2,...,p的取值顺序，递推阶数k从1到p逐渐增加，第k阶递推公式为：
Figure FDA00029710084500000220
上述递推公式中，
Figure FDA00029710084500000221
中存在如下关系：
Figure FDA0002971008450000031
Figure FDA0002971008450000032
其中，
Figure FDA0002971008450000033
表示对
Figure FDA0002971008450000034
信号取共轭；
Figure FDA0002971008450000035
表示对
Figure FDA0002971008450000036
信号取共轭，如果k＝1，则
Figure FDA0002971008450000037
利用公式
Figure FDA0002971008450000038
递推得到末尾参数
Figure FDA0002971008450000039
将数组
Figure FDA00029710084500000310
作为递推参数。
3.如权利要求1所述的用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法，其特征在于，在所述步骤S1中，脉冲回波脉压为：
Figure FDA00029710084500000311
其中，B＝K·Tr表示距离向带宽，K为信号调频斜率，Tr为信号脉冲宽度，fτ为每个脉冲傅里叶变换后的距离向频率，fc为雷达发射信号频率，Rt为目标与雷达之间的斜距，c为光速，rect(·)表示矩形窗函数；
对脉冲回波脉压做傅里叶变换，得到：
Figure FDA00029710084500000312
其中，令
Figure FDA00029710084500000313
Sinc(x)＝sin(πx)/πx，τ为距离向时间。
4.一种雷达成像系统，其特征在于，包括雷达和成像处理器，所述成像处理器接收雷达发射信号在非合作目标表面反射回来的回波信号，并按照权利要求1－3之一所述的距离对准方法进行回波信号距离对准。
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