CN113466859B - 基于快速相位插值的自旋空间碎片目标isar二维成像方法 - Google Patents

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CN113466859B CN202110616146.9A CN202110616146A CN113466859B CN 113466859 B CN113466859 B CN 113466859B CN 202110616146 A CN202110616146 A CN 202110616146A CN 113466859 B CN113466859 B CN 113466859B
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Abstract

本发明属于雷达信息处理技术领域，公开了一种基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法，根据非合作目标运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型、空自旋空间碎片目标信号回波模型，接着根据建模特征，对自旋空间碎片回波完成平动补偿和距离向脉冲压缩，然后结合稳相原理，确定快速相位插值方程来消除自旋目标产生的距离向徙动，避免散焦现象。最后，结合CLEAN算法与方位向傅里叶变换得实现自旋空间碎片目标二维ISAR图像。本发明实现自旋空间碎片目标距离向徙动消除、高阶相位补偿及目标散射点二维成像，相比于传统相位插值方法，提高了高阶相位补偿的准确性，降低了计算复杂度。

Description

基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法
技术领域
本发明属于雷达信息处理技术领域，尤其涉及一种基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法。
背景技术
目前针对基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法主要是分为两种，一是利用欠采样下宽带自旋目标成像技术，二是利用单距离匹配滤波及其修正技术。为实现高频微波雷达对基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像，为空间站的安全防护提供准确预警信息，因此就需要对空间碎片进行准确成像、识别与编目。通过国内外对空间碎片的研究，一般自旋稳定是空间碎片最简单、最常用的定向方法之一。当碎片进行高速自旋时，由于转动速度变换较大，导致回波出现去相干现象，利用传统基于匹配滤波器组技术在实现空间自旋碎片测量时存在较大技术难度。因此，需要开展新方法的研究。
现有技术一“欠采样下宽带自旋目标的快速高分辨成像方法”中提出一种基于分布式匹配稀疏表示模型的宽带自旋目标快速高分辨成像方法，但该方法利用目标回波在距离和多普勒的两维微动调制特征实现分布式多正交匹配追踪算法，在成像处理技术途径上有明显不同未分析该匹配追踪算法与其它成像方法比较，并未考虑进行相位插值与补偿，且，因此并不能证明其算法是否最优，成像效率最佳，是否会降低信号处理硬件资源的消耗。现有技术二“空间高速小尺寸碎片目标二维分集融合成像方法”中提出一种基于微波频率分集技术的成像方法，但该方法主要是克服空间碎片目标的角闪烁效应与在一定程度上提高信噪比，并未在空间碎片目标快速二维成像方面提出新方法，同时仍然受限于传统ISAR成像转台模型。现有技术三“一种基于SRMF和序列CLEAN的空间自旋目标成像方法”中提出一种基于SRMF和序列CLEAN的空间自旋目标成像方法，但该方法在传统匹配滤波器组法的基础上结合序列CLEAN解决虚假散射点来实现二维ISAR成像，由于仍然是以匹配滤波器组法为核心算法，因此对回波信号每个距离单元都需进行匹配和门限检测，大大提高了成像运算的时间，同时并未对高阶相位进行补偿，因此无法消除高阶相位对成像质量的影响。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)本发明所阐述的相位补偿与高分辨成像方法与目前多数方法在技术途径上明显不同，大多数方法基本上都是采用传统的相位补偿方法，存在时效性差、补偿精度不高等问题；
(2)本发明主要针对空间碎片目标进行二维成像，但目前大多数文献都依托于传统ISAR转台成像方式，存在无法在大转角条件下进行成像的问题；
(3)本发明采用的相位补偿方法可有效解决目前主流方法SRMF无法有效消除高阶相位分量对成像质量的影响，同时可解决时效性问题。
解决以上问题及缺陷的难度为：上述技术主要存在的技术难度在于两点：其一大部分ISAR二维成像算法都是采用基于快速傅里叶变换的匹配滤波方式，该方法的主要问题在于受限于传统的成像转台模型，其要求的目标转角较小，后期补偿难度较大。另外该方法需要采样后信号的每个距离-多普勒二维单元进行匹配和门限检测，其结果是运算时间较长。其二是采用欠采样宽带成像方法，虽然该方法结合了正交匹配追踪算法在运算时间上相比传统方法有一定优势，但是仍需较高信噪比作为方法的前提条件，同时也未说明如何解决目标高速自旋时出现的距离迁徙的问题。
解决以上问题及缺陷的意义为：由于自旋空间碎片目标高速自旋特性，导致了目标散射点严重的距离徙动问题，而传统匹配滤波组法和Keystone变换无法解决高阶相位补偿问题，因此本发明提出的方法可快速和有效的解决这一问题。同时该方法相比于采用正交匹配追踪方法的成像方法，对于信噪比需求和目标角速度不敏感，且在相同的参数估计与成像精度条件下，有效提升了处理时间，提高了大数据量成像数据处理的实时性，在一定程度上可降低雷达系统硬件成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法。
本发明是这样实现的，一种基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法，所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法首先根据自旋空间碎片运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型和回波信号模型；接着根据建模特征，对自旋空间碎片目标回波完成平动补偿与距离向脉冲压缩，得到散射P点回波信号S(tr；ta；rp)；然后对回波信号在多普勒向进行傅里叶变换得到距离-多普勒域回波信号S(r；fa；rp)及相位信息Φ(ta)，根据稳相原理得到 S(r；fa；rp)初相、稳相点和高阶相位；通过快速傅里叶变换和相乘法理论推导出快速相位插值方程Δr(fa)，通过该方程将S(r；fa；rp)的sinc幅度包络中r(fa)转变为rp，在 (r-fa)平面，消除了由于方位向频率fa造成的距离徙动；最后利用CLEAN算法和方位向逆傅里叶变换完成自旋目标散射点ISAR成像。
进一步，所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法具体包括：
第一步，建立自旋空间碎片目标几何和回波信号模型；建立自旋空间碎片目标几何和回波信号模型，可有效对自旋空间碎片电磁散射特性及空间几何关系进行描述；
(1)建立自旋空间碎片目标运动坐标系；
(2)在建立坐标系的基础上，得到观测雷达中心与目标任意散射点P的距离方程；
第二步，根据目标散射点运动特征获取距离-多普勒信号相位信息；根据目标散射点运动特征获取距离-多普勒信号相位信息，可有效获得任意散射点在距离-多普勒域的分布特性；
(1)根据建模特征，对目标回波距离向进行脉冲压缩，完成目标回波平动补偿，得到目标任意散射P点回波信号S(tr；ta；rp)；
(2)对回波信号S(tr；ta；rp)进行方位向傅里叶变换得到S(r；fa；rp)，再根据稳相原理，得到S(r；fa；rp)初相、稳相点和高阶相位；
第三步，确定快速相位插值方程，消除目标回波距离徙动；确定快速相位插值方程，消除目标回波距离徙动，可有效对散射点在距离-多普勒域的高阶相位进行补偿，克服距离徙动带来的信号包络能量扩展；
(1)通过快速傅里叶变换和相乘法理论推导出快速相位插值方程Δr(fa)；
(2)通过该方程将S(r；fa；rp)的sinc幅度包络中r(fa)转变为rp；
(3)通过相位相乘和距离向逆傅里叶变换，对高阶相位进行补偿；
第四步，自旋目标散射点ISAR二维成像；自旋目标散射点ISAR二维成像，可有效对相位补偿与消除距离徙动后的散射点信号进行噪声与杂波消除，实现较高信噪比图像；
(1)对相位补偿后信号S(r,fa)进行方位向逆傅里叶变换，得到S(r,ta)；
(2)通过CLEAN算法消除时域目标信号旁瓣及干扰分量，完成二维ISAR 成像。
进一步，所述第一步根据自旋空间碎片目标几何建模得到观测雷达中心与目标任意散射点P的距离方程表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000041
其中ta是方位向慢时间，rp是目标自旋半径，
Figure RE-GDA0003211601510000042
是散射P点的初始相位，R0是观测雷达中心到自旋空间碎片目标中心距离。
进一步，所述第二步根据任意目标散射点P的运动特征获取距离-多普勒信号相位信息，对回波信号进行距离向脉冲压缩和平动补偿处理，其散射点回波信号S(tr；ta；rp)为：
Figure RE-GDA0003211601510000051
其中tr是距离向快时间，R0是雷达中心到目标原点的距离，σp是P点反射系数，ωr(·)和ωa(·)分别是距离向和方位向的幅度包络，c、fc和γ分别为光速、载频和线性调频信号斜率，λ为载频波长；
对S(tr；ta；rp)进行距离向傅里叶变换并进行线性调频信号去斜，可得到将 S(tr；ta；rp)改写为S(fr；ta；rp)，其表达式为：
Figure RE-GDA0003211601510000052
式中包含三个相位项exp[·]，第一个相位项对应距离向，第二个相位项是距离向徙动，第三个相位项是非平稳多普勒频率调制；其中第二和第三相位项会导致自旋目标ISAR成像模糊，因此需要进行相位补偿；
通过散射点回波信号S(fr；ta；rp)的fr和ta，可得到P点回波多普勒频率fd(ta)：
Figure RE-GDA0003211601510000053
其中φ(ta)为S(fr；ta；rp)中exp[·]分量；
同时根据奈奎斯特采样定理，雷达发射信号重复脉冲频率必须满足 PRF≥2fdmax；P点最大多普勒频率为fdmax＝2ωrpmax/λ，其中rpmax是目标最大旋转半径，散射点多普勒带宽为：
Figure RE-GDA0003211601510000054
/>
再对S(tr；ta；rp)在方位向进行慢时间ta傅里叶变换，得到S(r；fa；rp)表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000055
Figure RE-GDA0003211601510000061
其中r为雷达中心到目标任意散射点P距离值，Br是线性调频信号带宽，fa为慢时间ta的频率值，sinc是距离包络，Φ(ta)是信号相位值，利用稳相原理可找到稳相点，即：
Figure RE-GDA0003211601510000062
Figure RE-GDA0003211601510000063
将上式带入r(ta；rp)中推导出距离-多普勒域的连续距离方程r(fa)的表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000064
最后将r(fa)带入S(r；fa；rp)得到稳相条件下回波信号表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000065
从式中可以看出第二相位项中包含初始相位
Figure RE-GDA0003211601510000066
第一和第三相位项中是高阶相位。
进一步，通过快速傅里叶变换和相乘法理论推导出快速相位插值方程Δr(fa)，并通过该方程将S(r；fa；rp)的sinc幅度包络中r(fa)转变为rp，利用距离向逆傅里叶变换，得到相参系数，对高阶相位进行补偿，其快速相位插值方程Δr(fa)表达式为：
Figure RE-GDA0003211601510000071
为了降低插值运算复杂度，利用傅里叶变换和相位相乘对Δr(fa)进行改写，可如下表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000072
式中非线性移位系数
Figure RE-GDA0003211601510000073
表示为：
Figure RE-GDA0003211601510000074
同时方位向单元的移位系数Δr(fa)的长度可被分解为两项：
Figure RE-GDA0003211601510000075
其中ni为整数，σi∈(0,1)，i由方位向单元的移位系数Δr(fa)的长度确定，Δr为距离单元尺寸；
快速相位插值可通过以下步骤来实现：
(1)从S(r；fa；rp)中选取一个距离单元的所有多普勒单元，定义其表达式为：
Figure RE-GDA0003211601510000076
其中
Figure RE-GDA00032116015100000710
为该距离单元上某一慢时间频率值；
(2)以四个多普勒单元为单位，对其中三个多普勒单元置零，如下式：
Figure RE-GDA0003211601510000077
其中
Figure RE-GDA0003211601510000078
为未置零的多普勒单元；
(3)并对所有多普勒单元进行上述循环运算，即[1,…,N]，N为原始数据长度；
(4)对S′r进行快速傅里叶变换，得到
Figure RE-GDA0003211601510000079
(5)对
Figure RE-GDA0003211601510000081
进行相位相乘运算，如下式：
Figure RE-GDA0003211601510000082
其中f′r为新的方位向频率值；
(6)对
Figure RE-GDA0003211601510000083
进行逆傅里叶变换实现/>
Figure RE-GDA0003211601510000084
的方位向单元移动；
完成相参积累，如下式：
Figure RE-GDA0003211601510000085
其中F是快速插值数据，Ii＝[i-2i-1ii+1]-ni；
(7)对S(r；fa；rp)的每个距离单元进行(1)～(6)的插值运算。
进一步，所述第四步对相位补偿后信号S(r,fa)进行方位向逆傅里叶变换后得到S(r,ta)，再通过CLEAN算法消除时域目标信号旁瓣及干扰分量，完成二维ISAR 成像。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：根据非合作目标运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型、空自旋空间碎片目标信号回波模型，接着根据建模特征，对自旋空间碎片回波完成平动补偿和距离向脉冲压缩；然后结合稳相原理，确定快速相位插值方程来消除自旋目标产生的距离向徙动，避免散焦现象；最后，结合CLEAN算法与方位向傅里叶变换得实现自旋空间碎片目标二维ISAR图像。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像系统，所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像系统包括：
模型构建模块，用于根据非合作目标运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型、空自旋空间碎片目标信号回波模型；
平动补偿和距离向脉冲压缩完成模块，用于根据建模特征，对自旋空间碎片回波完成平动补偿和距离向脉冲压缩；
距离向徙动消除模块，用于结合稳相原理，确定快速相位插值方程来消除自旋目标产生的距离向徙动，避免散焦现象；
自旋空间碎片目标二维ISAR图像实现模块，用于结合CLEAN算法与方位向傅里叶变换得实现自旋空间碎片目标二维ISAR图像。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法的雷达。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法的航天器。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：首先根据自旋空间碎片运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型和回波信号模型；接着根据建模特征，对自旋空间碎片目标回波完成平动补偿与距离向脉冲压缩，得到散射P点回波信号S(tr；ta；rp)；然后对回波信号在多普勒向进行傅里叶变换得到距离-多普勒域回波信号S(r；fa；rp)及相位信息Φ(ta)，根据稳相原理得到S(r；fa；rp)初相、稳相点和高阶相位。通过快速傅里叶变换和相乘法理论推导出快速相位插值方程Δr(fa)，通过该方程将S(r；fa；rp)的sinc幅度包络中r(fa)转变为rp，在(r-fa)平面，消除了由于方位向频率fa造成的距离徙动。最后利用CLEAN算法和方位向逆傅里叶变换完成自旋目标散射点ISAR成像。
本发明根据非合作目标运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型、空自旋空间碎片目标信号回波模型，接着根据建模特征，对自旋空间碎片回波完成平动补偿和距离向脉冲压缩，然后利用相位插值法消除自旋目标产生的距离向徙动，避免散焦现象。最后，结合CLEAN算法与方位向傅里叶变换得实现自旋空间碎片目标二维ISAR图像。利用本发明可有效实现自旋空间碎片目标距离向徙动消除、高阶相位补偿及目标散射点二维成像，相比于传统相位插值方法，提高了高阶相位补偿的准确性，降低了计算复杂度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明通过傅里叶变换与相位相乘运算手段，充分利用了自旋碎片目标旋转特性和ISAR距离-多普勒模型，具有自旋目标快速三维重构优点。
第二，本发明通过采用目标散射点运动特征结合与多距离单元求和法得到 SFM分离信号，克服了现有技术中匹配滤波器组法(MFB)每个距离单元都需要进行匹配滤波，具有参数估计精度高，计算时间大幅下降，时效性较高的优点。
第三，本发明与现有技术相比，从微波雷达成像体制上，无需多通道或多基地ISAR系统来实现目标三维成像，避免了多通道或多基地ISAR系统中不同通道或回波信号时间和相位同步问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像系统的结构示意图；
图中：1、模型构建模块；2、平动补偿和距离向脉冲压缩完成模块；3、距离向徙动消除模块；4、自旋空间碎片目标二维ISAR图像实现模块。
图3是本发明实施例提供的快速相位插值方法流程图。
图4是本发明实施例提供的自旋空间碎片目标几何运动模型示意图。
图5是本发明实施例提供的未补偿距离-多普勒信息、Keystone变换后距离多普勒信息及采用本发明提出的方法的距离-多普勒信息示意图。
图6是本发明实施例提供的仿真中散射点P的二维回波信号示意图。
图7是本发明实施例提供的散射点距离-多普勒域的信号包络信息示意图。
图8是本发明实施例提供的快速相位插值后信号包络信息示意图。
图9是本发明实施例提供的高阶相位得到补偿后包络信息示意图。
图10是本发明实施例提供的本发明方法结合CLEAN算法的散射点ISAR 成像示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法包括以下步骤：
S101：根据非合作目标运动特性建立空间自旋目标成像几何模型、空间自旋目标信号模型和基于空间圆柱坐标系的自旋目标回波；
S102：接着根据建模特征，对空间自旋目标回波完成脉冲压缩，并根据圆柱坐标系下散射点运动特征求解自旋坐标轴；
S103：将回波信号转化为多成分正弦调频曲线信号(SFM)，并利用SRMF 匹配得到二维图像和目标在圆柱坐标系下的调频幅度和初相；
S104：将平面的二维图像与坐标轴结合完成目标三维重建和自旋目标ISAR 三维图像。
本发明提供的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示，本发明提供的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像系统包括：
模型构建模块1，用于根据非合作目标运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型、空自旋空间碎片目标信号回波模型；
平动补偿和距离向脉冲压缩完成模块2，用于根据建模特征，对自旋空间碎片回波完成平动补偿和距离向脉冲压缩；
距离向徙动消除模块3，用于结合稳相原理，确定快速相位插值方程来消除自旋目标产生的距离向徙动，避免散焦现象；
自旋空间碎片目标二维ISAR图像实现模块4，用于结合CLEAN算法与方位向傅里叶变换得实现自旋空间碎片目标二维ISAR图像。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图3所示，本发明实施例提供的快速相位插值的自旋空间碎片方法具体包括以下步骤：
步骤一，根据目标散射点运动特征获取距离-多普勒信号相位信息；
1a)根据建模特征，对目标回波距离向进行脉冲压缩，完成目标回波平动补偿，得到目标任意散射P点回波信号S(tr；ta；rp)：
Figure RE-GDA0003211601510000121
其中tr是距离向快时间，R0是雷达中心到目标原点的距离，σp是P点反射系数，ωr(·)和ωa(·)分别是距离向和方位向的幅度包络，c、fc和γ分别为光速、载频和线性调频信号斜率，λ为载频波长。
1b)对回波信号S(tr；ta；rp)进行方位向傅里叶变换得到S(r；fa；rp)，再根据稳相原理，得到S(r；fa；rp)初相、稳相点和高阶相位：
对S(tr；ta；rp)进行距离向傅里叶变换并进行线性调频信号去斜，可得到将 S(tr；ta；rp)改写为S(fr；ta；rp)，其表达式为：
Figure RE-GDA0003211601510000122
其中fr为慢时间tr的频率值，同时式中包含三个相位项exp[·]，第一个相位项对应距离向，第二个相位项是距离向徙动，第三个相位项是非平稳多普勒频率调制。其中第二和第三相位项会导致自旋目标ISAR成像模糊，因此需要进行相位补偿。
通过散射点回波信号S(fr；ta；rp)的fr和ta，可得到P点回波多普勒频率fd(ta)：
Figure RE-GDA0003211601510000131
其中φ(ta)为S(fr；ta；rp)中exp[·]分量。
同时根据奈奎斯特采样定理，雷达发射信号重复脉冲频率必须满足 PRF≥2fdmax。因此，P点最大多普勒频率为fdmax＝2ωrpmax/λ，其中rpmax是目标最大旋转半径。散射点多普勒带宽为：
Figure RE-GDA0003211601510000132
再对S(tr；ta；rp)在方位向进行慢时间ta傅里叶变换，得到S(r；fa；rp)表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000133
Figure RE-GDA0003211601510000134
其中r为雷达中心到目标任意散射点P距离值，Br是线性调频信号带宽，fa为慢时间ta的频率值，sinc是距离包络，Φ(ta)是信号相位值。利用稳相原理可找到稳相点，即：
Figure RE-GDA0003211601510000135
Figure RE-GDA0003211601510000136
将上式带入r(ta；rp)中推导出距离-多普勒域的连续距离方程r(fa)的表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000141
最后将r(fa)带入S(r；fa；rp)得到稳相条件下回波信号表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000142
从式中可以看出第二相位项中包含初始相位
Figure RE-GDA0003211601510000143
第一和第三相位项中是高阶相位。
步骤二，确定快速相位插值方程，消除目标回波距离徙动；
2a)对步骤1得到的基带信号进行快速快速傅里叶变换和相乘法理论推导出快速相位插值方程Δr(fa)：
Figure RE-GDA0003211601510000144
2b)通过该方程将S(r；fa；rp)的sinc幅度包络中r(fa)转变为rp：
为了降低插值运算复杂度，利用傅里叶变换和相位相乘对Δr(fa)进行改写，可如下表达式：
Figure RE-GDA0003211601510000145
式中非线性移位系数
Figure RE-GDA0003211601510000146
表示为：
Figure RE-GDA0003211601510000147
同时方位向单元的移位系数Δr(fa)的长度可被分解为两项：
Figure RE-GDA0003211601510000151
其中ni为整数，σi∈(0,1)，i由方位向单元的移位系数Δr(fa)的长度确定，Δr为距离单元尺寸。
2c)通过相位相乘和距离向逆傅里叶变换，对高阶相位进行补偿：
(1)从S(r；fa；rp)中选取一个距离单元的所有多普勒单元，定义其表达式为：
Figure RE-GDA0003211601510000152
其中
Figure RE-GDA0003211601510000153
为该距离单元上某一慢时间频率值。
(2)以四个多普勒单元为单位，对其中三个多普勒单元置零，如下式：
Figure RE-GDA0003211601510000154
其中
Figure RE-GDA0003211601510000155
为未置零的多普勒单元。
并对所有多普勒单元进行上述循环运算，即[1,…,N]，N为原始数据长度。
(3)对S′r进行快速傅里叶变换，得到
Figure RE-GDA0003211601510000156
(4)对
Figure RE-GDA0003211601510000157
进行相位相乘运算，如下式：
Figure RE-GDA0003211601510000158
其中f′r为新的方位向频率值。
(5)对
Figure RE-GDA0003211601510000159
进行逆傅里叶变换实现/>
Figure RE-GDA00032116015100001510
的方位向单元移动；
(6)完成相参积累，如下式：
Figure RE-GDA00032116015100001511
/>
其中F是快速插值数据，Ii＝[i-2i-1ii+1]-ni。
(7)对S(r；fa；rp)的每个距离单元进行(1)～(6)的插值运算。
步骤三，自旋目标散射点ISAR二维成像；
3a)根据步骤二相位补偿后信号S(r,fa)进行方位向逆傅里叶变换，得到 S(r,ta)；
3b)通过CLEAN算法消除时域目标信号旁瓣及干扰分量，完成二维ISAR 成像；
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
如图5-图10所示的仿真在MATLAB R2015软件下进行的，仿真数据的参数如下：空间碎片目标直径为3m，任意散射点P初始相位0rad，且均绕目标中心轴以角速度6.28rad/s旋转。雷达采用X波段，带宽4GHz，脉冲重复频率(PRF) 2400Hz，脉冲宽度1us，信号采样率6GHz，目标旋转中心距离雷达天线相位中心为20km。
图5为本发明中仿真回波信号经过数字采样后，在(r-fa)域中原始排列、Keystone变换排列和经过本文提出的相位插值法排列的示意图。图5的(a)为仿真回波信号经过数字采样后的原始离散信号在(r-fa)域的排列，从图中可以各采样点多普勒频率值相同，故无法区分散射点。图5的(b)为原始信号经过Keystone 变换为散射点在(r-fa)域的排列示意图，从图中可以看出采样点随距离单元的多普勒频率间隔不同，但距离单元的多普勒间隔相同，仍无法有效区分散射点。图5 的(c)为利用相位插值法对原始信号进行处理的示意图，从图中可以看出不用距离单元的多普勒值不同，故可对目标各散射点进行有效区分。
图6为本发明实施例中自旋碎片目标中任意单个散射点的距离-多普勒两维回波信号仿真数据。
图7为本发明仿真回波数据经过距离向脉冲压缩后，在距离-多普勒域中的信号包络，从图中可以看出自旋碎片目标的回波信号能量散布在距离-多普勒域的多个距离单元中。
图8为本发明实施例中自旋碎片目标任意单一散射点经过快速相位插值后的信号包络示意图，从图中可以看出，经过相位插值目标散射点的主要能量被集中在同一个距离单元，这表示由于目标自旋运动导致的距离徙动被校正。
图9为本发明实施例中自旋碎片目标任意散射点经过快速快速相位插值且其高阶相位得到补偿后的信号包络示意图，从图中可以看出在相位在[0，π]和[-π，0] 的范围所有能量都集中在同一个距离单元。
图10为本发明实施例中任意散射点二维ISAR图像经过CLEAN算法处理后的成像示意图。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法，其特征在于，所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法首先根据自旋空间碎片运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型和回波信号模型；接着根据建模特征，对自旋空间碎片目标回波完成平动补偿与距离向脉冲压缩，得到散射P点回波信号S(tr；ta；rp)；然后对回波信号在多普勒向进行傅里叶变换得到距离-多普勒域回波信号S(r；fa；rp)及相位信息Φ(ta)，根据稳相原理得到S(r；fa；rp)初相、稳相点和高阶相位；通过快速傅里叶变换和相乘法理论推导出快速相位插值方程Δr(fa)，通过该方程将S(r；fa；rp)的sinc幅度包络中r(fa)转变为rp，在(r-fa)平面，消除了由于方位向频率fa造成的距离徙动；最后利用CLEAN算法和方位向逆傅里叶变换完成自旋目标散射点ISAR成像；
所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法具体包括：
第一步，建立自旋空间碎片目标几何和回波信号模型；
(1)建立自旋空间碎片目标运动坐标系；
(2)在建立坐标系的基础上，得到观测雷达中心与目标任意散射点P的距离方程；
第二步，根据目标散射点运动特征获取距离-多普勒信号相位信息；
(1)根据建模特征，对目标回波距离向进行脉冲压缩，完成目标回波平动补偿，得到目标任意散射P点回波信号S(tr；ta；rp)；
(2)对回波信号S(tr；ta；rp)进行方位向傅里叶变换得到S(r；fa；rp)，再根据稳相原理，得到S(r；fa；rp)初相、稳相点和高阶相位；
第三步，确定快速相位插值方程，消除目标回波距离徙动；
(1)通过快速傅里叶变换和相乘法理论推导出快速相位插值方程Δr(fa)；
(2)通过该方程将S(r；fa；rp)的sinc幅度包络中r(fa)转变为rp；
(3)通过相位相乘和距离向逆傅里叶变换，对高阶相位进行补偿；
第四步，自旋目标散射点ISAR二维成像；
(1)对相位补偿后信号S(r,fa)进行方位向逆傅里叶变换，得到S(r,ta)；
(2)通过CLEAN算法消除时域目标信号旁瓣及干扰分量，完成二维ISAR成像；
所述第二步根据任意目标散射点P的运动特征获取距离-多普勒信号相位信息，对回波信号进行距离向脉冲压缩和平动补偿处理，其散射点回波信号S(tr；ta；rp)为：
Figure FDA0004106919660000021
其中tr是距离向快时间，R0是雷达中心到目标原点的距离，σp是P点反射系数，ωr(·)和ωa(·)分别是距离向和方位向的幅度包络，c、fc和γ分别为光速、载频和线性调频信号斜率，λ为载频波长；
对S(tr；ta；rp)进行距离向傅里叶变换并进行线性调频信号去斜，可得到将S(tr；ta；rp)改写为S(fr；ta；rp)，其表达式为：
Figure FDA0004106919660000022
/>
式中包含三个相位项exp[·]，第一个相位项对应距离向，第二个相位项是距离向徙动，第三个相位项是非平稳多普勒频率调制；其中第二和第三相位项会导致自旋目标ISAR成像模糊，因此需要进行相位补偿；
通过散射点回波信号S(fr；ta；rp)的fr和ta，可得到P点回波多普勒频率fd(ta)：
Figure FDA0004106919660000023
其中φ(ta)为S(fr；ta；rp)中exp[·]分量；
同时根据奈奎斯特采样定理，雷达发射信号重复脉冲频率必须满足PRF≥2fdmax；P点最大多普勒频率为fdmax＝2ωrpmax/λ，其中rpmax是目标最大旋转半径，散射点多普勒带宽为：
Figure FDA0004106919660000031
再对S(tr；ta；rp)在方位向进行慢时间ta傅里叶变换，得到S(r；fa；rp)表达式：
Figure FDA0004106919660000032
Figure FDA0004106919660000033
其中r为雷达中心到目标任意散射点P距离值，Br是线性调频信号带宽，fa为慢时间ta的频率值，sinc是距离包络，Φ(ta)是信号相位值，利用稳相原理可找到稳相点，即：
Figure FDA0004106919660000034
Figure FDA0004106919660000035
将上式带入r(ta；rp)中推导出距离-多普勒域的连续距离方程r(fa)的表达式：
Figure FDA0004106919660000036
最后将r(fa)带入S(r；fa；rp)得到稳相条件下回波信号表达式：
Figure FDA0004106919660000037
从式中可以看出第二相位项中包含初始相位
Figure FDA0004106919660000038
第一和第三相位项中是高阶相位；/>
通过快速傅里叶变换和相乘法理论推导出快速相位插值方程Δr(fa)，并通过该方程将S(r；fa；rp)的sinc幅度包络中r(fa)转变为rp，利用距离向逆傅里叶变换，得到相参系数，对高阶相位进行补偿，其快速相位插值方程Δr(fa)表达式为：
Figure FDA0004106919660000041
为了降低插值运算复杂度，利用傅里叶变换和相位相乘对Δr(fa)进行改写，可如下表达式：
Figure FDA0004106919660000042
式中非线性移位系数
Figure FDA0004106919660000047
表示为：
Figure FDA0004106919660000043
同时方位向单元的移位系数Δr(fa)的长度可被分解为两项：
Figure FDA0004106919660000044
其中ni为整数，σi∈(0,1)，i由方位向单元的移位系数Δr(fa)的长度确定，Δr为距离单元尺寸；
快速相位插值可通过以下步骤来实现：
(1)从S(r；fa；rp)中选取一个距离单元的所有多普勒单元，定义其表达式为：
Figure FDA0004106919660000045
其中
Figure FDA0004106919660000048
为该距离单元上某一慢时间频率值；
(2)以四个多普勒单元为单位，对其中三个多普勒单元置零，如下式：
Figure FDA0004106919660000046
其中
Figure FDA0004106919660000059
为未置零的多普勒单元；
(3)并对所有多普勒单元进行循环运算，即[1,…,N]，N为原始数据长度；
(4)对S′r进行快速傅里叶变换，得到
Figure FDA0004106919660000051
(5)对
Figure FDA0004106919660000052
进行相位相乘运算，如下式：
Figure FDA0004106919660000053
其中f′r为新的方位向频率值；
(6)对
Figure FDA0004106919660000054
进行逆傅里叶变换实现/>
Figure FDA0004106919660000055
的方位向单元移动；
完成相参积累，如下式：
Figure FDA0004106919660000056
其中F是快速插值数据，Ii＝[i-2i-1ii+1]-ni；
(7)对S(r；fa；rp)的每个距离单元进行(1)～(6)的插值运算。
2.如权利要求1所述的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法，其特征在于，所述第一步根据自旋空间碎片目标几何建模得到观测雷达中心与目标任意散射点P的距离方程表达式：
Figure FDA0004106919660000057
其中ta是方位向慢时间，rp是目标自旋半径，
Figure FDA0004106919660000058
是散射P点的初始相位，R0是观测雷达中心到自旋空间碎片目标中心距离。
3.如权利要求1所述的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法，其特征在于，所述第四步对相位补偿后信号S(r,fa)进行方位向逆傅里叶变换后得到S(r,ta)，再通过CLEAN算法消除时域目标信号旁瓣及干扰分量，完成二维ISAR成像。
4.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～3任意一项所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法。
5.一种实施权利要求1～3任意一项所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法的基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像系统，其特征在于，所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像系统包括：
模型构建模块，用于根据非合作目标运动特性建立自旋空间碎片目标成像几何模型、空自旋空间碎片目标信号回波模型；
平动补偿和距离向脉冲压缩完成模块，用于根据建模特征，对自旋空间碎片回波完成平动补偿和距离向脉冲压缩；
距离向徙动消除模块，用于结合稳相原理，确定快速相位插值方程来消除自旋目标产生的距离向徙动，避免散焦现象；
自旋空间碎片目标二维ISAR图像实现模块，用于结合CLEAN算法与方位向傅里叶变换得实现自旋空间碎片目标二维ISAR图像。
6.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法的雷达。
7.一种应用权利要求1～3任意一项所述基于快速相位插值的自旋空间碎片目标ISAR二维成像方法的航天器。
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