CN114488152B - 基于后向投影的高效近场大小尺寸目标isar成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，包括：初始化图像数据矩阵；利用方位视角所对应的目标后向电磁散射回波信号，获取距离时域图像；基于雷达天线到目标中心散射点的距离，目标上除中心散射点外任意散射点与雷达天线的距离，距离时域图像，以及图像数据矩阵，得到当前视角下的成像结果；所有视角下的成像结果进行叠加得到近场ISAR成像结果。本发明能够实现大小尺寸目标近场ISAR精细成像，降低运算量，提升目标检测识别和分辨能力。

Description

基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法
技术领域
本发明涉及一种基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，属于雷达信号处理微波成像技术领域。
背景技术
近年来，随着雷达成像技术的不断进步，雷达成像技术在民用和军事等领域得到了广泛的应用。雷达成像技术包括合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)成像和逆合成孔径雷达（ISAR）成像,二者都是利用目标与雷达的相对运动进行成像，其中ISAR主要是对导弹、飞机等空中目标进行二维成像，且由于ISAR不易受天气等环境因素干扰，即具备全天时全天候的特点，故ISAR成像技术广泛的应用于国防防空反导等领域，是战略防御中一种非常重要的目标识别手段。
传统的逆合成孔径雷达（ISAR）成像算法依赖于目标位于ISAR天线大远场区的假设，原始的后向散射电磁（EM）数据通常在狭窄的频率带宽和较小的观测视角范围内收集，通过处理这些二维（2D）频率数据，生成距离和方位的2D空间坐标上的投影，重建最终的ISAR图像。然而，在一些应用中，被成像的物体应该位于天线的近场，对于这些近场ISAR成像应用，通常需要收集更大的视角数据，以便能够沿方位向聚焦目标，可用于检查关键安全场所（如机场）的敌对和恐怖活动的预警及隐蔽武器检测。作为另一个应用，研究人员还利用近场成像，通过近场雷达散射截面（RCS）测量来表征目标的散射特征，因为在室内测量设施（如消声室）中，很难确定高频天线的远场距离要求。因此研究近场ISAR成像就具有重要的实际意义。
对于几乎所有的近场雷达成像来说，目标应被扫描以获得更大范围的观测视角，从而获得聚焦图像。因此，基于小角度扫描观测的经典ISAR成像算法及近场ISAR成像算法已不在适用，且在成像过程中容易出现图像失配、斜视、角闪烁、算法步骤繁琐等问题，难以保持成像精度，不利于工程实现及应用拓展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术方法的不足，提出一种基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，以实现大小尺寸目标近场ISAR精细成像，降低运算量，提升目标检测识别和分辨能力。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，包括以下步骤：
1）初始化图像数据矩阵
Figure 899690DEST_PATH_IMAGE002
，用于保存每个方位视角的成像结果数据大小；
2）利用雷达天线接收采集方位视角所对应的目标后向电磁散射回波信号；
3）将目标后向电磁散射回波信号和波数域相乘；
4）沿波数域方向，对步骤3）的结果进行一维逆傅里叶变换处理，获取距离时域图像
Figure 785606DEST_PATH_IMAGE004
；
5）计算目标上除中心散射点外任意散射点与雷达天线在当前视角下所对应距离
Figure 501759DEST_PATH_IMAGE006
；
6）采用一维线性插值方法，获得距离时域图像像素点位置所对应的
Figure 60959DEST_PATH_IMAGE008
；
7）将
Figure 368312DEST_PATH_IMAGE008
与图像数据矩阵
Figure 335000DEST_PATH_IMAGE002
相加，得到当前视角下的成像结果；
8) 重复2）到7）的步骤，计算雷达天线所有视角下的成像结果并进行叠加，得到最终的近场ISAR成像结果。
进一步，所述步骤1）中初始化图像数据矩阵
Figure 917160DEST_PATH_IMAGE010
，其中，M表示距离像素点数，N为方位像素点数，
Figure 652904DEST_PATH_IMAGE012
表示
Figure 865579DEST_PATH_IMAGE014
的零矩阵。
进一步，所述步骤2）中利用雷达天线接收采集方位视角所对应的目标后向电磁散射回波信号
Figure 257247DEST_PATH_IMAGE016
表示如下：
Figure 875657DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 934748DEST_PATH_IMAGE020
为波数域，
Figure 318325DEST_PATH_IMAGE022
为目标中心散射点相对雷达天线的方位视角，
Figure 931709DEST_PATH_IMAGE024
为雷达天线到目标中心散射点的距离，V为目标的体积表面，
Figure 527776DEST_PATH_IMAGE026
表示目标上除中心散射点外任意散射点
Figure 644636DEST_PATH_IMAGE028
与雷达天线的距离，f为雷达天线发射信号频率，c为光速，r为目标中心散射点与
Figure 667956DEST_PATH_IMAGE028
之间的向量，
Figure 503057DEST_PATH_IMAGE030
为
Figure 174253DEST_PATH_IMAGE028
的后向散射回波信号。
进一步，所述步骤5）中目标上除中心散射点外任意散射点
Figure 207936DEST_PATH_IMAGE028
与雷达天线在当前视角下所对应距离
Figure 667737DEST_PATH_IMAGE031
表示如下：
Figure 521292DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 459161DEST_PATH_IMAGE024
为雷达天线到目标中心散射点的距离，（x , y）为
Figure 816193DEST_PATH_IMAGE034
的坐标，
Figure 181315DEST_PATH_IMAGE036
为雷达天线的俯仰角。
进一步，如果雷达天线与目标中心散射点之间的距离满足下式，则认为ISAR成像满足近场ISAR成像条件：
Figure 522167DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 263727DEST_PATH_IMAGE040
为波长，
Figure 481125DEST_PATH_IMAGE024
为雷达天线到目标中心散射点的距离，D为目标的方位向尺寸。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明采用基于后向投影的简化BPA成像方法，成像步骤简单，傅里叶变换次数少，运算量小，实时高效；
（2）BPA成像算法是基于波前重建理论的算法，是一种精确的时域成像算法，成像不受雷达天线成像视角的限制，且由于其成像过程是逐点反投影成像，因此可以避免目标在大视角情况下产生的距离单元跨越现象，实现高分辨率成像。传统的BP算法都是基于远场条件下实现的，本发明实现了在近场条件下对大小尺寸目标高分辨率二维ISAR成像，进一步扩展了应用范围；
（3）目前大多数近场ISAR技术都是基于小尺寸目标所提出来的，其成像步骤繁琐，且在成像过程中容易出现图像失配、斜视、角闪烁等问题，难以保持成像精度，本发明能有效的提高对目标的识别能力，增强算法实时性，利于工程实现。
附图说明
图1是本发明处理流程图；
图2是二维近场ISAR成像几何模型图；
图3是仿真目标上的点位置坐标图；
图4是目标电磁散射采集数据频谱图（频率视角域）；
图5是目标电磁散射采集数据频谱图（波数域）；
图6是传统方法近场ISAR成像结果；
图7是远场假设条件下近场BPA成像结果；
图8是本发明所提方法小尺寸目标近场ISAR成像结果；
图9是本发明所提方法大尺寸目标近场ISAR成像结果。
具体实施方式
以下结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案以及所达到的效果进行进一步阐述。
在一个实施例中，如图1所示，提供一种基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，具体实施方案步骤如下：
步骤1：设置近场ISAR成像基本参数
目标散射点数：30；发射信号载频：19GHz；发射信号带宽:6GHz；距离频域采样点数：201；雷达天线成像俯仰视角:90度；雷达天线成像方位视角范围：（-5°,5°）；方位视角采样点数：601；距离分辨率：2.5cm；方位分辨率4.5cm；雷达天线位置: (-5m,0,0)；雷达天线与目标中心散射点之间的距离:5m。
步骤2：近场ISAR成像判别
如果雷达天线与目标中心散射点之间的距离满足下式，则可认为ISAR成像满足近场ISAR成像条件：
Figure 282727DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 579717DEST_PATH_IMAGE040
为波长，
Figure 124967DEST_PATH_IMAGE024
为雷达天线到目标中心散射点的距离，D为目标的方位向尺寸。
本实施案例中，目标尺寸为
Figure 722171DEST_PATH_IMAGE043
，综合尺寸为1.23m，近场区域范围为小于7.36m，故仿真参数设为5m，满足近场ISAR成像条件。
步骤3：初始化图像数据矩阵，用于保存每个方位视角的成像结果数据大小，并将目标像素点位置坐标维度调整到与图像数据矩阵大小一致，即
Figure 694675DEST_PATH_IMAGE045
其中，201表示距离像素点数，601为方位像素点数，
Figure 478960DEST_PATH_IMAGE047
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE049AAA
的零矩阵。
步骤4： 利用雷达天线接收采集方位视角所对应的目标后向电磁散射回波信号
Figure 20712DEST_PATH_IMAGE050
，可表示如下：
Figure 206843DEST_PATH_IMAGE051
其中，
Figure 615827DEST_PATH_IMAGE052
，称为波数域，f为雷达天线发射信号载频，c为光速；
Figure 152988DEST_PATH_IMAGE053
为雷达天线到目标中心散射点的距离，V为目标的体积表面，
Figure 774462DEST_PATH_IMAGE054
表示目标上除中心散射点外任意散射点
Figure 80678DEST_PATH_IMAGE055
与雷达天线的距离，r为目标中心散射点与
Figure 660564DEST_PATH_IMAGE055
之间的向量，
Figure 685021DEST_PATH_IMAGE056
为目标中心散射点相对雷达天线的方位视角，
Figure 358187DEST_PATH_IMAGE057
为
Figure 518910DEST_PATH_IMAGE055
的后向散射回波信号。
二维成像几何模型如图2所示，目标上散射点位置坐标图如图3所示，目标电磁散射采集的数据频谱图（频率视角域和波数域）如图4和5所示。
步骤5： 将目标后向电磁散射回波信号
Figure 4118DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 515871DEST_PATH_IMAGE060
相乘，即
Figure 479148DEST_PATH_IMAGE062
。
步骤6：沿
Figure 494377DEST_PATH_IMAGE063
波数域方向，对
Figure 150486DEST_PATH_IMAGE065
进行一维逆傅里叶变换处理，获取距离时域图像
Figure 618377DEST_PATH_IMAGE066
，即目标的回波信号时域表达。
步骤7： 利用下式，计算
Figure 922362DEST_PATH_IMAGE055
与雷达天线在当前视角
Figure 792098DEST_PATH_IMAGE056
下所对应距离；
Figure 884688DEST_PATH_IMAGE067
其中，（x , y）为
Figure 105454DEST_PATH_IMAGE055
的坐标，
Figure 410533DEST_PATH_IMAGE068
为雷达天线相对目标中心散射点的俯仰角。
步骤8：使用一维线性插值方法，获得距离时域图像
Figure 400355DEST_PATH_IMAGE069
像素点位置所对应的
Figure 663846DEST_PATH_IMAGE070
，其中，
Figure 106329DEST_PATH_IMAGE072
项起到归一化及弯曲校正的作用。
步骤9：将步骤8所得的结果
Figure 949520DEST_PATH_IMAGE073
与图像数据矩阵
Figure 65286DEST_PATH_IMAGE074
相加，得到当前视角
Figure 499679DEST_PATH_IMAGE056
下的成像结果。
步骤10：重复步骤4到9，计算雷达天线所有视角下的成像结果，并进行叠加，得到最终的近场ISAR成像结果，如图8所示，大尺寸目标成像结果如图9所示。
本发明的计算仿真分析结果如下：
1）本发明成像步骤简单，利用MATLAB软件，运行处理时间0.871秒，而传统成像处理方法在同一台电脑上的运行处理时间6.94秒，体现所提方法高效实时，利于工程实现。
2） 从图5至图8的成像处理结果可知， 传统成像处理方法已不在适用近场ISAR成像（图像散焦），本发明所提方法不仅能对实现近场目标ISAR精细成像，而且还能满足远场条件下近场目标的较为精细的聚焦成像，无论近场是大目标还是小目标，都能获得精细的高质量ISAR成像图像，扩展了近场ISAR成像处理应用范围，克服了图像失配、斜视、角闪烁等问题，有效提高了对目标的检测与识别能力。
应当指出，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也在本申请权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）初始化图像数据矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，用于保存每个方位视角的成像结果数据大小；
2）利用雷达天线接收采集方位视角所对应的目标后向电磁散射回波信号；
3）将目标后向电磁散射回波信号和波数域相乘；
4）沿波数域方向，对步骤3）的结果进行一维逆傅里叶变换处理，获取目标的回波信号时域表达
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为目标中心散射点相对雷达天线的方位视角，r为目标中心散射点与目标上除中心散射点外任意散射点
Figure DEST_PATH_IMAGE008
之间的向量；
5）计算目标上除中心散射点外任意散射点与雷达天线在当前视角下所对应距离
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
6）采用一维线性插值方法，获得距离时域图像像素点位置所对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为雷达天线到目标中心散射点的距离；
7）将
Figure 490689DEST_PATH_IMAGE012
与图像数据矩阵
Figure 876670DEST_PATH_IMAGE002
相加，得到当前视角下的成像结果；
8) 重复2）到7）的步骤，计算雷达天线所有视角下的成像结果并进行叠加，得到最终的近场逆合成孔径雷达ISAR成像结果。
2.如权利要求1所述的基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤1）中初始化图像数据矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，其中，M表示距离像素点数，N为方位像素点数，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE020
的零矩阵。
3.如权利要求1所述的基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤2）中利用雷达天线接收采集方位视角所对应的目标后向电磁散射回波信号
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为波数域，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为目标中心散射点相对雷达天线的方位视角，
Figure 905675DEST_PATH_IMAGE014
为雷达天线到目标中心散射点的距离，V为目标的体积表面，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示目标上除中心散射点外任意散射点
Figure DEST_PATH_IMAGE030
与雷达天线的距离，f为雷达天线发射信号频率，c为光速，r为目标中心散射点与
Figure 959606DEST_PATH_IMAGE030
之间的向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为
Figure 960929DEST_PATH_IMAGE030
的后向散射回波信号，j表示虚数。
4.如权利要求1所述的基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤5）中目标上除中心散射点外任意散射点
Figure 252233DEST_PATH_IMAGE030
与雷达天线在当前视角下所对应距离
Figure DEST_PATH_IMAGE033
表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 378321DEST_PATH_IMAGE014
为雷达天线到目标中心散射点的距离，（x , y）为
Figure 842801DEST_PATH_IMAGE030
的坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为雷达天线的俯仰角。
5.如权利要求1所述的基于后向投影的高效近场大小尺寸目标ISAR成像方法，其特征在于，如果雷达天线与目标中心散射点之间的距离满足下式，则认为ISAR成像满足近场ISAR成像条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为波长，
Figure 839575DEST_PATH_IMAGE014
为雷达天线到目标中心散射点的距离，D为目标的方位向尺寸。
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