CN114910908A - 一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法 - Google Patents

一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法 Download PDF

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Abstract

一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法，本发明涉及舰船目标三维成像方法。本发明的目的是为了解决现有舰船目标存在复杂的三维旋转运动，三维成像准确率低的问题。过程为：一、解线性调频处理：假设A为基站，同时具有发射、接收电磁波能力，B，1‑6为基站，只具备接收电磁波功能；以发射信号为基准构造参考信号，对回波信号进行解调频处理，得到一维距离像；二、相位校正：构造相位补偿函数，将相位补偿函数与步骤一所得差频输出信号相乘，得到相位校正之后的回波；三、分布式联合成像；四、图像配准；五、干涉处理和几何反演，获得目标三维图像。本发明用于雷达成像技术领域。

Description

一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法
技术领域
本发明属于雷达成像技术领域，涉及利用多基地分布式InISAR系统，对复杂运动的舰船目标实现三维成像的方法。
背景技术
对于传统的单基站ISAR雷达，其方位分辨率依赖目标相干处理时间(CPI)，因此可以通过增加观测时间提高方位分辨率。由于受到海浪影响，舰船目标存在复杂的三维旋转运动，即横滚、俯仰和偏航，对于舰船目标，很难通过增加CPI来提高ISAR图像方位分辨率。由于具有构型优势，分布式ISAR可以从不同方位角度同时观测目标，因此具有短时间内扩展观测角度的潜力，进而可以提高图像的方位分辨率。此外，二维ISAR成像存在一些固有缺陷，其获得的是三维目标在距离—多普勒域的二维投影，而后续的分类、识别等工作严重依赖于投影平面。干涉ISAR(InISAR)成像将干涉测量与ISAR成像相结合，可以获得目标除距离、多普勒以外的第三维信息，进而可以不失真的重构目标三维形状，为目标识别、分类提供更加丰富的信息。但是获得目标高分辨三维图像的前提是获得高分辨二维ISAR图像，同时要求保留二维图像的完整相位信息，这一直是雷达成像领域研究的热点问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有舰船目标存在复杂的三维旋转运动，三维成像准确率低的问题，而提出一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法。
一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法具体过程为：
步骤一、解线性调频(dechirping)处理：
假设A为基站，同时具有发射、接收电磁波能力，B，1-6为基站，只具备接收电磁波功能；
以发射信号为基准构造参考信号
Figure BDA0003636962740000011
对回波信号
Figure BDA0003636962740000012
进行解调频处理，得到一维距离像
Figure BDA0003636962740000013
Γ＝A,B,C,1,2,3，4,5,6；
其中
Figure BDA0003636962740000014
为快时间，tm为慢时间，Γ为基站，C为AB中点；
步骤二、相位校正：
构造相位补偿函数
Figure BDA0003636962740000015
将相位补偿函数
Figure BDA0003636962740000016
与步骤一所得差频输出信号
Figure BDA0003636962740000021
相乘，得到相位校正之后的回波为
Figure BDA0003636962740000022
步骤三、分布式联合成像：
对步骤二得到相位校正后的回波进行数据域融合，得到基站A,1,2,3和基站B,4,5,6的融合回波；获取融合回波的离散形式，对融合回波的离散形式分别进行距离向离散傅里叶变换得到一维距离像；分别对一维距离像进行方位向离散傅里叶变换，得到聚焦复数图像矩阵；
步骤四、图像配准：
截取图像
Figure BDA0003636962740000023
中目标所在区域并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure BDA0003636962740000024
截取图像
Figure BDA0003636962740000025
中目标所在区域并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure BDA0003636962740000026
对插值后的图像
Figure BDA0003636962740000027
取绝对值，得到归一化主图像Im(i,j)；
对插值后的图像
Figure BDA0003636962740000028
取绝对值，得到归一化辅图像Is(i,j)；
i为距离像素编号，j为方位像素编号；
以偏移量(Δi,Δj)对辅图像进行偏移，得到Is(i+Δi,j+Δj)与主图像的相关系数；
分别在范围Di,Dj内对偏移量(Δi,Δj)进行搜索，找到使相关系数最大的一组偏移量；
图像
Figure BDA0003636962740000029
的偏移量为
Figure BDA00036369627400000210
那么对图像
Figure BDA00036369627400000211
的配准处理可以在
Figure BDA00036369627400000212
的频域(u,v)乘以相位差，得到配准后的辅图像
Figure BDA00036369627400000213
步骤五、干涉处理和几何反演：
主图像
Figure BDA00036369627400000214
乘以配准后的辅图像
Figure BDA00036369627400000215
的共轭，得到两幅图像的相位差矩阵；估计出的散射点p的纵坐标；
根据散射点在ISAR图像中的位置，可以获得散射点的距离维坐标和方位维坐标，结合纵坐标
Figure BDA00036369627400000216
可以获得目标三维图像。
本发明的有益效果为：
本发明将分布式ISAR成像技术与干涉ISAR技术结合，通过分布式ISAR获取舰船目标高分辨二维图像，在此基础上进行干涉处理，最终获取目标三维形状。
舰船目标由于受到海浪影响，往往具有复杂的三维摆动，这给雷达成像带来了很大挑战。现有非平稳运动目标成像方法大多基于单基站观测，然后通过信号处理方法成像，这些方法的优点是系统简单，但是成像算法复杂，处理时间长，难以实现实时成像，而且单基站ISAR图像是空间三维目标的二维投影，不利于后续目标分类和识别。本发明提出一种分布式多基站系统，通过增加接收基站数量，大大缩短成像所需时间，且成像算法简单，容易实现实时成像，并能保留完整相位，为干涉测量提供支持。为了获得目标三维信息，本发明提出了一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法，将分布式ISAR成像技术与干涉测量方法相结合，通过分布式ISAR获取舰船目标高分辨二维图像，在此基础上进行干涉处理，最终获取目标三维形状，提高了舰船目标三维成像准确率。相对于传统ISAR成像方法，本发明有诸多优势：
(1)多基站联合观测，缩短成像时间，可以实时获得非平稳运动目标高分辨图像；
(2)单基站发射，被动基站只接收回波，提高战场上接收基站的生存能力；
(3)将分布式ISAR与干涉测量相结合，分布式ISAR提供高分辨ISAR图像，干涉测量获取目标三维信息，提高目标分类识别能力。
附图说明
图1为本发明提出的成像算法流程图；
图2为分布式InISAR舰船目标三维成像几何模型图，以主动雷达基站A为原点建立直角坐标系O-X-Y-Z，以长度为L的基线设置基站B，沿X轴方向设置基站1-3、4-6。以目标中心为原点，船头指向为U轴建立直角坐标系O’-U-V-W，建立中间坐标系O’-X’-Y’-Z’，使其与坐标系O-X-Y-Z平行；V轴和Y’轴初始夹角为α0；ωyaw为偏航角速度，ωroll为横滚角速度，ωpitch为俯仰角速度，Lr为分布式基站间隔；
图3a为舰船目标散射点图(三维图)；
图3b为舰船目标散射点图(正视图)；
图3c为舰船目标散射点图(侧视图)；
图3d为舰船目标散射点图(俯视图)；
图4a为基站A回波一维距离像图；
图4b为基站B回波相位校正后的一维距离像图；
图5a为基站A回波单独ISAR成像图；
图5b为基站B回波单独ISAR成像图；
图6a为基站A,1,2,3数据域融合后，联合成像图；
图6b为基站B,4,5,6数据域融合后，联合成像图；
图7a为相对距离为-70m处，单基站成像和分布式成像方位截面图对比；
图7b为相对距离为-50m处，单基站成像和分布式成像方位截面图对比；
图7c为相对距离为+30m处，单基站成像和分布式成像方位截面图对比；
图8a为舰船目标三维重建图(三维图)；
图8b为舰船目标三维重建图(正视图)；
图8c为舰船目标三维重建图(侧视图)；
图8d为舰船目标三维重建图(俯视图)。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法具体过程为：
本发明旨在解决具有复杂运动的舰船目标三维成像问题，将多基站分布式系统与ISAR干涉测量相结合，短时间内可以近似认为目标平稳运动，分布式系统可以在短观测时间内获取目标高分辨二维图像，且保留完整相位信息，为干涉处理创造条件。
步骤一、解线性调频(dechirping)处理：
假设A为基站，同时具有发射、接收电磁波能力，B，1-6为基站，只具备接收电磁波功能，其几何构型如图2所示；
以发射信号为基准构造参考信号
Figure BDA0003636962740000041
对回波信号
Figure BDA0003636962740000042
进行解调频处理，得到一维距离像
Figure BDA0003636962740000043
Γ＝A,B,C,1,2,3,4,5,6；
其中
Figure BDA0003636962740000044
为快时间，tm为慢时间，Γ为基站，C为AB中点；
步骤二、相位校正：
由于分布式构型原因，不同接收基站处于不同观测位置，因此各个基站接收到的回波之间难免出现相位误差，为了保留完整的相位信息，需要对各回波进行相位校正，保证干涉处理精度。构造相位补偿函数
Figure BDA0003636962740000045
将相位补偿函数
Figure BDA0003636962740000046
与步骤一所得差频输出信号
Figure BDA0003636962740000047
相乘，得到相位校正之后的回波为
Figure BDA0003636962740000048
步骤三、分布式联合成像：
经过步骤二，各基站接收回波已经完成了相干处理，相位得到了校正。只从信号相位历程角度来看，分布式构型与单基站构型的差异已得到补偿。则可以进行分布式联合成像处理。
对步骤二得到相位校正后的回波进行数据域融合，得到基站A,1,2,3和基站B,4,5,6的融合回波；获取融合回波的离散形式，对融合回波的离散形式分别进行距离向离散傅里叶变换(DFT)得到一维距离像；分别对一维距离像进行方位向离散傅里叶变换(DFT)，得到聚焦复数图像矩阵；
步骤四、图像配准：
通过步骤三，得到两幅高分辨ISAR图像
Figure BDA0003636962740000051
和
Figure BDA0003636962740000052
并成功保留了完整相位。在干涉处理之前，需要对两幅图进行预处理，以解决图像失配问题。A，B两组天线存在位置差异，导致它们的波程差各不相同，在ISAR图像上，散射点位置会发生偏移，称其为图像失配。图像失配导致同一散射点在两幅ISAR图像上位于不同位置，会破坏图像相干性，造成干涉误差，因此需要在干涉处理之前进行图像配准。本发明使用滑动互相关算法进行图像配准。
截取图像
Figure BDA0003636962740000053
中目标所在区域(为了减少计算量，包含目标即可)并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure BDA0003636962740000054
截取图像
Figure BDA0003636962740000055
中目标所在区域(为了减少计算量，包含目标即可)并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure BDA0003636962740000056
对插值后的图像
Figure BDA0003636962740000057
取绝对值，得到归一化主图像Im(i,j)；
对插值后的图像
Figure BDA0003636962740000058
取绝对值，得到归一化辅图像Is(i,j)；
i为距离像素编号，j为方位像素编号；
以偏移量(Δi,Δj)对辅图像进行偏移，得到Is(i+Δi,j+Δj)与主图像的相关系数；
分别在范围Di,Dj内对偏移量(Δi,Δj)进行搜索，找到使相关系数最大的一组偏移量；
由于经过10倍插值，那么图像
Figure BDA0003636962740000059
的偏移量为
Figure BDA00036369627400000510
那么对图像
Figure BDA00036369627400000511
的配准处理可以在
Figure BDA00036369627400000512
的频域(u,v)乘以相位差，得到配准后的辅图像
Figure BDA00036369627400000513
步骤五、干涉处理和几何反演：
经过步骤四，主图像
Figure BDA0003636962740000061
和辅图像
Figure BDA0003636962740000062
中，各个散射点位置相互对应，可以进行干涉处理。经过几何反演，得到散射点高度信息，结合散射点在ISAR图像中的位置，可以得到目标空间三维坐标。
主图像
Figure BDA0003636962740000063
乘以配准后的辅图像
Figure BDA0003636962740000064
的共轭，得到两幅图像的相位差矩阵；估计出的散射点p的纵坐标；
根据散射点在ISAR图像中的位置，可以获得散射点的距离维坐标和方位维坐标，结合纵坐标
Figure BDA0003636962740000065
可以获得目标三维图像。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中解线性调频(dechirping)处理：
假设A为基站，同时具有发射、接收电磁波能力，B，1-6为基站，只具备接收电磁波功能，其几何构型如图2所示；
以发射信号为基准构造参考信号
Figure BDA0003636962740000066
对回波信号
Figure BDA0003636962740000067
进行解调频处理，得到一维距离像
Figure BDA0003636962740000068
Γ＝A,B,C,1,2,3,4,5,6；
其中
Figure BDA0003636962740000069
为快时间，tm为慢时间，Γ为基站，C为AB中点；
具体实施方式为：
步骤一一：基站A发射线性调频(LFM)信号，表示为
Figure BDA00036369627400000610
其中，rect(u)为发射信号幅度包络，
Figure BDA00036369627400000611
u为
Figure BDA00036369627400000612
Figure BDA00036369627400000613
为快时间，tm为慢时间，全时间
Figure BDA00036369627400000614
Tp为脉冲宽度，γ表示调频率，信号带宽为B＝γ·Tp；j为虚数单位，j2＝-1；fc为发射信号载频；
假设目标由P个散射点构成，p为其中任意一点；那么，基站A接收到的p点回波信号可以表示为
Figure BDA00036369627400000615
其中，σp表示散射点p的后向散射系数并假设所有散射点为理想散射点(在成像时间内散射系数保持不变，且对于各接收方向相同)，
Figure BDA0003636962740000071
表示接收回波时延，c为电磁波在空气中的传播速度，
Figure BDA0003636962740000072
为慢时间tm时刻，散射点p与基站A的距离；
步骤一二、设参考距离为Rref，参考时延为τref＝2Rref/c，则参考信号可以表示为
Figure BDA0003636962740000073
其中，Tref为参考信号的脉宽，其略大于信号脉宽Tp；
步骤一三、进行解线性调频(dechirping)处理，可得差频输出为
Figure BDA0003636962740000074
其中，Tref为
Figure BDA0003636962740000075
的共轭，
Figure BDA0003636962740000076
为中频信号相位，Δτp为回波信号与参考信号的时延差，Δτp＝τp-τref；
同理，基站Γ(Γ＝A,B,1,2,3,4,5,6)接收到的所有P个散射点的回波的差频输出信号为
Figure BDA0003636962740000077
其中，Tref为基站Γ回波信号时延，
Figure BDA0003636962740000078
Figure BDA0003636962740000079
为慢时间tm时刻，散射点p与基站Γ的距离，ΔτΓp为基站Γ回波信号与参考信号的时延差，ΔτΓp＝τΓp-τref。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤二中相位校正：
由于分布式构型原因，不同接收基站处于不同观测位置，因此各个基站接收到的回波之间难免出现相位误差，为了保留完整的相位信息，需要对各回波进行相位校正，保证干涉处理精度。构造相位补偿函数
Figure BDA0003636962740000081
将相位补偿函数
Figure BDA0003636962740000082
与步骤一所得差频输出信号
Figure BDA0003636962740000083
相乘，得到相位校正之后的回波为
Figure BDA0003636962740000084
具体实施方式为：
步骤二一、以发射基站A为基准，假设发射基站A回波不存在相位误差，选择基站A天线相位中心与目标中心的初始距离R0 A为参考距离，即参考距离
Figure BDA0003636962740000085
参考时延
Figure BDA0003636962740000086
以参考时延
Figure BDA0003636962740000087
构造的参考信号(3)，无法完全补偿基站B,1,2,3,4,5,6的回波相位中心偏移；设基站Γ(Γ＝A,B,C,1,2,3,4,5,6)天线相位中心与目标中心的初始时延
Figure BDA0003636962740000088
与参考时延τref之差为
Figure BDA0003636962740000089
其中，
Figure BDA00036369627400000810
为基站Γ与目标的初始距离；
考虑到相位中心随慢时间可能的变化，故将式(6)写成Δτref-Γ(tm)；
步骤二二、构造相位补偿函数
Figure BDA00036369627400000811
步骤二三、将步骤一所得差频输出信号
Figure BDA00036369627400000812
与相位补偿函数
Figure BDA00036369627400000813
相乘，可以得到相位校正之后的回波为
Figure BDA00036369627400000814
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤三中分布式联合成像：
经过步骤二，各基站接收回波已经完成了相干处理，相位得到了校正。只从信号相位历程角度来看，分布式构型与单基站构型的差异已得到补偿。则可以进行分布式联合成像处理。
对步骤二得到相位校正后的回波进行数据域融合，得到基站A,1,2,3和基站B,4,5,6的融合回波；获取融合回波的离散形式，对融合回波的离散形式分别进行距离向离散傅里叶变换(DFT)得到一维距离像；分别对一维距离像进行方位向离散傅里叶变换(DFT)，得到聚焦复数图像矩阵；
具体实施方式为：
步骤三一、对步骤二得到相位校正后的回波进行数据域融合，得到基站A,1,2,3和基站B,4,5,6的融合回波；具体为：
Figure BDA0003636962740000091
公式(9)的意义是经过补偿的分布式采样可以等效成为单基站采样，那么接下来的成像处理可以采用单基站成像算法。由于分布式短时间观测的优势，因此可以将目标运动等效为平稳运动，因此可以选用距离—多普勒(RD)算法。
步骤三二、获取融合回波的离散形式，分别为sA123(n,m)，sB456(n,m)，其中n＝1,2,3···N,m＝1,2,3···M，N,M分别表示距离单元数和总脉冲数；对sA123(n,m)，sB456(n,m)分别进行距离向离散傅里叶变换(DFT)得到一维距离像；具体为：
Figure BDA0003636962740000092
其中，
Figure BDA0003636962740000093
为对sA123(n,m)进行距离向离散傅里叶变换后的一维距离像，
Figure BDA0003636962740000094
为对sB456(n,m)进行距离向离散傅里叶变换后的一维距离像，
Figure BDA0003636962740000095
为距离离散频率，WM为离散傅里叶变换核函数；
步骤三三、分别对一维距离像进行方位向离散傅里叶变换(DFT)，得到聚焦复数图像矩阵；具体为：
Figure BDA0003636962740000096
其中，
Figure BDA0003636962740000097
为对
Figure BDA0003636962740000098
进行方位向离散傅里叶变换得到的聚焦复数主图像，
Figure BDA0003636962740000099
为对sB456(n,m)进行方位向离散傅里叶变换得到的聚焦复数辅图像，
Figure BDA00036369627400000910
为方位离散频率，WM为离散傅里叶变换核函数。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述步骤四中图像配准：
通过步骤三，得到两幅高分辨ISAR图像
Figure BDA0003636962740000101
和
Figure BDA0003636962740000102
并成功保留了完整相位。在干涉处理之前，需要对两幅图进行预处理，以解决图像失配问题。A，B两组天线存在位置差异，导致它们的波程差各不相同，在ISAR图像上，散射点位置会发生偏移，称其为图像失配。图像失配导致同一散射点在两幅ISAR图像上位于不同位置，会破坏图像相干性，造成干涉误差，因此需要在干涉处理之前进行图像配准。本发明使用滑动互相关算法进行图像配准。
截取图像
Figure BDA0003636962740000103
中目标所在区域(为了减少计算量，包含目标即可)并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure BDA0003636962740000104
截取图像
Figure BDA0003636962740000105
中目标所在区域(为了减少计算量，包含目标即可)并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure BDA0003636962740000106
对插值后的图像
Figure BDA0003636962740000107
取绝对值，得到归一化主图像Im(i,j)；
对插值后的图像
Figure BDA0003636962740000108
取绝对值，得到归一化辅图像Is(i,j)；
i为距离像素编号，j为方位像素编号；
以偏移量(Δi,Δj)对辅图像进行偏移，得到Is(i+Δi,j+Δj)与主图像的相关系数；
分别在范围Di,Dj内对偏移量(Δi,Δj)进行搜索，找到使相关系数最大的一组偏移量；
由于经过10倍插值，那么图像
Figure BDA0003636962740000109
的偏移量为
Figure BDA00036369627400001010
那么对图像
Figure BDA00036369627400001011
的配准处理可以在
Figure BDA00036369627400001012
的频域(u,v)乘以相位差，得到配准后的辅图像
Figure BDA00036369627400001013
具体实施方式为：
步骤四一、综合考虑计算效率和配准精度；
截取图像
Figure BDA00036369627400001014
中目标所在区域(为了减少计算量，包含目标即可)并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure BDA0003636962740000111
截取图像
Figure BDA0003636962740000112
中目标所在区域(为了减少计算量，包含目标即可)并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure BDA0003636962740000113
对插值后的图像
Figure BDA0003636962740000114
取绝对值，得到归一化主图像Im(i,j)；
对插值后的图像
Figure BDA0003636962740000115
取绝对值，得到归一化辅图像Is(i,j)；
i为距离像素编号，j为方位像素编号；
步骤四二、以偏移量(Δi,Δj)对辅图像进行偏移，得到Is(i+Δi,j+Δj)与主图像的相关系数可以表示为
Figure BDA0003636962740000116
若Is(i+Δi,j+Δj)与Im(i,j)完全相同，ρ(Δi,Δj)达到最大值1，Is(i+Δi,j+Δj)与主图像Im(i,j)相关性越高，相关系数越接近1；
步骤四三、分别在范围Di,Dj内对偏移量(Δi,Δj)进行搜索，找到使相关系数最大的一组偏移量
Figure BDA0003636962740000117
其中，Di,Dj为偏移量搜索范围；
步骤四四、由于经过10倍插值，那么图像
Figure BDA0003636962740000118
的偏移量为
Figure BDA0003636962740000119
那么对图像
Figure BDA00036369627400001110
的配准处理可以在
Figure BDA00036369627400001111
的频域(u,v)乘以相位差，得到配准后的辅图像；具体为：
Figure BDA00036369627400001112
其中，
Figure BDA00036369627400001113
为配准后的辅图像，DFT为离散傅里叶变换，IDFT为离散傅里叶变换的逆变换。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤五中干涉处理和几何反演：
经过步骤四，主图像
Figure BDA0003636962740000121
和辅图像
Figure BDA0003636962740000122
中，各个散射点位置相互对应，可以进行干涉处理。经过几何反演，得到散射点高度信息，结合散射点在ISAR图像中的位置，可以得到目标空间三维坐标。
主图像
Figure BDA0003636962740000123
乘以配准后的辅图像
Figure BDA0003636962740000124
的共轭，得到两幅图像的相位差矩阵；估计出的散射点p的纵坐标；
根据散射点在ISAR图像中的位置，可以获得散射点的距离维坐标和方位维坐标，结合纵坐标
Figure BDA0003636962740000125
可以获得目标三维图像；
具体实施方式为：
步骤五一、主图像
Figure BDA0003636962740000126
乘以配准后的辅图像
Figure BDA0003636962740000127
的共轭，得到两幅图像的相位差矩阵
Figure BDA0003636962740000128
步骤五二、根据高度方向几何关系，对于远场目标，可以推导出
Figure BDA0003636962740000129
其中，L为基线|AB|长度，C为AB中点，|Ap|为散射点p与基站A的距离，|Bp|为散射点p与基站B的距离，|Cp|为散射点p与AB中点C的距离，z'为散射点p与点C纵坐标(C为AB中点，基站A、B是自己设定的，为已知，因此C点位置也为已知的，为基线L长度的一半L/2)之差；
根据距离和相位差关系
Figure BDA00036369627400001210
可以得到高度反演公式
Figure BDA00036369627400001211
其中，ΔRAB为基站A回波和基站B回波的波程差，
Figure BDA00036369627400001212
为估计出的散射点p的纵坐标；
根据散射点在ISAR图像中的位置，可以获得散射点的距离维坐标和方位维坐标，结合纵坐标
Figure BDA0003636962740000131
可以获得目标三维图像。
式(17)是针对某点相位差进行的运算，对于整个相位差矩阵
Figure BDA0003636962740000132
可以选择目标所在区域进行计算，以减少计算量。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
图1为本发明的流程框图，前文已经进行解释说明。
图2为分布式InISAR舰船目标三维成像几何模型图，以主动雷达基站A为原点建立直角坐标系O-X-Y-Z，以长度为L的基线设置基站B，沿X轴方向设置基站1-3、4-6。以目标中心为原点，船头指向为U轴建立直角坐标系O’-U-V-W，建立中间坐标系O’-X’-Y’-Z’，使其与坐标系O-X-Y-Z平行。V轴和Y’轴初始夹角为α0。
图3a、3b、3c、3d分别为舰船目标散射点图的三维图、正视图、侧视图、俯视图；
图4a为基站A回波一维距离像图；图4b为基站B回波相位校正后的一维距离像图；
图5a为基站A回波单独ISAR成像图；图5b为基站B回波单独ISAR成像图；由于相关积累时间短，此时的横向分辨率很低，无法用于后续分类识别等工作。
图6a为基站A,1,2,3数据域融合后，联合成像图；图6b为基站B,4,5,6数据域融合后，联合成像图；可以看到，此时的横向分辨率相对于单基站成像得到了明显改善，方位聚焦效果更好。
抽取图像不同距离门的方位截面图进行对比，得到图7a、图7b、图7c，分别对应相对距离为-70m，-50m，+30m处的方位像，可以看到-70m处只有一个散射点，分布式成像提高了方位分辨率，而-50m、+30m处有4个散射点，单基站测量只能观察到2个散射点，这是由于两个散射点距离较近，单基站测量无法进行分辨，而分布式测量可以对其进行分辨，为后续干涉处理提供支持。
图8a为舰船目标三维重建图(三维图)，图8b为舰船目标三维重建图(正视图)；图8c为舰船目标三维重建图(侧视图)，图8d为舰船目标三维重建图(俯视图)，可以看到，重建散射点与目标点基本吻合。

Claims (6)

1.一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、解线性调频处理：
假设A为基站，同时具有发射、接收电磁波能力，B，1-6为基站，只具备接收电磁波功能；
以发射信号为基准构造参考信号
Figure FDA0003636962730000011
对回波信号
Figure FDA0003636962730000012
进行解调频处理，得到一维距离像
Figure FDA0003636962730000013
Γ＝A,B,C,1,2,3,4,5,6；
其中
Figure FDA0003636962730000014
为快时间，tm为慢时间，Γ为基站，C为AB中点；
步骤二、相位校正：
构造相位补偿函数
Figure FDA0003636962730000015
将相位补偿函数
Figure FDA0003636962730000016
与步骤一所得差频输出信号
Figure FDA0003636962730000017
相乘，得到相位校正之后的回波为
Figure FDA0003636962730000018
步骤三、分布式联合成像：
对步骤二得到相位校正后的回波进行数据域融合，得到基站A,1,2,3和基站B,4,5,6的融合回波；获取融合回波的离散形式，对融合回波的离散形式分别进行距离向离散傅里叶变换得到一维距离像；分别对一维距离像进行方位向离散傅里叶变换，得到聚焦复数图像矩阵；
步骤四、图像配准：
截取图像
Figure FDA0003636962730000019
中目标所在区域并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure FDA00036369627300000110
截取图像
Figure FDA00036369627300000111
中目标所在区域并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure FDA00036369627300000112
对插值后的图像
Figure FDA00036369627300000113
取绝对值，得到归一化主图像Im(i,j)；
对插值后的图像
Figure FDA00036369627300000114
取绝对值，得到归一化辅图像Is(i,j)；
i为距离像素编号，j为方位像素编号；
以偏移量(Δi,Δj)对辅图像进行偏移，得到Is(i+Δi,j+Δj)与主图像的相关系数；
分别在范围Di,Dj内对偏移量(Δi,Δj)进行搜索，找到使相关系数最大的一组偏移量；
图像
Figure FDA0003636962730000021
的偏移量为
Figure FDA0003636962730000022
那么对图像
Figure FDA0003636962730000023
的配准处理可以在
Figure FDA0003636962730000024
的频域(u,v)乘以相位差，得到配准后的辅图像
Figure FDA0003636962730000025
步骤五、干涉处理和几何反演：
主图像
Figure FDA0003636962730000026
乘以配准后的辅图像
Figure FDA0003636962730000027
的共轭，得到两幅图像的相位差矩阵；估计出的散射点p的纵坐标；
根据散射点在ISAR图像中的位置，可以获得散射点的距离维坐标和方位维坐标，结合纵坐标
Figure FDA0003636962730000028
可以获得目标三维图像。
2.根据权利要求1所述一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法，其特征在于：所述步骤一中解线性调频处理：
假设A为基站，同时具有发射、接收电磁波能力，B，1-6为基站，只具备接收电磁波功能；
以发射信号为基准构造参考信号
Figure FDA0003636962730000029
对回波信号
Figure FDA00036369627300000210
进行解调频处理，得到一维距离像
Figure FDA00036369627300000211
Γ＝A,B,C,1,2,3，4,5,6；
其中
Figure FDA00036369627300000212
为快时间，tm为慢时间，Γ为基站，C为AB中点；
具体实施方式为：
步骤一一：基站A发射线性调频信号，表示为
Figure FDA00036369627300000213
其中，rect(u)为发射信号幅度包络，
Figure FDA00036369627300000214
Figure FDA00036369627300000215
为快时间，tm为慢时间，全时间
Figure FDA00036369627300000216
Tp为脉冲宽度，γ表示调频率，信号带宽为B＝γ·Tp；j为虚数单位，j2＝-1；fc为发射信号载频；
假设目标由P个散射点构成，p为其中任意一点；那么，基站A接收到的p点回波信号可以表示为
Figure FDA0003636962730000031
其中，σp表示散射点p的后向散射系数并假设所有散射点为理想散射点，
Figure FDA0003636962730000032
表示接收回波时延，c为电磁波在空气中的传播速度，
Figure FDA0003636962730000033
为慢时间tm时刻，散射点p与基站A的距离；
步骤一二、设参考距离为Rref，参考时延为τref＝2Rref/c，则参考信号可以表示为
Figure FDA0003636962730000034
其中，Tref为参考信号的脉宽；
步骤一三、进行解线性调频处理，可得差频输出为
Figure FDA0003636962730000035
其中，Tref为
Figure FDA0003636962730000036
的共轭，
Figure FDA0003636962730000037
为中频信号相位，Δτp为回波信号与参考信号的时延差，Δτp＝τp-τref；
同理，基站Γ(Γ＝A,B,1,2,3,4,5,6)接收到的所有P个散射点的回波的差频输出信号为
Figure FDA0003636962730000038
其中，Tref为基站Γ回波信号时延，
Figure FDA0003636962730000039
为慢时间tm时刻，散射点p与基站Γ的距离，ΔτΓp为基站Γ回波信号与参考信号的时延差，ΔτΓp＝τΓp-τref。
3.根据权利要求2所述一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法，其特征在于：所述步骤二中相位校正：
构造相位补偿函数
Figure FDA00036369627300000310
将相位补偿函数
Figure FDA00036369627300000311
与步骤一所得差频输出信号
Figure FDA0003636962730000041
相乘，得到相位校正之后的回波为
Figure FDA0003636962730000042
具体实施方式为：
步骤二一、以发射基站A为基准，假设发射基站A回波不存在相位误差，选择基站A天线相位中心与目标中心的初始距离
Figure FDA0003636962730000043
为参考距离，即参考距离
Figure FDA0003636962730000044
参考时延
Figure FDA0003636962730000045
以参考时延
Figure FDA0003636962730000046
构造的参考信号(3)，无法完全补偿基站B,1,2,3,4,5,6的回波相位中心偏移；设基站Γ(Γ＝A,B,C,1,2,3,4,5,6)天线相位中心与目标中心的初始时延
Figure FDA0003636962730000047
与参考时延τref之差为
Figure FDA0003636962730000048
其中，
Figure FDA0003636962730000049
为基站Γ与目标的初始距离；
考虑到相位中心随慢时间可能的变化，故将式(6)写成Δτref-Γ(tm)；
步骤二二、构造相位补偿函数
Figure FDA00036369627300000410
步骤二三、将步骤一所得差频输出信号
Figure FDA00036369627300000411
与相位补偿函数
Figure FDA00036369627300000412
相乘，可以得到相位校正之后的回波为
Figure FDA00036369627300000413
4.根据权利要求3所述一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法，其特征在于：所述步骤三中分布式联合成像：
对步骤二得到相位校正后的回波进行数据域融合，得到基站A,1,2,3和基站B,4,5,6的融合回波；获取融合回波的离散形式，对融合回波的离散形式分别进行距离向离散傅里叶变换得到一维距离像；分别对一维距离像进行方位向离散傅里叶变换，得到聚焦复数图像矩阵；
具体实施方式为：
步骤三一、对步骤二得到相位校正后的回波进行数据域融合，得到基站A,1,2,3和基站B,4,5,6的融合回波；具体为：
Figure FDA00036369627300000414
步骤三二、获取融合回波的离散形式，分别为sA123(n,m)，sB456(n,m)，其中n＝1,2,3···N,m＝1,2,3···M，N,M分别表示距离单元数和总脉冲数；对sA123(n,m)，sB456(n,m)分别进行距离向离散傅里叶变换得到一维距离像；具体为：
Figure FDA0003636962730000051
其中，
Figure FDA00036369627300000512
为对sA123(n,m)进行距离向离散傅里叶变换后的一维距离像，
Figure FDA00036369627300000513
为对sB456(n,m)进行距离向离散傅里叶变换后的一维距离像，
Figure FDA00036369627300000514
为距离离散频率，WM为离散傅里叶变换核函数；
步骤三三、分别对一维距离像进行方位向离散傅里叶变换，得到聚焦复数图像矩阵；具体为：
Figure FDA0003636962730000052
其中，
Figure FDA0003636962730000053
为对
Figure FDA0003636962730000054
进行方位向离散傅里叶变换得到的聚焦复数主图像，
Figure FDA0003636962730000055
为对sB456(n,m)进行方位向离散傅里叶变换得到的聚焦复数辅图像，
Figure FDA0003636962730000056
为方位离散频率，WM为离散傅里叶变换核函数。
5.根据权利要求4所述一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法，其特征在于：所述步骤四中图像配准：
截取图像
Figure FDA0003636962730000057
中目标所在区域并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure FDA0003636962730000058
截取图像
Figure FDA0003636962730000059
中目标所在区域并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure FDA00036369627300000510
对插值后的图像
Figure FDA00036369627300000511
取绝对值，得到归一化主图像Im(i,j)；
对插值后的图像
Figure FDA0003636962730000061
取绝对值，得到归一化辅图像Is(i,j)；
i为距离像素编号，j为方位像素编号；
以偏移量(Δi,Δj)对辅图像进行偏移，得到Is(i+Δi,j+Δj)与主图像的相关系数；
分别在范围Di,Dj内对偏移量(Δi,Δj)进行搜索，找到使相关系数最大的一组偏移量；
由于经过10倍插值，那么图像
Figure FDA0003636962730000062
的偏移量为
Figure FDA0003636962730000063
那么对图像
Figure FDA0003636962730000064
的配准处理可以在
Figure FDA0003636962730000065
的频域(u,v)乘以相位差，得到配准后的辅图像
Figure FDA0003636962730000066
具体实施方式为：
步骤四一、
截取图像
Figure FDA0003636962730000067
中目标所在区域并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure FDA0003636962730000068
截取图像
Figure FDA0003636962730000069
中目标所在区域并进行10倍二次插值，得到10倍插值后的图像
Figure FDA00036369627300000610
对插值后的图像
Figure FDA00036369627300000611
取绝对值，得到归一化主图像Im(i,j)；
对插值后的图像
Figure FDA00036369627300000612
取绝对值，得到归一化辅图像Is(i,j)；
i为距离像素编号，j为方位像素编号；
步骤四二、以偏移量(Δi,Δj)对辅图像进行偏移，得到Is(i+Δi,j+Δj)与主图像的相关系数可以表示为
Figure FDA00036369627300000613
若Is(i+Δi,j+Δj)与Im(i,j)完全相同，ρ(Δi,Δj)达到最大值1，Is(i+Δi,j+Δj)与主图像Im(i,j)相关性越高，相关系数越接近1；
步骤四三、分别在范围Di,Dj内对偏移量(Δi,Δj)进行搜索，找到使相关系数最大的一组偏移量
Figure FDA0003636962730000071
其中，Di,Dj为偏移量搜索范围；
步骤四四、由于经过10倍插值，那么图像
Figure FDA0003636962730000072
的偏移量为
Figure FDA0003636962730000073
那么对图像
Figure FDA0003636962730000074
的配准处理可以在
Figure FDA0003636962730000075
的频域(u,v)乘以相位差，得到配准后的辅图像；具体为：
Figure FDA0003636962730000076
其中，
Figure FDA0003636962730000077
为配准后的辅图像，DFT为离散傅里叶变换，IDFT为离散傅里叶变换的逆变换。
6.根据权利要求5所述一种基于多基站分布式InISAR的舰船目标三维成像方法，其特征在于：所述步骤五中干涉处理和几何反演：
主图像
Figure FDA0003636962730000078
乘以配准后的辅图像
Figure FDA0003636962730000079
的共轭，得到两幅图像的相位差矩阵；估计出的散射点p的纵坐标；
根据散射点在ISAR图像中的位置，可以获得散射点的距离维坐标和方位维坐标，结合纵坐标
Figure FDA00036369627300000710
可以获得目标三维图像；
具体实施方式为：
步骤五一、主图像
Figure FDA00036369627300000711
乘以配准后的辅图像
Figure FDA00036369627300000712
的共轭，得到两幅图像的相位差矩阵
Figure FDA00036369627300000713
步骤五二、根据高度方向几何关系，对于远场目标，可以推导出
Figure FDA00036369627300000714
其中，L为基线|AB|长度，C为AB中点，|Ap|为散射点p与基站A的距离，|Bp|为散射点p与基站B的距离，|Cp|为散射点p与AB中点C的距离，z'为散射点p与点C纵坐标之差；
根据距离和相位差关系
Figure FDA0003636962730000081
可以得到高度反演公式
Figure FDA0003636962730000082
其中，ΔRAB为基站A回波和基站B回波的波程差，
Figure FDA0003636962730000083
为估计出的散射点p的纵坐标；
根据散射点在ISAR图像中的位置，可以获得散射点的距离维坐标和方位维坐标，结合纵坐标
Figure FDA0003636962730000084
可以获得目标三维图像。
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