CN115407343B - 一种移动平台水下非合作目标成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种移动平台水下非合作目标成像方法及装置，所述成像方法包括：获取非合作目标的后向散射信号并进行解线频调和相位补偿，得到解线频调后的回波信号，进行包络对齐和相位误差补偿，再进行恢复处理，得到非合作目标的二维图像，其中，所述相位误差包括移动平台位置估计误差与包络对齐后的残余误差。本申请设计的基于逆合成孔径技术的高分辨成像方法在距离和方位维获得了高分辨率，并且补偿了由于目标运动造成的图像散焦问题，相比于传统ISAS成像方法，该方法考虑了成像平台不稳定对图像质量造成的影响。
Description
技术领域
本发明涉及水下成像技术领域，特别涉及一种移动平台水下非合作目标成像方法及装置。
背景技术
在海洋资源的开发和海洋防卫中，对水中目标的信息感知需求日益增大，因此，对高分辨率成像声纳的需求越来越迫切。要提高声纳的成像分辨率，现有方法通常采取提高声纳工作频率和加大基阵尺寸的方法，但提高工作频率会降低探测距离，加大基阵尺寸又受声纳载体空间的限制，因此，大大限制了移动平台对非合作目标的成像分辨率。
合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar，SAS)利用声纳运动，在移动过程中对不同位置接收的多个回波信号进行相干处理，合成得到等效的虚拟长孔径，获得高分辨率水声成像。反过来，若声纳平台固定，目标运动，则以目标为基准，在接收信号过程中，视为等效的反向运动而形成虚拟孔径，通常称为逆合成孔径声纳(Inverse SyntheticAperture Sonar,ISAS)，ISAS对潜艇、水下航行器、蛙人、鱼群等水下运动目标进形高分辨成像，可提供比一维回波更多的目标信息，进而取得比传统水声信号处理方法更好的目标检测、识别、参数估计效果，具有长远的研究意义和广阔的应用前景。
ISAS是利用一段时间内声纳与目标之间的相对位移，把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径，以取得比实孔径更加精细的结果，具有距离方位分辨率高等优点。ISAS主要针对水面或水下运动目标，军事意义显著，各国的研究都处于保密状态，国内外关于ISAS相关研究的公开报道较少。据近期解密的AD报告表明，美国从1990年就开始投入大量科研经费进行ISAS研究，1991年，Black首次提出运动目标ISAS成像基本构想，2004年，Wilkinson在空气中利用超声声纳对转台运动点目标成像，在此之后，ISAS主要针对水面或水下运动目标，国内，海军工程大学唐劲松研究了宽带成像与ISAS成像之前的区别，通过运动补偿校正目标平动，转化为转台目标成像。针对机动水下目标，许稼等人提出基于匀加速运动模型的距离-瞬时多普勒方法，方位向取得了良好的聚焦效果。刘丹丹等人将SAS中投影卷积算法加以改进，应用于ISAS成像，该方法在大转角成像场景下取得了不错的成像效果。
现有水下逆合成孔径成像技术应用于固定声纳平台，需要补偿的平动和运动误差只来源于非合作目标的运动，与自身平台无关，但是对于移动平台来说，成像声纳位置虽然可通过先验信息和惯导进行粗补偿，但是其造成的相位误差数量级是粗补偿方法不能达到的，会造成严重的图像散焦，因此现有方法难以装备在水下移动平台上。
发明内容
本申请的目的在于解决现有技术存在的缺陷。
本申请提供了一种移动平台水下非合作目标成像方法及装置，对包括移动平台运动在内的引起的误差进行补偿，获得非合作目标的二维图像。
第一方面，本申请提供了一种移动平台水下非合作目标成像方法，包括：获取非合作目标的后向散射信号，所述后向散射信号对应的发射信号为线性调频信号；对所述后向散射信号进行解线频调处理，并对非合作目标平动引起的相位偏差进行补偿，得到解线频调后的回波信号；基于非合作目标运动引起的距离维误差，对所述解线频调后的回波信号进行包络对齐，得到包络对齐后的回波信号，其中，所述非合作目标运动引起的距离维误差，包括非合作目标平动分量引起的包络时延、非合作目标转动分量引起的包络走动；基于移动平台位置误差和包络对齐残余误差引起的回波信号的相位误差，构造相位误差补偿函数，对包络对齐后的所述回波信号进行相位误差补偿，得到相位误差补偿后的回波信号；对相位误差补偿后的所述回波信号进行二维图像恢复处理，得到非合作目标的二维图像。
在一个可行的实施例中，所述对所述后向散射信号进行解线频调处理，并对非合作目标移动引起的相位偏差进行补偿，得到解线频调后的回波信号，包括：将所述后向散射信号与包含参考距离的参考信号进行差频输出，得到解线频调后的差频后向散射信号；对所述解线频调后的差频后向散射信号进行快时间的快速傅里叶变换，得到频域的差频后向散射信号；对频域的所述差频后向散射信号的峰值位置进行非合作目标移动引起的相位补偿，并进行快速傅里叶逆变换，得到解线频调后的回波信号。
在一个可行的实施例中，所述基于非合作目标运动引起的距离维误差，对所述解线频调后的回波信号进行包络对齐，得到包络对齐后的回波信号，其中，所述非合作目标运动引起的距离维误差，包括非合作目标平动分量引起的包络时延、非合作目标转动分量引起的包络走动，包括：非合作目标平动分量在距离维会造成包络时延，使回波包络随着时间变化，同一散射点的包络分布于不同的距离单元，对距离像产生影响，需要针对包络时延的包络对齐算法加以补偿；非合作目标转动分量会引起距离维包络走动，在小角度假设下，当距离走动量不超过一个距离单元时，包络走动可忽略不计，但当转角较大时，方位向距转台中心较远的散射点可能会从一个距离单元移动到另一距离单元，这就发生了越距离徙动，会使方位成像模糊，需要针对包络走动的包络对齐算法加以补偿。
在一个可行的实施例中，所述针对包络走动的包络对齐算法，包括：keystone变换，用于校正非合作目标转动分量引起的包络走动。
在一个可行的实施例中，所述基于移动平台位置误差和包络对齐残余误差引起的回波信号的相位误差，构造相位误差补偿函数，对包络对齐后的所述回波信号进行相位误差补偿，得到相位误差补偿后的回波信号，包括：对回波信号进行近似表示为：S＝ΦFA，其中，S表示回波信号，A表示后向散射系数矩阵，Φ表示相位误差矩阵，F表示傅里叶矩阵；基于ΦF为满足有限等距性质的测量矩阵，构造回波信号的相位误差补偿函数，A＝arg min{J(A，Φ)}，对回波信号的相位误差进行补偿，得到相位误差补偿后的回波信号，其中，所述回波信号的相位误差的起因包括移动平台位置估计误差与包络对齐后的残余误差。
在一个可行的实施例中，所述对相位误差补偿后的所述回波信号进行二维图像恢复处理，得到非合作目标的二维图像，包括：对相位误差补偿后的所述回波信号进行距离维的快速傅里叶变换，得到频域的回波信号；基于距离分辨率和方位分辨率，近似处理所述频域的回波信号，并进行快速傅里叶逆变换，得到非合作目标的二维图像。
第二方面，本申请提供了一种移动平台水下非合作目标成像装置，包括：后向散射信号获取模块，用于获取非合作目标的后向散射信号，所述后向散射信号对应的发射信号为线性调频信号；解线频调模块，用于对所述后向散射信号进行解线频调处理，并对非合作目标平动引起的相位偏差进行补偿，得到解线频调后的回波信号；包络对齐模块，基于非合作目标运动引起的距离维误差，对所述解线频调后的回波信号进行包络对齐，得到包络对齐后的回波信号，其中，所述非合作目标运动引起的距离维误差，包括非合作目标平动分量引起的包络时延、非合作目标转动分量引起的包络走动；相位误差补偿模块，基于移动平台位置误差和包络对齐残余误差引起的回波信号的相位误差，构造相位误差补偿函数，对包络对齐后的所述回波信号进行相位误差补偿，得到相位误差补偿后的回波信号；恢复处理模块，用于对相位误差补偿后的所述回波信号进行二维图像恢复处理，得到非合作目标的二维图像。
在一个可行的实施例中，所述解线频调模块，包括：解线频调模块接收所述后向散射信号；将所述后向散射信号与包含参考距离的参考信号进行差频输出，得到解线频调后的差频后向散射信号；对所述解线频调后的差频后向散射信号进行快时间的快速傅里叶变换，得到频域的差频后向散射信号；对频域的所述差频后向散射信号的峰值位置进行非合作目标移动引起的相位补偿，并进行快速傅里叶逆变换，得到并输出解线频调后的回波信号。
在一个可行的实施例中，所述相位误差补偿模块，包括：相位误差补偿模块接收回波信号；将回波信号进行近似表示为：S＝ΦFA，其中，S表示回波信号，A表示后向散射系数矩阵，Φ表示相位误差矩阵，F表示傅里叶矩阵；基于ΦF为满足有限等距性质的测量矩阵，构造回波信号的相位误差补偿函数，A＝arg min{J(A，Φ)}，对回波信号的相位误差进行补偿，得到相位误差补偿后的回波信号，其中，所述回波信号的相位误差的起因包括移动平台位置估计误差与包络对齐后的残余误差。
在一个可行的实施例中，所述恢复处理模块，包括：恢复处理模块接收相位误差补偿后的回波信号；对所述回波信号进行距离维的快速傅里叶变换，得到频域的回波信号；基于距离分辨率和方位分辨率，近似处理所述频域的回波信号，并进行快速傅里叶逆变换，得到非合作目标的二维图像。
本申请提供了一种移动平台水下非合作目标成像方法及装置，所述成像方法包括：获取非合作目标的后向散射信号并进行解线频调和相位补偿，得到解线频调后的回波信号，进行包络对齐和相位误差补偿，再进行恢复处理，得到非合作目标的二维图像，其中，所述相位误差包括移动平台位置估计误差与包络对齐后的残余误差。所述成像装置，包括：后向散射信号获取模块；解线频调模块；包络对齐模块；相位误差补偿模块；恢复处理模块。
本申请提供了一种移动平台水下非合作目标成像方法及装置，基于线性调频信号，推导了回波信号处理方法，在包络对齐对非合作目标平动分量引起的包络时延和非合作目标转动分量引起的包络走动进行补偿后，分析了运动误差产生原因以及平台不稳定对成像造成的影响，设计了基于优化的相位误差补偿函数的自聚焦算法对相位误差问题进行补偿，最终获得移动平台对非合作目标的高分辨成像结果。本申请提出了一种针对移动平台水下非合作目标的高分辨成像算法。本申请设计的基于逆合成孔径技术的高分辨成像方法在距离维和方位维获得了高分辨率，并且补偿了由于目标运动造成的图像散焦问题，相比于传统ISAS成像方法，本申请的成像方法考虑了成像平台不稳定对图像质量造成的影响。
附图说明
图1为本发明实施例的一种移动平台水下非合作目标成像方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的非合作目标的运动分解示意图；
图3为本发明实施例的一种移动平台水下非合作目标成像装置的组成示意图；
图4为本发明实施例的解线频调后的回波信号图(距离脉压结果)；
图5为本发明实施例的未进行相位误差补偿的回波信号图(未进行自聚焦成像结果)；
图6为本发明实施例的相位误差补偿后的回波信号图(本申请的自聚焦成像结果)。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本技术领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
图1为本发明实施例的一种移动平台水下非合作目标成像方法的流程示意图，如图1所示，本申请提供了一种移动平台水下非合作目标成像方法，所述成像方法，包括以下步骤：
步骤S110，获取非合作目标的后向散射信号，所述后向散射信号对应的发射信号为线性调频信号；
步骤S120，对所述后向散射信号进行解线频调处理，并对非合作目标移动引起的相位偏差进行补偿，得到解线频调后的回波信号；
步骤S130，基于非合作目标运动引起的距离维误差，对所述解线频调后的回波信号进行包络对齐，得到包络对齐后的回波信号，其中，所述非合作目标运动引起的距离维误差，包括非合作目标平动分量引起的包络时延、非合作目标转动分量引起的包络走动；
步骤S140，基于移动平台位置误差和包络对齐残余误差引起的回波信号的相位误差，构造相位误差补偿函数，对包络对齐后的所述回波信号进行相位误差补偿，得到相位误差补偿后的回波信号；
步骤S150，对相位误差补偿后的所述回波信号进行二维图像恢复处理，得到非合作目标的二维图像。
图2为本发明实施例的非合作目标的运动分解示意图，如图2所示，水下目标运动可分为平动和转动：平动分量是指目标参考点沿运动轨迹移动过程中，在声纳视线方向(Line of sight,LOS)上的投影；转动分量是以参考点为中心旋转运动。如果目标运动只有平动分量，目标上各散射点多普勒相同，需要对平动分量加以补偿。补偿平动分量相当于把目标的参考点移到转台轴，ISAS成像模型转化为转台目标成像模型。
对成像模型转化为转台模型的过程进行说明：如图2所示，非合作目标从初始位置I运动至位置II，对这一运动过程进行平动分量补偿后，非合作目标相当于从初始位置I平动至位置II，这一过程就是以移动平台的声纳(Sonar)为参考点的成像模型转化为以非合作目标的转动中心为参考点的转台模型的过程。之后，只剩下以非合作目标的转动中心为参考点的转动分量，例如如图2所示的以ω为角速度的转动角度为Δθ的以转动中心O为参考点的转动运动。
在步骤S110中，假设移动平台发射的线性调频信号为其中，/>为快时间，/>tm为慢时间，fc为中心频率，γ为调频率。假设目标由D个散射点组成，接收到的第d个散射点后向散射信号为
其中，ad是散射点d的后向散射系数，rd是第d个散射点到移动平台的距离，c为声速。
在步骤S120中，移动平台上的接收机接收到的解线频调信号的参考距离为r0，可由低分辨率测距获得，解线频调参考信号为
基于公式(1)的后向散射信号和公式(2)的解线频调参考信号，接收端的接收机解线频调后的差频输出为：
通过后向散射信号与解线频调参考信号的共轭相乘，后向散射信号转化成单频脉冲信号，频率为-2γ(rd-r0)/c，与散射点和参考点到声纳的距离差成正比，可区分各散射点距离向位置。对公式(3)中的差频后向散射信号，进行快时间做FFT(快速傅里叶变换)得：
将差频后向散射信号变换到频域后，其峰值位置为f＝-2γ(rd-r0)/c。峰值位置处相位项补偿后，并对f进行逆傅里叶变换得
通过以上的处理可将接收的回波信号转化成解线频调信号，同时，回波信号模型就转化为以参考点为转台(非合作目标可以等效为一个转台)转动中心的转台模型。
在步骤S130中，非合作目标的第d个散射点到转动中心的距离rd-r0可近似为：
rd(t)-r0(t)＝Rd(t)≈R0(t)+ydcosΔθ+xdsinΔθ≈R0(t)+yd+xdΔθ (6)
其中，R0(t)是回波目标转台中心(非合作目标转动中心)到例如声纳(移动平台)的距离。公式(6)中的平动分量R0(t)在距离维会造成包络时延，使回波包络随着时间变化，同一散射点的包络分布于不同的距离单元，对距离像产生影响，需包络对齐算法加以补偿；公式(6)中的yd可区分各散射点的距离向位置，用来进行距离向成像；公式(6)中的目标转动分量xdΔθ项会引起距离维包络走动，在小角度假设下，当距离走动量不超过一个距离单元时，包络走动可忽略不计，但当转角较大时，方位向距转台中心较远的散射点可能会从一个距离单元移动到另一距离单元，这就发生了越距离徙动，会使方位成像模糊。keystone变换被广泛用于校正目标转动引起的包络走动。
在步骤S140中，回波信号的相位误差补偿函数的构造过程如下：
在实际应用中，特别是对于水下移动平台来说，常规的先验知识和惯导方法确定平台位置是有误差的，声纳平台位置估计误差势必对会对回波相位产生的影响，同时，包络对齐后存在残余误差也会影响回波相位，因此需要对回波相位误差分析。ISAS目标平动分量经过包络对齐算法校正后，脉压回波信号近似表示为
公式(7)中的第一项对应由于平台误差所引起的相位误差，可引起图像散焦。回波信号的矩阵形式可表示为
SM×N＝ΦFAH×K (8)
其中，SM×N为回波脉压后的离散信号矩阵，第m行第n列元素为s(m,n)，AH×K为后向散射系数矩阵，可代表未知的目标二维图像，其第h行k列元素为a(h,k)。矩阵F＝[F(0) F(1)…F(m)…F(M-1)]T代表方位向FFT，其中F(m)＝[exp(-j2π(m·0)/H) exp(-j2π(m·1)/H)…exp(-j2π(m·(H-1))/H)]T，矩阵Φ＝diag[Φ1 Φ2 …Φm…ΦM]表示相位误差矩阵，其中ISAR成像模型中，F是傅里叶矩阵，Φ表示相位误差矩阵，与傅里叶矩阵不相关，因此ΦF满足RIP(有限等距性质)。当测量矩阵满足RIP特性时，基于ISAS图像的本质稀疏性，可通过解决下面公式(9)的优化问题对相位误差补偿的同时恢复ISAR图像。
在步骤S150中，对二维图像恢复处理的过程进一步说明。
在发射波为平面波的假设下，信号带宽B，距离分辨率可表示为
ρy＝c/2B (10)
方位分辨率主要由多普勒决定，假设散射点d从转角为θ，位移为(xd,yd)的位置以参考点为中心旋转Δθ到坐标为(xd′,yd′)的位置，距离向移动
公式(11)中的转角通常较小，近似：sinΔθ≈Δθ，cosΔθ≈1。相位变化为
公式(12)中，λ＝c/fc为波长。当利用FFT获得回波信号多普勒时，令 即可分辨方位向位置不同的点。方位分辨率为
在实际应用中，水下目标通常是非合作的，将包络对齐和自聚焦处理后的回波信号距离维作FFT得
假设发射并接收M个脉冲，每个脉冲包含N个频率采样点。第n个频率可表示为fn＝nΔf(1≤n≤N)，Δf表示频率采样间隔，发射信号带宽为B＝NΔf。包络对齐后，目标上各散射点被校正到了正确的距离单元，散射点到声纳的距离是以tm为变量的函数。在短孔径小角度观测条件下可作如下假设：cosΔθ(tm)≈1，sinΔθ(tm)≈ω·tm，位于转台平面(x,y)的散射点距声纳瞬时斜距R(tm)为
R(tm)＝xsinΔθ(tm)+ycosΔθ(tm)≈x·ω·tm+y (15)
公式(15)经过包络对齐和相位校正后，目标参考点移到转台轴上，基频回波信号可表示为
公式(16)中，fn＝fc+nΔf。距离和方位分辨率分别由公式(10)的ρy＝c/2B＝c/2NΔf和公式(13)的ρx＝λ/(2Δθ(tM))＝λ/(2ωMT)计算。目标区域可被划分为xd＝mρx(m＝0,1,…M-1)和yd＝nρy(n＝0,1,…N-1)，回波信号可近似为
其中，a(m,n)即为恢复的二维图像，进行二维傅里叶逆变换即可恢复，得到非合作目标的二维图像。
图3为本发明实施例的一种移动平台水下非合作目标成像装置的组成示意图，如图3所示，本申请实施例提供了一种移动平台水下非合作目标成像装置，包括：
后向散射信号获取模块，用于获取非合作目标的后向散射信号，所述后向散射信号对应的发射信号为线性调频信号；
解线频调模块，用于对所述后向散射信号进行解线频调处理，并对非合作目标平动引起的相位偏差进行补偿，得到解线频调后的回波信号；
包络对齐模块，基于非合作目标运动引起的距离维误差，对所述解线频调后的回波信号进行包络对齐，得到包络对齐后的回波信号，其中，所述非合作目标运动引起的距离维误差，包括非合作目标平动分量引起的包络时延、非合作目标转动分量引起的包络走动；
相位误差补偿模块，基于移动平台位置误差和包络对齐残余误差引起的回波信号的相位误差，构造相位误差补偿函数，对包络对齐后的所述回波信号进行相位误差补偿，得到相位误差补偿后的回波信号；
恢复处理模块，对相位误差补偿后的所述回波信号进行二维图像恢复处理，得到非合作目标的二维图像。
示例性的，所述后向散射信号获取模块，可以是移动平台上的接收机或接收端，获取非合作目标的后向散射信号后，输出至相关处理模块。
示例性的，所述解线频调模块，包括：解线频调模块接收所述后向散射信号；将所述后向散射信号与包含参考距离的参考信号进行差频输出，得到解线频调后的差频后向散射信号；对所述解线频调后的差频后向散射信号进行快时间的快速傅里叶变换，得到频域的差频后向散射信号；对频域的所述差频后向散射信号的峰值位置进行非合作目标移动引起的相位补偿，并进行快速傅里叶逆变换，得到并输出解线频调后的回波信号。
示例性的，所述相位误差补偿模块，包括：相位误差补偿模块接收回波信号；将回波信号进行近似表示为：S＝ΦFA，其中，S表示回波信号，A表示后向散射系数矩阵，Φ表示相位误差矩阵，F表示傅里叶矩阵；基于ΦF为满足有限等距性质的测量矩阵，构造回波信号的相位误差补偿函数，A＝argmin{J(A，Φ)}，对回波信号的相位误差进行补偿，得到相位误差补偿后的回波信号，其中，所述回波信号的相位误差的起因包括移动平台位置估计误差与包络对齐后的残余误差。
示例性的，所述恢复处理模块，包括：恢复处理模块接收包络对齐和相位误差补偿后的回波信号；对所述回波信号进行距离维的快速傅里叶变换，得到频域的回波信号；基于距离分辨率和方位分辨率，近似处理所述频域的回波信号，并进行快速傅里叶逆变换，得到非合作目标的二维图像。
实施例1
仿真信号可根据下列典型的声纳参数产生：PRF＝10Hz，带宽B＝5kHz，中心频率fc＝50kHz，采样率为Ts＝1/Bs，目标运动角速度ω为0.002rad/s。回波信号包含512个脉冲，每个回波脉冲包含N＝512个子载波，距离单元数为512，假设在距离单元由于平动补偿误差导致的距离偏移最大可达10m。
如图4所示，目标的平动导致了距离包络的偏移和成像性能的下降，需寻求包络对齐算法对距离偏移误差进行补偿。
利用包络对齐方法，可将同一距离的散射点距离像校正到同一距离单元，包络对齐后距离像如图5所示。
但是由于平台抖动和残余误差会造成相位误差，图4图像存在严重的散焦现象，为了进一步提高补偿精度避免图像模糊，需使用本申请的优化自聚焦算法进一步处理，处理结果如图6所示，可获得清晰的成像结果，仿真试验效果明显。
本申请提出了一种针对移动平台水下非合作目标的高分辨成像算法。本发明设计的基于逆合成孔径技术的高分辨成像方法在距离和方位维获得了高分辨率，并且补偿了由于目标运动造成的图像散焦问题，相比于传统ISAS成像方法，本申请的成像方法考虑了成像平台不稳定对图像质量造成的影响，本实施例的仿真结果表明了该算法的可行性。
本申请的关键技术包括：一种基于逆合成孔径的水下目标高分辨成像信号建模和处理方法；系统应用基于优化的自聚焦技术补偿由于平台不稳定造成的图像散焦问题；将逆合成孔径技术应用于水下成像能够显著提高图像分辨率。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所以理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式之一而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种移动平台水下非合作目标成像方法，其特征在于，包括：
获取非合作目标的后向散射信号，所述后向散射信号对应的发射信号为线性调频信号；
对所述后向散射信号进行解线频调处理，并对非合作目标平动引起的相位偏差进行补偿，得到解线频调后的回波信号；
基于非合作目标运动引起的距离维误差，对所述解线频调后的回波信号进行包络对齐，得到包络对齐后的回波信号，其中，所述非合作目标运动引起的距离维误差，包括非合作目标平动分量引起的包络时延、非合作目标转动分量引起的包络走动；
基于移动平台位置误差和包络对齐残余误差引起的回波信号的相位误差，构造相位误差补偿函数，对包络对齐后的所述回波信号进行相位误差补偿，得到相位误差补偿后的回波信号；
对相位误差补偿后的所述回波信号进行二维图像恢复处理，得到非合作目标的二维图像。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述对所述后向散射信号进行解线频调处理，并对非合作目标移动引起的相位偏差进行补偿，得到解线频调后的回波信号，包括：
将所述后向散射信号与包含参考距离的参考信号进行差频输出，得到解线频调后的差频后向散射信号；
对所述解线频调后的差频后向散射信号进行快时间的快速傅里叶变换，得到频域的差频后向散射信号；
对频域的所述差频后向散射信号的峰值位置进行非合作目标移动引起的相位补偿，并进行快速傅里叶逆变换，得到解线频调后的回波信号。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述基于非合作目标运动引起的距离维误差，对所述解线频调后的回波信号进行包络对齐，得到包络对齐后的回波信号，其中，所述非合作目标运动引起的距离维误差，包括非合作目标平动分量引起的包络时延、非合作目标转动分量引起的包络走动，包括：
非合作目标平动分量在距离维会造成包络时延，使回波包络随着时间变化，同一散射点的包络分布于不同的距离单元，对距离像产生影响，需要针对包络时延的包络对齐算法加以补偿；
非合作目标转动分量会引起距离维包络走动，在小角度假设下，当距离走动量不超过一个距离单元时，包络走动可忽略不计，但当转角较大时，方位向距转台中心较远的散射点可能会从一个距离单元移动到另一距离单元，这就发生了越距离徙动，会使方位成像模糊，需要针对包络走动的包络对齐算法加以补偿。
4.根据权利要求3所述的成像方法，其特征在于，所述针对包络走动的包络对齐算法，包括：keystone变换，用于校正非合作目标转动分量引起的包络走动。
5.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述基于移动平台位置误差和包络对齐残余误差引起的回波信号的相位误差，构造相位误差补偿函数，对包络对齐后的所述回波信号进行相位误差补偿，得到相位误差补偿后的回波信号，包括：
对回波信号进行近似表示为：S＝ΦFA，其中，S表示回波信号，A表示后向散射系数矩阵，Φ表示相位误差矩阵，F表示傅里叶矩阵；
基于ΦF为满足有限等距性质的测量矩阵，构造回波信号的相位误差补偿函数，A＝argmin{J(A，Φ)}，对回波信号的相位误差进行补偿，得到相位误差补偿后的回波信号，其中，所述回波信号的相位误差的起因包括移动平台位置估计误差与包络对齐后的残余误差。
6.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述对相位误差补偿后的所述回波信号进行二维图像恢复处理，得到非合作目标的二维图像，包括：
对相位误差补偿后的所述回波信号进行距离维的快速傅里叶变换，得到频域的回波信号；
基于距离分辨率和方位分辨率，近似处理所述频域的回波信号，并进行快速傅里叶逆变换，得到非合作目标的二维图像。
7.一种移动平台水下非合作目标成像装置，其特征在于，包括：
后向散射信号获取模块，用于获取非合作目标的后向散射信号，所述后向散射信号对应的发射信号为线性调频信号；
解线频调模块，用于对所述后向散射信号进行解线频调处理，并对非合作目标平动引起的相位偏差进行补偿，得到解线频调后的回波信号；
包络对齐模块，基于非合作目标运动引起的距离维误差，对所述解线频调后的回波信号进行包络对齐，得到包络对齐后的回波信号，其中，所述非合作目标运动引起的距离维误差，包括非合作目标平动分量引起的包络时延、非合作目标转动分量引起的包络走动；
相位误差补偿模块，基于移动平台位置误差和包络对齐残余误差引起的回波信号的相位误差，构造相位误差补偿函数，对包络对齐后的所述回波信号进行相位误差补偿，得到相位误差补偿后的回波信号；
恢复处理模块，用于对相位误差补偿后的所述回波信号进行二维图像恢复处理，得到非合作目标的二维图像。
8.根据权利要求7所述的成像装置，其特征在于，所述解线频调模块，包括：
解线频调模块接收所述后向散射信号；
将所述后向散射信号与包含参考距离的参考信号进行差频输出，得到解线频调后的差频后向散射信号；
对所述解线频调后的差频后向散射信号进行快时间的快速傅里叶变换，得到频域的差频后向散射信号；
对频域的所述差频后向散射信号的峰值位置进行非合作目标移动引起的相位补偿，并进行快速傅里叶逆变换，得到并输出解线频调后的回波信号。
9.根据权利要求7所述的成像装置，其特征在于，所述相位误差补偿模块，包括：
相位误差补偿模块接收回波信号；
将回波信号进行近似表示为：S＝ΦFA，其中，S表示回波信号，A表示后向散射系数矩阵，Φ表示相位误差矩阵，F表示傅里叶矩阵；
基于ΦF为满足有限等距性质的测量矩阵，构造回波信号的相位误差补偿函数，A＝argmin{J(A，Φ)}，对回波信号的相位误差进行补偿，得到相位误差补偿后的回波信号，其中，所述回波信号的相位误差的起因包括移动平台位置估计误差与包络对齐后的残余误差。
10.根据权利要求7所述的成像装置，其特征在于，所述恢复处理模块，包括：
恢复处理模块接收相位误差补偿后的回波信号；
对所述回波信号进行距离维的快速傅里叶变换，得到频域的回波信号；
基于距离分辨率和方位分辨率，近似处理所述频域的回波信号，并进行快速傅里叶逆变换，得到非合作目标的二维图像。
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2022
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