CN116381686A - 基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法 - Google Patents

基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法 Download PDF

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CN116381686A CN202310315026.4A CN202310315026A CN116381686A CN 116381686 A CN116381686 A CN 116381686A CN 202310315026 A CN202310315026 A CN 202310315026A CN 116381686 A CN116381686 A CN 116381686A
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Abstract

本申请涉及一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法。所述方法包括：根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行处理，将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，从得到的时频分布图中获取场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的函数对压缩后的回波信号进行多普勒频率补零、距离徙动校正和方位向处理，从得到的成像结果中观察运动目标的距离单元位置，对运动目标信号进行抽取和时频分析。通过时频分析和时频图得知运动目标的多普勒中心频率后进行速度估计，根据运动目标回波的时频分布线的特征来重聚焦运动目标的图像。采用本方法能够快速实现运动目标的速度估计和图像重聚焦。

Description

基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法
技术领域
本申请涉及信号处理技术领域，特别是涉及一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
合成孔径雷达的提出是为了对静止场景进行高分辨成像，但在目标跟踪和交通监测中，运动目标的成像十分重要。合成孔径雷达运动目标成像技术可以在复杂的环境下快速监测到运动目标的运动方向和地理位置。因此，将视频合成孔径雷达与运动目标成像技术相结合就可以对运动目标进行持续的监测。但是运动目标成像的难点也是总所周知的：两个方向速度的存在导致了运动目标成像结果会出现偏移和散焦。
然而，目前现有的运动目标成像技术中，速度估计的方法大多比较繁琐和费时，而且还有大量的公式推导，速度估计效率慢。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够快速实现运动目标的速度估计和图像重聚焦的基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法、装置、计算机设备和存储介质。
一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法，方法包括：
获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；
根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；
将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从时频分布图中获取整个场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；
根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；
从初步成像结果中获取运动目标所处的距离单元位置，将运动目标信号提取出来后进行时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；
根据雷达脉冲重复频率对初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；
对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度；
对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率；
根据运动目标的径向速度、方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。
在其中一个实施例中，根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，包括：
根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型为
Figure BDA0004149959090000021
其中，R(tm)为瞬时距离，rect()表示窗函数，exp表示e为底的指数函数，j表示虚数单位，t为距离快时间，Tp为雷达脉冲宽度，fc为雷达中心频率，λ为雷达波长，kr为距离向调频率，tm是方位慢时间，Ta为合成孔径时间，c为光速。
在其中一个实施例中，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号，包括：
根据汉宁窗对雷达回波模型进行加窗处理，得到加窗后的回波信号；
对加窗后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到压缩后的回波信号。
在其中一个实施例中，预先设置的多普勒频率补零函数为exp(-j2πfdctm)，其中fdc为场景回波的多普勒中心频率。
在其中一个实施例中，预先设置的距离徙动校正函数为exp(-j4πfrVsinθtm/c)，fr为距离频率，V是雷达平台速度，θ为雷达斜视角。
在其中一个实施例中，预先设置的方位向参考函数为
Figure BDA0004149959090000031
ka为信号方位向调频率。
在其中一个实施例中，对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度，包括：
对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度为
vr＝λfshift/-2
其中，fshift为多普勒中心频率偏移。
一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像装置，所述装置包括：
雷达回波模型构建和处理模块，用于获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；
回波信号补偿模块，用于将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从时频分布图中获取整个场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；
时频分析模块，用于根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；从初步成像结果中获取运动目标所处的距离单元位置，将运动目标信号提取出来后进行时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；
多普勒中心频率偏移计算模块，用于根据雷达脉冲重复频率对初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；
成像模块，用于对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度；对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率；根据运动目标的径向速度、方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；
根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；
将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从时频分布图中获取整个场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；
根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；
从初步成像结果中获取运动目标所处的距离单元位置，将运动目标信号提取出来后进行时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；
根据雷达脉冲重复频率对初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；
对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度；
对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率；
根据运动目标的径向速度、方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；
根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；
将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从时频分布图中获取整个场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；
根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；
从初步成像结果中获取运动目标所处的距离单元位置，将运动目标信号提取出来后进行时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；
根据雷达脉冲重复频率对初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；
对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度；
对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率；
根据运动目标的径向速度、方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。
上述基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法、装置、计算机设备和存储介质，首先获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；加窗的目的是为了抑制信号的旁瓣从而提高分辨率。将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从时频分布图中获取场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；从初步成像结果中观察运动目标的距离单元位置，接着对运动目标信号进行抽取和时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；根据雷达脉冲重复频率对初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；利用多普勒中心频率偏移公式进行计算，得到运动目标的径向速度，快速实现了运动目标的速度估计，再对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率，通过观察运动目标回波的时频分布图来校正方位向调频率，达到了运动目标图像重聚焦的目的并且省去了参数估计的过程，最后根据运动目标的径向速度、方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。本申请一方面能够快速实现运动目标的速度估计，简化估计的过程，进而实现了运动目标快速成像；另一方面对运动目标图像重聚焦时，不进行参数估计直接根据时频分布图来不断优化成像结果，既节省了时间又实现了运动目标的速度估计快速成像和图像重聚焦，仅利用时频分析就可以完成运动目标的速度估计和运动目标图像重聚焦，整个过程参数估计过程简便，成像效率高。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法的流程示意图；
图2为一个实施例中成像几何模型的示意图；
图3为一个实施例中径向速度大于零时的具体的成像结果图和回波时频分布图；其中，(a)为成像结果图，(b)为回波时频分布图；
图4为一个实施例中径向速度小于零时的具体的成像结果图和回波时频分布图；其中，(a)为成像结果图，(b)为回波时频分布图；
图5为一个实施例中某一帧场景回波的时频分布图；
图6为一个实施例中补偿多普勒中心后的成像结果图；
图7为一个实施例中放大后的成像结果图；
图8为一个实施例中运动目标回波的时频分布图；
图9为一个实施例中运动目标聚焦前后的时频分布图；其中，(a)为运动目标聚焦的时频分布图，(b)为运动目标聚焦后的时频分布图；
图10为一个实施例中运动目标聚焦前后的结果图；其中，(a)为运动目标聚焦的结果图，(b)为运动目标聚焦后的结果图；
图11为一个实施例中一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像装置的结构框图；
图12为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法，包括以下步骤：
步骤102，获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号。
根据雷达回波模型的相位项可得运动目标回波的方位多普勒频率为：
Figure BDA0004149959090000071
其中，回波的多普勒中心频率为fmdc＝-2(x0vx-x0v+y0vy)/(λR0)，2x0v/(λR0)是由雷达运动引起的多普勒中心频率，也可以说目标本身横向位置带来的多普勒中心频率，而由目标自身运动带来的多普勒中心频率偏移量为fshift＝-2(x0vx+y0vy)/(λR0)，这一项会导致运动目标成像结果偏移原始位置。方位向多普勒调频率为
Figure BDA0004149959090000072
这一项会影响运动目标成像结果的聚焦效果。为了便于分析，本申请对fshift再进行简化，在实际中，目标的横向位置相比于纵向位置要小很多，所以-2(x0vx)/(λR0)的较小，对fshift的影响不大，可以被忽略，此时fshift＝-2(y0vy)/(λR0)，而/>
Figure BDA0004149959090000073
本申请定义vr为运动目标的径向速度，那么fshift＝-2vr/λ。
由此可知，运动目标的径向速度会导致成像结果偏移原始位置，而方位向速度的存在会导致成像结果散焦。那么，只要知道两个方向的速度，就可以知道运动目标的多普勒中心频率偏移量和方位向信号调频率，然后用这两个参数对运动目标进行精确的成像。对得到的回波进行加窗处理和距离压缩，距离向压缩就是提高距离向分辨率，在这里本申请使用的窗函数是汉宁窗，直接调用窗函数然后和信号相乘，加窗的目的是为了抑制信号的旁瓣从而提高分辨率，接着直接对信号进行距离向傅里叶变换，这一步等效于距离压缩。
步骤104，将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从时频分布图中获取整个场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波。
将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换画出时频分布图，然后观察时频分布得到场景回波的多普勒中心频率，把距离压缩后的信号乘一个多普勒频率补零函数来补偿场景回波的多普勒中心频率，从而确保成像结果在中心位置。
步骤106，根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；从初步成像结果中获取运动目标所处的距离单元位置，将运动目标信号提取出来后进行时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率。
经过距离压缩和场景多普勒中心频率补零后，接下需要做的就是距离徙动校正。因为视频合成孔径雷达的成像模式为聚束模式，因此合成孔径时间较长，而在成像处理时我们采用的都是分段数据，每段数据的合成孔径时间很短，可被近似看作是条带SAR数据，且每段数据也被称作一帧数据。本申请采用距离多普勒算法进行数据处理，设置距离徙动校正函数表达式为：
exp(-j4πfrVsinθtm/c)
其中fr为距离频率，V是雷达平台速度，θ为雷达斜视角。
因为合成孔径很短，所以由目标运动造成的距离徙动并不大，因此它和雷达自身运动造成的距离徙动都可以由上式补偿掉。距离徙动校正完成后，接下来就是方位向的处理，首先要做的就是在方位时域乘一个方位向参考函数，然后再进行方位傅里叶变换。从成像结果中观察运动目标所处的距离单元位置，然后把运动目标信号单独抽取出来做时频分析。在对运动目标信号做时频分析时，先把场景回波的多普勒中心频率补偿掉，得到准确的运动目标多普勒中心频率，然后从时频分布图中得到运动目标回波的多普勒中心频率。
步骤108，根据雷达脉冲重复频率对初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移。
根据雷达脉冲重复频率(PRF)对成像结果的方位向进行定标，范围是-PRF/2到PRF/2，可以观察到此时场景中心的多普勒中心频率为零，并且可以观察到运动目标横向位置带来的多普勒频率。根据时频分布图得到运动目标回波的多普勒中心频率，再减去目标本身位置带来的多普勒频率就可以得到运动目标运动带来的多普勒中心频率偏移，最后根据公式fshift＝-2vr/λ可以得到此时运动目标的径向速度。
步骤110，对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度；对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率；根据运动目标的径向速度、方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。
对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，然后画出时频图，可以观察到运动目标的时频分布线有倾斜和抖动。通过观察时频分布图对方位向参考函数的调频率进行修改直到倾斜消失，而抖动可以应用相位梯度自聚焦函数来解决。经过这样一个步骤，运动目标图像就可以被重新聚焦。
上述基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法中，首先获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；加窗的目的是为了抑制信号的旁瓣从而提高分辨率。将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从时频分布图中获取场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；从初步成像结果中观察运动目标的距离单元位置，接着对运动目标信号进行抽取和时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；根据雷达脉冲重复频率对初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度，快速实现了运动目标的速度估计，再对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率，通过观察运动目标回波的时频分布图来校正方位向调频率，达到了运动目标图像重聚焦的目的并且省去了参数估计的过程，最后根据运动目标的径向速度、方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。本申请一方面能够快速实现运动目标的速度估计，简化估计的过程，进而实现了运动目标快速成像；另一方面对运动目标图像重聚焦时，不进行参数估计直接根据时频分布图来不断优化成像结果，既节省了时间又实现了运动目标的速度估计快速成像和图像重聚焦，仅利用时频分析就可以完成运动目标的速度估计和运动目标图像重聚焦，整个过程参数估计过程简便，成像效率高。
在其中一个实施例中，根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，包括：
根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型为
Figure BDA0004149959090000101
其中，R(tm)为瞬时距离，rect()表示窗函数，exp表示e为底的指数函数，j表示虚数单位，t为距离快时间，Tp为雷达脉冲宽度，fc为雷达中心频率，λ为雷达波长，kr为距离向调频率，tm是方位慢时间，Ta为合成孔径时间，c为光速。
在其中一个实施例中，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号，包括：
根据汉宁窗对雷达回波模型进行加窗处理，得到加窗后的回波信号；
对加窗后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到压缩后的回波信号。
在其中一个实施例中，预先设置的多普勒频率补零函数为exp(-j2πfdctm)，其中fdc为场景回波的多普勒中心频率。
在其中一个实施例中，预先设置的距离徙动校正函数为exp(-j4πfrVsinθtm/c)，fr为距离频率，V是雷达平台速度，θ为雷达斜视角。
在其中一个实施例中，预先设置的方位向参考函数为
Figure BDA0004149959090000111
ka为信号方位向调频率。
在其中一个实施例中，对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度，包括：
利用多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度为
vr＝λfshift/-2
其中，fshift为多普勒中心频率偏移。
在具体实施例中，以一个载频为220GHz的雷达系统为例，以点目标作为成像目标，带宽为900MHz，脉冲重复频率为16000Hz，脉冲持续时间为1μs，雷达平台速度为60m/s，平台高度为1300m。成像几何模型如图2所示。
通过仿真发现：当运动目标的径向速度大于零时，成像结果会从左偏移原始位置，此时运动目标的多普勒中心频率偏移量小于零；而当运动目标的径向速度小于零时，成像结果会从右偏移原始位置，此时运动目标的多普勒中心频率偏移量大于零。图3和图4给出了具体的成像结果和时频分布图.
从仿真结果中发现：当运动目标的径向速度大于零时，运动目标回波的多普勒中心频率小于零，如图3(b)所示，此时运动目标回波的多普勒中心频率为-3550Hz，而目标横向位置带来的多普勒中心频率由公式2x0v/(λR0)计算可得333Hz，所以由fmdc可知此时运动目标运动带来的多普勒中心频率偏移量为-3833Hz。由径向速度和多普勒中心频率偏移量的关系fshift＝-2vr/λ可以得到vr为2.6134m/s，再由径向速度和距离向速度关系
Figure BDA0004149959090000121
可以得到距离向速度vy为3.0020m/s。同样的，当运动目标的径向速度小于零时，如图4(b)所示，运动目标回波的多普勒中心频率大于零，此时fmdc为4100Hz，目标横向位置带来的多普勒中心频率为333Hz，所以此时运动目标运动带来的多普勒中心频率偏移量为3767Hz，可以得到此时vr为2.5684m/s，距离向速度vy为2.9503m/s。
下面把此方法运用到真实数据当中，按照流程图首先对场景回波的多普勒中心频率进行估计然后补偿掉场景回波的多普勒中心频率后再估计运动目标的多普勒中心频率，某一帧场景回波的时频分布图如图5所示，可知场景的多普勒中心频率为5800Hz。然后把场景的多普勒中心频率补偿掉，成像结果会保持在中间，如图6所示。接着放大成像结果，观察得到目标横向位置带来的多普勒频率，从图7可得此时目标横向位置带来的多普勒中心频率为650Hz。
接着把运动目标信号抽取出来做时频分析来得到运动目标的多普勒中心频率，如图8所示。可以看出运动目标的多普勒中心频率为4950Hz，并且由成像结果得知此时运动目标的径向速度小于零，那么再减去目标横向位置带来的多普勒频率可得运动目标运动带来的多普勒中心频率偏移为4300Hz，由此可得运动目标的径向速度为-2.9861m/s。接下来是运动目标重聚焦的问题，把信号进行方位向傅里叶反变换然后抽取出运动目标信号做时频分析并画出时频图，如图9和图10所示。从图9可以看出，运动目标聚焦前的时频分布线有一定的倾斜角度和抖动，其中倾斜是因为调频率不匹配导致，本申请通过修改调频率就可以消除这个角度，而抖动是因为一些非线性影响造成的，再利用相位梯度自聚集(PGA)函数来解决。经过调频率的修改和利用PGA函数，运动目标图像被重新聚焦，如图10所示。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图11所示，提供了一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像装置，包括：雷达回波模型构建和处理模块1102、回波信号补偿模块1104、时频分析模块1106、多普勒中心频率偏移计算模块1108和成像模块1110，其中：
雷达回波模型构建和处理模块1102，用于获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；根据瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；
回波信号补偿模块1104，用于将压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从时频分布图中获取整个场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；
时频分析模块1106，用于根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；从初步成像结果中获取运动目标所处的距离单元位置，将运动目标信号提取出来后进行时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；
多普勒中心频率偏移计算模块1108，用于根据雷达脉冲重复频率对初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；
成像模块1110，用于对多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度；对初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率；根据运动目标的径向速度、方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。
关于基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像装置的具体限定可以参见上文中对于基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法的限定，在此不再赘述。上述基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图12所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图12中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像方法，其特征在于，所述方法包括：
获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；
根据所述瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对所述雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；
将所述压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从所述时频分布图中获取整个场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对所述压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；
根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对所述补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；
从所述初步成像结果中获取运动目标所处的距离单元位置，将运动目标信号提取出来后进行时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；
根据雷达脉冲重复频率对所述初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；
对所述多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度；
对所述初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据所述变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率；
根据所述运动目标的径向速度、所述方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，包括：
根据所述瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型为
Figure FDA0004149959070000011
其中，R(tm)为瞬时距离，rect()表示窗函数，exp表示e为底的指数函数，j表示虚数单位，t为距离快时间，Tp为雷达脉冲宽度，fc为雷达中心频率，λ为雷达波长，kr为距离向调频率，tm是方位慢时间，Ta为合成孔径时间，c为光速。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号，包括：
根据汉宁窗对所述雷达回波模型进行加窗处理，得到加窗后的回波信号；
对所述加窗后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到压缩后的回波信号。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预先设置的多普勒频率补零函数为exp(-j2πfdctm)，其中fdc为场景回波的多普勒中心频率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预先设置的距离徙动校正函数为exp(-j4πfrVsinθtm/c)，fr为距离频率，V是雷达平台速度，θ为雷达斜视角。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预先设置的方位向参考函数为
Figure FDA0004149959070000021
ka为信号方位向调频率。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度，包括：
对所述多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度为
vr＝λfshift/-2
其中，fshift为多普勒中心频率偏移。
8.一种基于时频分析的太赫兹视频合成孔径雷达动目标成像装置，其特征在于，所述装置包括：
雷达回波模型构建和处理模块，用于获取雷达到运动目标的瞬时距离和雷达回波；根据所述瞬时距离和雷达回波构建运动目标的雷达回波模型，对所述雷达回波模型进行加窗处理和距离压缩，得到压缩后的回波信号；
回波信号补偿模块，用于将所述压缩后的回波信号进行短时傅里叶变换，得到时频分布图，对从所述时频分布图中获取整个场景回波的多普勒中心频率，根据预先设置的多普勒频率补零函数对所述压缩后的回波信号进行补偿，得到补偿后的回波；
时频分析模块，用于根据预先设置的距离徙动校正函数和方位向参考函数对所述补偿后的回波进行距离徙动校正和方位向的处理，得到初步成像结果；从所述初步成像结果中获取运动目标所处的距离单元位置，将运动目标信号提取出来后进行时频分析，得到运动目标回波的多普勒中心频率；
多普勒中心频率偏移计算模块，用于根据雷达脉冲重复频率对所述初步成像结果的方位向进行定标，借助目标阴影得到运动目标横向位置带来的多普勒频率，利用运动目标回波的多普勒中心频率减去运动目标横向位置带来的多普勒频率，得到多普勒中心频率偏移；
成像模块，用于对所述多普勒中心频率偏移进行计算，得到运动目标的径向速度；对所述初步成像结果进行方位向傅里叶反变换并对运动目标信号进行短时傅里叶变换，得到变换后的时频图，根据所述变换后的时频图对方位向参考函数的调频率进行修改直到运动目标的时频分布线的倾斜消失，得到方位向信号调频率；根据所述运动目标的径向速度、所述方位向信号调频率和相位梯度自聚焦函数对运动目标进行精确成像，得到最终成像结果。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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