CN116482686B - 一种基于方位向自适应分块的高分辨率isar成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于方位向自适应分块的高分辨率ISAR成像方法，包括：在平动补偿和越距离单元徙动校正后通过方位向傅里叶变换获得粗聚焦的图像；在每个距离门对方位向粗聚焦结果进行自适应分块；将每一个子块变换到时域并执行时频分析得到信号的时频曲线；对时频曲线的对齐反演得到相位补偿函数；将校正后的各个子块拼接，得到高质量的ISAR图像。本发明计算复杂度较低，且具有便于实现的特点。
Description
技术领域
本发明属于ISAR( Inverse Synthetic Aperture Radar )成像技术领域，具体涉及一种基于方位向自适应分块的高分辨率ISAR成像方法。
背景技术
逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR）能够全天时、全天候实现对非合作目标的高分辨率二维成像，因此具有广泛的民事和军事应用。在ISAR系统中，通过发射宽带脉冲信号可以获得距离高分辨率。非合作目标相对于雷达的旋转运动引起目标回波在不同角度上的相干积累，可以获得方位高分辨率。然而，在许多情况下，目标通常表现出未知的机动运动，由于接收信号的时变多普勒特性，经典的距离-多普勒（RD）算法可能会严重损害目标图像。解决这个问题的一个有效方法是距离瞬时多普勒（RID）成像技术。
RID技术分为两类：参数化和非参数化。在非参数RID技术中，用于方位聚焦的RD算法中的傅里叶变换被联合时频分析（joint time-frequency analysis，JTFA）所取代，例如短时傅里叶变换（short-time Fourier transform，STFT）和维格纳-维尔分布（Wigner-Ville distribution，WVD）。但是，这些JTFA技术对于ISAR的应用存在一些问题。
参数化RID技术可以避免几何分辨率损失。通常，这些方法将接收信号建模为多分量多项式相位信号（multicomponent polynomial phase signal，PPS），并估计每个组件的参数以重建聚焦的RID图像。然而，这些方法大都需要坐标轴变换与最优化搜索，所需计算负担较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于方位向自适应分块的高分辨率ISAR成像方法，其为基于方位向数据自适应分块和相位误差补偿函数估计的高分辨率ISAR成像方法，通过校正方位空变的相位误差，获得聚焦良好的高质量ISAR图像。本发明在粗成像以后自适应选择方位向散焦的散射单元，并通过逆傅里叶变换变换到信号域。对所提取信号进行时频分析，然后通过最小熵方法对二维时频平面内曲线进行包络对齐，进而反演相位补偿因子。结合RID技术，可以获得高质量的ISAR图像。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于方位向自适应分块的高分辨率ISAR成像方法，包括如下步骤：
步骤1、利用逆合成孔径雷达接收原始回波数据，使用平动补偿方法和越距离徙动单元校正方法；然后对距离门信号进行方位向傅里叶变换（FFT）和时频分析（SPWVD），得到粗成像结果和时频分析结果；
步骤2、进行方位向自适应分块，在得到粗成像结果以后自适应选择方位向散焦的散射单元，对粗成像的回波信号进行散射单元提取；
步骤3、根据方位向自适应分块的结果，确定每个子块在时频平面的位置；
步骤4、构造相位误差补偿函数，对时频平面内的曲线进行包络对齐，通过包络对齐的移位值反演相位误差补偿函数；
步骤5、判断子块内是否只有一个散射点，如果不满足条件，则继续进行步骤2-步骤4的迭代；
步骤6、使用相位误差补偿函数对L个子块补偿以后，将L个子块进行拼接，对不同距离门进行重复处理，得到最终聚焦良好的ISAR图像。
进一步地，所述步骤2包括：设定能量阈值，能量阈值为距离门最大能量的1/10；大于所述能量阈值的像素单元是散射点逸散的能量，小于所述能量阈值的像素单元为噪声与杂波；然后，对于已经挑选出的信号区域的方位索引进行错位相减，根据错位相减的结果进行分块。
进一步地，所述步骤3包括：根据每一子块在整块数据中的位置选择时频分析平面对应的区域。
进一步地，所述步骤4包括：构造相位误差补偿函数，对各个子块对应的原信号进行补偿，得到空变相位误差校正后的信号；对二维时频平面的曲线进行包络对齐，通过包络对齐对移位值进行处理；当平移运动得到精确的补偿时，此时方位向信号建模为三次相位信号，通过最小二乘法得到三次相位信号的参数；当平移运动没有得到完全补偿时，对移位值建模，成为更高阶多项式或者直接对移位值进行积分以获得更为准确的相位误差补偿函数。
进一步地，所述步骤5中的判断方法为：对补偿后的信号傅里叶变换后求出最大值及周围像素的能量，这个能量就是强散射点经过补偿后聚焦的能量。当散射点聚焦的能量大于整个子块能量的90%，可以认为此时子块内只有一个强散射点。
本发明的有益效果为：
1 )本发明通过方位向自适应分块和时频曲线对齐，能准确实现方位空变高阶相位误差补偿，克服了现有方法难以实现二维空变相位误差校正的问题，从而得到聚焦良好的高分辨率ISAR图像。
2 )本发明由于没有使用插值和最大化搜索方法，方法计算复杂度较低，且具有便于实现的特点。
附图说明
图1为本发明的基于方位向自适应分块的高分辨率ISAR成像方法流程图；
图2(a)，图2(b)为ISAR成像几何示意图；其中图2(a)为飞行模型，图2(b)为转台模型；
图3为方位向自适应分块示意图；其中，(a)为粗聚焦结果与选取的幅度阈值比较结果；(b)为选取的目标回波能量区域；(c)为选取区域的方位目标索引；(d)为错位相减结果与间隔阈值比较结果；
图4为Ka波段仿真数据成像对比结果；其中，(a)为RD算法成像结果；(b)为越距离单元徙动校正后的成像结果；(c)为RWT方法的成像结果；(d)为PMEO方法成像结果；(e)为PEMCPS方法成像结果；(f)为本发明所提方法成像结果；
图5为X波段实测飞机成像对比结果；其中，(a)为RD算法成像结果；(b)为越距离单元徙动校正后的成像结果；(c)为RWT方法的成像结果；(d)为PMEO方法成像结果；(e)为PEMCPS方法成像结果；图(f)为本发明所提方法成像结果。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的基于方位向自适应分块的高分辨率ISAR成像方法包括如下步骤：
步骤101：利用逆合成孔径雷达接收原始回波数据，使用平动补偿方法和越距离徙动单元校正方法；然后对距离门信号进行方位向傅里叶变换（FFT）和时频分析（SPWVD），得到粗成像结果和时频分析结果：
ISAR成像几何示意图如图2(a)，图2(b)所示。在成像积累时间内，目标从位置L1运动到位置L2。/>为初始时刻，/>为方位慢时间，并且有，其中/>为相干处理间隔(Coherent ProcessingInterval, CPI)。/>是初始目标运动方向与雷达视线（Radar Line of Sight, RLOS）的夹角。/>是雷达与目标之间的初始径向距离，/>是目标平动引起的瞬时径向距离变化。目标在位置L3的转动运动如图2(b)所示。以目标的旋转中心O为原点，RLOS方向为Y轴，X轴垂直于Y轴和转速/>确定的平面，Z轴根据X轴和Y轴由右手法则确定。因此，目标的转速/>可以分解为/>和/>，其中/>垂直于RLOS，平行于RLOS。/>并不改变目标上各散射点和雷达之间的斜距，即不产生多普勒信息，因此/>对ISAR成像无贡献。经过以上分析可知，在CPI内，目标在由X轴和Y轴构成的成像投影平面（Imaging Projection Plane, IPP）内以转速转动，其中/>是有效初始旋转速度，/>是有效旋转加速度。因此图2(b)中的旋转角度/>。/>是由目标旋转运动引起的瞬时径向距离变化，且/>是雷达与散射点/>之间的瞬时径向总距离。
经过距离压缩、基带解调等预处理后，目标在距离-时间域和方位-时间域的回波信号可表示为：
(1),
其中，r为距离压缩后的距离索引，为散射点p的后向散射系数，P为散射点总数，c为光速，B为雷达系统带宽，/>为载频，/>，exp为指数函数，j为虚数单位。由图2(b)可知，雷达与散射点p之间的瞬时径向总距离为：
(2),
式(2)中包含两部分: 和/>。第一项表示目标旋转中心和雷达之间的斜距历程，它对所有散射点是相同的。/>表示目标转动运动造成的瞬时斜距变化，它对不同散射点具有差异性，是实现目标方位分辨的本质来源。
根据ISAR转台模型，可表示为：
(3),
其中，是有效初始旋转速度，/>是有效旋转加速度，/>和/>表示散射点p的位置。
由式(2)可以看出，会引起距离单元徙动，包括平移徙动和越距离单元徙动(MTRC)。首先通过平动补偿算法消除/>。利用Keystone变换(KT)可以补偿由目标旋转运动相对于RLOS引起的MTRC。假设经过距离偏移补偿后，目标所有散射点均位于正确的距离区间内，第n个距离门内有K个散射点，第k个散射点的后向散射系数为/>，对应的方位回波为：
(4)，
其中，和/>分别表示第k个散射点的坐标。对式(4)执行傅里叶变换，得到粗聚焦的图像。
步骤102：进行方位向自适应分块，在得到粗成像结果以后自适应选择方位向散焦的散射单元，对粗成像的回波信号进行散射单元提取，包括：
自适应方位向数据分块，在傅里叶变换(FFT)以后在每个距离门自适应选择方位向散焦的子块，第n个距离门得到L个子块；具体步骤如图3所示，其中图3的(a)表示粗聚焦结果与选取的幅度阈值比较结果；图3的(b)表示选取的目标回波能量区域；图3的(c)表示选取区域的方位目标索引；图3的(d)表示错位相减结果与间隔阈值比较结果。
在粗聚焦的图像中，每一个散射点的能量集中在同一个距离门，但会在方位向出现散焦。然后，在距离门提取各个散射点散焦的能量。具体步骤是设定一个能量阈值，大于这个能量阈值的认为是散射点逸散的能量，小于这个能量阈值的认为是噪声与杂波。能量阈值的选择可以参考方位信号的幅度最大值，一般选择为最大幅值的1/10；如图3的(a)和图3的(b)所示。
对于已经挑选出的信号区域的方位索引进行错位相减，目的是看相邻的能量区域是否属于同一个散射点，如图3的(c)所示。此处也需要设置一个阈值，相邻)能量单元间隔大于这个阈值的认为这两个能量单元属于不同散射点，反之则是属于同一个散射点，如图3的(d)所示。
步骤103：根据方位向自适应分块的结果，确定每个子块在时频平面的位置：
在自适应分块之后，根据每一子块在整块数据中的位置选择时频分析平面对应的区域。这样对于处理不同子块的信号只需要进行一次时频分析，并且由于选择SPWVD方法，所以交叉项可以得到极大的抑制。
步骤104：构造相位误差补偿函数，对时频平面内的曲线进行包络对齐，通过包络对齐的移位值反演相位误差补偿函数：
在对二维时频平面的曲线进行包络对齐时，为了提高运算速度与信噪比增益，采用全局最小熵对齐方法，可以通过傅里叶变换快速实现。
通过包络对齐得到的移位值有不同的处理方式。当平移运动得到精确的补偿时，此时方位向信号可以建模为三次相位信号，即移位值建模为二次多项式，通过最小二乘法得到三次相位信号的参数。并且可以舍弃瞬时频率像与平均频率像的相关系数较小的时刻，以提高拟合精度。
时频平面中频率随方位时间变化的关系为：
(5），
其中d代表微分，表示波长。
利用包络对齐得到的移位值进行最小二乘拟合，得到的时间-频率关系为：
(6)，
其中，表示多项式的系数，则相位补偿表达式为：
(7)，
当平移运动没有得到完全补偿时，此时方位信号除了转动产生的相位以外还残余平动相位误差。因此可以对移位值建模为更高阶多项式或者直接对移位值进行积分以获得更为准确的相位补偿函数：
(8)，
步骤105：判断子块内是否只有一个散射点，如果不满足孤立散射点的条件，则继续进行步骤2-步骤4的迭代；值得注意的是，相距很近的散射点的能量可能会逸散成一个整体，导致无法分开这几个散射点。子块内散射点数量有多个，意味着时频分析平面内有多条弯曲程度不一致的曲线，那么一次包络对齐无法校正所有的曲线。因此需要区分这种情况，并进行特殊的处理。因此此处需要加上一个判别：对补偿后的信号傅里叶变换后求出最大值及其左右像素的能量，这个能量就是强散射点经过补偿后聚焦的能量。当散射点聚焦的能量大于整个子块能量的90%，可以认为此时子块内只有一个强散射点，并且该散射点得到了良好的聚焦。反之，对补偿后的信号继续分块，此时经过粗补偿，在粗补偿之前无法区分的不同散射点已经可以分开。原因在于：尽管同一子块不同散射点在时频平面内的时频曲线弯曲程度不同，但由于它们的距离向坐标相同，且方位向坐标接近，所以弯曲的方向大致相同。因此，每一个散射点的相位误差可以得到一定程度的补偿，从而减轻方位模糊，实现不同散射点间能量的可分。
步骤106：将相位补偿后的L个子块进行拼接得到第n个距离单元的聚焦结果。通过对不同的距离门迭代上述步骤，可以得到聚焦良好的ISAR图像。
实施例1
实施例选取Ka波段的仿真数据，本仿真采用的目标模型为含有52个散射点的B727飞机。
图4为Ka波段仿真数据成像对比结果；其中，图4的(a)为RD算法成像结果；图4的(b)为越距离单元徙动校正后的成像结果；图4的(c)为RWT方法的成像结果；图4的(d)为PMEO方法成像结果；图4的(e)为PEMCPS方法成像结果；图4的(f)为本发明所提方法成像结果。
可以看到，所提方法比其他算法具有更好的ISAR成像质量。
此外，图4的(a)-图4的(f)的熵值和对比度列在表1中，其中图4的(f)的熵最小，对比度最大。
表1 仿真图像的熵和对比度
，
实施例2
实施例选取X波段的实测数据。
图5为X波段实测数据成像对比结果；其中，图5的(a)为RD算法成像结果；图5的(b)为越距离单元徙动校正后的成像结果；图5的(c)为RWT方法的成像结果；图5的(d)为PMEO方法成像结果；图5的(e)为PEMCPS方法成像结果；图5的(f)为本发明所提方法成像结果。
可以看到，所提方法比其他算法具有更好的ISAR成像质量。
此外，图5的(a)-图5的(f)的熵值和对比度列在表2中，其中图5的(f)的熵最小，对比度最大。
表2 实测图像的熵和对比度
，
以上所述，仅为本发明的部分实施例而已，在其他情况下本发明仍然适用，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于方位向自适应分块的高分辨率ISAR成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、利用逆合成孔径雷达接收原始回波数据，使用平动补偿方法和越距离徙动单元校正方法；然后对距离门信号进行方位向傅里叶变换和时频分析，得到粗成像结果和时频分析结果；
步骤2、进行方位向自适应分块，在得到粗成像结果以后自适应选择方位向散焦的散射单元，对粗成像的回波信号进行散射单元提取，假定分块数量为L，包括：设定能量阈值，能量阈值为距离门最大能量的1/10；大于所述能量阈值的像素单元是散射点逸散的能量，小于所述能量阈值的像素单元为噪声与杂波；然后，对于已经挑选出的信号区域的方位索引进行错位相减，根据错位相减的结果进行分块；
步骤3、根据方位向自适应分块的结果，确定每个子块在时频平面的位置；
步骤4、构造相位误差补偿函数，对时频平面内的曲线进行包络对齐，通过包络对齐的移位值反演相位误差补偿函数，包括：
构造相位误差补偿函数，对各个子块对应的原信号进行补偿，得到空变相位误差校正后的信号；对二维时频平面的曲线进行包络对齐，通过包络对齐对移位值进行处理；当平移运动得到精确的补偿时，此时方位向信号建模为三次相位信号，通过最小二乘法得到三次相位信号的参数；当平移运动没有得到完全补偿时，对移位值建模，成为更高阶多项式或者直接对移位值进行积分以获得更为准确的相位误差补偿函数；
步骤5、判断子块内是否只有一个散射点，如果不满足条件，则继续进行步骤2-步骤4的迭代，判断方法为：判断方法为：对补偿后的信号傅里叶变换后求出最大值及周围像素的能量，所述能量是强散射点经过补偿后聚焦的能量；当散射点聚焦的能量大于整个子块能量的90%，认为此时子块内只有一个强散射点；
步骤6、使用相位误差补偿函数对L个子块补偿以后，将L个子块进行拼接，对不同距离门进行重复处理，得到最终聚焦良好的ISAR图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于方位向自适应分块的高分辨率ISAR成像方法，其特征在于，所述步骤3包括：根据每一子块在整块数据中的位置选择时频分析平面对应的区域。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于ISAR和相位恢复的SAR运动目标成像方法;史洪印;郭建文;刘悦;杨亭;;信号处理(第04期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116482686A (zh) | 2023-07-25 |
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