CN116482687B - 基于最小均方误差的幅变目标isar成像平动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，包括：距离压缩后将回波划分为若干个子孔径；通过平均距离像最小熵法实现每个子孔径内回波的包络对齐；基于最小均方误差的准则实现不同子孔径间的距离剖面对准；对距离对准后的回波执行Radon变换，提取具有最大能量的散射单元；对提取的散射单元进行包络精对齐和相位补偿函数提取；对整个回波进行相位校正和转动补偿，得到聚焦良好的ISAR图像。本发明可以在回波存在MTRC的情况下准确提取相位补偿函数，有利于后续的转动补偿和方位成像。
Description
技术领域
本发明属于ISAR( Inverse Synthetic Aperture Radar )成像技术领域，具体涉及一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法。
背景技术
逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR）成像技术凭借其全天时、全天候以及高分辨的独特优势，在军事和民事领域都扮演着重要的角色。ISAR通过对卫星、飞机和舰船等目标进行高分辨成像，为非合作目标的分类和识别提供了有力的技术支撑。近年来，由于高分辨雷达体制的出现，雷达工作波段不断升高，带宽也随之增大，在HR-ISAR成像实际处理中发现传统平动补偿算法精度不足。运动补偿是ISAR成像的关键环节，直接影响雷达图像的质量。雷达信号带宽的增大，对平动补偿精度提出了更高的要求，同时带来了严峻的挑战。在平动补偿中，包络对齐是相位校正的前提条件，其精度影响着相位校正的精度，因此高精度的距离对准对ISAR成像至关重要。包络对齐主要有相关法、熵值法和图像法等。
最小熵方法的本质与相关法相同，都是以脉冲间幅度变化的相似性为准进行包络对齐，区别在于采取的准则不同。互相关方法的本质是基于模-2准则搜索的包络对齐方法。最小熵方法认为包络的熵最小时，信号包络完成对齐。在大带宽的信号处理中目标转动运动往往产生越距离单元徙动(MTRC)，进而使得脉冲时延具有空变性，传统包络对齐方法效果明显下降。另外，由于分辨率提升，成像所需转角变大，散射点在整个相干积累时间内后向散射系数恒定不变的假设不再满足，回波信号模型呈现出调幅信号的形式。因此，各个时刻的瞬时距离像与全孔径的平均距离像的相似性下降，基于回波包络相似度的包络对齐方法容易出现对齐错误。图像法将平动误差建模为高阶多项式进行包络和相位的统一补偿，并结合优化算法求解多项式系数。因此，图像法一般都存在搜索维数高、计算量大、多项式系数估计精度不高等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，其为基于方位向分块和最小均方误差准则的平动补偿方法。本发明将整个相干积累时间内划分为多个子孔径。然后对每个子孔径中的回波进行包络对齐。通过相邻子孔径间的最优化函数实现子孔径间的包络对齐。最后进行包络的精对齐和相位校正，实现回波精准的平动补偿。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，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，通过距离压缩获得目标的距离像；
步骤2、进行方位向分块，将整个相干积累时间内的原始回波数据划分为若干个子孔径；
步骤3、通过平均距离像最小熵方法实现每个子孔径内的距离包络对齐；
步骤4、基于最小均方误差的准则，实现子孔径回波间的距离包络对齐；
步骤5、判断原始回波数据是否存在MTRC，如果存在MTRC，对距离包络对齐后的子孔径回波执行Radon变换，提取具有最大能量的散射单元；如果不存在MRTC，执行步骤7；所述为MTRC表示越距离单元徙动；
步骤6、对提取的具有最大能量的散射单元实行包络精对齐和加窗提取相位补偿函数；
步骤7、对步骤6中精对齐的包络实行相位校正和转动补偿，通过方位向的傅里叶变换得到聚焦良好的ISAR图像。
进一步地，所述步骤2包括：基于原始回波数据的信噪比选择子孔径的数量，然后将原始回波数据沿方位向平均分为若干个子孔径。
进一步地，所述步骤3包括：通过异常值检测的方法检测出距离对准结果不正确的子孔径，并通过其前后子孔径对齐得到的结果进行补偿。
进一步地，所述步骤4包括：将每个子孔径内目标的运动建模为多项式，基于相邻子孔径内目标运动参数不变的假设和最小均方误差的准则，实现子孔径间的距离包络对齐。
进一步地，所述步骤6包括：将散射单元的能量集中到同个距离单元后，加窗提取其相位，得到以散射点为特显点的相位补偿函数。
进一步地，所述步骤7包括：如果原始回波数据不存在MTRC，通过相位梯度自聚焦方法实现相位校正；如果存在MTRC，通过步骤6得到的相位补偿函数进行相位校正，然后执行Keystone变换。
本发明的有益效果为：
1 )本发明通过方位向分块和子孔径拼接，能准确实现幅度具有时变性的回波的包络对齐，克服了现有方法难以实现幅变信号平动补偿的问题。
2 )本发明可以在回波存在MTRC的情况下准确提取相位补偿函数，有利于后续的转动补偿和方位成像。
附图说明
图1为本发明的基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法流程图；
图2为ISAR成像几何示意图；
图3为两个子孔径时间内目标运动示意图；其中，左图为拼接之前的运动曲线；右图为所提方法拼接后的运动曲线；
图4为Ka波段仿真数据包络对齐对比结果图；其中，(a)为积累相关法包络对齐结果；(b)为平均距离像最小熵方法的包络对齐结果；(c)为划分子孔径后，分别对每个子孔径内的回波包络对齐结果；(d)为对不同子孔径的回波进行对齐的结果；(e)为包络精对齐的结果；(f)为本发明所提方法经过Keystone变换后的距离像；
图5为Ka波段仿真数据所提方法成像结果图；
图6为X波段实测飞机成像对比结果图；其中，(a)为积累相关法对X波段数据的对齐结果；(b)为积累相关法的成像结果；(c)为平均距离像最小熵法对X波段数据的对齐结果；(d)为平均距离像最小熵法的成像结果；(e)为本发明所提方法的包络对齐结果；(f) 为所提方法的成像结果。
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，本发明的基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法包括如下步骤：
步骤101：利用逆合成孔径雷达接收原始回波数据，使用匹配滤波的方法进行距离压缩，得到回波的距离像：
图2为ISAR成像的转台目标模型，为方位慢时间，并且有/>，其中为相干处理间隔(Coherent Processing Interval, CPI)。以转台中心为原点O，雷达视线方向（radar line of sight, RLOS）为 Y轴，建立直角坐标系，目标绕转台中心O逆时针匀速旋转，旋转角速度为/>。在/>时刻，目标上的散射点p转动角度为/>，/>表示目标与雷达之间的初始距离，/>是由目标平动引起的瞬时径向距离变化。/>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。由图2可知，雷达与散射点p之间的瞬时径向总距离为：
，
式(1)中包含两部分: 和/>。第一项对所有散射点是相同的，对于成像没有贡献，需要通过平动补偿消除其影响。/>对不同散射点具有差异性。
根据ISAR转台模型，可表示为：
，
假设雷达发射线性调频（Linear Frequency Modulation, LFM）信号形式可表达为：
，
其中，为载频，/>为线性调频信号的调频率，/>表示距离向快时间，/>代表距离窗函数。exp为指数函数，j为虚数单位，/>为发射脉冲长度。
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：
，
其中，r为距离压缩后的距离，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，/>，exp为指数函数，j为虚数单位，/>和/>表示散射点p的位置。
从式(4)中可以看出，平动不仅引发了包络的偏移，也引起了多普勒相位误差。因此对于成像平动补偿是必要的。此外，散射点的后向散射系数是随方位时间变化的，因此回波会呈现出调幅信号的形式，这会使不同方位时刻的距离像相似度下降。注意到除了受到平动的影响距离包络位置会发生偏移外，目标转动也会使距离像发生越距离单元徙动(migration through range cells, MTRC)。并且由于MTRC的存在，使得不同方位时刻的距离像相似度进一步下降。信号的调幅特性与MTRC的存在都对距离对齐的精准实现提出了挑战。
步骤102：进行方位向分块，将整个相干积累时间内的原始回波数据划分为若干个子孔径；
假定距离压缩后的离散化后的信号矩阵为，其中N为距离维采样点数，M为方位向采样点数，C表示复数空间。n和m分别代表离散化的距离索引、交叉距离索引。为抑制MTRC和信号幅度变化对距离对准的影响，将回波平均分为Q个子孔径，每个子孔径内脉冲个数为/>。第q个子孔径的信号矩阵为/>，/>为子孔径信号的交叉距离索引，/>。划分子孔径以后，每个子孔径内的回波相干积累时间较短，因此回波幅度变化较小，且MTRC不明显，每个方位时刻的距离像之间相似性较大，因此对齐精度较高。需要注意的是，尽管矩阵分块带来的好处是增大了同一子块距离像之间的相似性，坏处则是信噪比下降。因此，子孔径的数量的选择需要参考回波信号的信噪比。
步骤103：通过平均距离像最小熵方法实现每个子孔径内的距离包络对齐：
划分子孔径以后，在每个子孔径内MTRC可以忽略，各帧一维距离像与平均距离像相似度高，因此可直接使用ARP最小熵方法来完成距离对准。第q个子孔径的距离像通过ARP最小熵法对准所需要的移位值为，第q个子孔径的回波经过对齐以后的信号矩阵为：
，
其中，为距离频率，FT和IFT分别表示傅里叶变换和逆傅里叶变换。
如果子孔径的回波发生了对齐错误，可以通过相邻子孔径间包络移位检测出异常值所在的子孔径，并通过其前后相邻的子孔径的偏移值重新拟合出正确的偏移值。
步骤104：基于最小均方误差的准则，实现子孔径回波间的距离包络对齐：
相邻两块回波数据通过最小熵包络对齐得到的移位分别为和/>。由于每块数据的相干积累时间都比较短，因此可以认为目标在两个子孔径的时间里平稳运动，即/>和/>均可建模为多项式，且其多项式系数相同。即有：
，
其中，，/>，/>，/>，为两个子孔径距离像对齐所需的移位值，K为多项式阶数，H为多项式系数。将/>和/>拼接得到两个子孔径时间内目标运动的总历程y，其中/>，如图3所示，其中，图3的左图为拼接之前的运动曲线；图3的右图为所提方法拼接后的运动曲线。根据最小均方误差的准则，有以下优化函数：
，
其中，，/>，/>表示实数空间。
其中，为第q和q+1子块间距离像对齐所需要的偏移值；/>表示函数最小值时/>和H的取值，双竖线的平方表示l2范数的平方，K为多项式的阶数。
将优化函数展开，得到损失函数：
，
将分别对H和Gq求偏导，并令其等于0，有：
，
联立(9)，得到：
，
将(10)中的H代入，有：
，
其中，，为中间变量；/>，为中间变量。
第q和q+1子块间距离像对齐所需要的偏移值为，通过式(11)计算得出。
对于每个子孔径的移位值，进行如下处理：
，
其中，,/>，/>。
然后得到全孔径的距离包络对准所需要的移位值。
因此，可以得到包络对齐后的回波：
，
步骤105：判断回波是否存在越距离单元徙动(migration through range cells,MTRC)：
当回波没有发生越距离单元徙动时，式(13)得到的回波包络对齐效果已经很好，只需要经过相位校正即可获得聚焦良好的图像，此时执行步骤107。
当回波发生了越距离单元徙动时，包络的时延存在空变性，采用式(13)补偿后依然存在残余的对齐误差，还需要进一步的精对齐处理和转动补偿。
对式(13)补偿后的距离像执行Radon变换，提取具有最大能量的散射点对应的距离曲线，然后对所提取的距离曲线实行包络对齐。这一步不仅可以得到实现包络精对齐的补偿函数，而且可以使一个特显点的信号移位到同一距离单元，从而提取该特显点的完整能量。
步骤106：对提取的散射单元实行包络精对齐和加窗提取相位补偿函数：
所提取的特显点信号在粗聚焦后加窗滤波取相位作为相位补偿函数对原数据进行补偿。经过以上处理，由目标与雷达之间平动引发的包络偏移和相位误差被完全消除。
步骤107：对距离包络回波实行相位校正、MTRC校正和转动补偿，通过方位向的傅里叶变换得到聚焦良好的ISAR图像。
实施例1
实施例选取Ka波段的仿真数据，本仿真采用含有17个散射点的卫星目标模型。
图4为Ka波段仿真数据成像对比结果；其中，图4的(a)为积累相关法包络对齐结果；图4的(b)为平均距离像最小熵方法的包络对齐结果；图4的(c)为划分子孔径后，分别对每个子孔径内的回波包络对齐结果；图4的(d)为对不同子孔径的回波进行对齐的结果；图4的(e)为包络精对齐的结果；图4的(f)为本发明所提方法经过Keystone变换后的距离像。可以看到，MTRC被消除，每个散射点都位于正确的距离单元。
图5为本发明所提方法得到的ISAR图像，场景中心的散射点聚焦良好，说明所提方法实现了有效的平动补偿。
实施例2
实施例选取X波段的实测数据。
图6的(a)为积累相关法对X波段数据的对齐结果。由于回波的闪烁效应，包络对齐结果出现了严重的错误。图6的(b)为积累相关法的成像结果，图像中存在严重的伪影与散焦。图6的(c)为平均距离像最小熵法对X波段数据的对齐结果。图6的(d)为平均距离像最小熵法的成像结果。与积累相关法一样，最小熵法也无法成像。图6的(e)为本发明所提方法的包络对齐结果。在没有MTRC的情况下，不需要提取强散射点的处理即可获得良好的包络对齐效果和高质量的ISAR图像，如图6的(f)所示。
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 (6)
1.一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，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，通过距离压缩获得目标的距离像；
步骤2、进行方位向分块，将整个相干积累时间内的原始回波数据划分为若干个子孔径；
步骤3、通过平均距离像最小熵方法实现每个子孔径内的距离包络对齐；
步骤4、基于最小均方误差的准则，实现子孔径回波间的距离包络对齐，包括：
相邻两块回波数据通过最小熵包络对齐得到的移位分别为和/>；由于每块数据的相干积累时间均比较短，因此认为目标在两个子孔径的时间里平稳运动，即/>和/>均能够建模为多项式，且其多项式系数相同，即有：
，
其中，，/>，/>，/>，为两个子孔径距离像对齐所需的移位值，K为多项式阶数，H为多项式系数；将/>和/>拼接得到两个子孔径时间内目标运动的总历程y，其中/>，根据最小均方误差的准则，有以下优化函数：
，
其中，，/>，/>表示实数空间；/>为第q和q+1子块间距离像对齐所需要的偏移值；/>表示函数最小值时/>和H的取值，双竖线的平方表示l2范数的平方，K为多项式的阶数；
对优化函数求解，得到第q和q+1子块间距离像对齐所需要的偏移值；
步骤5、判断原始回波数据是否存在MTRC，如果存在MTRC，对距离包络对齐后的子孔径回波执行Radon变换，提取具有最大能量的散射单元，执行步骤6；如果不存在MRTC，执行步骤7；所述MTRC表示越距离单元徙动；
步骤6、对提取的具有最大能量的散射单元实行包络精对齐和加窗提取相位补偿函数；
步骤7、对对齐的包络实行相位校正和转动补偿，通过方位向的傅里叶变换得到聚焦良好的ISAR图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，其特征在于，所述步骤2包括：基于原始回波数据的信噪比选择子孔径的数量，然后将原始回波数据沿方位向平均分为若干个子孔径。
3.根据权利要求2所述的一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，其特征在于，所述步骤3包括：通过异常值检测的方法检测出距离对准结果不正确的子孔径，并通过其前后子孔径对齐得到的结果进行补偿。
4.根据权利要求3所述的一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，其特征在于，所述步骤4包括：将每个子孔径内目标的运动建模为多项式，基于相邻子孔径内目标运动参数不变的假设和最小均方误差的准则，实现子孔径间的距离包络对齐。
5.根据权利要求4所述的一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，其特征在于，所述步骤6包括：将散射单元的能量集中到同个距离单元后，加窗提取其相位，得到以散射点为特显点的相位补偿函数。
6.根据权利要求5所述的一种基于最小均方误差的幅变目标ISAR成像平动补偿方法，其特征在于，所述步骤7包括：如果原始回波数据不存在MTRC，通过相位梯度自聚焦方法实现相位校正；如果存在MTRC，通过步骤6得到的相位补偿函数进行相位校正，然后执行Keystone变换。
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2023
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| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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