CN116879852A - 一种sa-isar参数化平动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种SA‑ISAR参数化平动补偿方法，本发明涉及逆合成孔径雷达平动补偿方法。本发明的目的是为了解决已有的方法未对回波中的剩余相位项进行考虑，导致无法获得准确的目标ISAR图像的问题。过程为：一、确定平动参数空间，初始化平动参数组合；二、构建平动补偿函数；三、根据平动补偿函数对回波进行平动补偿，之后进行距离压缩获得一维距离像并计算平均一维距离像熵；四、判断是否获得平动参数空间内所有平动参数组合对应的平均一维距离像熵；若否，改变平动参数组合，重复二、三直至条件满足；若是，平均一维距离像熵最小值对应的平动参数组合即为目标平动参数估计值；五、构建平动补偿函数进行平动补偿，进而获得目标ISAR图像。本发明用于雷达技术领域。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域，涉及逆合成孔径雷达平动补偿方法。
背景技术
逆合成孔径雷达(ISAR)可以提供非合作运动目标的二维图像。一般而言，依据是否造成目标相对雷达姿态的变化，ISAR成像目标的运动可分解为平动运动和转动运动。转动运动会改变目标相对雷达的姿态，为获取目标的二维图像提供帮助。平动运动无法改变目标相对雷达的姿态，不仅无法为获取目标的二维图像提供帮助，还会带来不同时刻回波在时间维上错位及相位干扰的问题。故对回波中目标的平动运动分量进行补偿即平动补偿是ISAR成像重要步骤。平动补偿需要完成两项任务：一是使目标不同时刻的回波在时间维上对齐，这被称为包络对齐；二是消除平动分量带来的相位干扰，这被称为相位校正。
根据成像目标不同时刻的回波是否存在缺失，ISAR可分为存在回波缺失的稀疏孔径ISAR(SA-ISAR)与回波完备的全孔径ISAR(FA-ISAR)。现有的包络对齐与相位校正方法均可应用于FA-ISAR成像中，而SA-ISAR成像由于部分回波的缺失，需要以最终获取的ISAR图像的质量为指标来进行相位校正。现有的SA-ISAR体制下的相位校正方法多假设目标转动分量中的转动角速度不变，无法适用于目标转动角速度发生变化的情况。因此研究人员对同时进行包络对齐与相位校正的参数化平动补偿方法进行研究。这类参数化平动补偿方法将目标平动运动分量等效为多项式的形式，通过对多项式的系数进行估计并构建相应的补偿函数来进行平动补偿。然而已有的方法未对回波中的剩余相位项(RVP)进行考虑，因此对考虑RVP项的SA-ISAR参数化平动补偿方法进行研究具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决已有的方法未对回波中的剩余相位项(RVP)进行考虑，导致无法获得准确的目标ISAR图像的问题，而提出一种SA-ISAR参数化平动补偿方法。
SA-ISAR为存在回波缺失的稀疏孔径ISAR；
一种SA-ISAR参数化平动补偿方法具体过程为：
步骤一、确定平动参数空间，初始化平动参数组合；
步骤二、根据步骤一中的平动参数组合构建平动参数组合对应的平动补偿函数；
步骤三、根据步骤二构建的平动补偿函数对回波进行平动补偿，之后进行距离压缩获得一维距离像并计算平均一维距离像熵；
步骤四、判断是否获得平动参数空间内所有平动参数组合对应的平均一维距离像熵；若否，改变平动参数组合，重复步骤二、步骤三直至条件满足；若是，平均一维距离像熵最小值对应的平动参数组合即为目标平动参数估计值；
步骤五、根据步骤四获得的目标平动参数估计值构建平动补偿函数进行平动补偿，进而获得目标ISAR图像。
本发明的有益效果为：
现有的参数化平动补偿算法未考虑RVP项对平动参数估计的影响。针对目标平动参数较大时RVP项变化剧烈的问题，本发明构建了一种新的平动补偿函数；之后构建平动参数空间内各组平动参数相对应的平动补偿函数对回波进行平动补偿，之后对各组参数下平动补偿后的回波进行距离压缩并计算平均一维距离像熵，平均一维距离像熵最小值对应的平动参数组合即为目标平动参数估计结果；最后依据估计的目标平动参数构建相应的平动补偿函数完成对目标回波的平动补偿，进而获得目标的ISAR图像。
与已有算法相比有如下优点：
(1)本发明可适用于具有高机动平动分量目标的平动参数估计；
(2)本发明消除了RVP项对目标平动参数估计的影响。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为仿真目标散射点模型；
图3为平均一维距离像熵三维矩阵最小值处的二维截面图；(a)速度-加速度截面；(b)加加速度-加速度截面；(c)加加速度-速度截面；
图4为平动补偿前后一维距离像图；(a)平动补偿前一维距离像；(b)平动补偿后一维距离像；
图5为目标ISAR成像结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种SA-ISAR参数化平动补偿方法具体过程为：
步骤一、确定平动参数空间，初始化平动参数组合；
步骤二、根据步骤一中的平动参数组合构建平动参数组合对应的平动补偿函数；
步骤三、根据步骤二构建的平动补偿函数对回波进行平动补偿，之后进行距离压缩获得一维距离像并计算平均一维距离像熵；
步骤四、判断是否获得平动参数空间内所有平动参数组合对应的平均一维距离像熵；若否，改变平动参数组合，重复步骤二、步骤三直至条件满足；若是，平均一维距离像熵最小值对应的平动参数组合即为目标平动参数估计值；
步骤五、根据步骤四获得的目标平动参数估计值构建平动补偿函数进行平动补偿，进而获得目标ISAR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：所述步骤一中确定平动参数空间，初始化平动参数组合；具体过程为：
步骤一一、一般而言，初速度、加速度及加加速度三个参数即可完成对目标平动分量的描述。故本发明中目标除存在转动分量外还存在包含初速度为v、加速度为a及加加速度为的平动分量。由于目标的非合作性，/>是未知的。故设立如下平动参数空间：
其中vmin、amin和分别为初速度、加速度和加加速度的下限，vmax、amax和/>分别为初速度、加速度和加加速度的上限，vstep、astep和/>分别为初速度、加速度和加加速度的变化间隔，I+1、J+1和K+1分别是平动参数空间内初速度、加速度和加加速度的总数；
步骤一二、初始化i＝1,j＝1,k＝1，获得平动参数组合
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：所述步骤二中根据步骤一中的平动参数组合构建平动参数组合对应的平动补偿函数；具体过程为：
步骤二一、在假定目标的实际平动参数已知的情况下对目标平动补偿函数进行推导，ISAR发射的线性调频(LFM)信号为：
其中rect()为矩形函数，Tp为脉冲宽度，/>是快时间，tm是满足tm＝mT(m＝1,2,…)的慢时间，m为发射脉冲序号，T是脉冲重复周期，t是满足/>的全时间，l为虚数单位，l2＝-1，f0为发射信号载频，调频斜率γ＝B/Tp，B为发射信号带宽；
对只存在转动分量的目标回波进行表示，不失一般性，设目标所有散射点的后向散射系数均为1，则以角速度ω匀速旋转的目标回波可表示为：
其中为目标回波，c为光速，P为目标散射点总数，Rp,r(tm)为目标散射点p在tm时刻与雷达之间的距离；
Rp,r(tm)可具体表示为：
Rp,r(tm)＝R0-xpωtm+yp (5)
其中R0为初始时刻目标重心与雷达之间的距离，yp为目标散射点p相对目标重心在距离维的坐标，xp为目标散射点p相对目标重心在方位维的坐标，ω为目标转动角速度；
步骤二二、对平动分量与转动分量同时存在的目标回波进行推导，即目标在以角速度ω匀速旋转的同时还存在实际平动参数为的平动分量，则目标的回波可表示为：
其中Rp(tm)为目标散射点p在tm时刻与雷达之间的距离；
Rp(tm)具体表示为：
其中Rp,t(tm)代表目标散射点p在tm时刻与雷达之间由平动分量引起的距离变化；代表目标的实际平动参数；v代表目标的实际初速度，a代表目标的实际加速度，/>代表目标的实际加加速度；
将式(7)代入式(6)可得：
其中，
其中≈成立的原因是ISAR一般作用于远场区，初始时刻雷达到目标重心的距离R0远大于目标的尺寸，即R0＞＞|-xpωtm+yp|。
ISAR平动补偿的目标就是将回波中的平动分量消除，即将式(8)中包含Rp,t(tm)的分量消除。由于rect(·)函数中的Rp,t(tm)分量可通过雷达系统自行校正消除，故本发明只对相位中Rp,t(tm)分量的消除进行考虑。
由式(4)和式(8)可知，在已知目标实际平动参数的情况下，构建如下平动补偿函数：
由式(7)可知，要构建此函数需要目标的平动参数及成像初始时刻雷达到目标重心的距离R0。R0可由雷达系统测距功能提供，而由于目标的非合作性，/>是未知的；故以平动参数组合/>构建如下平动补偿函数：
其中代表步骤一获得的一组平动参数组合。
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：所述步骤三中根据步骤二构建的平动补偿函数对回波进行平动补偿，之后进行距离压缩获得一维距离像并计算平均一维距离像熵；具体过程为：
步骤三一、利用式(10)对式(8)所示的回波进行平动补偿；
步骤三二、使用解调频法(dechirp)对式(11)进行距离压缩可得一维距离像(公式(13))；
步骤三三、对一维距离像中斜置项和RVP项进行补偿，获得校正斜置项和RVP项后的一维距离像；
步骤三四、基于校正斜置项和RVP项后的一维距离像计算平均一维距离像熵。
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：所述步骤三一中利用式(10)对式(8)所示的回波进行平动补偿，表示如下：
其中⊙代表哈达玛积；代表平动补偿后的回波信号。
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：所述步骤三二中使用解调频法(dechirp)对式(11)进行距离压缩可得一维距离像(公式(13))；
具体过程为：
将目标重心处的回波作为参考信号参考信号/>共轭/>与回波信号相乘并对快时间做傅里叶变换(FFT)，数学表示如下：
其中ξ为距离单元，ΔRt,(i,j,k)(tm)为平动分量剩余量；sta,(i,j,k)(ξ,tm)为一维距离像；
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤三三中对一维距离像中斜置项和RVP项进行补偿，获得校正斜置项和RVP项后的一维距离像；具体过程为：
对式(13)各相位项进行分析，第一个相位项为多普勒相位项，用于实现对目标的方位维分辨；
第二个相位项为斜置项；
第三个相位项为RVP项；
式(13)中的第二和第三个相位项均需被补偿；
由于对单一散射点而言，在不发生频谱混叠的情况下，一维距离像为峰值在处主瓣很窄的sinc函数，故只需补偿处的相位项即可；
即：
其中为校正斜置项和RVP项后的一维距离像。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤三四中基于校正斜置项和RVP项后的一维距离像计算平均一维距离像熵；具体过程为：
式(14)的平均一维距离像熵可表示为：
其中save,(i,j,k)(ξ)为平均一维距离像，M为慢时间采样总数，En(i,j,k)为以为平动参数进行平动补偿后的平均一维距离像熵。
值得注意的是，式(13)成立的条件是在对做FFT时未发生频谱混叠。对于高速运动目标而言，当回波中平动分量未被完全补偿时，通过dechirp处理进行距离压缩可能会发生频谱混叠，此时/>的关系不再满足，即式(14)无法完成对一维距离像斜置项和RVP项的补偿。当平动分量被完全补偿时，即ΔRt,(i,j,k)(tm)＝0，式(13)中只存在转动分量，转动分量一般较小，对/>做FFT时不会发生频谱混叠，即成立，式(14)可以补偿一维距离像的斜置项和RVP项。这就是本发明的优势所在。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤四中判断是否获得平动参数空间内所有平动参数组合对应的平均一维距离像熵；若否，改变平动参数组合(则改变(i,j,k)的值，通过式(2)获得新的平动参数组合并返回步骤二)，重复步骤二、步骤三直至条件满足；若是，则平均一维距离像熵最小值对应的平动参数组合即为目标平动参数估计值；具体过程为：
本发明平动参数估计的原理是：当回波中平动分量完全消除时，通过距离压缩获得的一维距离像完全对齐，相应的平均一维距离像熵最小。
目标平动参数估计值的数学表示如下：
其中En为平动参数空间下的平均一维距离像熵矩阵，En(i,j,k)＝En(i,j,k)，和/>为目标初速度、加速度和加加速度的估计值，/>为平均一维距离像熵最小值对应的初速度索引值，/>为平均一维距离像熵最小值对应的加速度索引值，/>为平均一维距离像熵最小值对应的加加速度索引值。
其他步骤及参数与具体实施方式一至八至一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述步骤五中根据步骤四获得的目标平动参数估计值构建平动补偿函数进行平动补偿，进而获得目标ISAR图像；具体过程为：
根据步骤四获得的目标平动参数估计值构建平动补偿函数及对应的完成平动补偿并校正斜置项与RVP项后的一维距离像/>
表示为：
由式(20)可知，对慢时间tm做傅里叶变换即可获得目标的ISAR图像，具体表示为：
其中Ima为目标ISAR图像矩，ψ为方位单元。
其他步骤及参数与具体实施方式一至九至一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实例旨在验证在目标除存在匀速旋转运动外还存在多项式形式的平动运动时本发明能够完成对目标平动参数的估计，进而实现对目标的平动补偿并获得目标的ISAR图像。目标散射点分布情况如图2所示，目标运动参数如表1所示，回波信噪比为5dB，回波数据稀疏采样率为50％。目标平动参数估计结果如表2所示，相应图像仿真结果如图所示。
表1目标运动参数
表2目标运动参数估计结果
由仿真结果可知，本发明方法能够实现对具有高机动平动分量目标平动参数的估计，进而实现对目标的平动补偿并获得目标的ISAR图像。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、确定平动参数空间，初始化平动参数组合；
步骤二、根据步骤一中的平动参数组合构建平动参数组合对应的平动补偿函数；
步骤三、根据步骤二构建的平动补偿函数对回波进行平动补偿，之后进行距离压缩获得一维距离像并计算平均一维距离像熵；
步骤四、判断是否获得平动参数空间内所有平动参数组合对应的平均一维距离像熵；若否，改变平动参数组合，重复步骤二、步骤三直至条件满足；若是，平均一维距离像熵最小值对应的平动参数组合即为目标平动参数估计值；
步骤五、根据步骤四获得的目标平动参数估计值构建平动补偿函数进行平动补偿，进而获得目标ISAR图像。
2.根据权利要求1所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述所述步骤一中确定平动参数空间，初始化平动参数组合；具体过程为：
步骤一一、设立如下平动参数空间：
其中vmin、amin和分别为初速度、加速度和加加速度的下限，vmax、amax和/>分别为初速度、加速度和加加速度的上限，vstep、astep和/>分别为初速度、加速度和加加速度的变化间隔，I+1、J+1和K+1分别是平动参数空间内初速度、加速度和加加速度的总数；
步骤一二、初始化i＝1,j＝1,k＝1，获得平动参数组合
3.根据权利要求2所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述步骤二中根据步骤一中的平动参数组合构建平动参数组合对应的平动补偿函数；具体过程为：
步骤二一、在假定目标的实际平动参数已知的情况下对目标平动补偿函数进行推导，ISAR发射的线性调频信号为：
其中rect()为矩形函数，Tp为脉冲宽度，/>是快时间，tm是满足tm＝mT(m＝1,2,…)的慢时间，m为发射脉冲序号，T是脉冲重复周期，t是满足/>的全时间，l为虚数单位，l2＝-1，f0为发射信号载频，调频斜率γ＝B/Tp，B为发射信号带宽；
对只存在转动分量的目标回波进行表示，设目标所有散射点的后向散射系数均为1，则以角速度ω匀速旋转的目标回波可表示为：
其中为目标回波，c为光速，P为目标散射点总数，Rp,r(tm)为目标散射点p在tm时刻与雷达之间的距离；
Rp,r(tm)可具体表示为：
其中R0为初始时刻目标重心与雷达之间的距离，yp为目标散射点p相对目标重心在距离维的坐标，xp为目标散射点p相对目标重心在方位维的坐标，ω为目标转动角速度；
步骤二二、对平动分量与转动分量同时存在的目标回波进行推导，即目标在以角速度ω匀速旋转的同时还存在实际平动参数为的平动分量，则目标的回波可表示为：
其中Rp(tm)为目标散射点p在tm时刻与雷达之间的距离；
Rp(tm)具体表示为：
其中Rp,t(tm)代表目标散射点p在tm时刻与雷达之间由平动分量引起的距离变化；代表目标的实际平动参数；v代表目标的实际初速度，a代表目标的实际加速度，/>代表目标的实际加加速度；
将式(7)代入式(6)可得：
其中，
由式(4)和式(8)可知，在已知目标实际平动参数的情况下，构建如下平动补偿函数：
R0可由雷达系统测距功能提供，而由于目标的非合作性，是未知的；故以平动参数组合/>构建如下平动补偿函数：
其中代表步骤一获得的平动参数组合。
4.根据权利要求3所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述步骤三中根据步骤二构建的平动补偿函数对回波进行平动补偿，之后进行距离压缩获得一维距离像并计算平均一维距离像熵；具体过程为：
步骤三一、利用式(10)对式(8)所示的回波进行平动补偿；
步骤三二、使用解调频法对式(11)进行距离压缩可得一维距离像；
步骤三三、对一维距离像中斜置项和RVP项进行补偿，获得校正斜置项和RVP项后的一维距离像；
步骤三四、基于校正斜置项和RVP项后的一维距离像计算平均一维距离像熵。
5.根据权利要求4所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述步骤三一中利用式(10)对式(8)所示的回波进行平动补偿，表示如下：
其中⊙代表哈达玛积；代表平动补偿后的回波信号。
6.根据权利要求5所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述步骤三二中使用解调频法对式(11)进行距离压缩可得一维距离像；
具体过程为：
将目标重心处的回波作为参考信号参考信号/>共轭/>与回波信号相乘并对快时间做傅里叶变换，数学表示如下：
其中ξ为距离单元，ΔRt,(i,j,k)(tm)为平动分量剩余量；sta,(i,j,k)(ξ,tm)为一维距离像；
ΔRt,(i,j,k)(tm)满足
7.根据权利要求6所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述步骤三三中对一维距离像中斜置项和RVP项进行补偿，获得校正斜置项和RVP项后的一维距离像；具体过程为：
式(13)中第一个相位项为多普勒相位项；
第二个相位项为斜置项；
第三个相位项为RVP项；
式(13)中的第二和第三个相位项均需被补偿；
其中为校正斜置项和RVP项后的一维距离像。
8.根据权利要求7所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述步骤三四中基于校正斜置项和RVP项后的一维距离像计算平均一维距离像熵；具体过程为：
式(14)的平均一维距离像熵可表示为：
其中save,(i,j,k)(ξ)为平均一维距离像，M为慢时间采样总数，En(i,j,k)为以为平动参数进行平动补偿后的平均一维距离像熵。
9.根据权利要求8所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述所述步骤四中判断是否获得平动参数空间内所有平动参数组合对应的平均一维距离像熵；若否，改变平动参数组合，重复步骤二、步骤三直至条件满足；若是，则平均一维距离像熵最小值对应的平动参数组合即为目标平动参数估计值；具体过程为：
目标平动参数估计值的数学表示如下：
其中En为平动参数空间下的平均一维距离像熵矩阵，En(i,j,k)＝En(i,j,k)，和/>为目标初速度、加速度和加加速度的估计值，/>为平均一维距离像熵最小值对应的初速度索引值，/>为平均一维距离像熵最小值对应的加速度索引值，/>为平均一维距离像熵最小值对应的加加速度索引值。
10.根据权利要求9所述的一种SA-ISAR参数化平动补偿方法，其特征在于：所述步骤五中根据步骤四获得的目标平动参数估计值构建平动补偿函数进行平动补偿，进而获得目标ISAR图像；具体过程为：
根据步骤四获得的目标平动参数估计值构建平动补偿函数及对应的完成平动补偿并校正斜置项与RVP项后的一维距离像/>
表示为：
由式(20)可知，对慢时间tm做傅里叶变换即可获得目标的ISAR图像，具体表示为：
其中Ima为目标ISAR图像矩，ψ为方位单元。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310641732.8A CN116879852A (zh) | 2023-06-01 | 2023-06-01 | 一种sa-isar参数化平动补偿方法 |
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| CN202310641732.8A CN116879852A (zh) | 2023-06-01 | 2023-06-01 | 一种sa-isar参数化平动补偿方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117233789A (zh) * | 2023-11-13 | 2023-12-15 | 西安电子科技大学 | 基于匹配傅里叶变换的非匀速转动目标isal成像方法及装置 |
-
2023
- 2023-06-01 CN CN202310641732.8A patent/CN116879852A/zh active Pending
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| CN117233789A (zh) * | 2023-11-13 | 2023-12-15 | 西安电子科技大学 | 基于匹配傅里叶变换的非匀速转动目标isal成像方法及装置 |
| CN117233789B (zh) * | 2023-11-13 | 2024-02-20 | 西安电子科技大学 | 基于匹配傅里叶变换的非匀速转动目标isal成像方法及装置 |
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