申请/专利权人：中国人民解放军国防科技大学

申请日：2019-08-20

公开（公告）日：2020-03-24

公开（公告）号：CN110501706B

主分类号：G01S13/90(20060101)

分类号：G01S13/90(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.03.24#授权;2019.12.20#实质审查的生效;2019.11.26#公开

摘要：本发明涉及逆合成孔径雷达成像信号处理技术，尤其涉及一种大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法。本发明基于空间目标的姿态稳定性，根据雷达窄带跟踪信息计算目标的转角变化曲线，拟合出空间目标的非均匀转动参数；然后针对平动补偿后的一维距离像数据进行转动中心搜索，实现大转角引起的高次相位和包络走动量补偿；进而针对非匀速转动引起的散射点多普勒频率随时间变化，进行慢时间非均匀重新采样使方位向多普勒频率恒定；最后，采用Keystone变换消除越距离单元走动，通过傅里叶变换实现方位压缩，得到高质量目标ISAR图像，有效解决了空间目标大转角非均匀转动情况下的ISAR成像问题。本发明对促进宽带雷达目标识别向实用化、精细化方向发展起到重要作用。

主权项：1.一种大角度非均匀转动空间目标ISAR成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：雷达回波脉冲压缩假设雷达发射宽带线性调频信号： 其中fc是载频，Tp是脉冲宽度，γ是调频斜率，带宽B＝γTp，为快时间，tm为慢时间，为全时间，m表示脉冲序号，m＝1,2，…，M，M为脉冲个数；根据理想散射点模型，目标回波可以近似为目标上散射点回波的叠加；假设目标包含K个散射点，第k个散射点对应的散射系数为σk，k＝1,2,…,K，那么雷达回波可以表示为： 其中τk,m＝2Rk,mc表示第k个散射点回波信号时延，Rk,m表示第k个散射点距雷达的距离，c是电磁波在空间中传播的速度；根据转台模型，目标相对于雷达的运动可以分解为平动和转动，即Rk,m＝RTrans_m+RRot_k,m3其中，RTrans_m表示目标相对于雷达的平动分量，RRot_k,m表示目标相对于雷达的转动分量，RRot_k,m＝ykcosθm+xksinθm，xk和yk为散射点k的二维坐标，θm为成像期间第m个脉冲的转角变化；回波信号经过开窗采集并进行下变频后得到基频信号为： δm表示开窗采集的误差；对基频信号进行匹配滤波脉冲压缩得到目标一维距离像 S2：一维距离像平动补偿由于存在开窗采集的误差δm，导致进行匹配滤波脉冲压缩后得到的目标一维距离像的包络存在随机抖动，不能正确反映目标的运动规律，因此需要进行包络对齐；同时，开窗采集的误差δm导致了一维距离像相位的抖动，同样需要进行相位补偿；具体包括以下两步：S2.1对进行匹配滤波脉冲压缩后得到的目标一维距离像进行包络粗对齐，包络粗对齐后的目标一维距离像可以写为： RTrans_0表示目标成像起始时刻的平动距离；S2.2对包络粗对齐后的一维距离像进行相位精补偿，实现相位精补偿后的目标一维距离像可以写为： 从公式7可以看出，经过一维距离像平动补偿后，目标成像等效为转台模型，目标的转动分量一方面为方位向多普勒分辨提供了可能，另一方面也带来包络的走动效应，需要进一步进行补偿；S3：基于雷达测量参数拟合目标转动参数由于空间目标特有的轨道确定性和姿态稳定性，目标在成像积累时间内的转角等于雷达视线转过的角度，使得根据窄带跟踪信息求解空间目标转角变化成为可能；宽带雷达系统多采用宽窄带信号交替发射模式，窄带信号用于发现和跟踪目标，确定目标位置，从而得到目标距离、方位和俯仰信息，并由此引导宽带信号的发射和接收；窄带测得的跟踪参数反映了雷达视线变化，假设第m个脉冲时刻目标方位为αm，俯仰为βm，那么雷达视线方向的单位向量为： 因此，相邻两个脉冲期间目标转过的角度为： 则在M个脉冲周期内，目标总的转角为： 根据公式10求得转角变化曲线后，获取成像起始时刻目标的转动速度ω和转动加速度a，则有： 此时，实现相位精补偿后的目标的一维距离像可以重新写为： S4：基于最小熵的转动中心估计与高次项补偿在大转角情况下，需要将公式12中的正弦函数和余弦函数按二阶泰勒展开，得到 于是，实现相位精补偿后的目标的一维距离像可以进一步重新写为： 由上式可知，转动加速度a不仅造成散射点越距离单元走动，同时会引入高次相位项；目标的匀加速转动可视为对慢时间的非均匀采样，此时若直接用FT进行方位压缩，将导致图像方位向散焦；本部分首先针对大转角引起的包络高次走动量以及高次相位分量进行校正，通过步骤S3已经拟合出θm的变化规律，因此只需要计算yk的值；需要指出的是yk是相对于目标转动中心的距离，因而必须估计出目标的转动中心；本步骤提出一种基于最小熵的转动中心估计与高次项补偿方法，具体步骤如下：S4.1针对公式12所示的目标一维距离像，提取目标在完整一维距离像中所占的有效距离单元数，记为[ndown,nup]，并记初始转动中心估计值为n0＝ndown+nup2；S4.2以图像熵为衡量函数，在区间[ndown,nup]上快速搜索得到目标的准确转动中心估计值S4.3以转动中心估计值对一维距离像包络高次走动量及高次相位分量进行补偿，即针对每个距离单元n，补偿分量为其中dy为距离单元分辨率；补偿后的一维距离像为： S5：脉冲间慢时间非均匀采样从公式15可以看出，由于转动加速度a的存在，目标转角θm非均匀变化，导致慢时间非均匀采样，如果直接进行傅里叶变换方位压缩将出现散焦情况；本步骤针对脉冲间的慢时间进行重新非均匀采样，使得重新采样后的时间变量变为均匀间隔，具体如下：定义一个新的慢时间变量t′m，令 其中为成像积累时间内的平动转动速度；将公式16代入公式15，得到 从上式可以看出，在新的慢时间变量t′m上，方位向是均匀采样的，可以利用傅里叶变换进行压缩；S6：基于Keystone变换的越距离单元走动校正公式17中，大转角的转动分量同样引起了包络的MTRC效应，为了实现方位压缩的有效积累，必须对MTRC进行校正，本步骤通过Keystone变换校正MTRC，校正后的一维距离像为 S7：方位向傅里叶变换，获取ISAR图像最后，沿慢时间对公式18做傅里叶变换即可得到聚焦的ISAR图像： 其中TM为方位向M个脉冲的积累时间，fd为多普勒频率。

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