基于多特显点的干涉式逆合成孔径雷达成像方法

摘要

本发明公开一种基于多特显点的干涉式逆合成孔径雷达成像方法，首先从ISAR像中选取能量较强的像素点，即特显点；用干涉法对特显点比相测角，得到相位主值；对相位主值解缠绕，得到每个特显点对应的相位的真实值，根据真实相位值，对特显点定标；得出特显点对应的横向距离；根据特显点的多普勒频率和横向距离，拟合出多普勒频率和横向距离的关系；再根据此拟合关系对整幅ISAR逐个像素点进行定标，得到反映目标真实几何尺寸的InISAR像。本发明解决了相位缠绕问题，能得到不随姿态变化率的改变而变化的目标真实尺寸的像；成像的信噪比水平比传统逐点比相方法下降了15－20dB；在低信噪比时仍能清晰成像。同传统成像方法相比，减少了成像处理的运算量及复杂度。

说明书

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体的说是一种基于多特显点的干涉式逆合成孔径雷达成像方法，用于获得到反映目标真实几何尺寸的像。

背景技术

雷达成像技术是20世纪50年代发展起来的，它是雷达发展的一个重要里程碑。从此，雷达不仅仅是将所观测的对象视为“点”目标，来测定它的位置与运动参数，而是能获得目标和场景的图像。同时，由于雷达具有全天候、全天时、远距离和宽广观测带，以及易于从固定背景中区分运动目标的能力，雷达成像技术受到广泛重视。逆合成孔径雷达(ISAR)是雷达成像领域的一个重要发展方面，在20世纪80年代初，就实现了非合作目标的逆合成孔径雷达成像，现已得到较广泛的应用。

逆合成孔径雷达ISAR是依靠目标相对于雷达射线的姿态变化所产生的多普勒效应作横向分辨成像的，也就是说ISAR像的横坐标是多普勒频率，故所成图像一般称为距离-多普勒ISAR像，它与目标像还不是一回事。散射点子回波的多普勒频率不决定于目标姿态，而依赖于姿态变化率(转速)，不同的姿态变化率会造成不同的多普勒分布；换句话说，同一个目标在不同姿态变化率下，得到的ISAR像横向尺寸也不同。在转速不能估计的情况下(有少数特殊情况可以估计转速的值)，目标横向的真实尺寸也是不确知的。这个问题在干涉式逆合成孔径(InISAR)雷达中可以得到解决。

干涉式逆合成孔径(InISAR)借鉴干涉式合成孔径雷达InSAR的原理，将多天线干涉技术用于ISAR，可以得到反映目标真实尺寸的像。它是在雷达的水平、垂直方向放置多个天线，利用来自不同天线的ISAR图像各像素点的相位，运用干涉技术逐个计算不同天线ISAR像像素点的相位差，再从其相位差计算出各像素点的方位或仰角差，得到目标的距离-方位像或距离-俯仰像。

在传统的逐点比相的干涉式逆合成孔径成像过程中，由于天线的位置不同，干涉所用的ISAR像之间存在着多普勒失配，会出现一些“坏”点，使成像质量降低，比如，使图像边缘模糊。如果雷达接收机接收到的回波信号受到噪声的污染，当噪声大到一定的程度，传统的InISAR成像方法就会失效，得不到目标的InISAR像。在实际的应用中，天线间距长度和目标距离雷达的远近也会对成像有很大的影响，比如，两天线接收信号的波程差比波长λ大许多，即两个信号的相位差的真实值可能比2π大很多，而用干涉计算所得到的相位差φ也称为相位的主值，只能在(-π，π]的区间里取值，它与相位的真实值可能相差2π的整数倍，这就产生了对相位真实值的干涉缠绕。要得到相位的真实值，还必须要对相位的主值φ进行解缠绕处理(或称为去模糊处理)。

发明内容

本发明的目的是克服传统干涉式逆合成孔径雷达(InISAR)成像的不足，即“坏点”的影响、低信噪比时无法成像和干涉相位缠绕；同时，考虑到目标ISAR像中各像素强度不同，强像素点处的信噪比强，对干涉相位的估计值较准确；提出了一种新的针对非机动目标的基于多特显点的InISAR成像方法，以得到反映目标真实几何尺寸的像。

本发明基于噪声对目标体上的强散射点影响远远小于对弱散射点的影响；以及目标通常被认为是刚体，其所有散射点的转速相同的特点，提出了基于多特显点的InISAR成像方法。本发明的技术方案是：首先选取ISAR像中能量较强的像素点，也称之为特显点，对这些特显点用干涉法测角；再对干涉相位主值解缠绕，得到相位的真实值，求出其对应的横向距离；根据这些特显点的多普勒频率和横向距离，拟合出多普勒频率和横向距离的关系；最后根据拟合得到的关系对整幅ISAR进行定标，得到InISAR像。具体实现过程如下：

(1)对水平或垂直放置的两个天线通道接收的数据进行成像，得到两个通道的距离-多普勒ISAR图像；在得到的ISAR图像中选取多个不发生闪烁的特显点；

(2)利用干涉法测角技术，对上一步骤中选取的多个特显点进行比相测角，得到它们的干涉相位主值；

(3)利用相位解缠绕算法，对干涉相位主值解缠绕，得到每个特显点对应的真实相位差；

(4)根据求得的真实相位差，对每个特显点进行定标；得出这多个特显点对应的横向距离；

(5)求解多普勒频率与横向距离的关系。在转台模型ISAR成像中，如果目标体相对雷达匀速转动或近似匀速转动，那么目标体散射点的多普勒频率和横向距离成线性关系。由此，这若干个特显点对应的多普勒频率和横向距离也应成线性关系；

(6)根据求解的多普勒频率与横向距离的关系，对整幅ISAR像逐个像素点进行定标，进而成像。根据天线的不同放置位置，得到目标距离-方位、距离-俯仰和方位-俯仰三维像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.传统的距离-多普勒ISAR像中多普勒依赖于姿态变化率，ISAR像随姿态变化率的不同而不同，不能反应目标的真实尺寸，如图8(b)、(c)、(d)所示；本发明能得到不随姿态变化率的改变而变化，反应目标真实尺寸的像，如图9(b)、(d)、(f)所示；

2.本发明解决了相位缠绕(模糊)问题，即使在相位缠绕的情况下仍能正确成像，从而放宽了InISAR成像的条件，如图7(f)所示，而不解缠绕的InISAR成像如图7(e)所示，几乎不能成像；

3.在信噪比较低时，传统InISAR成像方法不能成像；如图10(a)、(c)所示，而本发明提出的方法则能得到清晰的目标InISAR像，如图10(b)、(d)所示；在信噪比较高和没有噪声时，两种方法均能成像，但从图10(e)、(f)和图9可以看出，本发明提出方法得出的InISAR像要比传统方法得到的InISAR像清晰；

4.同传统成像方法相比，本发明提出的基于多特显点的成像处理运算量少，复杂度低。

附图说明

图1是本发明的成像方法流程图

图2是本发明中转台目标成像示意图

图3是本发明中天线和目标的几何关系

图4是本发明特显点的选取流程图

图5是本发明中用于仿真的飞机模型的距离-方位俯视图

图6的(a)和(b)分别是天线A和B所成的距离-多普勒ISAR像

图6的(c)和(d)分别是从天线A和B所成的距离-多普勒ISAR像中选取的特显点

图7的(a)是信噪比为5dB，解缠绕前特显点多普勒频率与干涉相位主值的关系图，(b)是本发明解缠绕后特显点多普勒频率与干涉相位真实值的关系图

图7的(c)是信噪比为5dB，解缠绕前特显点多普勒频率与横向距离的关系图，(d)是本发明解缠绕后特显点多普勒频率与横向距离的关系图

图7的(e)是信噪比为5dB，解缠绕前基于多特显点的InISAR成像图，(f)是本发明解缠绕后基于多特显点的InISAR成像图

图8的(a)是飞机模型的距离-方位俯视图，同图5

图8的(b)、(c)和(d)是转速分别为ω1＝-0.3°/s、ω2＝0.5°/s和ω3＝0.7°/s时，飞机模型的距离-多普勒ISAR像

图9的(a)、(b)分别是转速为ω1＝-0.3°/s时，传统方法得到的距离-方位InISAR像和本发明基于多特显点方法得到的距离-方位InISAR像

图9的(c)、(d)分别是转速为ω2＝0.5°/s时，传统方法得到的距离-方位InISAR像和本发明基于多特显点方法得到的距离-方位InISAR像

图9的(e)、(f)分别是转速为ω3＝0.7°/s时，传统方法得到的距离-方位InISAR像和本发明基于多特显点方法得到的距离-方位InISAR像

图10的(a)、(b)是在信噪比为5dB情况下，传统方法得到的距离-方位InISAR像和本发明基于多特显点方法得到的距离-方位InISAR像

图10的(c)、(d)是在信噪比为15dB情况下，传统方法得到的距离-方位InISAR像和本发明基于多特显点方法得到的距离-方位InISAR像

图10的(e)、(f)是在信噪比为30dB情况下，传统方法得到的距离-方位InISAR像和本发明基于多特显点方法得到的距离-方位InISAR像

注：以距离-方位InISAR像为例，可类推到距离-俯仰InISAR像和方位-俯仰InISAR像

具体实施方式

下面参照图1-图7，先来说明本发明的方法实施过程。

本发明以一个330个散射点的飞机模型为例，进行仿真试验。模型的距离-方位(长-宽)俯视图如下图5，其长、宽和高分别为70m、60m和9m。雷达中心频率5GHz，波长6cm，信号带宽400MHz；飞机起飞时，目标距雷达20Km；采用转台模型，转速0.5°/s，积累时间5秒；为了说明相位缠绕问题，这里天线间距取60m。天线水平放置可以测得目标的距离-方位像，高低配置测得距离-俯仰像；实验中均以距离-方位像为例来说明本发明。下面通过仿真实验来

参照图1，本发明的成像方法流程步骤如下：

1、对两个天线接收的数据分别成像，得到两幅距离-多普勒ISAR像f_A(x_i，y_j)和f_B(x_i，y_j)，i＝1，2，...，M；j＝1，2，...，N。

转台模型目标为了成像，必须有高的二维分辨率。在平面波照射下，成像纵向分辨率主要依靠信号的宽频带；横向高分辨主要靠多普勒效应，如图2(a)所示。当目标以顺时钟方向转动时，目标上各散射点的多普勒值是不同的。位于轴线上的散射点没有相对于雷达的径向运动，其子回波的多普勒为0。而在其右或左两侧的多普勒分别为正或负，且离轴线越远，多普勒的值也越大。于是，将各个距离单元的回波序列分别通过傅里叶分析变换到多普勒域，只要多普勒分辨率足够高，就能将各单元的横向分布表示出来。这里假设目标为非机动目标，为匀速或接近匀速运动。

如图2中(b)所示，设目标转动的角速度为ω，在时间t内，它上面的某一散射点则从P点移到了P₁点，其纵向位移为

Δy_p＝r_psin(θ-ωt)-r_psinθ＝-x_psin(ωt)-y_p(1-cos(ωt))    (1)

式中x_p，y_p为散射点P相对于转台轴心的坐标，且x_p＝r_pcosθ，y_p＝r_psinθ。纵向位移Δy_p引起子回波的相位变化为

若ωt很小，则上式可近似写成：

上式表明，当目标均匀转动时，子回波的相位变化表现为多普勒，x_p越大，则该散射点子回波的多普勒频率也越高；同时也说明了，目标回波的多普勒分布依赖于姿态变化率，不同的变化率下，成像平面可能有大的区别。在实际应用中，ISAR成像所需的总的转角是很小的，所以(3)式总成立。

为了实现干涉式ISAR(InISAR)，需要放置多个天线，如果要得到目标的距离-方位像，天线要水平配置，如图3中的天线A和B。天线A发射信号，天线A和天线B同时接收回波数据，对接收的数据做成像处理，得到距离-多普勒ISAR像f_A(x_i，y_j)和f_B(x_i，y_j)，i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N。实验中天线A、B得到的ISAR像如图6(a)、(b)所示，这里M＝256，N＝251，即图像大小为256×251。

2、提取特显点

特显点的提取有两种方法：一是以两幅ISAR中的一幅为基准，比如以f_A(x，y)为基准，提取幅值|f_A(x，y)|最大的Q个像素点，并记下其在整幅图像中的位置；然后在f_B(x，y)取出相同位置的Q个像素点。二是将两幅ISAR幅值相加，选取(|f_A(x，y)|+|f_B(x，y)|)最大的Q个像素点，记下位置；按此位置在f_A(x，y)和f_B(x，y)中分别取出Q个像素点。Q的选择依具体的情况而定；Q太小，选取的特显点蕴涵的信息较少，导致误差较大；Q过大，信息冗余，增加计算量。本实验中Q在50～300之间取值，图6(c)和(d)为在两幅ISAR像中选取的特显点，其中Q＝100。特选点的选取过程如图4所示：

a)取天线A所成距离-多普勒ISAR像的幅值|f_A(x，y)|，或取两天线ISAR像的幅值和|f_A(x，y)|+|f_B(x，y)|，把|f_A(x，y)|或|f_A(x，y)|+|f_B(x，y)|按降序排成向量，记为f_A’或f_AB’。此时将二维的矩阵排成一个向量，向量的大小为M·N。并设i＝0，j＝0，i用于指向向量f_A’或f_AB’，j用于计算选取特显点的个数；

b)令i＝i+1；

c)取f_A’(i)或f_AB’(i)，判断这个特显点是否发生闪烁，发生闪烁转流程b)；不闪烁，则得到一个特显点，j＝j+1；

这里需要指出的是，干涉技术成像是基于散射点可分离的，而目标散射点有可能在多普勒维发生叠加，这些点在ISAR距离-多普勒域里是不可分离的，所以，用干涉法测角时会出现测角错误，应将这些点剔除。A、B两天线对应ISAR图像的第(i，j)像素的振幅|f_A(x_i，y_j)|、|f_B(x_i，y_j)|，如果该像素点所对应的角度域里也是一个点，则振幅|f_A(x_i，y_j)|和|f_B(x_i，y_j)|应相等(考虑实际因素会有小的误差)；如果在角域里映射出多个点，则A、B两通道的回波应为多个子回波之和，考虑到路径不同的波程差，多个子回波的向量和在A、B两通道的图像里会有明显的差别，即|f_A(x_i，y_j)|和|f_B(x_i，y_j)|有显著差别，因此可取相对幅度差