一种空间目标ISAR序列成像数据快速自动选取方法

摘要

本发明涉及逆合成孔径雷达成像信号处理技术，尤其涉及一种空间目标ISAR序列成像数据快速自动选取方法。本发明根据空间目标高分辨ISAR成像的特点，确定了成像宽带回波选取的两个原则：径向和方位向分辨率匹配原则和冗余数据控制原则。根据这两个原则，设计了基于回波自动选取的空间目标序列ISAR成像流程。通过本发明，在空间目标高分辨ISAR序列成像的过程中，实现了成像数据的快速自动选取，可以高效率地得到目标聚焦良好的单帧高分辨ISAR图像，增强图像的可视性，同时有效保持空间目标在序列成像结果中姿态的均匀平稳变化，对提高目标识别效果起到促进作用，具有重要工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)成像信号处理技术，尤其涉及一种空间目标ISAR序列成像数据快速自动选取方法。

背景技术

空间目标ISAR成像技术可获取更为丰富的目标信息，是空间目标识别最为有效的技术手段之一，在空间目标监测、编目与识别等领域发挥着非常重要的作用。ISAR通过发射宽带信号，实现目标径向距离像高分辨，同时利用运动目标相对静止雷达的转动，实现方位向的高分辨。

通常，空间目标在雷达观测视场内的运动持续时间可达数十分钟。根据雷达脉冲重复频率(PRF)的不同，录取到的目标宽带脉冲回波数为数万至数十万不等。利用长时间、连续观测获取的目标宽带数据，可实现对空间目标的序列成像，从而得到目标更为丰富的结构和运动信息，对提高目标识别效果起到促进作用。在空间目标实测数据单帧成像过程中，选择合适的回波数据进行成像，不仅能保证成像质量，还可提高成像效率。相比于单幅空间目标ISAR图像，连续的序列图像能够反映目标的运动姿态变化规律，同时为空间目标三维结构反演提供了可能。

目前在单帧ISAR成像中采用固定的回波数量进行成像。例如，对于每次成像都选择1024个脉冲进行积累。这种方法会带来两个方面的影响，即如果目标转速较快，在固定脉冲积累时间内姿态变化大，成像聚焦质量将显著退化；另一方面，若目标转速很小，目标的姿态变化又太小，在固定脉冲积累时间内方位分辨率变低，同样带来聚焦质量退化的问题。

而在序列ISAR成像中采用固定滑窗间隔固定脉冲数量进行整圈观测数据的连续成像。目标在在整圈观测时间范围内姿态具有明显的变化，固定滑窗间隔进行序列成像无法保证成像结果的平稳变化，ISAR图像的视觉效果变差，对目标姿态进行连续反演造成不利影响。

发明内容

针对上述技术中存在的问题，本发明提出一种空间目标ISAR序列成像数据快速自动选取方法。根据空间目标高分辨ISAR成像的特点，确定了成像宽带回波选取的两个原则：径向和方位向分辨率匹配原则和冗余数据控制原则。根据这两个原则，设计了基于回波自动选取的空间目标序列ISAR成像流程。

本发明采用的技术方案为：一种空间目标ISAR序列成像数据快速自动选取方法，该方法包括以下步骤：

S1：利用ISAR成像雷达的窄带观测数据，包括距离、方位、俯仰等，对目标在过境观测弧段内的姿态变化角Θ_V(t)进行估计。

对于平稳飞行的空间目标，可以通过其轨道特性来快速确定目标转角。空间目标的轨道高度至少为几百公里，考虑雷达视线的因素，目标到雷达的径向距离通常为几百公里到几千公里不等。在远距离观测的条件下，目标运动轨迹在雷达视线小范围变化的时间内可近似看作直线。因此，目标相对雷达视线转过的总角度Θ近似等于雷达视线在成像时间内转过的角度Θ_V。

大部分ISAR成像雷达在进行成像观测时，会同时记录下雷达视线的方位角α和俯仰角β，通过这两个角度可以得到雷达视线矢量进而求得雷达视线单位矢量为：

分别记成像观测起始和结束时刻的方位角为α₁和α₂、俯仰角为β₁和β₂，根据上式得到起始和结束时刻的雷达视线矢量为和

从而可以得到雷达视线在成像时间内转过的角度Θ_V为：

记某次成像回波积累起始时刻为t₀，此时的雷达视线方位角和俯仰角为α₀和β₀，随着成像观测时间t的推进，雷达视线方位角和俯仰角变为α(t)和β(t)，由此可计算得到雷达视线相对起始时刻转过的角度，即目标的姿态变化角Θ_V(t)为：

S2：根据径向-方位向分辨率保持一致的原则，确定目标在成像观测时间内相对雷达视线转过的总角度Θ。

高分辨ISAR成像的径向分辨率ρ_r由雷达发射信号带宽B确定，即

ρ_r＝c/(2B)(6)

上式中，c表示真空中的光速；

而方位向的分辨率ρ_a取决于雷达载频和目标在成像观测时间内相对雷达视线转过的角度Θ，可以表示为

ρ_a＝λ/(2Θ)(7)

上式中，λ表示雷达发射信号的波长；

雷达分辨率越高，成像结果展现的目标细节就越丰富。为避免目标信息丢失，方位向分辨率ρ_a应不亚于径向分辨率ρ_r，即：

ρ_a≤ρ_r(8)

从而，目标在成像观测时间内相对雷达视线转过的总角度Θ应满足：

S3：根据目标成像起始脉冲和目标在成像观测时间内相对雷达视线转过的总角度Θ，确定最终成像积累的脉冲数M_I。

最终确定成像积累时间T_I满足：

已知雷达PRF，可得到最终的成像积累的脉冲数为

M_I＝T_I·PRF(11)

理论上，积累时间越长，目标转角越大，方位向分辨率也越高。然而，随着目标转角的增大，越分辨单元走动(MTRC)和目标非均匀转动对成像的影响将不可忽视，反而导致目标成像质量的下降。因此，成像积累时间T_I不宜太长，以接近Θ的下限即较为合适。

S4：为尽可能降低数据冗余，提高成像效率，在成像积累脉冲中进行回波的等间隔抽取，使得抽取后的目标方位向归一化尺寸在0.2-0.5范围内。

假设经过平动补偿后，目标在成像时间内相对雷达视线做匀速转动，角速度为ω。对于方位向尺寸为L_X的目标，可以计算出其在方位向上多普勒频率的最大值F_d为

根据FFT原理，RD成像后方位向表示的多普勒频率范围为[-PRF/2,PRF/2]，定义目标方位向归一化尺寸μ为：

当雷达视线俯仰角较低时，目标转速小，μ的取值将小于1，表明此时方位向坐标轴量程存在冗余，即成像脉冲数超过实际需要。为尽可能降低数据量，提高成效效率，我们可以在成像积累脉冲中进行回波的等间隔抽取，抽取倍数ΔM满足：

其中floor(·)表示向下取整；回波序列的抽取等效于对雷达降PRF处理，即PRF′＝PRF/ΔM，从而得到抽取后的目标方位向归一化尺寸μ′为：

需要说明的是，过大倍数的抽取会在一定程度上对成像质量产生影响，合理选择ΔM使μ′的值为0.2～0.5较为适宜。

S5：利用选取的成像脉冲数据进行二维ISAR成像，得到单帧ISAR图像。

利用选取的成像数据经过脉冲压缩、包络对齐、相位补偿、MTRC校正后得到高分辨的单帧ISAR图像。

S6：判断整圈数据是否处理完毕：若处理完毕则转到步骤S7；若未处理完毕则进行下一幅ISAR像的成像流程，利用相邻ISAR像姿态角变化一致的原则，自适应确定合适的成像滑窗间隔，得到下一幅ISAR像成像数据的起始脉冲；然后重复进行步骤S3～S5，完成下一幅ISAR像的数据选取和成像处理。

目标序列图像对提高目标识别效果、观察目标姿态变化起着重要作用。在空间中占绝大多数的中低轨卫星，由于轨道高度适中，适合雷达长时间观测，为实现连续的序列成像提供了数据支撑。为了保证目标姿态在序列图像中变化的连续性和平稳性，根据空间目标的运动轨道确定合适的成像滑窗间隔同样必不可少。

雷达视线的变化在整个观测时间内并非是匀速的，雷达视线俯仰角低时视线变化速率慢，随着雷达视线俯仰角的增大，雷达视线变化速率也增大。目标在图像中的姿态与雷达视线方向密切相关。通过实时调整滑窗步长，可有效保持空间目标在序列成像结果中姿态的均匀平稳变化。根据设定的相邻两幅ISAR图像的目标姿态变化角ΔΘ_V(例如1度)和整个观测时段内的目标姿态角曲线，自适应确定相邻两幅ISAR像成像数据的滑动脉冲数目，定位新的成像脉冲起始位置，开始下一幅ISAR像的数据选取和成像处理。

S7：输出目标姿态在序列图像中连续变化的序列ISAR图像。

本发明具有以下有益效果：通过本发明，在空间目标高分辨ISAR序列成像的过程中，实现了成像数据的快速自动选取，可以高效率地得到目标聚焦良好的单帧高分辨ISAR图像，增强图像的可视性，同时有效保持空间目标在序列成像结果中姿态的均匀平稳变化，对提高目标识别效果起到促进作用，具有重要工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的处理流程图。

图2是基于自适应调整滑窗步长的空间目标ISAR序列成像示意图。

图3-(a)是目标雷达视线转角变化曲线。

图3-(b)是目标1-5120回波成像结果。

图3-(c)是目标1-2560回波成像结果。

图4-(a)是目标完整图像。

图4-(b)是目标5倍抽取成像结果。

图4-(c)是目标10倍抽取成像结果。

图4-(d)是目标20倍抽取成像结果。

图5-(a)是固定34.13s窗口长度和5.67s滑窗间隔滑窗成像结果。

图5-(b)是自适应窗口长度和滑窗间隔滑窗成像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

图1为本发明总处理流程，图2为基于自适应调整滑窗步长的空间目标ISAR序列成像示意图。

本发明所述一种空间目标ISAR序列成像数据快速自动选取方法，该方法包括以下步骤：

S1：利用ISAR成像雷达的窄带观测数据，包括距离、方位、俯仰等，对目标在过境观测弧段内的姿态变化角进行估计。

S2：根据径向-方位向分辨率保持一致的原则，确定目标在成像观测时间内相对雷达视线转过的总角度Θ。

S3：根据目标成像起始脉冲和目标在成像观测时间内相对雷达视线转过的总角度Θ，确定最终成像积累的脉冲数M_I。

S4：为尽可能降低数据冗余，提高成效效率，在成像积累脉冲中进行回波的等间隔抽取，使得抽取后的目标方位向归一化尺寸在0.2-0.5范围内。

S5：利用选取的成像脉冲数据进行二维ISAR成像，得到单帧ISAR图像。

S6：判断整圈数据是否处理完毕：若处理完毕则转到步骤S7；若未处理完毕则进行下一幅ISAR像的成像流程，利用相邻ISAR像姿态角变化一致的原则，自适应确定合适的成像滑窗间隔，得到下一幅ISAR像成像数据的起始脉冲。然后重复进行步骤S3～S5，完成下一幅ISAR像的数据选取和成像处理。

S7：输出目标姿态在序列图像中连续变化的序列ISAR图像。

下面以实测数据来检验本发明的优异点。

对某目标的观测数据进行处理，根据雷达记录的天线方位角和俯仰角信息可以计算得到雷达视线相对观测起始时间的转角变化曲线，如图3-(a)所示。根据成像分辨率原则和雷达载频参数，雷达视线转角应大于6.3度。以图中标示的第0秒作为单帧成像的t0时刻，选取从t0时刻到t0+34.13s时刻的数据段(由雷达PRF可确定为第1-5120个回波)进行成像，此时雷达视线转角为6.32度，成像结果见图3-(b)。将回波数据减半，仅选取1-2560个回波进行成像，得到目标ISAR图像如图3-(c)所示。为方便对比，成像结果的距离向和方位向按照各自的分辨率显示。对比图3-(b)和(c)的成像结果可知，当目标转角不足时，目标成像效果变差，无法清晰地展示目标结构信息。

直接利用第1-5120个回波进行成像，宽带回波总数达到5120个，数据量过于庞大。从图4-(a)中目标完整成像结果可以计算出目标在方位向的归一化尺寸为0.015，回波数据存在非常大的冗余，进一步可计算得到回波抽取的最大倍数为67。分别在1-5120数据段中进行5、10和20倍的抽取，对抽取后的数据进行成像，结果分别如图4-(b)、4-(c)、4-(d)所示。

表1给出了在不抽取和三种不同抽取倍数下的成像时间和目标所在的256×256区域的图像熵和对比度。可以看出，在数据存在冗余的情况下，对回波数据进行抽取成像可以在保证成像质量的前提下大大提高成像速度。

表1不同抽取倍数运算速度和成像质量对比

图5给出对目标序列ISAR成像的部分结果。首先给出按照传统的固定成像窗口和滑窗间隔的成像结果，如图5-(a)所示，将窗口长度和滑窗间隔分别固定为34.13s和5.67s，成像起始位置为0s。图5-(b)则显示了基于自适应成像窗口和滑窗间隔的成像结果，根据雷达径向分辨率，确定成像窗口内雷达转过的角度为6.32度，滑窗间隔则按照姿态变化角度1度自适应确定。对比两种不同的空间目标序列ISAR成像方式的结果可以发现，采用自适应滑窗成像方法得到的目标序列图像保持了平稳的目标结构和姿态变化，更利于后续的目标结构分析和识别。

基于实测数据的处理结果表明，在空间目标高分辨ISAR序列成像的过程中，本发明可以高效率地得到目标聚焦良好的单帧高分辨ISAR图像，增强图像的可视性，同时有效保持空间目标在序列成像结果中姿态的均匀平稳变化，对提高目标识别效果起到促进作用，具有重要工程应用价值。