ISAR平动补偿和成像方法、系统、介质及设备

摘要

本发明提供了一种ISAR平动补偿和成像方法、系统、介质及设备，包括：步骤1：对雷达回波进行距离压缩和下调频处理，转化为基带信号；步骤2：对基带信号采用广义楔石形变换同时完成线性距离走动矫正和非均匀信号重构；步骤3：构造多普勒模糊补偿函数，对多普勒模糊项进行补偿；步骤4：构造加速度相位函数对剩余的距离弯曲和二次多普勒相位进行补偿；步骤5：利用二维傅里叶变换完成最终ISAR成像结果。本发明可以处理随机PRF下的平动补偿和ISAR成像，从而获得高分辨的ISAR图像，并且提出算法不涉及任何非线性操作，可以在低信噪比环境下可以获得近最优的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体地，涉及一种ISAR平动补偿和成像方法、系统、介质及设备。尤其地，涉及一种基于随机脉冲重复频率的ISAR平动补偿和成像方法。

背景技术

与主要任务为获取静止场景的二维高分辨成像的合成孔径雷达(SAR)系统相比，逆合成孔径雷达(ISAR)系统可以完成对非合作目标的二维高分辨成像，以获取感兴趣运动目标的细节信息，包括运动信息、形状、结构和尺寸大小等，是进行有效目标观测和国防建设的重要手段之一。

目标与雷达之间的相对运动可以划分为平动部分和转动部分，前者对成像没有贡献，需要被精确补偿；后者是成像的基础，同样也需要被合适的处理以获得聚焦良好的ISAR图像。因此，为了获取非合作目标的二维高分辨图像，首先需要完成的就是ISAR平动补偿，包括包络对齐和初相矫正两个步骤，分别解决由目标与雷达之间的平动运动引起的包络走动和相位走动。对于包络对齐，相关学者已经提出了众多方案，典型的方法包括包络相关法，最小熵法，全局包络对齐法等；这些方法在高信噪比(SNR)下拥有较高的性能，但是容易受到噪声和包络跳变的影响。对于初相矫正，典型的方法包括相位梯度自聚焦，特显点法等；这类算法可以有效的去除平动部分引起的相位误差，同样对SNR要求较高。为了提高稳定性，一些联合包络对齐和初相矫正的方法被提出，比如基于粒子群算法的全维搜索方案等，该类算法通过提取出平动造成的相位历史并联合图像质量评价指标来完成对平动参数的估计，从而完成平动补偿。该类对噪声较为稳健，但是计算复杂度较高。

尽管传统的基于均匀脉冲重复频率(PRF)的ISAR技术相对成熟，但是，随着电磁干扰技术的发展，实际系统对抗干扰能力、分辨率等需求进一步提升。采用随机/捷变PRF的信号作为发射信号，有利于解决距离模糊、提高方位分辨率、增强抗干扰性能等。然而，在PRF捷变的雷达系统中，对于非合作目标ISAR成像而言，采用传统的平动补偿算法和成像算法进行成像，目标会散焦严重。针对该问题，传统的非均匀采样理论可以在每个距离频点沿着慢时间维利用传统的非均匀信号重构方法进行信号重构处理，但这种方法需要在每个距离频点进行非均匀信号重构，因此计算复杂度相对会很高。此外，如果目标是个快速目标，那么目标还会发生多普勒模糊现象，进一步增大信号处理难度。因此如何在目标信号采样非均匀条件下，以相对较小的计算复杂度对具有多普勒模糊且SNR低的目标进行ISAR成像是个关键问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种ISAR平动补偿和成像方法、系统、介质及设备。

根据本发明提供的ISAR平动补偿和成像方法，包括：

步骤1：对雷达回波进行距离压缩和下调频处理，转化为基带信号；

步骤2：对基带信号采用广义楔石形变换同时完成线性距离走动矫正和非均匀信号重构；

步骤3：构造多普勒模糊补偿函数，对多普勒模糊项进行补偿；

步骤4：构造加速度相位函数对剩余的距离弯曲和二次多普勒相位进行补偿；

步骤5：利用二维傅里叶变换完成最终ISAR成像结果。

优选的，所述步骤2中广义楔石形变换的表达式为：

(f

式中：f

优选的，所述步骤3中多普勒模糊补偿函数为：

式中：M

优选的，所述步骤4中加速度相位补偿函数为：

其中，

根据本发明提供的ISAR平动补偿和成像系统，包括：

模块M1：对雷达回波进行距离压缩和下调频处理，转化为基带信号；

模块M2：对基带信号采用广义楔石形变换同时完成线性距离走动矫正和非均匀信号重构；

模块M3：构造多普勒模糊补偿函数，对多普勒模糊项进行补偿；

模块M4：构造加速度相位函数对剩余的距离弯曲和二次多普勒相位进行补偿；

模块M5：利用二维傅里叶变换完成最终ISAR成像结果。

优选的，所述模块M2中广义楔石形变换的表达式为：

(f

式中：f

优选的，所述模块M3中多普勒模糊补偿函数为：

式中：M

优选的，所述模块M4中加速度相位补偿函数为：

其中，

根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

根据本发明提供的一种ISAR平动补偿和成像设备，包括：控制器；

所述控制器包括所述的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的ISAR平动补偿和成像方法的步骤；或者，所述控制器包括所述的ISAR平动补偿和成像系统。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明可以处理随机PRF下的平动补偿和ISAR成像，从而获得高分辨的ISAR图像；

(2)与传统非均匀信号重构算法相比，提出算法的计算量较小；

(3)本发明提出算法的GKT和匹配滤波处理均属于线性变换，不涉及任何非线性操作，因此可以在低信噪比(SNR)环境下可以获得近最优的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的一种随机脉冲重复频率(PRF)下的ISAR平动补偿和成像方法的流程图；

图2为ISAR观测几何模型图；

图3为仿真的飞机散射点模型图；

图4为传统ISAR平动补偿方法的成像结果图；

图5为提出的ISAR平动补偿方法的成像结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

本发明提供了一种随机脉冲重复频率下的ISAR平动补偿和成像方法，如图1，具体包括以下步骤：

步骤一：随机PRF下的ISAR回波建模。

对于一个随机PRF采样的雷达系统，此时非均匀采样的慢时间表示为：

t

式中，t

根据图2所示的ISAR观测模型，目标上的任意一个散射点P(x

式中，

经过距离压缩后，目标第k个散射点对应的距离频域信号为：

式中，f

步骤二：提出的基于广义KT和匹配滤波的ISAR平动补偿和成像方案。

(1)对于多普勒模糊回波信号，并将式(1)带入式(4)，可化简为：

式中，v

(2)利用广义的KT(GKT)变换，同时完成方位非均匀信号重构和消除距离-方位间线性耦合，GKT定义为如下形式：

(f

式中，m′为变换后的均匀采样慢时间变量。将式(7)带入式(6)，可得：

该广义KT变换操作可通过sinc插值实现，也可采用三次样条插值或者尺度变换等快速算法来实现。需要指出的是，该步骤可以同时完成线性距离走动矫正和越距离单元矫正。

(3)构造多普勒模糊补偿项，消除多普勒模糊的影响。

为消除式(8)中r

式中，

可见，多普勒模糊项得到有效去除。

(4)构造相位补偿项，消除与平动加速度有关的相位项。

根据式(10)结果，构造如下补偿函数：

式中，

可以观察到，平动分量中的加速度影响补偿后，距离频域与方位时间的耦合已经完全解决。

(5)距离多普勒(RD)成像处理。

把平动分量中的加速度影响补偿后，首先沿距离维做逆快速傅里叶变换(IFFT)，可得：

式中，t

整个成像过程可归纳为如下形式：

其中，FFT

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

(1)仿真条件

仿真实验平台参数由表1给出，本实施例的各实施步骤均在MATLAB2016仿真平台上进行。

表1仿真参数表

(2)仿真内容

本节给出了仿真处理的结果来验证所提出的算法。该飞机目标的转动角速度为0.06rad/s，平动速度为25m/s，平动加速度为5m/s

图3为仿真的飞机目标散射点模型。图4(a)为距离脉压后的距离包络；图4(b)为未经过平动补偿的RD成像结果；图4(c)为传统基于包络相关法的包络对齐结果；图4(d)为基于包络相关法和特显点进行平动补偿后的RD成像结果；

图4(e)为传统KT进行距离走动矫正的结果；图4(f)为基于传统RD算法的成像结果；图5(a)为GKT的距离包络图，图5(b)为搜索多普勒模糊数和搜索平动加速度的搜索曲线图；图5(c)为提出方法的RD成像结果。

图4(a)和(b)分别给出了未经过平动补偿是的距离包络和RD成像结果，可以观察到明显的包络走动现象，此时RD成像结果也几乎完全散焦；图4(e)为传统KT进行包络走动矫正，可见，此时包络虽然大部分被对齐，但仍然存在部分徙动；和4(f)为在传统KT基础上基于传统RD成像算法的成像结果，此时对非均匀采样的回波信号直接采用FT，目标散射点无法被有效聚焦，只能观测带大致的轮廓。图5为提出方法的处理结果，从图5(a)中可以观察到提出GKT的有效性(平动加速度已经被补偿)，图5(b)为搜索的加速度和多普勒模糊数曲线，从最小熵值点可知多普勒模糊数为3，搜索的加速度为4.99m/s

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性、有效性和可靠性。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。