专利名称：基于空时分析的逆合成孔径雷达的目标转速估计方法
技术领域：
本发明涉及雷达技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于空时分析的逆合成孔 径雷达的目标转速估计和图像定标方法。
背景技术：
逆合成孔径雷达(ISAR)是一种微波成像技术，可以提供非合作运动目标(例如飞 机、舰船)的二维甚至三维图像，从而增强后续对目标的识别能力。ISAR通过发射宽带信号 提供沿雷达视线方向(距离向)的高分辨能力，通过相干积累目标在不同观测视角下的回 波来获得跨距离向分辨能力。当所成图像积累的目标视角变化较小时，采用高效的FFT处 理可以获得目标在距离-多普勒(RD)域的图像。由于ISAR通常针对非合作目标成像，因此，目标等效转动的估计(即雷达和目标 之间相对视角的变化)非常重要，这是因为存在下述两个方面的需求首先，ISAR图像定标 的需要；虽然ISAR所成图像的距离向分辨率取决于雷达发射信号的带宽(其通常是一个已 知量)，但图像的横向分辨率取决于相干积累时间内相对视角的变化量，其对于非合作目标 成像而言通常是未知的。只有对该视角变化量进行准确的估计，才能够对ISAR图像进行横 向定标，得到距离-跨距离域的图像，促进后续目标识别。其次，高分辨率ISAR成像的需要。 当ISAR分辨率较高，所积累的视角变化较大时，可能出现跨分辨单元徙动(MTRC)问题，引 起图像散焦问题，因此需要根据目标的转动信息进行转动补偿，提高成像质量。现有的ISAR转动估计的典型方法主要有轨迹拟合法、图像质量法和基于高阶相 位项分析的方法和基于图像序列分析的方法。轨迹拟合法通过窄带雷达提供的目标跟踪数 据，计算运动目标相对雷达的视角变化，估计精度通常较低。图像质量法采用图像评价函数 来优化未知的转角参数，当该图像评价函数获得极值时(此时图像的聚焦效果最好)，获得 相应的转角估计，由于此类方法需要在解空间内进行反复搜索，每一次搜索都需要复杂的 成像处理，例如极坐标格式成像、卷积逆投影成像，计算量较大。典型的基于高阶相位项的方法是特显点处理(PPP)的方法，该方法将目标上的回 波信号近似为线性调频信号(LFM)，通过估计LFM的起始频率和调频率，并结合三个散射点 所在的距离向位置信息，从而完成平动补偿、转动补偿和转角估计，该类方法的主要问题是 在实际情况中难以找到稳定可靠的高质量孤立散射点。对于缺乏特显点的目标，可以引入 时频分析(TFA)的方法提取高阶相位项，但TFA类方法对目标回波信号的分析都是针对距 离单元内的回波进行的，而散射点回波驻留在同一距离单元内的时间有限(特别是对于高 分辨雷达)。因而，信号的高阶相位系数通常很小，参数提取困难，参数提取的计算量较大， 精度较低，同时，其计算量也较大。此外，目前一些基于图像序列中特征提取的目标转速估计方法存在目标散射特征 提取困难的问题，而基于图像序列旋转相关的方法主要适用于大视角变化量的场合，都有 它们的局限性。
发明内容
为克服现有的ISAR图像横向定标方法精度差、实现困难的问题，本发明提出一种 基于空时分析的逆合成孔径雷达的目标转速估计方法。在一个方面，本发明提出一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法，包括步骤10)、根据接收到的回波数据，补偿目标相对于雷达的平动分量；步骤20)、根据在波数域空间构造的基函数所表示的回波数据，对目标散射中心进 行空时分析；步骤30)、根据所述空时分析提取的散射中心空间位置和空间位置变化率信息，拟 合目标转速；步骤40)、根据所拟合的目标转速，对逆合成孔径雷达距离-多普勒图像进行定标 或进行极坐标格式成像。其中，步骤10)中，对于接收到的回波数据，选择目标的平稳运动段的数据，通过 平动补偿来去除目标相对雷达的平动分量，所述平动补偿包括回波包络对齐和平动初相校 正。步骤20)还包括首先将目标回波变换到距离多普勒域中，对散射中心的距离rp 和频率《￡)进行初步估计。其中，步骤20)中，在波数域空间构造基函数，将平动补偿后的回波数据变换到波 数域空间并用所述基函数表示，使用基函数表示的所述回波数据对目标散射中心进行空时 分析，提取散射中心的距离向位置、多普勒频率、空间位置随时间的变化率信息。其中，在步骤30)中，根据散射中心参数估计和空间位置变化率信息，采用最小二 乘方法拟合目标散射中心徙动量随散射中心距离向位置的变化，估计目标转速。其中，步骤30)中，根据波数域中多个散射中心参数估计，通过表达式
- 二 拟合目标的转速，其中，(；，％n)为所估计的第η个散射中心的参 数，(Γρο, αρο)为所估计的参考散射中心的参数。通过应用本发明，可以直接根据ISAR系统接收的回波数据得到目标等效转速的 估计，不需要额外的系统硬件；通过在波数域空间搜索散射中心的相关空间、频率的变化信 息，获得目标的转速估计，可确保目标转速估计的可靠性。另外，本发明的方法由于是在波数域空间搜索散射中心参数，不需要在图像域提 取散射中心，也不在脉压数据域提取散射中心的高阶相位系数，使得该方法更为稳定可靠， 并特别适用于高分辨率逆合成孔径雷达目标参数估计，应用范围较广。
图1为根据本发明的实施例的飞机目标模型；图2为根据本发明的实施例进行目标转速估计和成像方法的流程图；图3为基于旋转体模型的逆合成孔径雷达成像示意图；图4为通过迭代法获取多散射中心参数估计的流程图；图5为在距离-多普勒图像域采用滑窗方式选择强散射中心示意图；图6为目标转速拟合结果示意图；图7为采用IOM脉冲的未定标距离多普勒图像示意5
图8为采用IOM脉冲的定标距离多普勒图像示意图；和图9为采用IOM脉冲的极坐标格式定标图像示意图。
具体实施例方式下面结合附图和示例，对本发明提供的一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法 作进一步说明。在本发明的一个实施例中，本发明所述的方法针对我国某实验ISAR系统提供的 数据进行处理，图1给出的飞机目标模型，作为本实施例中定标的对象。通常，本领域内普 通技术人员可以认识到本发明的方法不限于图中的飞机目标，还可以用于包括诸如舰船等 其它非合作目标。对于所述实验ISAR系统，雷达载波频率为5. 52GHz ；发射线性调频信号 的带宽400MHz ；采用Dechirp方式获取脉冲压缩信号，并经正交I/Q双通道采样，采样频率 IOMHz ；等效脉冲重复频率200Hz (经过了脉冲抽取)；获取IOM个脉冲进行处理。图2示出根据本发明的实施例的目标转速估计和成像的方法的总体流程，如图2 所示，在步骤10中，对于接收到的回波数据，补偿相对雷达的平动分量。在一个实施例中， 选择目标的平稳运动段的数据，通过平动补偿来去除目标相对雷达的平动分量，得到图3 所示的转台目标运动模型。其中，对目标的平动补偿通常分两步进行回波包络对齐和平动 初相校正。较稳健的包络对齐方法主要有基于相邻脉冲积累的回波相关法、全局最小熵法。 较稳健的平动初相校正方法主要有多普勒质心跟踪法及其改进算法，如基于圆移位处理的 多普勒质心跟踪法。在步骤20中，在波数域空间构造基函数，将平动补偿后的回波数据变换到波数域 空间并用所述基函数表示，通过基函数表示的所述回波数据对目标散射中心进行空时分 析，提取散射中心的距离向位置、多普勒频率(跨距离位置)、空间位置随时间的变化率等 fn息ο在平面波照射下，通过处理目标的宽带回波来获得沿雷达视线方向(距离向)的 高分辨；通过对回波相干积累来处理回波的多普勒频率信息，形成跨距离向高分辨。在图3 所示的旋转体成像模型中，较短的观测时间段内经过平动补偿之后，可假设目标以ω。勻速 转动，则目标上的一点P(xn，yn)到雷达天线相位中心的距离随脉冲时间tm的变化为
权利要求
1.一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法，包括步骤10)、根据接收到的回波数据，补偿目标相对于雷达的平动分量；步骤20)、根据在波数域空间构造的基函数所表示的回波数据，对目标散射中心进行空 时分析；步骤30)、根据所述空时分析提取的散射中心空间位置和空间位置变化率信息，拟合目 标转速；步骤40)、根据所拟合的目标转速，对逆合成孔径雷达距离-多普勒图像进行定标或进 行极坐标格式成像。
2.权利要求1的方法，其中，步骤10)中，对于接收到的回波数据，选择目标的平稳运动 段的数据，通过平动补偿来去除目标相对雷达的平动分量，所述平动补偿包括回波包络对 齐和平动初相校正。
3.权利要求1的方法，步骤20)还包括首先将目标回波变换到距离多普勒域中，对散 射中心的距离rp和频率《￡)进行初步估计。
4.权利要求1的方法，其中，步骤20)中，在波数域空间构造基函数，将平动补偿后的回 波数据变换到波数域空间并用所述基函数表示，使用基函数表示的所述回波数据对目标散 射中心进行空时分析，提取散射中心的距离向位置、多普勒频率、空间位置随时间的变化率 fn息ο
5.权利要求4的方法，其中，步骤20)包括步骤210)、在波数域构造基函数 (/人)^叩[
6.权利要求1的方法，其中，在步骤30)中，根据散射中心参数估计和空间位置变化率 信息，采用最小二乘方法拟合目标散射中心徙动量随散射中心距离向位置的变化，估计目 标转速。
7.权利要求6的方法，其中，步骤30)中，根据波数域中多个散射中心参数估计，通过表 达式 - =—( 一 拟合目标的转速，其中，(；，％η)为所估计的第η个散射中心的参数，(rpo, αρο)为所估计的参考散射中心的参数。
8.权利要求1的方法，其中，在步骤40)中，如果逆合成孔径雷达系统的脉冲压缩采用 匹配滤波方式，则距离向和跨距离向尺度因子分别为l = cA2fs)和Jla= Afr/(2M o), 其中，fs为信号采样频率，λ为波长，M为成像所积累的脉冲数目，f；为脉冲重复频率。
9.权利要求8的方法，其中，在步骤40)中，如果采用De-chirp处理进行脉冲压缩时， 距离-多普勒图像的距离向和跨距离向尺度因子分别为ilr = cfsA2NY)和Ila= Afr/ (2Μω。)，其中，Υ为线性调频信号调频率，fs为信号采样频率，λ为波长，M为成像所积累 的脉冲数目，fr为脉冲重复频率，N为一次脉冲的采样点数。
全文摘要
本发明公开一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法，包括根据接收到的回波数据，补偿目标相对雷达的平动分量；根据在波数域空间构造的基函数所表示的回波数据，对目标散射中心进行空时分析；根据提取的散射中心空间位置和空间位置变化率信息，拟合目标转速。本发明的方法不需要在图像域提取散射中心，也不在脉压数据域提取散射中心的高阶相位系数；通过波数域的空时分析提取散射中心相位系数，使得该方法更为稳定可靠，并特别适用于高分辨率逆合成孔径雷达目标参数估计。
文档编号G01S7/41GK102121990SQ20101020995
公开日2011年7月13日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年1月8日
发明者叶春茂, 周斌, 山秀明, 彭应宁, 杨健 申请人:清华大学