双基地ISAR图像歪斜校正方法

双基地isar图像歪斜校正方法
技术领域
1.本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种双基地isar图像歪斜校正方法。


背景技术：

2.双基地逆合成孔径雷达是基于双基地雷达平台的逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar，isar)系统，在具备普通双基地雷达抗反辐射导弹、有源干扰和无源干扰等方面具有突出的优势的同时，其还可以利用接收的目标非后向散射回波进行成像，从而获取较单基地雷达更加丰富的目标信息。一般双基地isar成像系统中采用距离
‑
多普勒(range
‑
doppler，rd)成像。但是收发雷达站异地配置会引入双基地角，双基地角是成像期间发射站雷达视线方向与接收站雷达视线方向所形成的夹角，在实际rd成像过程中，双基地角是随时间变化的，因此采用rd成像，双基地isar获得的目标的二维图像会出现歪斜，影响后续目标识别。
3.目前双基地isar成像的图像歪斜问题，现有技术中分别采用基于双基地isar成像平面分析和基于旋转矢量分析的方法对双基地isar成像平面进行研究，得出了双基地isar成像距离轴与方位轴不正交并造成图像歪斜的结论，分析过程较繁琐，不便于工程实现，并且其未涉及对歪斜图像的校正。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种双基地isar图像歪斜校正方法，以解决现有技术中分析双基地isar成像的图像歪斜的过程复杂且没有校正图像歪斜的问题。
5.本发明实施例的第一方面提供了一种双基地isar图像歪斜校正方法，包括：
6.对接收的双基地雷达的目标回波信号进行脉冲压缩，得到一维距离像序列；
7.对所述一维距离像序列中的每一一维距离像进行预处理，得到校正后的一维距离像回波数据；
8.根据所述双基地雷达的雷达站位置信息和目标的轨道信息，计算双基地isar图像成像期间的双基地角，并根据所述双基地角计算双基地时变系数；
9.根据所述校正后的一维距离像回波数据和所述双基地时变系数，校正线性距离走动项，确定双基地isar图像歪斜的相位；
10.构造相变补偿项，并根据所述相变补偿项对所述双基地isar图像歪斜的相位进行补偿，得到歪斜校正后的双基地isar图像。
11.可选的，所述一维距离像序列中的一维距离像为
[0012][0013]
其中，表示在t
m
时刻散射点p
m
的一维距离像，σ
p
表示在t0时刻散射点p的散
射系数，μ表示双基地雷达的调频率，t
p
表示双基地雷达的脉冲宽度，表示快时间，r
pm
表示散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和，c表示电磁波在自由空间的传播速度，j表示虚数，f
c
表示双基地雷达发射的脉冲的载波频率。
[0014]
可选的，所述对所述一维距离像序列中的每一一维距离像进行预处理，得到校正后的一维距离像回波数据，包括：
[0015]
获取在t0时刻目标质心o的位置数据以及在t
m
时刻散射点p
m
的位置数据；
[0016]
根据所述目标质心o的位置数据以及所述散射点p
m
的位置数据，计算所述散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和与所述目标质心o双基地雷达的发射站和接收站的距离和的差；
[0017]
根据所述差，对所述一维距离像序列中的每一一维距离像进行包络对齐、相位自聚焦以及越距离单元徙动校正，得到校正后的一维距离像回波数据。
[0018]
可选的，根据所述双基地雷达的雷达站位置信息和目标的轨道信息，计算双基地isar图像成像期间的双基地角，包括：
[0019]
根据计算双基地isar图像成像期间的双基地角；其中，β(t0)表示在t0时刻成像对应的双基地角，β(t
m
)表示在t
m
时刻成像对应的双基地角，r
to
表示目标质心o到双基地雷达的发射站的距离，r
ro
表示目标质心o到双基地雷达的接收站的距离，l表示双基地雷达系统基线的长度，r
tom
表示目标质心o
m
到双基地雷达的发射站的距离，r
rom
表示目标质心o
m
到双基地雷达的接收站的距离。
[0020]
可选的，根据所述双基地角计算双基地时变系数，包括：
[0021]
根据所述双基地isar图像成像期间的双基地角以及第一定义，通过最小均方误差计算得到双基地时变系数；所述第一定义为β(t
m
)≈β0+δβt
m
，其中，β0表示成像初始时刻的双基地角，δβ表示双基地角成像初始时刻的一阶导数；
[0022]
根据所述双基地时变系数确定所述双基地时变系数的值。
[0023]
可选的，所述根据所述双基地时变系数确定所述双基地时变系数的值，包括：
[0024]
根据确定所述双基地时变系数的值；
[0025]
其中，k0、k1分别表示所述双基地时变系数的值。
[0026]
可选的，所述根据所述校正后的一维距离像回波数据和所述双基地时变系数，校正线性距离走动项，确定双基地isar图像歪斜的相位，包括：
[0027]
根据目标等效累积转角旋转角度和所述双基地时变系数对δr
pm
进行简化处理，得到处理后的δr
pm
'；
[0028]
根据处理后的δr
pm
'以及所述校正后的一维距离像回波数据，校正线性距离走动项，确定第n个距离单元的对应的相位多项式信号；
[0029]
根据所述第n个距离单元的对应的相位多项式信号，确定双基地isar图像歪斜的相位。
[0030]
可选的，所述处理后的δr
pm
'为
[0031][0032]
其中，ω0表示目标等效转动速度，x
p
表示散射点p在xoy坐标系中的横坐标值，xoy坐标系为以目标质心o为原点，双基地角平分线为y轴建立的右手直角坐标系，y
p
表示散射点p在xoy坐标系中的纵坐标值；
[0033]
所述第n个距离单元的对应的相位多项式信号为
[0034][0035]
其中，s
n
(t
m
)表示第n个距离单元的对应的相位多项式信号，a
i
表示第i个散射点的回波幅度，i＝1,2
…
l
n
，l
n
表示散射点的总数，y
n
表示纵向距离坐标值，x
i
表示第i个散射点横向距离坐标值。
[0036]
可选的，所述相变补偿项为
[0037][0038]
其中，表示相变补偿项。
[0039]
可选的，所述歪斜校正后的双基地isar图像的指数项为
[0040][0041]
其中，ψ'表示歪斜校正后的双基地isar图像的指数项。
[0042]
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：通过从双基地isar图像歪斜的机理出发，并估计双基地角时变系数，确定双基地isar图像歪斜的相位，构建相变补偿项，对双基地isar图像歪斜的相位进行相位补偿，从而校正图像歪斜，再进行方位压缩得到歪斜校正后的二维图像，从而可以有效、鲁棒的校正双基地角时变引入的图像歪斜现象，提高成像质量，利于后续目标识别。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1是本发明实施例提供的双基地isar图像歪斜校正方法的实现流程示意图；
[0045]
图2是本发明实施例提供的双基地雷达系统示意图；
[0046]
图3(a)是本发明实施例提供的图像歪斜示意图的散射点模型示意图；
[0047]
图3(b)是本发明实施例提供的图像歪斜示意图的双基地isar图像的成像示意图；
[0048]
图4是本发明实施例提供的国际空间站的轨道根数tle信息的示例图；
[0049]
图5是本发明实施例提供的仿真场景的示意图；
[0050]
图6是本发明实施例提供的仿真成像参数设置的示例图；
[0051]
图7是本发明实施例提供的散射点模型沿等效单基地雷达视线方向，在成像平面上的投影的示意图；
[0052]
图8是本发明实施例提供的双基地角随积累脉冲数的变化情况示意图；
[0053]
图9(a)是本发明实施例提供的基于rd算法得到的二维isar图像的示意图；
[0054]
图9(b)是本发明实施例提供的采用双基地isar图像歪斜校正方法的二维isar图像的示意图。
具体实施方式
[0055]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0056]
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0057]
图1为本发明实施例提供的一种双基地isar图像歪斜校正方法的实现流程示意图，详述如下。
[0058]
步骤101，对接收的双基地雷达的目标回波信号进行脉冲压缩，得到一维距离像序列。
[0059]
可选的，如图2所示的双基地雷达系统示意图，其中，t为双基地雷达系统的发射站，r为双基地雷达系统的接收站，l为双基地雷达系统基线的长度，e点为双基地雷达系统的等效单基地雷达位置。目标在空间平稳运动，运动速度为v。成像初始时刻t0，目标质心为o，双基地角为t0，以目标质心o为原点，双基地角平分线为y轴，建立右手直角坐标系xoy，散射点p在该坐标系中坐标为(x
p
,y
p
)，op长度为d，与x轴夹角为α0。在t
m
时刻，目标质心o平移至o
m
点，坐标系x'o
m
y'是由坐标系xoy平移得到，以o
m
为原点，双基地角平分线为v轴，建立右手直角坐标系uo
m
v，散射点p在该坐标系uo
m
v中记为p
m
(x
pm
,y
pm
)，o
m
p
m
与u轴夹角为α
m
，等效单基地雷达的视角变化为θ
m
。p
m
到发射站和接收站的距离分别为r
tpm
、r
rpm
，o
m
到发射站和接收站的距离分别为r
tom
、r
rom
。
[0060]
假设收发双站雷达理想同步，发射站雷达以脉冲重复周期t
prt
发射线性调频信号，线性调频信号可以为
[0061][0062]
其中，表示线性调频信号，表示快时间，t
p
表示双基地雷达的脉冲宽度，j表示虚数，f
c
表示双基地雷达发射的脉冲的载波频率，μ表示双基地雷达的调频率。另外，rect(u)为矩形窗函数，当|u|≤0.5时，rect(u)＝1，当|u|>0.5时，rect(u)＝0；t
m
＝mt
prt
(m
＝0,1,2,...)，其为双基地雷达信号发射时刻，称作慢时间，t为全时间，三者之间的关系为：
[0063]
根据式(1)，可以确定线性调频信号的基频信号为
[0064][0065]
假设散射点p的散射系数可以为σ
p
，在t
m
时刻散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和为r
pm
，即r
pm
＝r
tpm
+r
rpm
，则双基地雷达的接收站接收到的回波信号为
[0066][0067]
经过相参本振下变频至零中频，并使用匹配滤波器对目标回波信号进行脉冲压缩，得到散射点p
m
的一维距离像为
[0068][0069]
其中，表示在t
m
时刻散射点p
m
的一维距离像，σ
p
表示在t时刻散射点p的散射系数，μ表示双基地雷达的调频率，t
p
表示双基地雷达的脉冲宽度，表示快时间，r
pm
表示散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和，c表示电磁波在自由空间的传播速度，j表示虚数，f
c
表示双基地雷达发射的脉冲的载波频率。
[0070]
步骤102，对所述一维距离像序列中的每一一维距离像进行预处理，得到校正后的一维距离像回波数据。
[0071]
可选的，本步骤中对所述一维距离像序列中的每一一维距离像进行预处理，得到校正后的一维距离像回波数据时，可以包括：
[0072]
获取在t时刻目标质心o的位置数据以及在t
m
时刻散射点p
m
的位置数据；
[0073]
根据所述目标质心o的位置数据以及所述散射点p
m
的位置数据，计算所述散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和与所述目标质心o双基地雷达的发射站和接收站的距离和的差；
[0074]
根据所述差，对所述一维距离像序列中的每一一维距离像进行包络对齐、相位自聚焦以及越距离单元徙动校正，得到校正后的一维距离像回波数据。即采用累积互相关法进行包络对齐，利用加权最小二乘自聚焦算法完成相位自聚焦，利用keystone变换完成越距离单元徙动校正。
[0075]
可选的，上述根据所述目标质心o
m
的位置数据以及所述散射点p
m
的位置数据，计算所述散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和与所述目标质心o
m
双基地雷达的发射站和接收站的距离和的差时，可以包括：
[0076]
根据所述目标质心o
m
的位置数据以及所述散射点p
m
的位置数据，计算散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和；
[0077]
在双基地雷达系统中，目标质心o到散射点p距离目标之间的距离远小于双基地雷
达中收发双战之间的距离，由于α
m
＝θ
m
+α0，则散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和为
[0078][0079]
则
[0080]
其中，r
pm
表示散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和，r
tpm
表示散射点p
m
到双基地雷达的发射站的距离，r
rpm
表示散射点p
m
到双基地雷达的接收站的距离，d表示在t时刻目标质心o到散射点p距离，β
m
表示在t
m
时刻对应的双基地角，α0表示目标质心o与散射点p构成的射线与横坐标轴的夹角，θ
m
表示双基地雷达等效单基地雷达的视角变化。
[0081]
根据所述散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和以及相干处理时间内慢时间函数和累积转角，计算所述散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和与所述目标质心o
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和的差；
[0082]
令式(6)中的r
om
＝r
tom
+r
rom
，即目标质心o
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和，则散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和与目标质心o
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和之差为δr
pm
，在较短的相干处理时间cpi内，目标处于远场位置的条件下，双基地角β
m
可视为慢时间的函数，记为β(t
m
)，累积转角记为θ(t
m
)，则
[0083][0084]
其中，δr
pm
表示所述散射点p
m
到双基地雷达的发射站和接收站的距离和与所述目标质心o
m
双基地雷达的发射站和接收站的距离和的差，θ(t
m
)表示相干处理时间内累积转角，x
p
表示散射点p在xoy坐标系中的横坐标值，xoy坐标系为以目标质心o为原点，双基地角平分线为y轴建立的右手直角坐标系，y
p
表示散射点p在xoy坐标系中的纵坐标值，β(t
m
)表示相干处理时间内慢时间的函数。
[0085]
可选的，上述根据所述差，对所述一维距离像序列中的每一一维距离像进行包络对齐、相位自聚焦以及越距离单元徙动校正，得到校正后的一维距离像回波数据可以为
[0086][0087]
即将式(7)带入式(4)中，得到校正后的一维距离像回波数据。
[0088]
步骤103，根据所述双基地雷达的雷达站位置信息和目标的轨道信息，计算双基地isar图像成像期间的双基地角，并根据所述双基地角计算双基地时变系数。
[0089]
可选的，参见图2，本步骤中根据所述双基地雷达的雷达站位置信息和目标的轨道信息，计算双基地isar图像成像期间的双基地角，并根据所述双基地角计算双基地时变系
数，可以包括：
[0090]
根据计算双基地isar图像成像期间的双基地角；其中，β(t0)表示在t时刻成像对应的双基地角，β(t
m
)表示在t
m
时刻成像对应的双基地角，r
to
表示目标质心o到双基地雷达的发射站的距离，r
ro
表示目标质心o到双基地雷达的接收站的距离，l表示双基地雷达系统基线的长度，r
tom
表示目标质心o
m
到双基地雷达的发射站的距离，r
rom
表示目标质心o
m
到双基地雷达的接收站的距离；
[0091]
根据所述双基地isar图像成像期间的双基地角以及第一定义，通过最小均方误差计算得到双基地时变系数；所述第一定义为β(t
m
)≈β0+δβt
m
，其中，β0表示成像初始时刻的双基地角，δβ表示双基地角成像初始时刻的一阶导数；β0和δβ即为双基地时变系数；
[0092]
根据所述双基地时变系数确定所述双基地时变系数的值。
[0093]
可选的，在较短的相干处理时间cpi内，目标处于远场位置的条件下，双基地角随慢时间近似成线性变化，因此可用一阶泰勒多项式进行近似
[0094]
β(t
m
)≈β0+δβt
m
；
ꢀꢀ
(9)
[0095]
在短时成像条件下，通过最小均方误差估计方法，cos(β(t
m
)/2)可用一阶泰勒多项式进行近似，可得
[0096][0097]
则式(10)中，即可确定所述双基地时变系数的值。
[0098]
其中，k0、k1分别表示所述双基地时变系数的值。
[0099]
步骤104，根据所述校正后的一维距离像回波数据和所述双基地时变系数，校正线性距离走动项，确定双基地isar图像歪斜的相位。
[0100]
可选的，本步骤中根据所述校正后的一维距离像回波数据和所述双基地时变系数，校正线性距离走动项，确定双基地isar图像歪斜的相位，可以包括：
[0101]
根据目标等效累积转角旋转角度和所述双基地时变系数对δr
pm
进行简化处理，得到处理后的δr
pm
'；
[0102]
根据处理后的δr
pm
'以及所述校正后的一维距离像回波数据，校正线性距离走动项，确定第n个距离单元的对应的相位多项式信号；
[0103]
根据所述第n个距离单元的对应的相位多项式信号，确定双基地isar图像歪斜的相位。
[0104]
可选的，在较短的cpi时间内，由于目标的惰性，目标等效累积转角旋转一个微小
的角度，此时可表示为θ(t
m
)＝ω0t
m
，θ(t
m
)为目标等效累积转动角度，ω0为目标等效转动速度。此时，式(7)中sinθ(t
m
)和cosθ(t
m
)可近似为sinθ(t
m
)≈ω0t
m
，cosθ(t
m
)≈1。忽略二阶以上的高次项，对散射点的转动项进行化简可得处理后的δr
pm
'；
[0105][0106]
若转动项引起的包络走动超过半个距离分辨单元，基于keystone方法进行校正线性距离走动项，则第n个距离单元的对应的相位多项式信号可表示为
[0107][0108]
其中，a
i
表示第i个散射点的回波幅度，i＝1,2
…
l
n
，l
n
表示散射点的总数，y
n
表示纵向距离坐标值，x
i
表示第i个散射点横向距离坐标值。
[0109]
由式(12)可以看出，相位表达式中第一部分与纵向距离坐标y
n
有关的距离空变相位项，即与慢时间有关的一次项exp(
‑
j4πf
c
y
n
k1t
m
/c)会导致第n个距离单元所有散射点平移，且平移量与距离坐标成正比，进而引起双基地isar图像歪斜。因此，确定的双基地isar图像歪斜的相位为exp(
‑
j4πf
c
y
n
k1t
m
/c)。
[0110]
如图3(a)所示图像歪斜示意图的散射点模型示意图，如图3(b)所示图像歪斜示意图的双基地isar图像的成像示意图。由于双基地isar的多普勒信息与散射点的距离坐标y
p
值有关，使得散射点在方位向出现偏移，直接采用rd算法获得的双基地isar成像结果无法有效反应目标的真实形状，影响后续的目标识别
[0111]
步骤105，构造相变补偿项，并根据所述相变补偿项对所述双基地isar图像歪斜的相位进行补偿，得到歪斜校正后的双基地isar图像。
[0112]
可选的，所述相变补偿项为
[0113][0114]
其中，φ表示相变补偿项，y
n
表示纵向距离坐标值。
[0115]
采用式(13)对式(12)进行补偿，得到补偿后的指数项
[0116][0117]
式(14)中，多普勒仅是散射点方位坐标的函数，图像的歪斜校正已经消除，根据式(14)对应的多普勒信息即可得到散射点的方位坐标值。
[0118]
根据上述提供的双基地isar图像歪斜校正方法进行仿真验证，设置双基地雷达的发射站位于北京市(东经116
°
24'17"，北纬39
°
54'27"，海拔0m)，接收站位于上海市(东经121
°
4'20"，北纬39
°
02'37"，海拔0m)，采用国际空间站的轨道作为仿真验证轨道，国际空间站的轨道根数tle信息如图4所示，轨道初始历元时刻为2018年8月20日00时28分20秒。
[0119]
根据卫星轨道信息，可以推算出国际空间站对双基地isar雷达系统的可见时间窗为：2018年8月20日01:36:51～01:45:03，从可见时间窗，选择成像平面稳定的特定cpi作为成像弧段。仿真场景如图5所示。仿真成像参数设置如图6所示。采用散射点模型进行仿真
时，采用基于理想散射点的航天飞机模型，散射点的反射系数均为1。其中图7为散射点模型沿等效单基地雷达视线方向，在成像平面上的投影。
[0120]
双基地角随积累脉冲数的变化情况如图8所示，图8积累时间为5.12s，在观测时间内，双基地角与慢时间成线性关系，该观测时间内双基地角变化约为3.46
°
，对应的k0＝0.6618，k1＝0.0044。
[0121]
利用累积互相关法进行包络对齐，利用加权最小二乘自聚焦算法完成相位自聚焦，利用keystone变换完成越距离单元徙动校正，直接基于rd算法进行方位向压缩，并定标得到的二维isar图像如图9(a)所示。由于双基地时变角的影响，相对于图7沿“凝视”的等效单基地视线下成像平面上散射点模型投影，基于rd算法获得的二维isar像产生了歪斜。
[0122]
对于越距离单元徙动校正后的回波数据，进行距离空变相位补偿，逐距离单元完成方位向压缩，得到双基地isar二维图像如图9(b)所示。图9(b)中isar图像与图7沿“凝视”的等效单基地视线下成像平面上散射点模型投影一致，利用所提算法可以获得与目标投影形状一致的二维isar像，验证了本发明算法的有效性，有利于后期正确目标识别。且基于图9(b)可以看出，本发明双基地isar图像歪斜校正方法可有效成像，获得目标正确的图像形状和特征，基于空间目标轨道和双基地成像几何先验信息，所提算法通过最小均方误差法，估计双基地角的一次函数系数，以及对应的系数。在每一个双基地角均存在较小的随机误差的情况下，基于均方误差最小的约束，亦可以精确的估计出相应系数，算法更为鲁棒，更适用于实际系统。
[0123]
上述双基地isar图像歪斜校正方法，通过对获得的一维距离像序列进行校正，得到校正后的一维距离像回波数据，根据所述双基地雷达的雷达站位置信息和目标的轨道信息，计算双基地isar图像成像期间的双基地角，并根据所述双基地角计算双基地时变系数；根据所述校正后的一维距离像回波数据和所述双基地时变系数，校正线性距离走动项，确定双基地isar图像歪斜的相位；从而得到图像歪斜的机理，然后设置相变补偿项对所述双基地isar图像歪斜的相位进行补偿，方位压缩得到歪斜校正后的双基地isar图像二维图像。本发明提供的双基地isar图像歪斜校正方法能够有效、鲁棒的校正双基地角时变引入的图像歪斜现象，提高成像质量，利于后续目标识别。
[0124]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0125]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。