專利名稱：適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達成像距離對齊方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達(ISAR)成像距離 對齊方法，尤其是一種適用于平穩(wěn)飛行目標低信噪比回波數(shù)據(jù)的ISAR成像距離 對齊方法。
背景技術(shù)：
逆合成孔徑雷達能從固定或運動平臺對導彈、衛(wèi)星、艦船、天體等運動目 標進行全天候、全天時、遠距離成像，在戰(zhàn)略防御、反衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)武器以及雷 達天文學中都有重要的應用價值。逆合成孔徑雷達是基于距離-多普勒成像原 理，在這種成像方式中，雷達不動，而將運動目標等效于勻速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)臺目標， 在不大的視角范圍內(nèi)，該目標的散射特性可用一系列散射點來近似，而且，在 成像期間，這些散射點的相對位置、強度均不發(fā)生變化。ISAR成像的關鍵在于 運動補償，通過運動補償，將目標上的某一點變?yōu)?不動點"，則目標的運動 相當于繞"不動點"旋轉(zhuǎn)，ISAR成像等效于轉(zhuǎn)臺目標成像。雷達要能夠?qū)δ繕?二維成像，須在縱向距離和橫向距離這兩個方向上都具有高的分辨率。脈沖雷 達的縱向距離分辨率是明顯的，它等于脈沖信號寬度Ar對應的距離，可采用脈沖 壓縮技術(shù)實現(xiàn)；ISAR成像在橫向距離上的高分辨率是基于對目標上散射點的多 普勒分辨，目標散射點的轉(zhuǎn)動形成多普勒頻率，此頻率的大小與散射點距轉(zhuǎn)動 軸心的橫向距離成正比，對目標回波在橫向上進行傅立葉變換，可實現(xiàn)對目標 散射點的橫向分辨。在對回波數(shù)據(jù)分別作橫向和縱向處理后得到目標的距離-多 普勒二維像。
由于運動目標的非合作性，ISAR中的運動補償比合成孔徑雷達(SAR)中 的運動補償難度增加很多，為此人們做了大量的研究工作。在距離壓縮完成的 數(shù)據(jù)中，距離對齊可以通過包絡互相關或跟蹤參考點的歷史時間來完成并擬合 成一個多項式。針對低信噪比的數(shù)據(jù)，相鄰回波間的相關性遭到破壞，傳統(tǒng)的 基于相關法的距離對齊方法不再適用。有人提出基于Hough變換的距離對齊技 術(shù)，具備一定的抗噪聲性能，穩(wěn)健性較好，但在低信噪比情況下常常難以達到 ISAR成像處理距離對齊的精度要求。Keystone變換是一種新穎的距離走動校正 算法，此變換利用時間坐標變換校正各散射點的線性距離走動，在實際中， Keystone變換可通過基于變尺度DFT (離散傅立葉變換)的線性插值算法快速 實現(xiàn)，此算法在低信噪比下依然適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于平穩(wěn)飛行目標低信噪比回波數(shù)據(jù)的ISAR成 像距離對齊方法，按照本發(fā)明提供的方法對低信噪比數(shù)據(jù)進行距離對齊，可以 消除強噪聲背景對距離對齊精度的影響，滿足對ISAR成像運動補償?shù)囊蟆?br> 考慮目標作平穩(wěn)飛行，目標徑向運動對距離走動的影響可以以二次多項式近似，本發(fā)明利用Keystone變換校正線性距離走動，以平均距離像修正峰度最 大為準則估計目標徑向加速度，校正二次項距離走動。
一種適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達成像距離對齊方法，其特征是， 所述方法包括如下步驟
(1) 由逆合成孔徑雷達獲取平穩(wěn)飛行目標的寬帶回波數(shù)據(jù)；
(2) 對回波數(shù)據(jù)在距離向進行脈沖壓縮后，得到目標的動態(tài)距離像分布(3) 對每一時刻的距離像計算其重心(&fe))，將各距離像的重心沿時間坐 標的移動軌跡作線性擬合，得到目標徑向速度的粗估計
(4) 以目標徑向速度的粗估計(iO對回波數(shù)據(jù)加以運動補償，消除多普勒 模糊，利用Keystone變換校正目標線性距離走動；
(5) 對進行相干積累的成像時間內(nèi)的所有距離像進行分段，對每一段中相 鄰的多個距離像橫向作離散傅立葉變換，即，用各種多普勒值對回波序列進行 補償，在相應的多普勒處得到目標距離像相干積累后的峰值，形成較高信噪比 的t^^巨帛〈象。
(6) 以各次距離像相加后得到的平均距離像修正峰度(a:,("))最大為準則
搜索目標徑向加速度值(")，以其估值(s)調(diào)整各次距離像的時延，完成二 次項距離走動校正。
所述重心由以下方法得到
,"時刻的距離像的重心
其中，r是縱向距離坐標，s (n f )是沿^排列的距離像動態(tài)分布圖。
所述線性擬合的方法如下對距離像重心沿時間坐標的移動軌跡作線性擬合， , = argmir(sg ) — (W + r0 )]2
其中，F(xiàn)。是目標距離像移動軌跡的起始值"的估計值，^是目標徑向速度v 的粗估計。
以^對數(shù)據(jù)予以運動補償，補償后殘余的徑向速度分量較小， 一般不會引起 多普勒模糊的情況。
所述二次項距離走動校正的方法如下
待搜索的目標徑向加速度為"，第"次合成距離像的時延調(diào)整量為1" 2，
2
"=0，l,...，iV-l， iV為合成距離像的個數(shù)；S(",m,")為經(jīng)調(diào)整后的第"次合成距離像 第w個距離單元的數(shù)據(jù)，m = 0,l,...,M-l， M為縱向距離單元數(shù)；時延調(diào)整后各次距 離像模的平方和<formula>formula see original document page 6</formula>當距離對齊時，x(m，")的波形起伏明顯，其銳化度較高，而對應的修正峰度 較大。因而加速度搜索的任務歸結(jié)為求與修正峰度i^(")最大所對應的目標徑向 加速度估值S，艮口
以^調(diào)。整各距離像的時延，完成二次項距離走動校正。
所述修正峰度定義為 一 x(附,力的修正峰度<formula>formula see original document page 6</formula>本發(fā)明的優(yōu)點有直接以Keystone變換校正目標線性距離走動，此變換可以 線性插值實現(xiàn)，計算量小，在低信噪比條件下穩(wěn)健性好；對于目標徑向加速度 引起的二次項距離走動問題，先對相鄰距離像相干積累以得到高信噪比合成距 離像，再搜索徑向加速度估值，使得經(jīng)時延調(diào)整后各次距離像模的平方和的修 正峰度值最大，以修正峰度為指標的徑向加速度搜索具有全局意義，抗噪聲性 能較好，該方法只需要進行一維搜索而不是高維搜索，因而運算量較小。


圖l為本發(fā)明的流程圖。
圖2為目標的仿真散射模型。
圖3為用包絡對齊的互相關法進行距離對齊后的成像結(jié)果。 圖4 (a)為目標原始動態(tài)距離像分布圖。 圖4 (b)為對目標回波進行Keystone變換后的結(jié)果。 圖4 (c)為本發(fā)明得到的高信噪比動態(tài)距離像分布圖 圖4 (d)為本發(fā)明得到的動態(tài)距離像分布圖。 圖4 (e)為本發(fā)明得到的目標的距離-多普勒二維像。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
在仿真實驗中，我們選取了一段米格25飛機(Mig-25)的雷達回波仿真數(shù) 據(jù)，在此基礎上假設一定的目標軌跡移動并添加噪聲，以此作為檢驗算法有效 性的實驗數(shù)據(jù)。目標的仿真散射模型如圖2所示。實驗雷達工作在C波段，中 心頻率5.52GHz，信號帶寬為300MHz，脈沖重復頻率400Hz，設目標與雷達同 面，目標距離為15km，與雷達射線夾角為84。，目標以250m/s的速度飛行， 數(shù)據(jù)采集時間為2.56s，其間收到2048次回波，目標相對于雷達射線的轉(zhuǎn)角為 2.4° ，計算得到的圖像質(zhì)量指標為目標縱向距離分辨力約為0.5m，橫向距離 分辨力約為0.65附。原始數(shù)據(jù)一維距離像上的平均信噪比約為22dB，添加噪聲后，其一維像上的平均信噪比降至約-2dB。
圖3為用常規(guī)的包絡對齊的互相關法進行距離對齊后的成像結(jié)果。本發(fā)明 對低信噪比回波數(shù)據(jù)的處理結(jié)果如圖4所示。圖4 (a)為目標原始動態(tài)距離像 分布圖，圖4(b)為對目標回波進行Keystone變換后的結(jié)果，目標的線性距離 走動得到校正。對2048次回波分為256段，每8次回波作相鄰距離像相干積累， 得到圖4 (c)的高信噪比動態(tài)距離像分布圖?；谛拚宥茸畲鬁蕜t校正二次 項距離走動，得到圖4 (d)的動態(tài)距離像分布圖。經(jīng)相位補償處理后，可以得 到圖4 (e)的目標的距離-多普勒二維像，目標圖像清晰度較高，已滿足ISAR 成像的指標要求。
以下對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細描述。
成像雷達以周期r發(fā)射寬帶信號，對接收到的回波下變頻并作傅立葉變換 后，可在頻率域和慢時間域?qū)⒒夭ㄐ盘栆躁嚵懈袷奖硎境?br> = (3)
式中l(wèi)"r為慢時間，/力凝率凝壟標， = -|，-|+i，...,|—i， 7v為成像期間接
收到的回波數(shù)，尸(/)是發(fā)射脈沖的傅立葉變換，厶為中心頻率，c為光速，4為 目標的第/個散射點的散射系數(shù)，《(U為該散射點在《時刻與雷達之間的距離，
e為散射點個數(shù)。
當對飛機一類機械惰性較大的目標成像時，若目標作平穩(wěn)飛行，在短時間內(nèi)
可將i ,(O以多項式近似表示
<formula>formula see original document page 7</formula> (4) 其中^,和",分別為第/個散射點在~=0時刻的徑向速度和加速度。將(4)式代入(3) 式中得
'=i (5) 式中A(/,U為由高次運動產(chǎn)生的高次項，可以寫為<formula>formula see original document page 7</formula> (6) c
將此信號對頻率/作逆傅立葉變換，可得到沿^排列的距離像動態(tài)分布圖<formula>formula see original document page 7</formula> (7)
式中5為回波信號帶寬。當回波數(shù)據(jù)存在多普勒模糊時，Keystone變換無法 直接得到準確結(jié)果，因此，考慮從距離像分布圖上得到徑向速度粗估計，以此 對回波數(shù)據(jù)補償，消除多普勒模糊。計算z"時刻的距離像重心為對距離像重心沿時間的移動軌跡作線性擬合，得到目標距離像移動軌跡的 起始值的估值&和速度的估值《
(f0," = argmin[、 (f )-(討 + r0 )]2 (9)
以f對數(shù)據(jù)予以運動補償，補償后殘余的徑向速度分量較小， 一般不會引起 多普勒模糊的情況。
對慢時間^進行坐標變換
"(10)
變換后的回波信號可表為
w,"^(/)l^,'魂(V^ 息" (ii)
式中，Av,v,-iT^補償后殘存的徑向速度分量。
如果將此信號對頻率/作逆傅立葉變換，可得到沿r"排列的復距離像
冷,+li仍/y，謹x /^佩
'=1 2 (12)
上式表明，對新的時間變量^，引起距離像線性移動的相位項不復存在， 積分號內(nèi)的高次相位項A(/,o主要引起二次項距離走動。
在Keystone變換之后，盡管線性距離走動已基本得到校正，但徑向加速度 引起的二次項距離走動不可忽略，必須設法予以校正。線性距離走動校正后， 相鄰若干個距離像之間散射點的走動極小，可以忽略，考慮將成像期間內(nèi)的回 波分段，對每一段內(nèi)鄰近的若干次回波相干積累，形成高信噪比的合成距離像。
在對實測數(shù)據(jù)的處理中，通常對接收回波要進行抽取。這是因為，如果目 標與雷達距離較遠且作直線飛行，視角往往變化較慢，成像數(shù)據(jù)獲取時間較長。 在這種情況下，相鄰回波的目標轉(zhuǎn)角極小，可以認為鄰近的若干次回波具有很 強的相關性。舉例來說，波長為A，橫距分辨率為Ai ，則成像所需轉(zhuǎn)角e為
6 =丄 (13)
若;^0.05435m， M=0.375m，則"4.152° 。當抽取比為8: 1，選取的回 波數(shù)為2048時，相鄰8次回波的目標轉(zhuǎn)角僅為0.016° 。考慮短時觀測極小目 標模型，若相鄰兩次回波的目標轉(zhuǎn)角為AP，某散射點橫距為Ax，則在兩個間隔 為丄的回波中，，該散射點子回波的相位差可表示為
A(D丄-二丄A0Ax (14)
若距轉(zhuǎn)軸最遠的散射點的橫距Ax-15m， A0=O.OO2° , ￡ = 8，則厶0￡二55° ， 至于非兩側(cè)的散射點，其相位差更小?？紤]到目標轉(zhuǎn)動使其兩側(cè)的散射點子回 波相位在相鄰幾次距離像之間有一定變化，如果要對復距離像積累，這一相位 變化的存在使積累不能達到理想的信噪比改善。通常認為，如果信號矢量的相位在積累時間內(nèi)的變化小于土i，積累就能對信噪比產(chǎn)生改善。因此，當橫向采 樣率較高時，Z的適當選取可保證平均距離像的信噪比得到一定改善。上面說的
是目標轉(zhuǎn)動的影響，實際上目標平動的影響也要考慮。前面已經(jīng)提到，經(jīng)Keystone
變換處理后，相鄰距離像基本對齊，但相位隨慢時間的變化有兩部分速度引
起的多普勒頻率，以高加速度等引起的A(/,、)。當用少數(shù)幾個周期(如^ = 8)作
相干積累處理時，A(/，^)的影響可以忽略。但多普勒頻率的影響是不能忽略的，
為此，不能用幾個(如丄=8)周期的距離像直接相加，而應當對排列好的距離像在
橫向作傅立葉變換處理，這相當于用各種多普勒值對回波序列進行補償，在相 應的多普勒處會得到目標距離像相干積累的峰值，得到高信噪比的合成距離像。
針對二次項距離走動問題，考慮利用上面得到的高信噪比合成距離像估計 目標徑向加速度值。如果以準確的目標徑向加速度估計值調(diào)整各次合成距離像 的時延，將調(diào)整過的各次距離像相加得到一平均距離像。
本發(fā)明使用一種基于最大修正峰度的距離對齊方法，以修正峰度作為優(yōu)化 指標確定平動參數(shù)，從而改善抗閃爍和抗噪聲性能。在全局意義下以銳化度或 峰度為優(yōu)化指標確定目標平動參數(shù)，校正目標的距離走動。設回波序列
義={^^...，1^—,}，可以計算其峰度大小，表示iV個數(shù)值分布的平緩程度，峰度的 定義為<formula>formula see original document page 9</formula>
式中<formula>formula see original document page 9</formula>在距離對齊時，若各次距i像已經(jīng)距離對準，將各距離像相加后得到平均距離
像較尖銳，未對準距離像得到的平均距離像較平坦、均勻。峰度可以衡量序列 數(shù)值分布的平緩程度，因此可以衡量距離像波形的尖銳程度或均勻程度，以最 大峰度作為準則完成距離對準，應該是一種可行的方法。然而經(jīng)過實踐檢驗， 最大峰度法卻不能穩(wěn)健地獲得滿意的對準結(jié)果，雖然能夠?qū)⒁欢〞r間內(nèi)的回波 對準，但從整體看突跳時有發(fā)生，而且某些數(shù)據(jù)得到的結(jié)果，突跳發(fā)生相當頻 繁。針對峰度應用于距離對齊的缺陷，使用以下修正峰度
<formula>formula see original document page 9</formula> 16 )
式中<formula>formula see original document page 9</formula>修正峰度與峰度的差別在于方差的定義。原始方差5定義的是序列數(shù)值分布 相對于序列均值的分散(集中)程度。各次目標回波之間無論發(fā)生多少距離向 錯位，得到的平均距離像均值不變，而由于能量分散，平均距離像變均勻，5會
減小。由式(16)可見，峰度表達式的分子計算的是四階中心矩，平均距離像
變均勻后，其值也會減小，雖然它比5更強調(diào)序列取值相對于均值的分散程度(也 可看作非均勻性)，但3勢必會在整體效果上影響最大峰度作為判斷回波是否對準依據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。而修正峰度所用方差5'的定義是針對序列波形的分 散程度，回波未對準時平均距離像的分散程度肯定高于對準時。因此修正峰度 比峰度更準確地描述了回波對準趨勢，反映了兩回波的實際對準情況，以最大 修正峰度為準則進行距離對準是一種有效的方法。
根據(jù)修正峰度的定義，補償準確時得到的平均距離像的修正峰度會達到最
大化。假設待搜索的加速度為a，則第"次合成距離像的時延調(diào)整量應為i""2， w = 0,l,...，iV-1， iV為合成距離像的個數(shù)，令S("，m,a)表示經(jīng)調(diào)整后的第"次合成距
離像第m個距離單元的數(shù)據(jù)， 次距離像模的平方和可寫為:
=0,1,...,M-1， M為縱向距離單元數(shù)，時延調(diào)整后各
a) = Z |S("， w, a)|
x(m,a)的修正峰度定義為
，二，")2-" 八 M*0 夂
式中疋=一|>(附,"),《
i=0 ||《
(17)
(18)
似-l 2
M—1
m=0
當距離對齊時，；c(m,")的波形起伏明顯，其銳化度較高，而對應的修正峰度 較大。因而加速度搜索的任務歸結(jié)為求與修正峰度尺,(")最大所對應的加速度估 值"即
S = arg max(fl) (19)
得到加速度估值a后，以此調(diào)整各距離像的時延，完成二次項距離走動校正。
權(quán)利要求
1、一種適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達成像距離對齊方法，其特征是，所述方法包括如下步驟(1)由逆合成孔徑雷達獲取平穩(wěn)飛行目標的寬帶回波數(shù)據(jù)；(2)對回波數(shù)據(jù)在距離向進行脈沖壓縮后，得到目標的動態(tài)距離像分布圖；(3)對每一時刻的距離像計算其重心(sg(tn))，將各距離像的重心沿時間坐標的移動軌跡作線性擬合，得到目標徑向速度的粗估計( id="icf0001" file="A2008102345820002C1.tif" wi="1" he="3" top= "75" left = "159" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>)；(4)以目標徑向速度的粗估計( id="icf0002" file="A2008102345820002C2.tif" wi="1" he="3" top= "83" left = "103" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>)對回波數(shù)據(jù)加以運動補償，消除多普勒模糊，利用Keystone變換校正目標線性距離走動；(5)對進行相干積累的成像時間內(nèi)的所有距離像進行分段，對每一段中相鄰的多個距離像橫向作離散傅立葉變換，即，用各種多普勒值對回波序列進行補償，在相應的多普勒處得到目標距離像相干積累后的峰值，形成較高信噪比的合成距離像。(6)以各次距離像相加后得到的平均距離像修正峰度(Kf(a))最大為準則搜索目標徑向加速度值(a)，以其估值( id="icf0003" file="A2008102345820002C3.tif" wi="2" he="3" top= "137" left = "119" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>)調(diào)整各次距離像的時延，完成二次項距離走動校正；其中sg指tn時刻的距離像重心。
2、 如權(quán)利要求1所述的適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達成像距離 對齊方法，其特征在于，所述重心由以下方法得到時刻的距離像的重心其中，r是縱向距離坐標，S (r，")是沿^排列的距離像動態(tài)分布圖。
3、 如權(quán)利要求1所述的適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達成像距離 對齊方法，其特征在于，所述線性擬合的方法如下對距離像重心沿時間坐標的移動軌跡作線性擬合，<formula>formula see original document page 2</formula>其中，F(xiàn)。是目標距離像移動軌跡的起始值"的估計值，v'是目標徑向速 度V的粗估計。
4、 如權(quán)利要求l所述的適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達成像距離 對齊方法，其特征在于，所述二次項距離走動校正的方法如下-待搜索的目標徑向加速度為"，第"次合成距離像的時延調(diào)整量為l""2，"=0,l,...,iV-l， 7V為合成距離像的個數(shù)；S("，附,")為經(jīng)調(diào)整后的第"次合成距離 像第m個距離單元的數(shù)據(jù)，m = 0,l,...,M-l， M為縱向距離單元數(shù)；時延調(diào)整后各 次距離像模的平方和<formula>formula see original document page 3</formula>目標徑向加速度估值<5 = argmax《,(fl)，以a調(diào)整各距離像的時延，完成二次項距離走動校正。
5、 如權(quán)利要求l所述的適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達成像距離 對齊方法，其特征在于，所述修正峰度定義為的修正峰度&(一占g"(，)「I"。<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于低信噪比數(shù)據(jù)的逆合成孔徑雷達(ISAR)成像距離對齊方法，直接以Keystone變換校正目標線性距離走動，此變換可以線性插值實現(xiàn)，計算量小，在低信噪比條件下穩(wěn)健性好；對于目標徑向加速度引起的二次項距離走動問題，先對相鄰距離像相干積累以得到高信噪比合成距離像，再搜索徑向加速度估值，使得經(jīng)時延調(diào)整后各次距離像模的平方和的修正峰度值最大；以修正峰度為指標的徑向加速度搜索具有全局意義，抗噪聲性能較好。該方法只需要進行一維搜索而不是高維搜索，因而運算量較小。
文檔編號G01S13/90GK101408616SQ20081023458
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者陳文馳 申請人:江南大學