本發(fā)明涉及ISAR成像信號(hào)補(bǔ)償方法領(lǐng)域，具體是一種基于子帶分割的低波段ISAR電離層誤差校正方法。

背景技術(shù)：

幾乎所有的SAR/ISAR成像算法都假設(shè)雷達(dá)或者目標(biāo)在真空的理想路徑中運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)或者目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)都精確已知。然而在雷達(dá)信號(hào)發(fā)射、傳播、接收、處理的各個(gè)過(guò)程里，存在方方面面的誤差干擾影響最終獲得的雷達(dá)圖像的效果。

雷達(dá)發(fā)射的電磁波在空間傳播中，受到地球大氣、地球電離層的干擾，使得成像質(zhì)量發(fā)生圖像偏移、幾何畸變和分辨率降低等不利影響。早在20世紀(jì)中期，美國(guó)NASA、歐空局等就已發(fā)布了包含電離層對(duì)雷達(dá)性能影響的研究項(xiàng)目。Quegan等(1986)利用合成天線增益方向圖和相位屏模擬研究了電離層對(duì)SAR的影響。而后，電離層對(duì)200MHz-2GHz頻率星載SAR、電離層色散對(duì)距離和方位向分辨率、電離層吸收對(duì)信號(hào)能量、電離層閃爍對(duì)雷達(dá)性能的影響，以及Faraday旋轉(zhuǎn)對(duì)極化SAR和干涉SAR成像的影響也迅速開展。

自二十世紀(jì)八九十年代開始，低頻段、大帶寬成為雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向，低頻段信號(hào)(VHF/UHF/L/P)的穿透特性在軍事和民用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。但低頻段信號(hào)受電離層的影響十分明顯，回波信號(hào)幅度被削弱、相位嚴(yán)重惡化，從而難以形成高質(zhì)量圖像。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)恢復(fù)受電離層影響的電磁波成像已進(jìn)行了大量研究，但對(duì)P波段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的校正研究目前較少。Jun Liu等(2003)針對(duì)甚高頻段(Ultra High Frequency,UHF)信號(hào)分析了電離層對(duì)SAR雷達(dá)信號(hào)分辨率和成像位置的影響。Arlen D Schmidt(2000)和唐輝(2003)分別研究了電離層對(duì)超高頻段(Very High Frequency,VHF)波段和L波段的地基雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)ISAR成像時(shí)的電離層影響，并提出了校正方法。翟文帥(2008)等給出了一種通過(guò)測(cè)量P波段回波時(shí)寬展寬量的校正方法，而這種方法需要微秒級(jí)的測(cè)量精度，在存在雜波時(shí)難以實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于子帶分割的低波段ISAR電離層校正方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)在存在電離層干擾時(shí)不能正常成像的問(wèn)題，提出的校正方法能夠有效去除信號(hào)中的電離層誤差，還原出無(wú)干擾數(shù)據(jù)，提高雷達(dá)圖像的成像效果。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

(1)、二維子帶數(shù)據(jù)分割，具體過(guò)程如下：

1a)、按信號(hào)帶寬劃分：

將距離脈壓和距離走動(dòng)校正后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到距離頻域-方位時(shí)域，將距離向信號(hào)帶寬劃分成M個(gè)距離子帶，每個(gè)子帶的中心頻率(f_m)互不相同；

1b)、按方位合成孔徑時(shí)間劃分：

按方位合成孔徑時(shí)間將回波數(shù)據(jù)繼續(xù)劃分成N個(gè)方位子孔徑，每個(gè)方位子孔徑對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取時(shí)間(n)互不相同；之內(nèi)可以看作電離層參數(shù)TEC近似不變；

(2)、電離層干擾誤差計(jì)算，具體過(guò)程如下：

電離層對(duì)回波信號(hào)產(chǎn)生的干擾誤差體現(xiàn)在回波的相位對(duì)應(yīng)的斜距中，得到斜距就可以反推出電離層干擾的大小。對(duì)每一個(gè)二維子帶劃分后的塊數(shù)據(jù)，進(jìn)行回波脈壓處理，得到脈壓峰值位置，由峰值位置的平均值與距離分辨單元大小的乘積得到該塊數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的殘留斜距誤差

(3)、電離層誤差校正，信號(hào)恢復(fù)，具體步驟如下：

3a)、誤差向量擬合：

對(duì)于同一個(gè)方位子孔徑時(shí)間內(nèi)的M個(gè)距離子帶中估計(jì)得到的M個(gè)殘留斜距誤差記成誤差向量：

$\hat{R}(f,n)=\[\hat{R}(f_1,n),\mathrm{...},\hat{R}(f_m,n),\mathrm{...},\hat{R}(f_M,n)\],$

對(duì)誤差向量在中心載頻(f_c)處進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，結(jié)果可以寫成：

$\hat{R}(f,n)=p_0\left(n\right)+p_1\left(n\right)f_r+p_2\left(n\right){f_r}^2+...,$

其中，f＝f_c+f_r，f_c是信號(hào)的中心載頻，f_r是距離頻率且f_r∈[-B/2,B/2]，B是信號(hào)帶寬，p₀、p₁和p₂分別是各次多項(xiàng)式的系數(shù)；

3b)、電離層參數(shù)計(jì)算：

在研究某個(gè)方位慢時(shí)間對(duì)應(yīng)的電離層影響時(shí)，斜距誤差和電離層參數(shù)TEC之間的關(guān)系可近似推導(dǎo)寫為：

$\mathrm{\Δ}R(f_c+f_r,t_m)=\mathrm{\Δ}R(f_c,0)-\frac{2K}{{f_c}^3}TEC\left(0\right)f_r+\frac{3K}{{f_c}^4}TEC\left(0\right){f_r}^2,$

其中，K＝40.28m³/s²為電離層常數(shù)，t_m為慢時(shí)間，c為真空中的光速，上式中距離頻率f_r對(duì)應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)與擬合多項(xiàng)式的系數(shù)應(yīng)一一對(duì)應(yīng)相等，利用f_r的一次項(xiàng)系數(shù)可得每個(gè)方位子孔徑對(duì)應(yīng)的電離層參數(shù)：

${\mathrm{TEC}}_n\left(0\right)=\frac{{f_c}^3}{2K}{p}_1\left(n\right);$

3c)、無(wú)干擾信號(hào)恢復(fù)：

利用每個(gè)方位子孔徑對(duì)應(yīng)的電離層參數(shù)，得到電離層參數(shù)TEC在整個(gè)方位觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的變化，建立推導(dǎo)公式中的各項(xiàng)相位的共軛補(bǔ)償函數(shù)，將回波數(shù)據(jù)與共軛補(bǔ)償函數(shù)相乘，消除回波信號(hào)中由電離層帶來(lái)的誤差。從而，恢復(fù)出無(wú)電離層干擾下的回波信號(hào)，再通過(guò)常規(guī)成像算法即得到最終的聚焦良好的目標(biāo)圖像。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

1)本發(fā)明針對(duì)地基ISAR對(duì)空間目標(biāo)成像時(shí)，電離層對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生影響導(dǎo)致成像模糊的問(wèn)題，提出一種能夠有效去除信號(hào)中電離層帶來(lái)的誤差的處理方法；

2)本發(fā)明相較于傳統(tǒng)ISAR成像質(zhì)量發(fā)生圖像偏移、幾何畸變和分辨率降低，通過(guò)電離層影響補(bǔ)償，成像結(jié)果的圖像熵降低而圖像對(duì)比度提高，成像效果有明顯提升；

3)本發(fā)明提出對(duì)地基ISAR成像中電離層影響校正，有利于發(fā)展地基低波段ISAR雷達(dá)進(jìn)行空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)低波段SAR成像雷達(dá)平臺(tái)的建設(shè)具有重要的理論借鑒意義。

附圖說(shuō)明

圖1是國(guó)際空間站的光學(xué)圖像。

圖2是存在電離層干擾情況下國(guó)際空間站利用常規(guī)距離多普勒算法成像的結(jié)果。

圖3是對(duì)電離層校正后的數(shù)據(jù)利用距離多普勒算法成像的結(jié)果。

具體實(shí)施方式

基于子帶分割的低波段ISAR電離層校正方法，包括以下步驟：

步驟一：子帶分割。將距離脈壓和距離走動(dòng)校正后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到距離頻域-方位時(shí)域，將距離向信號(hào)帶寬劃分成距離子帶；再按方位合成孔徑時(shí)間將回波數(shù)據(jù)繼續(xù)劃分成多個(gè)方位子孔徑；

步驟二：電離層干擾誤差計(jì)算。在距離時(shí)域方位時(shí)域中，標(biāo)出每塊數(shù)據(jù)的每一次方位慢時(shí)間回波脈壓峰值所處的位置，然后由該塊中峰值位置的平均值乘以距離分辨單元大小得到該塊數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的殘留斜距誤差；

步驟三：誤差校正，信號(hào)恢復(fù)。對(duì)比擬合多項(xiàng)式和推導(dǎo)多項(xiàng)式可得每個(gè)方位子孔徑對(duì)應(yīng)的電離層參數(shù)，建立電離層干擾的校正函數(shù)，將回波數(shù)據(jù)與校正函數(shù)相乘，就可以消除主要由電離層帶來(lái)的干擾誤差，恢復(fù)無(wú)電離層影響下的回波信號(hào)。

至此，基于子帶分割的低波段ISAR電離層校正處理基本完成。

以下通過(guò)實(shí)測(cè)的地基ISAR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的有效性。

實(shí)測(cè)地基ISAR實(shí)驗(yàn)：

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)置：

實(shí)驗(yàn)中，P波段地基ISAR的參數(shù)為：信號(hào)載頻560MHz，帶寬40MHz，PRF1000MHz，初始斜距500km。以國(guó)際空間站目標(biāo)(the International Space Station,ISS)為觀測(cè)目標(biāo)，用回波數(shù)據(jù)中估計(jì)得到的TEC對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償后成像。

2.結(jié)果分析：

圖1是本次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)目標(biāo)——國(guó)際空間站的光學(xué)圖像。

圖2是在包絡(luò)對(duì)齊和方位相位自聚焦技術(shù)下，利用常規(guī)距離多普勒算法成像的結(jié)果。從圖2的成像結(jié)果中可見，雖然相位自聚焦技術(shù)使方位向完成聚焦，但破壞了原始的回波相位，無(wú)法從最終的成像結(jié)果中辨別出國(guó)際空間站目標(biāo)的姿態(tài)。

圖3是進(jìn)行二維子帶劃分估計(jì)并對(duì)電離層影響進(jìn)行補(bǔ)償之后，利用距離多普勒算法成像的結(jié)果。

對(duì)比圖2和圖3可見，補(bǔ)償?shù)綦婋x層影響之后，成像結(jié)果的質(zhì)量大大提高了，可以清晰辨別出國(guó)際空間站的姿態(tài)和太陽(yáng)能電池板。