基于距離-瞬時(shí)多普勒像的微動目標(biāo)散射點(diǎn)航跡關(guān)聯(lián)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及微動目標(biāo)成像與特征提取領(lǐng)域中的 基于距離-瞬時(shí)多普勒像的微動目標(biāo)散射點(diǎn)航跡關(guān)聯(lián)方法。本發(fā)明可以準(zhǔn)確估計(jì)出彈道目 標(biāo)、空間碎片等微動目標(biāo)散射點(diǎn)在距離-慢時(shí)間域的航跡，對自旋、進(jìn)動、章動等復(fù)雜微動 形式下的彈道目標(biāo)、空間碎片散射點(diǎn)航跡關(guān)聯(lián)精度高、關(guān)聯(lián)誤差小，能夠?yàn)楹罄m(xù)微動目標(biāo)的 高分辨成像和微動目標(biāo)特征提取提供有力保障。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)采用寬帶雷達(dá)對微動目標(biāo)進(jìn)行高分辨觀測時(shí)，微動目標(biāo)的高分辨一維距離像 (HRRP :high-resolution range profiles)反映出微動目標(biāo)散射點(diǎn)分布沿雷達(dá)視線方向的 投影。在距離-慢時(shí)間平面上，每個散射點(diǎn)的瞬時(shí)斜距隨慢時(shí)間的變化曲線構(gòu)成該散射點(diǎn) 的航跡。
[0003] 王昕等人在其發(fā)表的論文"基于二維ISAR圖像序列的雷達(dá)目標(biāo)三維重建方 法"（《電子與信息學(xué)報(bào)》2013, 35 (10) :2475-2480)中提出了一種基于卡爾曼濾波和最近鄰 準(zhǔn)則的二維散射中心航跡關(guān)聯(lián)方法。該方法的具體步驟是，首先從單部雷達(dá)獲得的ISAR序 列中提取目標(biāo)散射中心二維位置，然后采用卡爾曼濾波和最近鄰準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)不同姿態(tài)下二維 散射中心的關(guān)聯(lián)。該方法可以解決多個不同姿態(tài)下的二維散射中心的關(guān)聯(lián)問題，但是，該方 法仍然存在不足之處是，當(dāng)不同散射中心航跡存在較多交叉點(diǎn)時(shí)，卡爾曼濾波方法在交叉 點(diǎn)附近關(guān)聯(lián)效果差。
[0004] 張穎康等人在其發(fā)表的論文"基于散射中心關(guān)聯(lián)的三維成像算法"（《系統(tǒng)工程與 電子技術(shù)》2011，33(9) : 1988-1994)中提出了一種基于隨機(jī)抽樣一致性的散射點(diǎn)關(guān)聯(lián)方法， 該方法的具體步驟是，判斷各關(guān)聯(lián)樣本反投影內(nèi)點(diǎn)數(shù)量，然后剔除錯誤的關(guān)聯(lián)樣本，完成散 射點(diǎn)的航跡關(guān)聯(lián)。該方法可以解決目標(biāo)散射中心和姿態(tài)數(shù)目較多的情況下的散射點(diǎn)航跡關(guān) 聯(lián)問題，但是，該方法仍然存在不足之處是，在窮舉所有姿態(tài)下一維散射中心的任意關(guān)聯(lián)組 合來提取真實(shí)三維散射中心位置時(shí)，算法復(fù)雜度高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于距離-瞬時(shí)多普勒像 的微動目標(biāo)散射點(diǎn)航跡關(guān)聯(lián)方法。該方法克服了基于卡爾曼濾波和最近鄰準(zhǔn)則的二維散射 中心航跡關(guān)聯(lián)方法，在航跡交叉點(diǎn)附近關(guān)聯(lián)效果差的缺點(diǎn)；彌補(bǔ)了基于隨機(jī)抽樣一致性的 散射點(diǎn)關(guān)聯(lián)方法算法復(fù)雜度高的不足。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基本思路是：首先，通過距離-瞬時(shí)多普勒像的方法實(shí)現(xiàn)微動目標(biāo) 散射點(diǎn)航跡的粗關(guān)聯(lián)，之后采用求根多重信號分類Root-MUSIC的方法修正粗關(guān)聯(lián)航跡矩 陣實(shí)現(xiàn)更加精確的細(xì)關(guān)聯(lián)。
[0007] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0008] (1)接收微動目標(biāo)逆合成孔徑雷達(dá)回波；
[0009] (2)逆合成孔徑雷達(dá)回波預(yù)處理：
[0010] (2a)將逆合成孔徑雷達(dá)到場景中心距離作為參考距離，將與逆合成孔徑雷達(dá)發(fā)射 信號載頻、調(diào)頻率相同、距離為參考距離的線性調(diào)頻信號作為參考信號；
[0011] (2b)將參考信號取共輒后與接收的回波相乘，得到解線頻調(diào)處理后的信號；
[0012] (3)獲得微動目標(biāo)散射點(diǎn)的二維坐標(biāo)：
[0013] (3a)將解線頻調(diào)處理后的信號在距離維做一維傅里葉變換，得到目標(biāo)距離-慢時(shí) 間域的逆合成孔徑雷達(dá)回波；
[0014] (3b)將距離-慢時(shí)間域存在目標(biāo)回波的每個距離單元做短時(shí)傅里葉變換，得到每 個距離單元的二維時(shí)頻圖像；
[0015] (3c)將每個距離單元對應(yīng)的二維時(shí)頻圖像沿距離維堆疊成距離-瞬時(shí)多普勒-慢 時(shí)間二維矩陣；
[0016] (3d)將獲得微動目標(biāo)散射點(diǎn)二維坐標(biāo)時(shí)的慢時(shí)間單元序號β初始化為1 ;
[0017] (3e)取三維矩陣在第β個慢時(shí)間單元對應(yīng)的二維矩陣切片，得到第β個慢時(shí)間 單元的微動目標(biāo)距離-瞬時(shí)多普勒像；
[0018] (3f)用第β個慢時(shí)間單元的微動目標(biāo)距離-瞬時(shí)多普勒像中每一個像素值除以 第β個慢時(shí)間單元的微動目標(biāo)距離-瞬時(shí)多普勒像中最大像素值，得到第β個慢時(shí)間單 元?dú)w一化后的微動目標(biāo)距離-瞬時(shí)多普勒像；
[0019] (3g)設(shè)定門限值 th = 0· 3 ;
[0020] (3h)將第β個慢時(shí)間單元?dú)w一化后的微動目標(biāo)距離-瞬時(shí)多普勒像中像素值大 于等于門限值的像素點(diǎn)賦值為1，將第β個慢時(shí)間單元?dú)w一化后的微動目標(biāo)距離-瞬時(shí)多 普勒像中像素值小于門限值的像素點(diǎn)賦值為0,得到二值圖像；
[0021] (3i)將二值圖像中像素值為0的像素點(diǎn)值賦值為1，像素值為1的像素點(diǎn)賦值為 〇,得到二值圖像的補(bǔ)圖像；
[0022] (3j)計(jì)算二值圖像的補(bǔ)圖像中每個像素點(diǎn)到其最近非零像素點(diǎn)的歐氏距離，得到 二值圖像補(bǔ)圖像的距離變換矩陣；
[0023] (3k)將二值圖像補(bǔ)圖像的距離變換矩陣中的每個值取反，得到灰度圖像；
[0024] (31)采用分水嶺圖像分割方法，對灰度圖像做圖像分割，得到分割后的圖像；
[0025] (3m)將分割后的圖像中像素值為1和0的像素點(diǎn)均賦值為0,將其他像素點(diǎn)賦值 為255,得到分割后的二值圖像；
[0026] (3n)采用四鄰域標(biāo)記方法，得到分割后的二值圖像的連通域，將分割后二值圖像 的每個連通域作為分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)對應(yīng)的區(qū)域；
[0027] (3〇)按照下式，計(jì)算分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域的區(qū)域重心橫坐標(biāo)值 和縱坐標(biāo)值；
[0029] 其中，X。表示分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域重心的橫坐標(biāo)值，y。表示分 割后二值圖像中每個散射點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域重心的縱坐標(biāo)值，a表示分割后二值圖像中每個散射 點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域中像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)值，b表示分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域中像素點(diǎn) 的縱坐標(biāo)值，Σ表示求和操作，f(·)表示分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)對應(yīng)的區(qū)域中像素 點(diǎn)的像素值，f(a，b)表示分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域中橫縱坐標(biāo)分別為a、b的 像素點(diǎn)的像素值；
[0030] (3p)將分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域的區(qū)域重心橫坐標(biāo)值和縱坐標(biāo)值， 作為分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值和縱坐標(biāo)值；
[0031] (3q)將分割后二值圖像中每個散射點(diǎn)二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值和縱坐標(biāo)值，作為微動 目標(biāo)距離-瞬時(shí)多普勒圖像中每個散射點(diǎn)二維坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值和縱坐標(biāo)值，并記錄該橫坐 標(biāo)值和縱坐標(biāo)值；
[0032] (3r)判斷是否獲得所有時(shí)刻微動目標(biāo)距離-瞬時(shí)多普勒圖像中散射點(diǎn)的二維坐 標(biāo)，若是，執(zhí)行步驟（4)，否則，令β = β+l，執(zhí)行步驟（3e)，其中，β表示獲得微動目標(biāo)散 射點(diǎn)二維坐標(biāo)時(shí)的慢時(shí)間單元序號；
[0033] (4)二維航跡關(guān)聯(lián)：
[0034] (4a)生成列數(shù)為慢時(shí)間個數(shù)，行數(shù)為微動目標(biāo)散射點(diǎn)個數(shù)的空矩陣，將該空矩陣 作為航跡矩陣，將航跡矩陣中每個元素定義為二維向量；
[0035] (4b)將完成二維航跡關(guān)聯(lián)時(shí)的慢時(shí)間單元序號1初始化為1，將航跡矩陣列編號 i初始化為1，將散射點(diǎn)序號α初始化為1 ;
[0036] (4c)將航跡矩陣中的第一列元素值分別賦為微動目標(biāo)各散射點(diǎn)第1個慢時(shí)間單 元距離-瞬時(shí)多普勒圖像中的二維坐標(biāo)值；
[0037] (4d)令1 = 1+1，其中1表示完成二維航跡關(guān)聯(lián)時(shí)的慢時(shí)間單元序號，計(jì)算航跡矩 陣第i列第α個散射點(diǎn)的二維坐標(biāo)值與第1個慢時(shí)間單元距離-瞬時(shí)多普勒圖像中所有 散射點(diǎn)二維坐標(biāo)值之間的歐氏距離；
[0038] (4f)將歐氏距離最小值所對應(yīng)的第1個慢時(shí)間單元距離瞬時(shí)多普勒圖像中散射 點(diǎn)的二維坐標(biāo)寫入航跡矩陣第i+Ι列，第α行，完成第1個慢時(shí)間單元微動目標(biāo)第α個散 射點(diǎn)的航跡關(guān)聯(lián)；
[0039] (4g)判斷是否完成第1個慢時(shí)間單元微動目標(biāo)所有散射點(diǎn)的航跡關(guān)聯(lián)，若是，執(zhí) 行步驟（4h)，否則，令散射點(diǎn)序號α = α+l，執(zhí)行步驟（4f);
[0040] (4h)判斷是否完成所有時(shí)刻微動目標(biāo)所有散射點(diǎn)的航跡關(guān)聯(lián)，若是，得到航跡矩 陣，執(zhí)行步驟（5);否則，航跡矩陣的列編號i = i+Ι，執(zhí)行步驟（4d);
[0041] (4i)保留航跡矩陣每個元素的第一維坐標(biāo)，刪除每個元素的第二維坐標(biāo)，得到更 新后的航跡矩陣；
[0042] (5)修正航跡矩陣：
[0043] (5a)將修正航跡矩陣時(shí)的慢時(shí)間單元序號p初始化為1 ;
[0044] (5b)采用求根多重信號分類Root-MUSIC方法，對第p個慢時(shí)間單元解線頻調(diào)處理 后的信號做角頻率估計(jì)，得到第P個慢時(shí)間單元解線頻調(diào)處理后信號的η個角頻率，其中， η表示微動目標(biāo)散射點(diǎn)個數(shù)；
[0045] (5c)按照下式，計(jì)算解線調(diào)頻處理后信號的瞬時(shí)斜距：
[0047] 其中，Rp表示第p個慢時(shí)間單元解線調(diào)頻處理后信號的瞬時(shí)斜距，ω表示