一种参数优化二维空变相位误差补偿的ISAR成像方法技术

本发明专利技术提出了一种参数优化二维空变相位误差补偿的ISAR成像方法，用于解决现有技术中存在的低信噪比环境下，ISAR图像聚焦效果较差的技术问题，实现步骤为：对回波数据进行距离向脉冲压缩；建立二维空变相位误差补偿的回波函数；建立二维空变相位误差补偿的图像熵函数；对空变相位误差参数进行粗估计；获取二维空变相位误差补偿ISAR图像。本发明专利技术在低信噪比环境下能够有效提高ISAR图像聚焦效果，减小ISAR成像的复杂度，可以用于运动目标识别、目标分类、特征提取。特征提取。特征提取。

【技术实现步骤摘要】
一种参数优化二维空变相位误差补偿的ISAR成像方法


[0001]本专利技术属于雷达
，特别涉及一种参数优化二维空变相位误差补偿的ISAR成像方法，可以用于运动目标识别、目标分类、特征提取。

技术介绍

[0002]逆合成孔径雷达ISAR通过发射宽带信号获得高距离分辨率，利用雷达与运动目标之间的相对运动获得高方位分辨率，进而获得目标的二维高分辨图像。传统逆合成孔径雷达ISAR成像算法通常采用包络相关法进行包络对齐，其次利用基于特显点的相位自聚焦方法进行初项校正，最后进行方位向傅里叶变换得到二维ISAR图像。聚焦良好的ISAR图像能够更有效地用于运动目标识别、目标分类、特征提取，提高目标识别、目标分类等的准确率。然而，在目标运动的过程中，运动目标的回波存在二维空变相位误差，但是传统ISAR成像算法忽略了运动目标回波中的二维空变相位误差，在不补偿二维空变相位误差的情况下直接进行ISAR成像，导致ISAR图像模糊。因此，需要对目标回波中的二维空变相位误差进行补偿。
[0003]目前二维空变相位误差补偿的方法可以分为以下几类：第一类，基于信号分解的二维空变相位误差补偿算法，如改进的离散傅里叶算法MDCFT，通过估计每个距离单元中的调频参数，并对相位误差逐距离单元进行补偿。由于此类方法将每个距离单元作为单独的部分逐一进行补偿，忽略了目标运动的整体性，因此二维空变相位误差参数估计的精度较低，无法得到聚焦良好的ISAR图像。同时，此类算法在信号分解时受噪声影响大，因此在低信噪比环境下对二维空变相位误差参数估计的精度进一步下降，致使ISAR图像散焦。第二类，基于时频分析的二维空变相位误差补偿方法，包括自适应联合时频技术AJTF、距离瞬时多普勒技术RID和滑动窗口超分辨算法。此类算法将一维信号投影到二维时频平面上，从中提取二维空变相位误差参数来进行目标的相位补偿。然而，基于时频分析的二维空变相位误差补偿方法存在交叉项干扰，导致二维空变相位误差参数的估计精度低，并且时频谱很容易被强噪声淹没，因此在低信噪比环境下，基于时频分析的二维空变相位误差补偿方法参数估计的精度下降，无法得到聚焦良好的ISAR图像。第三类，基于ISAR图像质量的二维空变相位误差补偿方法，此类方法通过高阶多项式函数拟合相位误差，将图像质量评价函数，比如对比度、熵，作为代价函数，通过优化代价函数进而估计出相位误差。
[0004]由于基于ISAR图像质量的二维空变相位误差补偿方法采用图像质量作为二维空变相位误差参数估计的评判标准，因此有效解决了前两类算法在低信噪比环境下参数估计的精度下降，导致成像聚焦效果不好的问题，但这些方法往往需要迭代搜索，以得到全局最优解，计算量大。例如，授权公告号为CN107255816B，名称为“最大对比度的空变相位自聚焦ISAR成像方法”的中国专利，公开了一种基于最大对比度的空变相位自聚焦ISAR成像方法，该方法对获取的ISAR回波数据的方位向对应回波数据和距离向对应回波数据分别进行划分，得到M个方位单元和N个距离单元；确定慢时间总个数，进而得到ISAR回波数据的最终聚焦图像；计算ISAR回波数据的最终聚焦图像对比度，并将ISAR回波数据的最终聚焦图像对
比度作为代价函数，采用拟牛顿迭代方法分别计算第n个距离单元的距离空变二次相位误差系数估计值、第m个方位单元的方位空变二次相位误差系数估计值和第k个常数项二次相位误差系数估计值，计算第m个方位单元、第n个距离单元处的聚焦图像；进而得到最大对比度的空变相位自聚焦ISAR成像。由于在低信噪比环境下，回波数据将与噪声叠加，致使该方法中构造的代价函数存在许多局部极小值，在采用牛顿迭代法进行二维空变相位误差参数估计时，参数估计的结果极易陷入局部最优值，影响了参数估计的精度，导致ISAR图像聚焦效果较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种参数优化二维空变相位误差补偿的ISAR成像方法，用以解决现有技术存在的在低信噪比环境下，ISAR图像聚焦效果较差的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：
[0007](1)对回波数据进行距离向脉冲压缩：
[0008]对固定在地面包含N个虚拟孔径的逆合成孔径雷达ISAR发射的中心频率为f
c
的H个线性调频信号，经过运动目标反射的回波信号进行距离向脉冲压缩，得到距离脉压后的回波数据S＝[s1,s2,...,s
n
,
…
,s
N
]T
，其中，N≥2，H≥2，h＝1,2,...,H，[
·
]T
表示转置操作，s
n
表示第n个虚拟孔径对应的包含K个距离单元的距离脉压后的回波数据，s
n
＝[s
n,1
,s
n,2
,
…
,s
n,k
,...,s
n,K
]，K≥2，s
n,k
表示第k个距离单元，s
n,k
＝σ
·
r
·
t
·
w，r＝exp[
‑
j4πR
t
(n)(f
c
+k)/c]，t＝exp[
‑
j4πR
r
(n)k/c]，w＝exp[
‑
j4πR
r
(n)/λ]，σ表示复杂运动目标的反射系数，j表示虚数单位，c表示光速，R
t
(n)表示目标平动运动的瞬时距离，R
r
(n)表示目标旋转运动的瞬时距离，R
r
(n)＝A+Dn+Cn2，A、D和C分别表示目标旋转运动距离的常数项、一次项系数和二次项系数，C＝μ
y
A+μ
x
D，μ
x
和μ
y
表示C关于A和D的线性系数，ξ
x
、ξ
y
分别表示回波数据S的方位向、距离向的空变相位误差参数，λ、B和prf分别表示线性调频信号的波长、带宽和脉冲重复频率；
[0009](2)建立二维空变相位误差补偿的回波函数S
′
：
[0010]将R
r
(n)代入w中，得到w＝δ
·
exp[
‑
j4π(μ
y
A+μ
x
D)n2/λ]，并将其中第二项的共轭结果exp[j4π(μ
y
A+μ
x
D)n2/λ]作为回波数据S的二维空变相位误差补偿项，然后建立以exp[j4π(μ
y
A+μ
x
D)n2/λ]为元素且大小为N
×
N的二维空变相位误差补偿矩阵再对与距离脉压后的回波数据S进行点乘，得到维度为N
×
K的二维空变相位误差补偿后的回波函数S...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种参数优化二维空变相位误差补偿的ISAR成像方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)对回波数据进行距离向脉冲压缩：对固定在地面包含N个虚拟孔径的逆合成孔径雷达ISAR发射的中心频率为f
c
的H个线性调频信号，经过运动目标反射的回波信号进行距离向脉冲压缩，得到距离脉压后的回波数据S＝[s1，s2，...，s
n
，...，s
N
]
T
，其中，N≥2，H≥2，h＝1，2，，H，[
·
]
T
表示转置操作，s
n
表示第n个虚拟孔径对应的包含K个距离单元的距离脉压后的回波数据，s
n
＝[s
n，1
，s
n，2
，...，s
n，k
，...，s
n，K
]，K≥2，s
n，k
表示第k个距离单元，s
n，k
＝σ
·
r
·
t
·
w，r＝exp[
‑
j4πR
t
(n)(f
c
+k)/c]，t＝exp[
‑
j4πR
r
(n)k/c]，w＝exp[
‑
j4πR
r
(n)/λ]，σ表示运动目标的反射系数，j表示虚数单位，c表示光速，R
t
(n)表示目标平动运动的瞬时距离，R
r
(n)表示目标旋转运动的瞬时距离，R
r
(n)＝A+Dn+Cn2，A、D和C分别表示目标旋转运动距离的常数项、一次项系数和二次项系数，C＝μ
y
A+μ
x
D，μ
x
和μ
y
表示C关于A和D的线性系数，ξ
x
、ξ
y
分别表示回波数据S的方位向、距离向的空变相位误差参数，λ、B和prf分别表示线性调频信号的波长、带宽和脉冲重复频率；(2)建立二维空变相位误差补偿的回波函数S
′
：将R
r
(n)代入w中，得到w＝δ
·
exp[
‑
j4π(μ
y
A+μ
x
D)n2/λ]，并将其中第二项的共轭结果exp[j4π(μ
y
A+μ
x
D)n2/λ]作为回波数据S的二维空变相位误差补偿项，然后建立以exp[j4π(μ
y
A+μ
x
D)n2/λ]为元素且大小为N
×
N的二维空变相位误差补偿矩阵再对与距离脉压后的回波数据S进行点乘，得到维度为N
×
K的二维空变相位误差补偿后的回波函数S
′
＝[s
′1，s
′2，...，s
′
k
，...，s
′
K
]，其中，s
′
k
表示第k列向量，s
′
k
＝[s
′
1，k
，s
′
2，k
，
…
，s
′
n，k
，
…
，s
′
N，k
]
T
，s
′
n，k
表示第n个元素，s
′
n，k
＝s
n，k
·
exp[j4π(μ
y
A+μ
x
D)n2/λ]；(3)建立二维空变相位误差补偿的图像熵函数：(3a)对二维空变相位误差补偿的回波函数S
′
中的每列s
′
k
进行逆离散傅里叶变换，得到维度为H
×
K二维空变相位误差补偿的图像函数G，并将A、D、μ
x
和μ
y
代入到G中，实现对G的重写，得到维度为H
×
K的重写的二维空变相位误差补偿后的图像函数G
′
；(3b)通过重写的二维空变相位误差补偿后的图像函数G
′
计算G
′
的图像熵函数E(ξ
x
，ξ
y
)：)：)：其中，|
·
|表示绝对值操作，Q表示G
′
的能量密度，g
′
h，k
表示G
′
的第h行第k列元素；(4)对空变相位误差参数进行粗估计：计算目标运动的横滚角、俯仰角、偏航角的角速度ω
r
、ω
p
、ω
y
，以及角加速度ω
r
、ω
p
、ω
y
，并通过计算结果对空变相位误差参数ξ
x
、ξ
y
进行粗估计：
其中，分别表示回波数据S的方位向和距离向的空变相位误差参数ξ
x
、ξ
y
的粗估计结果，i1、i2、i3分别表示ISAR视线的方向向量i
los
中的第一、二、三个元素，i
los
＝[i1，i2，i3]；(5)获取二维空变相位误差补偿ISAR图像：(5a)通过二维空变相位误差补偿的图像熵函数E(ξ
x
，ξ
y
)，并对E(ξ
x
，ξ
y
)中的进行ξ
x
、ξ
y
的一阶求偏导，得到在(ξ
x<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家东，刘若晨，李亚超，张磊，丁家宝，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：