一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法技术

本发明专利技术公开一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法，属于摄影测量学技术领域，用于船只目标成像，首先利用基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法分别对InISAR系统三天线回波信号的时间窗进行选择，然后提出了基于有效旋转矢量角度估计的二次时间窗选择算法从三个时间窗中选择出最佳的成像时间窗，最后将其InISAR回波信号通过干涉成像技术可获得具有高重构精度的船只目标三维图像。仿真实验表明，二次选择出来的时间窗相较于第二次未被选中的时间窗与传统方法选择出来的时间窗均具有更高的重构精度，证明了本发明专利技术所提方法的有效性与优越性。本发明专利技术所提方法的有效性与优越性。本发明专利技术所提方法的有效性与优越性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法


[0001]本专利技术公开一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法，属于摄影测量学


技术介绍

[0002]传统的逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR）成像技术只能获取目标在成像平面的二维投影，存在着几何失真、方位向定标难与图像投影平面未知等问题，易对实际目标的外形特征实现错误的判别。ISAR三维成像技术能够直接反映目标在空间中的三维结构，因此成为提高目标识别能力的一种极为有效的技术途径。其中，干涉逆合成孔径雷达（Interferometric Inverse Synthetic Aperture Radar，InISAR）的系统和信号处理都比较容易实现，得到了研究学者们广泛的关注。一般来说，获得清晰的ISAR二维图像是高质量InISAR三维成像的关键。对于复杂运动的船只目标，传统的距离
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多普勒（Range
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Doppler，RD）成像算法得到的ISAR图像中散射点将会出现散焦的问题，进而对InISAR三维成像的质量造成不利的影响。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法，以解决现有技术中，ISAR图像三维成像质量低的问题。
[0004]一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法，包括：S1.对三天线的回波信号分别进行距离压缩、运动补偿与图像配准，然后将天线与的信号分别以天线的信号为基准进行图像配准；S2.利用基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法分别得到三天线回波信号的时间窗，并分别命名为时间窗、时间窗与时间窗，即完成了InISAR系统回波信号时间窗的第一次选择；S3.对每个时间窗对应的进行估计，并选出最接近于的时间窗，即完成了InISAR系统回波信号时间窗的第二次选择；S4.利用第二次所选时间窗的InISAR回波信号进行干涉三维成像，获得高重构精度的船只InISAR三维图像。
[0005]S1包括：采用“L型”三天线结构的InISAR系统；以为原点建立雷达坐标系，收发天线位于原点，接收天线与分别位于轴与轴，与分别表示为InISAR系统的水平基线与竖直基线，长度均为；以为原点建立参考坐标系与目标坐标系，参考坐标系的三个坐标轴与雷达坐标系的三个坐标轴互相平行；
目标坐标系随着目标的运动而变化，表示为目标的航行速度，表示为目标上的任意散射点，其中，，，分别表示船只的侧摆，俯仰与偏航，三者产生的角运动矢量为，表示为船只的有效旋转矢量，它是在雷达视线方向的垂直平面上的投影，是的模量，表示为偏离轴的角度，即有效旋转矢量角度；InISAR系统中多通道的回波信号经过距离压缩、运动补偿与图像配准后，在方位时间
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距离频率域中分别表示为其中，是方位时间，是距离频率，，是总成像时间，是载波频率，是信号带宽，是光的传播速度，代表起始时刻天线到点的距离，代表起始时刻天线视线方向的单位矢量，代表散射点到点的矢量，是散射点的归一化雷达散射截面RCS，是一个复杂的函数；对（1）、（2）、（3）的离散形式进行逆傅里叶变换，得到三天线的ISAR图像：得到三天线的ISAR图像：（4）；其中，是距离时间，是天线与散射点之间的时延时间，是天线回波信号中散射点的RCS，是在天线视线方向上的投影长度，相位项包含散射点的多普勒信息，当船只有效旋转矢量保持不变时，天线回波信号中的散射点的多普勒频率近似不变，此时直接对多通道的回波信号进行RD成像；从（1）、（2）、（3）中提取出散射点的相位信息，如下：
对三天线的ISAR图像沿两条基线分别进行干涉处理得到船只目标的三维图像，对与进行干涉处理得到目标散射点沿轴方向的干涉相位：轴方向的干涉相位：（8）;其中，表示初始时刻天线与散射点之间的距离，表示对ISAR图像取复共轭，表示提取相位信息，且表示为：（9）；将（9）代入到（8）中得到散射点沿轴方向的坐标：（10）；同理，对与进行干涉处理得到散射点沿轴方向的坐标：（11）；远场条件下，散射点在轴上的坐标通过ISAR图像中的距离信息获得，结合与即得到散射点在坐标系下的三维坐标，对船只目标上的所有散射点均进行上述处理，最终实现船只目标的InISAR三维成像。
[0006]S2的基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法包括：S2.1.船只目标的三维摆动近似为随时间的周期变化，故时刻三个旋转角度随时间的变化分别表示为（12），其中，为角运动幅度的最大值，为旋转周期，为初始角度，对（12）求导得到船只三轴旋转的角速度，表示为：
（13）。
[0007]S2的基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法包括：S2.2由目标旋转引起的关于散射点的多普勒频率由下式给出：，（14），其中，为时刻散射点的坐标，代表雷达视线方向上的单位矢量，由表示，在远场条件下不同雷达的被认为是近似相等的，由（14）知，散射点的多普勒频率变化主要取决于散射点位置的变化。
[0008]S2的基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法包括：S2.3.对ISAR回波信号中较强距离单元中的散射点进行搜索，并利用压缩感知算法对多个散射点在短时间段内回波信号的瞬时多普勒频率与调频率进行估计，然后对短时间段估计出来的数据进行关联，即估计出多散射点在整个成像时间段的瞬时多普勒频率，第一次的时间窗选择采用的策略是在满足高聚焦质量条件的基础上，获得能够允许积累最大时长的成像时间窗。
[0009]S2的基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法包括：S2.4.在雷达接收到的回波信号中提取索引为距离单元中的散射点，计算散射点在所有方位时刻所允许积累的时长，定义为整个观测时间内的任意离散方位时刻，对每个离散方位时刻进行搜索，直到两个时刻对应的多普勒分辨率刚好不超过所期望的多普勒分辨率时，将时间差定义为，重复上述过程，直到获取全部方位时刻对应的个较强距离单元中所有散射点允许积累的时长，通过“高聚焦质量”的条件对第个方位时刻中最小的
进行搜索，将其作为第个方位时刻所允许积累的时长，保证所有散射点在该时间段内的多普勒频率变化均不超过，表示为：（15）。
[0010]S2的基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法包括：S2.5.通过“高方位向分辨率”的条件从个方位时刻分别对应的中选取长度最大的，在有限的条件下使方位积累时间最长，并记为，起始时刻记为，公式如下：（16），（17），获取三个不同的时间窗，即完成了InISAR系统回波信号时间窗的第一次选择。
[0011]S3使用基于有效旋转矢量角度估计的时间窗选择，包括：S3.1.在雷达远场正视的条件下，有效旋转矢量将会位于平面上，通过有效旋转矢量的角度确定投影平面，进而确定船只目标做旋转运动的状态：S3.1.1.当等于时，投影平面与平面平行，此时船只做偏航的一维旋转运动，ISAR成像将会获得船只的俯视图；S3.1.2.当等于时，投影平面与平面平行，此时船只做摇摆的一维旋转运动，ISAR成像将会获本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法，其特征在于，包括：S1.对三天线的回波信号分别进行距离压缩、运动补偿与图像配准，然后将天线与的信号分别以天线的信号为基准进行图像配准；S2.利用基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法分别得到三天线回波信号的时间窗，并分别命名为时间窗、时间窗与时间窗，即完成了InISAR系统回波信号时间窗的第一次选择；S3.对每个时间窗对应的进行估计，并选出最接近于的时间窗，即完成了InISAR系统回波信号时间窗的第二次选择；S4.利用第二次所选时间窗的InISAR回波信号进行干涉三维成像，获得高重构精度的船只InISAR三维图像。2.根据权利要求1所述的一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法，其特征在于，S1包括：采用“L型”三天线结构的InISAR系统；以为原点建立雷达坐标系，收发天线位于原点，接收天线与分别位于轴与轴，与分别表示为InISAR系统的水平基线与竖直基线，长度均为；以为原点建立参考坐标系与目标坐标系，参考坐标系的三个坐标轴与雷达坐标系的三个坐标轴互相平行；目标坐标系随着目标的运动而变化，表示为目标的航行速度，表示为目标上的任意散射点，其中，，，分别表示船只的侧摆，俯仰与偏航，三者产生的角运动矢量为，表示为船只的有效旋转矢量，它是在雷达视线方向的垂直平面上的投影， 表示为偏离轴的角度，即有效旋转矢量角度；InISAR系统中多通道的回波信号经过距离压缩、运动补偿与图像配准后，在方位时间
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距离频率域中分别表示为其中，是方位时间，是距离频率，，是总成像时间，是载波频率，是信号带宽，是光的传播速度，代表起始时刻天线到点的距离，代表起始时刻天线视线方向的单位矢量，代表散射点到点的矢量，是散射点的归一化雷达散射截面RCS，是一个复杂的函数；
对（1）、（2）、（3）的离散形式进行逆傅里叶变换，得到三天线的ISAR图像：得到三天线的ISAR图像：（4）；其中，是距离时间，是天线与散射点之间的时延时间，是天线回波信号中散射点的RCS，是在天线视线方向上的投影长度，相位项包含散射点的多普勒信息，当船只有效旋转矢量保持不变时，天线回波信号中的散射点的多普勒频率近似不变，此时直接对多通道的回波信号进行RD成像；从（1）、（2）、（3）中提取出散射点的相位信息，如下：对三天线的ISAR图像沿两条基线分别进行干涉处理得到船只目标的三维图像，对与进行干涉处理得到目标散射点沿轴方向的干涉相位：轴方向的干涉相位：（8）;其中，表示初始时刻天线与散射点之间的距离，表示对ISAR图像取复共轭，表示提取相位信息，且表示为：（9）；将（9）代入到（8）中得到散射点沿轴方向的坐标：（10）；同理，对与进行干涉处理得到散射点沿轴方向的坐标：
（11）；远场条件下，散射点在轴上的坐标通过ISAR图像中的距离信息获得，结合与即得到散射点在坐标系下的三维坐标，对船只目标上的所有散射点均进行上述处理，最终实现船只目标的InISAR三维成像。3.根据权利要求2所述的一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法，其特征在于，S2的基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法包括：S2.1.船只目标的三维摆动近似为随时间的周期变化，故时刻三个旋转角度随时间的变化分别表示为（12），其中，为角运动幅度的最大值，为旋转周期，为初始角度，对（12）求导得到船只三轴旋转的角速度，表示为：（13）。4.根据权利要求3所述的一种基于时间窗二次选择的船只目标三维成像方法，其特征在于，S2的基于多散射点瞬时多普勒频率的时间窗选择算法包括：S2.2由目标旋转引起的关于散射点...

【专利技术属性】
技术研发人员：周鹏，郑佳辉，曹楚文，李谕汝，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：