[发明专利]基于ARP分段相参积累宽带直采数据ISAR成像方法

摘要

本发明涉及逆合成孔径雷达成像信号处理技术，尤其涉及一种基于ARP分段相参积累宽带直采数据ISAR成像方法。该方法利用直采数据的相干性，按运动参数估计方法估计目标的运动参数，并用该参数对目标运动进行粗补偿；然后对补偿后的复一维距离像进行基于ARP的分段相参积累，从而提高回波的信噪比；最后再进行精确的包络对齐、相位补偿和ISAR成像处理；本发明充分利用了宽带直采回波的相参性，采用基于宽带回波平动相位拟合的目标平动参数估计方法，在此基础上设计频域运动粗补偿方法；针对低信噪比的应用情况，采用ARP的分段相参积累方法提高信噪比，进一步采用精确的包络对齐和相位补偿方法，进而获得平动补偿精度更高、聚焦性能更好的目标ISAR图像。

主权项

1.一种基于ARP分段相参积累宽带直采数据ISAR成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：自适应高速运动‑匹配滤波脉冲压缩；定义雷达发射的线性调频信号的载频为f₀，脉宽为T_p，调频率为K，雷达窄带测速值为V_Tran(t_m)，雷达接收机采集的中频宽带回波数据为其中为快时间，t_m为慢时间：S1.1消除高速运动对一维像平移的影响；针对每个脉冲的回波数据进行相位补偿，以消除高速运动对一维像平移的影响：其中c为光速；S1.2消除高速运动对一维像展宽的影响；构造自适应高速运动‑匹配滤波器如下：对宽带回波进行匹配滤波脉冲压缩，以消除高速运动对一维像展宽的影响，得到目标的一维距离像：S2：目标有效数据提取；令自适应高速运动‑匹配滤波器离散化采样长度为L_T，雷达接收信号离散化采样长度为L_R，则匹配滤波脉冲压缩后一维距离像数据采样长度为L_T+L_R‑1；对一维距离像进行目标区域提取的具体方法为：S2.1对脉冲压缩后的一维距离像进行离散化采样得到s_r(n,m)，其中1≤n≤L_T+L_R‑1，1≤m≤M，M为成像积累脉冲个数；S2.2对每一次回波m的一维距离像，取n∈[LT，LR]的目标区域，该区域有效数据长度为Leffect＝LR‑LT+1；S3:基于多项式拟合的目标平动参数估计；目标上共有N个散射点，散射点k到雷达距离Rk(tm)可以写为：Rk(tm)＝RTran_k(tm)+RRot_k(tm)       (4)其中RTran_k(tm)表示散射点k的平动分量，RRot_k(tm)表示散射点k的转动分量，k＝1,2，…，N；由于平动分量是目标整体相对于雷达的径向距离变化，因此对于所有散射点都一样，则有：Rk(tm)＝RTran(tm)+RRot_k(tm)     (5)RTran(tm)表示目标整体相对于雷达的径向距离变化，在较短的成像时间内，目标的径向平动分量通常可近似为匀加速直线运动，即：式中R0为目标中心初始时刻距离，v0为目标的初始速度，a为目标的加速度；而在较短的成像时间内，目标的转动可以近似为围绕旋转中心的匀速转动，即转动分量可以写为：RRot_k(tm)＝xkωtm     (7)式中xk为散射点k相对于旋转中心的横向距离，ω为等效旋转速度；该模型下的目标一维距离像可以写为：其中σk表示散射点k的后向散射系数；利用相干化的平动补偿的前提是实现目标运动参数的估计，因此平动参数估计的主要目标是估计目标的初始速度v0和加速度a，本发明采用多项式拟合的方法估计目标的平动参数，该方法主要包含以下步骤：S3.1对一维距离像序列采用基于全局多项式拟合包络对齐方法实现初步对齐，记录下每个脉冲的对齐平移量Λ(m)；S3.2对平移量Λ(m)进行二次多项式最小二乘拟合，减小扰动分量的干扰，较为准确的估算出目标的初始速度v0和加速度a；S4:基于运动参数的同时包络对齐和相位校正粗补偿；利用S3估计得到的目标的初始速度v0和加速度a，同时完成通常分为两步实现的包络对齐和相位补偿，主要包括以下步骤：S4.1对一维距离像进行快时间的傅里叶变换，可得：可以看出，快时间频谱的相位分量由四部分组成，第一部分由目标的初始位置决定，不存在快时间频率与慢时间的耦合；中间两部分分别由目标的初始速度v0和加速度a决定，存在快时间频率与慢时间的耦合，也就会造成时域的包络走动与多普勒相位调制；第四部分为目标的转动分量，同样存在快时间频率与慢时间的耦合；S4.2对于每个快时间频点f，利用估算出的目标初始速度v0和加速度a，构造平动分量补偿因子：S4.3利用平动分量补偿因子实现平动补偿：这样就消除了由目标平动引起的快时间频率与慢时间的耦合，同时实现了初步的包络对齐和相位补偿；S5:基于ARP的分段相参积累；对于平稳飞行目标，由于方位向采样率较高，通常存在过采样；为了在保证成像所需转角的同时尽量减小运算量，常规处理方法是对回波数据进行抽取，本发明采用相参积累代替抽取，这样既能减小后续成像处理的运算量，又能充分利用回波的能量：S5.1利用Keystone变换去除转动分量引起的快时间频率和慢时间的耦合，令fcτm＝(f+fc)tm     (12)则Keystone变换后结果为：S5.2将S4中补偿的结果再变换回快时间时域，此时快时间频率和慢时间的耦合都已消除了，也即实现了转动引起的包络越距离单元走动补偿，进而利用逆傅里叶变换得到补偿后的一维像为：S5.3将原始一维距离像数据均匀分为L段，每段数据长度为M；S5.4针对每段一维像序列，求取平均一维像，实现相参积累；由于分段相参积累使得各段实一维距离像信噪比大大提高，更利于后续补偿和成像处理；S6:包络精对齐和相位校正精补偿；对完成分段相参积累得到的L个脉冲一维距离像进行进一步精确的运动补偿，进行精细化的ISAR成像：S6.1采用基于全局多项式拟合包络对齐方法实现包络精对齐；S6.2采用快速最小熵法实现相位精补偿；S7:方位向压缩；对S6已完成精确运动补偿后的一维距离像进行方位向压缩，得到聚焦良好的ISAR图像。