基於hrrp序列的空間目標高分辨成像方法
2023-04-28 06:44:06
專利名稱：基於hrrp序列的空間目標高分辨成像方法
技術領域：
本發明屬於信號處理技術領域，更進一步涉及雷達成像領域中的基於高分辨一維距離像(high-resolution range profiles,HRRP)序列的空間目標高分辨成像方法。本發明可以在低重頻條件下，有效地對空間目標進行高分辨成像，避免方位欠採樣、平動量和隨機初相誤差對圖像質量的影響，為後續目標識別提供有力保障。
背景技術：
為獲得對空間目標散射點分布特徵更為精細和準確的描述，目前對雷達圖像解析度的要求在不斷提高。其中距離向高分辨依靠發射大的時寬-帶寬積信號獲得；而方位向高分辨則依靠成像時間內目標相對於雷達視線運動所引起的都卜勒變化獲得。為滿足距離向高分辨成像要求，可以通過信號處理方法實現多波段超寬帶合成，或通過系統硬體升級等方法使雷達系統發射超寬帶信號。但是在獲得距離向高解析度的同時，若仍採用傳統的成像方法獲得方位向高解析度時會遇到新的問題:首先，距離解析度提高的同時會使散射點更易發生越距離單元走動，從而限制了距離-瞬時都卜勒、時頻分析等成像方法的應用；其次，由於電磁波受大氣擾動的影響，回波相位中會包含時變的隨機初相誤差。當散射點存在越距離單元走動時，對該誤差的校正及平動補償會變得更加困難；最後，由於地基雷達發射功率有限，當對相距較遠的空間目標進行探測時，需要降低雷達脈衝重複頻率以保證雷達接收機對信噪比的要求。在這種情況下，對於旋轉頻率較高的機動目標，其回波會出現方位欠採樣,混迭的方位頻譜將進一步增加對空間目標高分辨成像的難度。因此,有必要研究在低重頻條件下的新的高分辨成像方法。當採用寬帶雷達對目標進行高分辨觀測時，根據投影定理，目標的高分辨一維距離像(HRRP:high-resolution range profiles)將反映出散射點分布沿雷達視線方向的投影。當雷達視線連續變化時，不同觀測時刻對應的HRRP將形成HRRP序列。當散射點不存在越距離單元走動時，HRRP序列僅描述散射點沿距離向的分布；當採用超寬帶對機動目標進行觀測時，由於發生越距離單元走動，實HRRP序列會反映出散射點在觀測時間內的運動軌跡，從而包含散射點的二維或三維分布信息。因此，通過合適的算法設計能夠實現基於HRRP序列的目標高分辨成像。同傳統成像方法相比，這類方法不會受到方位欠採樣和隨機初相誤差的影響，同時降低了成像對雷達PRF的要求。Kai Huo 等人在文獻 「A novel imaging method for fast rotating targetsbased on thesegmental pseudo Keystone transform，，(IEEE Trans.Geosc1.RemoteSens.，vol.49, n0.4, pp.1464-1472, Apr.2011)中提出基於分段偽 Keystone 變換的快速旋轉目標二維成像方法，該方法在平動可被準確補償，並且目標的旋轉頻率較高且在觀測時間內恆定前提下可以精確估計出目標的位置。但是，該方法仍存在的不足是，當散射點存在嚴重越距離單元走動而使傳統相鄰相關平動補償方法失效時，沒有考慮有效的平動補償方法；當目標存在變加速旋轉、或雷達進行重頻抖動(即脈衝重複頻率隨時間變化)以實現ECCM (electronic counter-countermeasures)時，該方法假設的正弦模型已經不再滿足，從而導致圖像模糊；至少需要接收到目標一個旋轉周期內的回波才能得到低旁瓣、聚焦良好的圖像，當回波次數較少時，旁瓣很高；運算複雜度較高。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提出一種基於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法。該方法彌補了基於分段偽Keystone變換方法具有對PRF要求高、對目標運動模型要求嚴格、對高速旋轉目標成像時精確平動補償和初相校正難度大、參數搜索運算量高的不足，不需要對回波進行精確的平動補償和初相校正，在低重頻條件下僅利用散射點在距離-慢時間平面上的航跡特徵進行非參數化成像即可得到目標聚焦良好的高分辨圖像。實現本發明的基本思路是:首先，採用稀疏信號重構方法獲得目標高質量的HRRP序列；其次，根據散射點的幅度和運動特徵，採用航跡關聯方法從HRRP序列中提取出目標強散射點對應的軌跡並生成散射點航跡矩陣；最後，從航跡矩陣中求解出散射點坐標並得到高分辨圖像。本發明的具體步驟如下:(I)雷達錄取ISAR回波；(2)高速運動補償2a)將參考距離為雷達到場景中心距離，頻率、調頻率與雷達發射信號相同的線性調頻信號作為參考信號；2b)將參考信號取共軛後與雷達錄取的ISAR回波相乘得到解線調頻處理結果；2c)按照下式構造相位補償函數:
權利要求
1.關於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法，包括如下步驟: (1)雷達錄取ISAR回波； (2)高速運動補償 2a)將參考距離為雷達到場景中心距離，頻率、調頻率與雷達發射信號相同的線性調頻信號作為參考信號； 2b)將參考信號取共軛後與雷達錄取的ISAR回波相乘得到解線調頻處理結果； 2c)按照下式構造相位補償函數:
2.根據權利要求1所述的基於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法，其特徵在於，步驟3e)中所述的投影方法如下:
3.根據權利要求1所述 的基於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法，其特徵在於，步驟3g)中所述的噪聲門限為，對步驟3c)得到的殘餘信號進行逆傅立葉變換並取模值，將取模值後的圖像中遠離峰值點的其餘點對應的平均功率作為噪聲門限。
4.根據權利要求1所述的基於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法，其特徵在於，步驟4b)中所述的小轉角內散射點幅度近似不變且位置接近準則為，當前時刻散射點幅度應該滿足如下等式:Ak = BrgminIlA' J5-Ak-Jl2 其中，Ak為當前散射點在第k時刻對應的最優幅度值，argmin(.)為求使目標函數取最小值時對應變量值的運算，I I.I I2求為2範數，A' k為第k時刻的位置幅度集合中當前散射點對應的所有幅度值，Ak^1為航跡矩陣中第k-Ι列中當前散射點對應的幅度值。
5.根據權利要求1所述的基於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法，其特徵在於，步驟4g)中所述的Kalman預測準則如下:
6.根據權利要求1所述的基於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法，其特徵在於，步驟4k)中所述的歸一化的最近鄰準則函數如下
7.根據權利要求1所述的基於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法，其特徵在於，步驟5b)中所述的帶約束的矩陣分解步驟如下: 第一步，對平動校正後的航跡矩陣進行分解:
全文摘要
本發明公開了一種基於HRRP序列的空間目標高分辨成像方法，其步驟包括(1)雷達錄取ISAR回波；(2)高速運動補償；(3)獲取高質量HRRP；(4)散射點航跡關聯；(5)高分辨成像。本發明首先通過稀疏信號重構獲得高質量HRRP序列，之後採用有效的航跡關聯方法從HRRP序列中生成散射點航跡矩陣，進而通過帶約束條件的矩陣分解實現高分辨成像。該方法克服了基於分段偽Keystone變換方法對PRF要求高、對目標運動模型要求嚴格、對高速旋轉目標成像時精確平動補償和初相校正難度大、運算量高等缺點，具有在低PRF甚至方位都卜勒模糊條件下能夠進行高分辨成像、對目標運動模型具有普適性、不需平動補償、效率高、圖像聚焦良好等優點。
文檔編號G01S13/90GK103091674SQ201210596470
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者白雪茹, 周峰, 劉妍, 保錚 申請人:西安電子科技大學