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专利名称：一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法
技术领域：
本发明涉及雷达技术领域，更具体地，本发明涉及一种逆合成孔径雷达的目标转
速估计方法。
背景技术：
逆合成孔径雷达(ISAR)是一种微波成像技术，可以提供非合作运动目标(例如飞机、舰船)的二维图像，增强后续的目标识别能力。ISAR通过发射宽带信号提供沿雷达视线方向(距离向)的高分辨能力，通过对雷达和目标之间相对视角的变化进行相干积累来提供横向分辨能力。当所成图像积累的目标视角变化较小时，采用高效的FFT处理可获得目标在距离-多普勒(RD)域的图像。 由于ISAR通常针对非合作目标成像，因此，目标等效转动的估计(即雷达和目标之间相对视角的变化)非常重要，这是因为存在下述两个方面的需求。首先，ISAR图像定标的需要；虽然ISAR所成图像的距离向分辨率取决于雷达发射信号的带宽(其通常是一个已知量)；但是图像的横向分辨率取决于相干积累时间内相对视角的变化量，对于非合作目标成像而言，该变化量通常是未知的。只有对该视角变化量进行准确的估计，才能够对ISAR图像进行横向定标，得到距离-跨距离域的图像，以用于后续目标识另lj。其次，ISAR成像运动补偿的需要；当成像所积累视角变化较大时，可能出现跨分辨单元徙动(MTRC)问题，引起图像�：�；同时，当存在非匀速的目标转动时，也会产生图像散焦等问题，这些都需要根据目标的转动信息进行转动补偿，提高成像质量。 现有的ISAR转动估计的典型方法主要有轨迹拟合法、图像质量法和基于高阶相位项分析的方法和基于光流场分析的方法。轨迹拟合法通过窄带雷达提供的目标跟踪数据，计算运动目标相对雷达的视角变化，通常估计精度较低。图像质量法采用图像评价函数来优化未知的转角参数，当该图像评价函数获得极值时(此时图像的聚焦效果最好)，获得相应的转角估计，由于此类方法需要在解空间内进行反复搜索，每一次搜索都需要复杂的成像处理，例如极坐标格式成像、巻积逆投影成像，计算量较大。 典型的基于高阶相位项的方法诸如特显点处理(PPP)的方法，该方法将目标上的回波信号近似为线性调频信号(LFM)，通过估计LFM的起始频率和调频率，并结合三个散射点所在的距离向位置信息，完成平动补偿、转动补偿和转角估计，该类方法的主要问题是在实际情况中难以找到稳定可靠的高质量孤立散射点。对于缺乏特显点的目标，可以引入时频分析(TFA)的方法提取高阶相位项，但TFA类方法对目标回波信号的分析都是针对距离单元内的回波进行的，而散射点回波驻留在同一距离单元内的时间有限(特别是对于高分辨雷达)；因而，信号的高阶相位系数通�：苄。�参数提取困难，参数提取及其后的计算量较大，精度较低。

发明内容
为克服现有的ISAR图像横向定标方法计算量大、精度低以及强散射中心提取困
4难的缺陷，本发明提出一种基于相邻图像旋转相关的目标转速估计方法。
根据本发明的一个方面，提供一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法，包括 步骤10)、根据接收的回波数据，获取两幅逆合成孔径雷达的距离多普勒图像； 步骤20)、通过平移相关来对齐所述两幅距离多普勒图像，并获取所述两幅距离多
普勒图像中的目标区域图像； 步骤30)、对两幅所述目标区域距离多普勒图像进行旋转相关，根据旋转相关系数，估计目标的转速。其中，步骤IO)中，对所述回波数据进行滑窗成像，获取两幅距离-多普勒图像序
列；其中，使用滑窗宽度确定每幅距离多普勒图像积累的脉冲数，滑窗步长确定两幅图像之间的视角差。 其中，步骤20)还包括通过平移相关方法消除目标在距离多普勒平面上的位置偏移，对齐所述两幅距离多普勒图像。 其中，步骤20)中还包括裁剪目标所在的区域的距离多普勒图像的边缘区域。其中，步骤30)中，所述两幅目标区域距离多普勒图像之间的对应关系为
碌2〕
isin(a7。
cos (《
=R
'浙其中，(Xc(tm》，Yc(U))和(Xc(U，Yc(U)分别表示相同散射中心在两幅目标区
域距离多普勒图像中的位置，edif = "。(tm2-tj表示所述两幅图像之间的视角差，nr和na分别为距离多普勒图像的距离向和方位向尺度因子，R( e dif)限定两幅图像之间的旋转关系，其中，R(&小SR(d)S-'=
77r 、"7。
sin(&,) cos(~) 其中，步骤30)中，所述两幅目标区域距离多普勒图像的旋转操作可通过如下三个一维的频域巻积插值实现，
1
A tan1
浙
1
"。 〃
1
tan
《
其中，步骤30)中，所述两幅目标区域距离多普勒图像之间的相关系数定义为
i:ix,u(x,力)/2(x,力 其中，fjx， y)和f2(x， y)为两幅图像的幅度，Trat ()表示所述旋转操作。 其中，步骤30)中，所述旋转相关系数的极大值点对应估计的目标转速，获得目标
转速和旋转方向的估计。
5
其中，上述方法进一步包括 步骤40)、根据估计的目标转速对距离_多普勒图像进行横向定标，所述横向标度
因子为化^^T，其中，A为载波波长，^为脉冲重复频率，M为图像积累的脉冲数目，"。为目标转速。 通过应用本发明，对ISAR系统接收的回波数据进行分段成像得到目标转速的估计，不需要额外的系统硬件；通过三级的一维巻积插值过程实现高质量的图像旋转，可以极大地减少计算量，提高转速估计的速度；同时，该方法对目标散射特性没有具体的要求，应用范围较大。


图1为根据本发明的实施例的飞机目标模型； 图2为根据本发明的实施例的目标转速估计流程图； 图3为基于滑窗的图像序列获取示意图； 图4为逆合成孔径雷达信号处理流程示意图； 图5为基于旋转体模型的逆合成孔径雷达成像示意图； 图6为频率的巻积插值实现过程示意图； 图7为逆时针旋转的目标转速搜索结果示意图； 图8为顺时针方向旋转的目标搜索结果示意图； 图9为采用1024脉冲的未定标距离多普勒图像示意图； 图10为采用1024脉冲的定标距离多普勒图像示意图； 图11为采用1024脉冲的极坐标格式定标图像示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明提供的一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法作进一步说明。 在根据本发明的一个实施例中，本发明所述的方法针对我国某实验ISAR系统提供的数据进行处理，在本实施例中，图1给出的飞机目标模型，作为本实施例中定标的对象。通常，本领域内普通技术人员可以认识到本发明不限于图中的飞机目标，还包括诸如舰船等其它非合作目标。所述实验ISAR系统，雷达载波频率为5. 52GHz ;发射线性调频信号，带宽400MHz ;采用Dechirp方式获取脉冲压縮信号，并经正交I/Q双通道采样，采样频率10MHz ;等效脉冲重复频率200Hz (经过了脉冲抽取)；获取2048个脉冲进行处理。
图2为根据本发明实施例的目标转速估计方法总体流程图。如图2所示，首先，对接收到的原始回波数据进行平动补偿，获取平动补偿后的脉压数据；对所述脉压数据使用滑窗方式成像，获取两幅距离-多普勒(RD)图像；在根据本发明实施例所述的方法中，该两幅RD图像可以有脉冲重叠，也可以没有脉冲重叠；然后，通过平移相关方法对齐两幅RD图像，并选取目标所在的距离单元中心区域作为等效旋转中心；定义需要搜索的目标转速范围，并根据已知参数得到相应的RD图像横向尺度因子和两幅图像之间的视角差；旋转其中的一幅图像(顺时针或者逆时针方向)，将旋转图像和另一幅图像作相关；根据相关系数的
6最大值确定目标的旋转速度和旋转方向，并对传统RD图像横向定标或进行PFA/CBP成像。 在下文中，将对上述方法进行详细描述。
平动补偿及滑窗成像 首先选择目标平稳运动段的数据，如图3所示，对接收到的脉冲采用滑窗方式获 取两幅RD图像。基于滑窗步长和滑窗大�。�两幅图像之间可以有脉冲重叠，滑窗大小是 指每幅图像中相干积累的脉冲数。在本实施例中，设定滑窗宽度为1024脉冲，滑窗步长为 1024脉冲，平分所有脉冲获取两幅RD图像。 图4为逆合成孔径雷达信号处理流程示意图，首先通过平动补偿去除目标相对于 雷达的平动成分，得到图5所示的转台目标运动模型。在图4中，对目标的平动补偿通常分 两步进行，包括回波包络对齐和平动初相校正。较稳健的包络对齐方法主要有基于相邻脉 冲积累的回波相关法、全局最小熵法等；较稳健的平动初相校正方法主要有多普勒质心跟 踪(DopplerCentroid Tracking, DCT)法及其改进算法，如基于圆移位处理的多普勒质心跟 踪(Circular Shifting based DCT， CS-DCT)法等。 在平面波照射下，通过处理目标的宽带回波获得沿雷达视线方向(距离向)的高
分辨；通过对回波相干积累处理回波的多普勒频率信息，形成跨距离向高分辨。 图5为基于旋转体模型的逆合成孔径雷达成像示意图，如图5所示，假设在较短的
时间间隔内经过平动补偿之后目标以"。匀速转动，则目标上一点(x。，y。)到雷达天线相位
中心(APC)的瞬时距离可表达为
)=[汙+《-2r。r。cos (《+ "人)]"2《r。 — [x。cos ("人)-凡sin ("人)](1);
其中，(r。， e 。)为该散射中心位置的极坐标，ra为恒定项。 对接收数据进行距离_多普勒(RD)成像，则在某脉冲时刻tm，该散射中心在离散 RD图像上的位置可表达如下Z= _乂 =《'+ (x。 cos (w人)-;;。sin( 人))/ ^ (2);化,)=寻4^^ = [x。 sin) +少。cos(w人)]/7。 (3);
乂 欲 」 其中，X。 = _ra/ nr为恒定项，fs为采样频率，fr为脉冲重复频率，c为电磁波传播 速度，近似为300000000米/秒，A为波长，M为RD图像积累的脉冲数，nr和na分别为 RD图像的距离向和跨距离向尺度因子(scalingfactor， SF)。 上述表达式中，脉冲压縮采用匹配滤波方式实现，此时距离向和跨距离向尺度因 子分别为，
c W o、
7r = 77"77。 _-
2乂 2勘0 当采用De-chirp处理进行脉冲压縮时，表达式(2)和(3)依然成立，此时距离向 和跨距离向尺度因子分别为，仏=左上=^^=^ (5);
r 7V2y 2層 2Mw。
7其中，Y为线性调频信号的调频率，N为一次脉冲的采样点数；B为LFM信号带宽； Tp为脉冲持续时间。 将表达式(2)和(3)写成矩阵形式，可以得到

X。 少。
其中，S和R(tm)分别为尺度矩阵和旋转矩阵 IK
(6);
s =R(0 =
(8); 对于匀速旋转目标，根据表达式(6)中的映射关系，在U和U时刻分别获得的两 幅RD图像存在如下的关系
m2,其中，e
之间的旋转关系。
二SR(^)R-'(C
.义w
.化,).
雄
AW
化l)
(9);
'。(tm2-tml)表示两幅图像之间的视角差，R(edif)定义了两幅图像R(~) = SR(,m2)R-'(d)S-'=
cos f (9,7。
sin《
浙,
(10); 表达式(9)表明，将tml时刻所称的图像经过相应的旋转可以让其展现出和tm2所 成图像相同的目标姿态。对图像进行旋转需要进行插值，为了降低图像旋转所需的计算量， 将上述旋转矩阵分解成如下的形式
1
0
1

、i乂
1
07。
sin(《',)1
1 -卫tan 0 1
《
浙
(11); S卩，通过上述的矩阵分解，可以将该传统图像旋转过程所需的二维插值以3个连 续的一维插值实现，且该一维插值相当于信号延迟的过程，可以采用如图6所示的频域方 法快速实现，在图6中，对输入信号进行N点的FFT变化，并与频域因子相乘，进而进行IFFT 变换，获取延时输出。
图像预处理 对于所得的两幅图像，需要做一些预处理操作，才可以进行目标转速的搜索。根据 算法的特点，该预处理过程包含以下两步 (1)、由于两幅RD图像形成过程中平动补偿效果的不同，目标在RD平面上的位置 会有偏移；一般来说，由于该偏移量很�。�可以通过二维平移相关的过程搜索该偏移量，对 齐两幅图像。 (2)、由于经过RD成像之后，目标仅占据RD图像中央的很小一部分区域，因此通过
8对图像裁剪，去除一些图像边缘区域，降低所需的计算量。
目标转速搜索 由于实际目标的旋转中心是未知的，因此可将目标回波所占距离单元的中心设为 目标的等效旋转中心。同时根据计算能力，可以设定一定的转速搜索范围，根据转速就可以 得到相应的图像横向尺度因子和图像间视角差，实现对其中一幅图像的旋转，并将旋转图 像和另外一幅图像相关。图像相关因子的计算方式如下 其中，fjx， y)和f2(x， y)为两幅图像的幅度，Trot ()表示(11)中的旋转变换。
因此，得到的旋转相关系数公式(12)为目标转速的函数，当该相关因子取得最大 值时，可以估计得到实际的目标转速。 由于目标旋转信息是完全未知的，因此对于每一次搜索，都需要采用顺时针和逆 时针两次旋转方式进行，分别如图7和8所示。当然，由于两幅RD图像已经获得，可以根据 人工判断旋转方向，将搜索的计算量降低一倍。 在本案例中，由于顺时针旋转搜索的最大相关系数较大，因此判断顺时针方向为 正确的旋转方向。如图7所示，所获得的目标转速搜索结果大约为0.0103rad./sec.。
图像横向定标 根据所估计的目标转速，采用极坐标格式成像算法(PFA)抑制可能出现的越分辨 单元徙动(MTRC)现象，获得良好聚焦的、定标的I SAR二维图像输出。在本例中，图9是没 有目标转动信息时，采用距离-多普勒成像算法获得的未定标的图像，显然无法获知目标
的确切二维形状信息。图io是根据所估计的目标转速，对距离-多普勒像横向定标结
果；图11是根据所估计的目标转速，采用PFA成像所提供的具有良好聚焦效果且已定标的
目标ISAR图像，对比图9，经过定标的图像能较准确反映目标的形状信息。 最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，并且
在应用上可以延伸到其他的修改、变化、应用和实施例，同时认为所有这样的修改、变化、应
用、实施例都在本发明的精神和范围内。
(12)
权利要求
一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法，包括步骤10)、根据接收的回波数据，获取两幅逆合成孔径雷达的距离多普勒图像；步骤20)、通过平移相关来对齐所述两幅距离多普勒图像，并获取所述两幅距离多普勒图像中的目标区域图像；步骤30)、对两幅所述目标区域距离多普勒图像进行旋转相关，根据旋转相关系数，估计目标的转速。
2. 权利要求l的方法，其中，步骤IO)中，对所述回波数据进行滑窗成像，获取两幅距离_多普勒图像序列；其中，使用滑窗宽度确定每幅距离多普勒图像积累的脉冲数，滑窗步长确定两幅图像之间的视角差。
3. 权利要求1的方法，其中，步骤20)还包括通过平移相关方法消除目标在距离多普勒平面上的位置偏移，对齐所述两幅距离多普勒图像。
4. 权利要求1的方法，其中，步骤20)中还包括裁剪目标所在的区域的距离多普勒图像的边缘区域。
5. 权利要求l的方法，其中，步骤30)中，所述两幅目标区域距离多普勒图像之间的对应关系为<formula>formula see original document page 2</formula>其中，(Xc(tm》，Yc(U))和(Xc(U，Yc(U)分别表示相同散射中心在两幅目标区域距离多普勒图像中的位置，edif = "。(tm2-tj表示所述两幅图像之间的视角差，nr和n,分别为距离多普勒图像的距离向和方位向尺度因子，R( e dif)限定两幅图像之间的旋转关系，其中，<formula>formula see original document page 2</formula>
6.权利要求5的方法，其中，步骤30)中，所述两幅目标区域距离多普勒图像的旋转操作可通过如下三个一维的频域巻积插值实现，<formula>formula see original document page 2</formula>
7.权利要求6的方法，其中，步骤30)中，所述两幅目标区域距离多普勒图像之间的相关系数定义为<formula>formula see original document page 2</formula>其中，fjx， y)和f2(x， y)为两幅图像的幅度，Trot()表示所述旋转操作。
8. 权利要求7的方法，其中，步骤30)中，所述旋转相关系数的极大值点对应估计的目标转速，获得目标转速和旋转方向的估计。
9. 权利要求1的方法，进一步包括步骤40)、根据估计的目标转速对距离-多普勒图像进行横向定标，所述横向标度因子为77。 =^T，其中，入为载波波长，^为脉冲重复频率，M为图像积累的脉冲数目，"。为目标转速。
全文摘要
本发明涉及雷达技术领域，提供一种逆合成孔径雷达的目标转速估计方法，包括根据接收的回波数据，获取两幅逆合成孔径雷达的距离多普勒图像；通过平移相关对齐所述两幅距离多普勒图像，并获取所述两幅距离多普勒图像中的目标区域图像；对两幅所述目标区域距离多普勒图像进行旋转相关，根据旋转相关系数，估计目标的转速。本发明通过三级一维卷积插值过程实现图像旋转，可以减少计算量，提高转速估计的速度，同时，该方法对目标散射特性没有具体的要求，应用范围较大。
文档编号G01S13/58GK101738615SQ20081022660
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月17日 优先权日2008年11月17日
发明者叶春茂, 左渝, 彭应宁, 王秀坛, 许稼 申请人:清华大学