专利名称：空中微动旋转目标的二维isar成像方法
技术领域：
本发明属于信号处理技术领域，更进一步涉及雷达成像领域中的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法。本发明可以有效地检测到空中微动旋转目标，并对目标进行精确定位与成像。
背景技术：
当采用逆合成孔径雷达(ISAR)对空中微动目标进行成像时，飞机螺旋桨、直升机旋翼、涡轮式发动机叶片，旋进的导弹弹头等微动旋转部件会在一定的姿态角范围内对雷达波形进行调制，从而产生含有周期性调制成分的雷达回波信号，即产生微多普勒效应，其旋转部件在ISAR图像中将表现为沿多普勒方向的调制干扰带，对目标的ISAR图像质量造成了很大的影响，增加了识别的难度。因此，有必要对微多普勒信息进行分析，在此基础上， 抑制图像中的调制干扰带，并利用微多普勒效应实现对高速旋转部件的成像。李斌等人在其论文“基于微动分析和chirplet分解的ISAR成像”(《信号处理》 第四卷第2期，2009年2月)中提出采用自适应chirplet分解进行微动目标的成像方法， 该方法是先对目标的平动、转动和振动的多普勒进行分析，并通过chirplet变换对回波信号进行分解，在chirplet参数域中，对分解后信号的微多普勒和微多普勒率进行了讨论， 并对不同运动形式的多普勒进行了分离。但是该方法存在的不足是，chirplet分解的集合数量非常庞大，导致对微多普勒信息的分析需要消耗大量的时间，缺乏对空中微动目标成像的实时性。Qun Zhang 等人在文献 “ Imaging of a Moving Target With Rotating Parts Based on the Hough Transform，，(IEEE trans, on GRS, vol. 46, no. 1, pp. 291-299, 2008) 中提出基于Hough变换以及扩展Hough(EHT =Extended-Hough transform)变换的算法对刚体、旋转部件参数进行搜索以实现回波分离与成像。但是该方法存在的不足是，由于EHT算法受到点扩散函数的影响，所得旋转目标图像会有较高旁瓣，估计的位置精度不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种空中微动旋转目标的二维ISAR 成像方法。该方法弥补了 chirplet分解的计算量庞大导致对目标的成像缺乏实时性，EHT 算法受到点扩散函数的影响易产生较高的旁瓣，因此无法同时得到聚焦良好的刚体与旋转体的图像等不足，充分利用微动目标的刚体在距离-慢时间回波为线性调频信号，而且其调频率远低于旋转部件微多普勒的调频率的特点，采用低调频匹配滤波方法对刚体和旋转目标回波进行分离。对于刚体回波，采用传统的R-D算法进行成像，针对高速旋转部件距离-慢时间域回波包络特点，采用逆-Rad0n(I-Rad0n)变换对旋转部件进行成像，同时得到微动目标刚体以及旋转部件的聚焦良好的ISAR图像。实现本发明的基本思路是将空中微动目标的ISAR回波进行平动补偿，转化为转台模型下的目标回波后，采用低调频率匹配滤波方法将刚体回波与旋转部件回波进行分离，再分别用R-D算法以及逆-Radon变换分别对刚体和微动旋转目标进行成像。本发明的具体步骤如下(1)雷达录取ISAR回波；(2)平动补偿2a)对ISAR回波采用相邻相关法进行相邻距离像的包络对准；2b)采用多特显点自聚焦法进行初相校正；(3)绘制时频分布图3a)任取目标回波中一个距离单元；3b)绘制以时间为横坐标，以频率为纵坐标的刚体与高速旋转部件回波的时频分布图；(4)确定微多普勒距离单元；(5) 一个距离单元的回波分离5a)选择初始频率；5b)比较初始频率的绝对值与频率门限值的大小，若初始频率的绝对值小于频率门限值，则执行步骤5c)；否则，执行步骤5d)；5c)将初始频率处对应的回波记录为刚体回波，更新微多普勒距离单元；5d)判断微多普勒距离单元能量是否低于能量门限，当微多普勒距离单元的能量高于能量门限时，执行步骤5a)；否则，执行步骤k)；5e)从距离单元的回波中减去5c)记录的刚体回波，得到旋转部件的回波并记录；(6)判断是否遍历完所有距离单元6a)若未完成，则搜索下一距离单元，执行步骤(5)；6b)若完成，则执行步骤(7)；(7)用距离-多普勒法对刚体回波成像；(8)旋转部件回波成像8a)对步骤5e)中记录的旋转部件回波取模值；8b)绘制旋转部件回波模值图，将波峰和波谷位置的中心位置作为旋转中心位置；8c)估计旋转角频率；8d)频域滤波；Se)后向投影得到重构的旋转部件图像。与现有技术相比，本发明具有以下优点第一，本发明通过采用低调频率匹配滤波方法对刚体和高速旋转体分离，克服了现有技术中自适应chirplet分解成像方法计算量大、耗时多、缺乏实时性的缺点，具有实现简单、效率高、实时性高的优点。第二，本发明用逆-Radon (I-Radon)变换对旋转部件成像，克服了 EHT算法所得旋转目标图像旁瓣高、估计的位置精度低、目标识别不准确的缺点，具有图像聚焦良好、位置估计精度高、目标识别准确的优点。
图1为本发明的流程图；图2为本发明的仿真图；图3为本发明的实测数据结果图。
具体实施例方式下面结合附图1，对本发明具体实施方式
作进一步的详细描述步骤1，获取目标的ISAR回波，雷达以脉冲的重复频率发射并接收脉冲，得到以距离为行向量以方位为列向量的ISAR回波；步骤2，对目标的ISAR回波平动补偿2a)采用相邻相关法进行包络对准，将ISAR回波的距离像与其相邻的距离像卷积，以其峰值对应的时延作为补偿量对回波的包络进行对准；2b)采用多特显点自聚焦法进行初相校正，将包络对准后幅度变化起伏小的距离单元作为特显点，将多个特显点单元综合为一个高质量的综合特显点，以综合特显点的相位作为平移量对所有回波进行初相校正。步骤3，绘制时频分布图3a)任取目标回波中的一个距离单元；3b)绘制时频分布图，由时频分析工具箱仿真绘制以时间为横坐标，以频率为纵坐标的刚体与高速旋转部件回波的时频分布图，分布图中刚体的时频分布为直线，高速旋转部件的时频分布为正弦曲线。步骤4，确定微多普勒所处的距离单元，对目标回波沿慢时间做傅里叶变换，以方位频率为横轴，以距离为纵轴绘制图像，图像中频谱明显展宽处为微多普勒频带，选取微多普勒频带所处的距离单元。步骤5，一个距离单元的回波分离5a)选择初始频率，用乘以存在微多普勒距离单元的回波，其中k为调频率， k的范围是步骤北)的时频分布图中刚体时频分布曲线的斜率范围，、为慢时间.依次对相乘后的回波做傅里叶变换得到各自的频谱，比较频谱幅度的大小，取最大频谱幅度处对应的频率作为初始频率；5b)比较初始频率的绝对值与频率门限值的大小，频率门限值是步骤北)的时频分布图中各刚体时频分布曲线起始点的频率值的最大模值，若初始频率的绝对值小于频率门限值，则执行步骤5c)；否则，执行步骤5d)；5c)将初始频率处对应的回波记录为刚体回波，从微多普勒距离单元的频谱中滤除记录的刚体回波频谱，将剩余频谱转化到时域的微多普勒距离单元中；5d)判断微多普勒距离单元能量是否低于能量门限，能量门限为步骤(5)中一个距离单元回波总能量的20%，当微多普勒距离单元的能量高于能量门限时，执行步骤5a)； 否则，执行步骤5e)；5e)从距离单元的回波中减去5c)中记录的刚体回波，得到旋转部件的回波并记录。步骤6，判断是否遍历完所有距离单元6a)若未完成，则搜索下一距离单元，执行步骤5 ；
6b)若完成，则执行步骤7。步骤7，用距离-多普勒法对刚体回波成像，将步骤5c)记录的刚体回波距离-方位二维解耦后，分别对距离和方位匹配滤波，得到二维刚体回波图像；步骤8，旋转部件回波成像8a)对步骤5e)中记录的旋转部件回波取模值；8b)绘制旋转部件回波模值图，将波峰和波谷位置的中心位置作为旋转中心位置；8c)估计旋转角频率，取幅度最大的距离单元回波，计算其自相关函数，所得自相关函数最大峰值点和次大峰值点之间的时间间隔为旋转部件的旋转周期，对其取倒数并乘以得到旋转角频率；8d)频域滤波，对步骤8a)中得到的旋转部件回波的模值按下式沿距离频域进行傅里叶变换s ( ξ , tm) = / |s (r, tm) I exp (_j ξ r) dr其中，s( ξ，tm)为旋转部件回波沿距离域进行傅里叶变换后的结果，ξ为距离频域，I的支撑区为[1，n]，tm为慢时间，|s(r，tm)|为旋转部件回波的模值，r为距离；将旋转部件傅里叶变换后的回波s( ξ，tm)按下式进行一维滤波与逆傅里叶变换
权利要求
1.空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，包括如下步骤(1)雷达录取ISAR回波；(2)平动补偿2a)对ISAR回波采用相邻相关法进行相邻距离像的包络对准； 2b)采用多特显点自聚焦法进行初相校正；(3)绘制时频分布图3a)任取目标回波中一个距离单元；3b)绘制以时间为横坐标，以频率为纵坐标的刚体与高速旋转部件回波的时频分布图；(4)确定微多普勒距离单元；(5)一个距离单元的回波分离 5a)选择初始频率；5b)比较初始频率的绝对值与频率门限值的大小，若初始频率的绝对值小于频率门限值，则执行步骤5c)；否则，执行步骤5d)；5c)将初始频率处对应的回波记录为刚体回波，更新微多普勒距离单元； 5d)判断微多普勒距离单元能量是否低于能量门限，当微多普勒距离单元的能量高于能量门限时，执行步骤如)；否则，执行步骤5e)；5e)从距离单元的回波中减去5c)记录的刚体回波，得到旋转部件的回波并记录；(6)判断是否遍历完所有距离单元6a)若未完成，则搜索下一距离单元，执行步骤(5)； 6b)若完成，则执行步骤(7)；(7)用距离-多普勒法对刚体回波成像；(8)旋转部件回波成像8a)对步骤k)中记录的旋转部件回波取模值；8b)绘制旋转部件回波模值图，将波峰和波谷位置的中心位置作为旋转中心位置； 8c)估计旋转角频率； 8d)频域滤波；Se)后向投影得到重构的旋转部件图像。
2.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤 3b)中所述的时频分布图由时频分析工具箱仿真得到，图中刚体的时频分布为直线，高速旋转部件的时频分布为正弦曲线。
3.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤 (4)中所述确定微多普勒距离单元的方法是，对目标回波沿慢时间做傅里叶变换，以方位频率为横轴，以距离为纵轴绘制图像，确定出微多普勒所处的距离单元。
4.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤5a)中所述的选择初始频率的方法是，用一^^乘以存在微多普勒距离单元的回波，其中 k为调频率，k的范围是步骤北)的时频分布图中刚体时频分布曲线的斜率范围，tm为慢时间，依次对相乘后的回波做傅里叶变换得到各自的频谱，比较频谱幅度的大小，取最大频谱幅度处对应的频率作为初始频率。
5.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤 5b)中所述频率门限值是步骤北)的时频分布图中各刚体时频分布曲线起始点的频率值的最大模值。
6.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤 5c)中所述的更新微多普勒距离单元的方法是，从微多普勒距离单元的频谱中滤除记录的刚体回波频谱，将剩余频谱转化到时域的微多普勒距离单元中。
7.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤 5d)中所述的能量门限为步骤(5)中一个距离单元回波总能量的20%。
8.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤 8c)中所述的估计旋转角频率的方法是，取幅度最大的距离单元回波，计算其自相关函数， 所得自相关函数最大峰值点和次大峰值点之间的时间间隔为旋转部件的旋转周期，对其取倒数并乘以2π得到旋转角频率。
9.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤 8d)中所述频域滤波的方法是，对步骤8a)中得到的旋转部件回波的模值按下式沿距离频域进行傅里叶变换S ( ξ , tm) =S ι S (r, tm) I exp (_j ξ r) dr其中，8(ξ，tm)为旋转部件回波沿距离域进行傅里叶变换后的结果，ξ为距离频域，ξ 的支撑区为[-η，n]，tm为慢时间，|s(r，tm)|为旋转部件回波的模值，r为距离；
10.根据权利要求1所述的空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其特征在于，步骤 Se)中所述的后向投影的公式是
全文摘要
本发明公开一种空中微动旋转目标的二维ISAR成像方法，其步骤包括(1)雷达录取ISAR回波；(2)平动补偿；(3)绘制时频分布图；(4)确定微多普勒距离单元；(5)一个距离单元的回波分离；(6)判断是否遍历完所有距离单元；(7)用距离多普勒法对刚体回波成像；(8)旋转部件回波成像。本发明通过采用低调频率匹配滤波的方法分离回波，克服了自适应chirplet分解成像方法计算量大、耗时多、缺乏实时性的缺点，具有实现简单、效率高、实时性高的优点。通过采用逆-Radon(I-Radon)变换对旋转部件成像，克服了EHT算法所得旋转目标图像旁瓣高、估计的位置精度低、目标识别不准确的缺点，具有图像聚焦良好、位置估计精度高、目标识别准确的优点。
文档编号G01S7/41GK102426360SQ20111025760
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者保铮, 刘妍, 周峰, 白雪茹 申请人:西安电子科技大学