一种长合成孔径时间海面运动目标成像处理方法

1.本发明涉及一种长合成孔径时间海面运动目标成像处理方法，合成孔径雷达技术领域。


背景技术：

2.海面运动目标的雷达成像技术是合成孔径雷达成像技术的一个重要分支。传统的海面运动目标成像技术根据体制不同，可分为基于传统sar体制与基于isar体制的成像技术。
3.基于sar体制的海面运动目标成像技术的本质为根据动目标与静止目标之间的回波特性或者图像特性的差异，将动目标回波与静止目标回波分割开来，并在此基础上利用各种多普勒参数或者运动参数估计方法实现动目标的精细成像。其在海况较低，目标运动较为平稳的情况下具有良好的表现，能够获得目标二维聚焦良好的图像；然而在高海况与长合成孔径时间约束下，由于自身晃动明显，目标上各散射单元的运动状态不一，此时应用基于sar成像体制的方法无法补偿由于目标晃动带来的各散射单元间不一致的运动部分，最终导致目标的sar图像散焦。
4.基于isar体制的运动目标成像技术则是在对目标进行平动补偿，去除各散射单元间一致运动(目标的平动)部分后，利用目标晃动造成的非一致运动，通过特定的手段如：成像时间窗选择、时频分析以及参数估计等手段实现目标的isar成像。基于isar体制的成像技术在海况较高，目标晃动明显的情况下具有良好的表现；尽管isar体制的成像方法不受长合成孔径时间的限制，然而，当海况较低、目标处于平稳的运动状态时，由于此时各散射单元间不存在非一致的运动分量，isar体制此时会失效，无法获目标的二维高分辨图像。
5.综上所述，目前为止，并没有一种能够在长合成孔径时间下针对不同海况、不同目标运动状态下均行之有效的成像方式。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种长合成孔径时间海面运动目标成像处理方法，能够针对不同海况、不同目标运动状态下选择相应体制的成像技术。
7.一种长合成孔径时间海面运动目标成像处理方法，将回波信号看作由多个散射点回波叠加的结果，分析回波信号的等效速度和等效加速度，判断是否存在由海况引起目标晃动而导致的等效速度误差和等效加速度误差；当不存在目标晃动引起的误差，则认为选择适合低海况成像处理；当存在目标晃动引起的误差，则认为选择适合高海况成像处理。
8.较佳地，所述分析回波信号的等效速度和等效加速度，判断是否存在由目标晃动引起的误差的具体方法为：
9.针对任意散射点脉冲压缩的回波信号在子孔径约束下，进行泰勒级数展开，并采用目标运动参数估计算法进行估计，获得该散射点的总等效速度和总等效加速度；其中，总等效速度等于由目标和雷达平台自身运动引起的等效速度与由目标晃动引起的等效速度
之和；总等效加速度等于由目标和雷达平台自身运动引起的等效加速度与由目标晃动引起的等效加速度之和；若各散射点获得的总等效速度相同，各散射点获得的总等效加速度也相同，则不存在目标晃动引起的误差；若各散射点获得的总等效速度不相同，各散射点获得的总等效加速度也不相同，则存在目标晃动引起的误差。
10.较佳地，获得所述总等效速度和总等效加速度的方法为：
11.针对任意散射点脉冲压缩的回波信号在子孔径约束下，进行泰勒级数展开，采用广义拉东-傅里叶变换作为运动参数的估计手段进行运动参数估计，在实现目标的运动参数估计后，采用恒虚警率检测即可获得目标散射点的个数以及各散射点的总等效速度和总等效加速度。
12.较佳地，当不存在目标晃动引起的误差，选择sar成像技术；当存在目标晃动引起的误差，选择isar成像技术。
13.较佳地，当满足时，将各散射点获得的总等效速度判定为相同，各散射点获得的总等效加速度也判定为相同；
14.其中和分别为v
si
和a
si
最大值与最小值之差，v
si
为第i个散射点的总等效速度，a
si
第i个散射点的总等效加速度，t
ob
为子孔径时间长度，λ为系统波长，fs为系统采样率，c为光速。
15.有益效果
16.本发明可快速判断海况状况，并且针对不同海况不同运动状态下的目标采取基于不同成像体制的算法，实现目标的重聚焦，得到其精细成像结果；可实现长合成孔径时间下目标二维成像结果的获取，得到长合成孔径时间下目标高分辨率图像。
附图说明
17.图1海面运动目标雷达成像几何模型示意图
18.图2海面运动目标isar成像几何模型示意图
19.图3平动运动状态下三个点目标的距离向脉冲压缩结果
20.图4晃动运动状态下三个点目标的距离向脉冲压缩结果
21.图5(a)～图5(f)平动运动状态下三个点目标目标的grft结果，其中图5(a)距离-速度平面投影；图5(b)距离-加速度平面投影；图5(c)速度-加速度平面投影；图5(d)距离平面投影；图5(e)速度平面投影；图5(f)加速度平面投影
22.图6(a)～图6(f)晃动运动状态下三个点目标目标的grft结果，其中图6(a)距离-速度平面投影，图6(b)距离-加速度平面投影，图6(c)速度-加速度平面投影，图6(d)距离平面投影，图6(e)速度平面投影，图6(f)加速度平面投影
23.图7平动运动状态下三个点目标的cfar检测结果
24.图8晃动运动状态下三个点目标的cfar检测结果
25.图9平动运动下三个点目标的成像结果
26.图10晃动运动下三个点目标的成像结果
27.图11(a)～图11(c)仿真用目标模型，其中图11(a)三维模型，图11(b)俯视图，图11(c)侧视图
28.图12平动运动状态目标距离向脉冲压缩结果
29.图13(a)～图13(f)平动运动下仿真目标的grft结果，其中图13(a)距离-速度平面投影，图13(b)距离-加速度平面投影，图13(c)速度-加速度平面投影，图13(d)距离平面投影，图13(e)速度平面投影，图13(f)加速度平面投影
30.图14平动运动下仿真目标的sar成像结果
31.图15晃动运动状态目标距离向脉冲压缩结果
32.图16(a)～图16(f)晃动运动下仿真目标的grft结果，其中图16(a)距离-速度平面投影，图16(b)距离-加速度平面投影，图16(c)速度-加速度平面投影，图16(d)距离平面投影，图16(e)速度平面投影，图16(f)加速度平面投影
33.图17晃动运动下仿真目标的isar成像结果
34.图18本发明流程。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本发明方法的实施方式做以说明。
36.本发明的思路如图18所示，是通过对回波信号的等效运动参数进行分析，发现等效运动参数可分为目标和雷达自身运动引起的部分，以及由海况引起的部分两种；当海况较差时(即高海况)，由于海面的波动势必会影响目标的运动，进而存在海况引起的部分。而当海况较好时(即低海况)，海面的波动较小，则此时海况引起的部分可忽略不计。具体分析过程如下：
37.假设运动目标上第i个散射点与雷达间的斜距历程ri(t)表达式为：
38.ri(t)≈r
0i
+r
t
(t)+ri(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
39.当目标仅存在平动时(低海况)，结合附图1可得到目标的斜距历程如下式所示：
[0040][0041]
其中，t为雷达回波的方位向时间，其中，t为雷达回波的方位向时间，(x
p
,0,z
p
)与(x
0i
,y
0i
,z
0i
)分别为t＝0时刻下平台与目标在oxyz坐标系中的坐标。对上式进行泰勒展开，可得到v
t
与a
t
的表达式如下所示：
[0042][0043]
其中，v
t
和a
t
为由目标和平台自身运动引起的等效速度和等效加速度，v
p
为平台运动速度，vr为目标的径向速度，va为目标的方位向速度。值得说明的是，由于r
0i
较大，远大于平台与目标的运动速度，因此可以认为对于不同目标，其运动参数a
t
基本保持一致。
[0044]
当目标存在晃动时，结合附图2所示的isar成像几何，对v
ri
和a
ri
的表达式进行分析。结合附图2，可以得到晃动引起的斜距历程如下式所示：
[0045]ri
(t)＝ρ
0i
cos(θ0+θe(t))＝r
0i
cos(θe(t))+d
0i
sin(θe(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0046]
其中，ρ
0i
为目标第i个散射点到目标晃动中心的距离，(r
0i
,d
0i
)为目标第i个散射点在isar成像平面内的坐标，θ0为该散射点到旋转中心的连线与r轴的初始夹角，θe(t)为目标的有效转动角度，在较短的合成孔径时间下，可认为目标以角速度ω0匀速转动，且转动角度较小，则
[0047]
θe(t)＝ω0t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0048]
sin(θe)≈ω0t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0049]
cos(θe)≈1-0.5(ω0t)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0050]
将式(5)～(7)带入式(4)，有
[0051]ri
(t)≈r
0i
+ω0d
0i
t-0.5r
0i
(ω0t)2ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0052]
由式(8)可得到v
ri
和a
ri
的表达式如下所示：
[0053][0054]
对比式(3)和式(9)可以发现，当目标仅存在平动时，目标各散射点间的斜距历程保持一致，故其各散射点的运动参数v
t
是相同的，各散射点的a
t
是相同的；而当目标存在晃动时，目标各散射点间斜距历程不一致，不同散射点引入的v
ri
和a
ri
各不相同。进一步地，可以认为，当目标各散射点的总速度v
si
(v
si
＝v
ri
+v
t
)基本相同，且各散射点的总加速度a
si
(a
si
＝a
ri
+a
t
)基本相同时，可认为目标仅存在平动运动；当目标各散射点的v
si
和a
si
明显不同时，认为目标存在晃动运动。
[0055]
基于此结论，对现有的回波信号进行子孔径截取，对子孔径回波信号进行脉冲压缩后进行grft与cfar检测，并基于上述结论，对检测结果进行分析，根据分析结果选择sar成像技术和isar成像技术。
[0056]
为详细说明本技术的具体实现方法，此处将结合不同运动状态下三个运动点目标的计算机仿真结果进行说明，具体实现方法为：
[0057]
首先介绍海面运动目标雷达成像的几何模型和回波信号模型。附图1为海面运动目标雷达成像几何模型示意图，其中oxyz坐标系的原点o为运动目标质心，y轴为雷达平台运动方向，z轴垂直于海平面，x轴通过右手定则确定。obwz坐标系和ohrv坐标系的原点同样为运动目标质心。b轴和w轴分别代表目标的长和宽，r轴代表雷达视线(rlos)方向，h轴属于
xoy平面且垂直于r轴，在正侧视情况下h轴与y轴重合，v轴通过右手定则确定。角度ψ为擦地角，角度为b轴和x轴的夹角，g为雷达平台铅垂线与海平面的交点。height为平台高度，为平台运动速度。v
x
为目标沿x轴的平动速度，vy为目标沿y轴的平动速度，vr为目标的径向速度，即为v
x
在r轴上的投影。ωr、ω
p
与ωz则分别为目标沿b、w、z三轴晃动的瞬时角速度。对于海面运动目标，由于其回波可以看作多个散射点回波叠加的结果，因此，下述分析取海面运动目标上任一散射点进行展开。在该几何模型的基础上，经过一系列坐标变换，可得运动目标上第i个散射点与雷达间的斜距历程ri(t)表达式为：
[0058]ri
(t)≈r
0i
+r
t
(t)+ri(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0059]
其中r
0i
为运动目标质心到雷达的距离，r
t
(t)为由运动目标和雷达平台自身运动所引入的斜距，且其对运动目标上所有散射点均相同，ri(t)为由海浪驱动的目标三维晃动所引入的斜距，对于不同的散射点，ri(t)各不相同。
[0060]
在此基础上，在子孔径约束下，利用泰勒级数展开，得到更加适用于实际成像处理的二阶斜距模型和相应的距离向脉冲压缩后的回波信号模型：
[0061]ri
(t)≈r
0i
+v
ri
t+a
ri
t2+v
t
t+a
t
t2＝r
0i
+v
si
t+a
si
t2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0062]
其中，v
si
＝v
ri
+v
t
，a
si
＝a
ri
+a
t
。
[0063]
根据式(10)，可获得目标距离向脉冲压缩后的信号表达如下所示：
[0064][0065]
其中tr为sar信号的距离向时间，t为sar信号的方位向时间，r
0i
为雷达到第i个散射点的等效斜距常量，v
ri
和a
ri
为由目标晃动引起的第i个散射点的等效速度和等效加速度，v
t
和a
t
为由目标和平台自身运动引起的等效速度和等效加速度，v
si
和a
si
为上述两类速度和加速度的和。λ为系统波长，m为组成目标的散射点数目，a
rc
＝t
p
·
b为距离向脉冲压缩带来的信号增益，其中t
p
为脉冲宽度，b为信号带宽，σi为第i个散射点的强度。处于平动运动状态与晃动运动状态下的三个点目标的距离向脉冲压缩结果分别如附图3与附图4所示。
[0066]
在对目标运动状态判断进行判断前，首先需要对目标各散射点的运动参数，即式(12)中所示的r
0i
，v
si
和a
si
进行估计。目前有很多成熟的目标运动参数估计算法，本专利以广义拉东-傅里叶变换(grft)作为运动参数的估计手段，其具体实现过程此处不再赘述。处于平动与晃动的三个点目标采用grft进行参数估计的结果如附图5(a)～(f)与附图6(a)～(f)所示，由于估计结果为4维矩阵，此处选取目标最大值处在距离-速度平面、距离-加速度平面、速度-加速度平面、距离轴、速度轴与加速度轴上的投影进行grft结果的展示。
[0067]
在实现目标的运动参数估计后，采用恒虚警率(constant false-alarm rate,cfar)检测即可获得目标散射点的个数以及各散射点的运动参数以及各散射点的运动参数和处于平动与晃动的三个点目标的cfar检测结果如附图7与附图8所示，如两图中圆圈所圈出的峰值即为cfar检测结果。
[0068]
在完成目标的运动参数估计后，即可对目标的运动状态进行判断。由此前分析可知，当海况较低，目标处于平动运动状态的情况下，由于目标的晃动分量可以忽略不计，因而目标各散射点的运动参数除常数项距离外均是相同的，即目标各散射点之间的v
si
和各散
射点之间的a
si
不存在明显差异；而当海况较高，目标处于晃动运动的情况下，由于此时目标具有明显的晃动分量，因而目标各散射点的运动参数均各不相同，即目标各散射点之间的v
si
和各散射点之间的a
si
存在明显不同。此为判断目标运动状态并采取相应算法的依据。当各散射点获得的总等效速度相同，各散射点获得的总等效加速度也相同，或满足下述条件时，也判定为相同。
[0069][0070]
上式中，上式中，分别为v
si
和a
si
最大值与最小值之差，t
ob
为子孔径时间长度，λ为系统波长，fs为系统采样率，c为光速。对于附图7所示的cfar检测结果，三个点目标拥有相同的运动参数v
si
和a
si
，满足式(13)所示的条件，因此需采用sar成像算法完成成像；对于附图8所示的cfar检测结果，三个点目标的v
si
和a
si
差异较大，不满足式(13)所示的条件，因此需采用isar成像算法完成成像。
[0071]
最后，根据上述运动状态判断结果，对处于平动状态的三个点目标采用sar成像算法，处理结果如附图9所示；对处于晃动状态的三个点目标采用isar成像算法，处理结果如附图10所示。可见，成像处理结果良好。
[0072]
实施例1
[0073]
利用计算机仿真实现了平动运动下的目标模型sar成像处理。仿真参数和运动参数分别如表1和表2所示。
[0074]
表1计算机仿真参数
[0075][0076]
表2计算机仿真平动运动参数
[0077]
参数/单位数值参数/单位数值平台速度/(m
·
s-1
)150目标速度/(m
·
s-1
)5横滚运动幅度/deg-俯仰运动幅度/deg-偏航运动幅度/deg-横滚运动角频率/hz-俯仰运动角频率/hz-偏航运动角频率/hz-横滚运动初相/deg-俯仰运动初相/deg-偏航运动初相/deg
‑ꢀꢀ
[0078]
计算机仿真所用的目标模型如附图11(a)～(c)所示。
[0079]
首先，对平动运动的目标回波进行距离向脉冲压缩。距离向脉冲压缩结果如附图12所示。
[0080]
之后对脉冲压缩结果选取一子孔径进行grft，grft结果如附图13(a)～图13(f)所示。由于此时grft结果为四维矩阵，为简便起见，grft的结果以grft在其最大值处向三个二维平面(距离-速度平面、距离-加速度平面和速度-加速度平面)和三个一维平面(距离、速度和加速度)的投影的形式展示。
[0081]
对目标的运动参数进行提取，并利用式(13)所示的条件对目标的运动状态进行判断，发现目标符合式(13)所示的条件，为平动运动状态。
[0082]
在此基础上对各子孔径进行grft参数估计，利用融合后的目标运动参数进行sar成像处理，得到基于平动运动的目标成像结果如附图14所示。显然，聚焦效果良好。
[0083]
实施例2
[0084]
利用计算机仿真实现了晃动运动下的目标模型isar成像处理。仿真参数和运动参数分别如表1和表3所示。
[0085]
表3计算机仿真晃动运动参数
[0086][0087][0088]
同实施例1，计算机仿真所用的目标模型如附图11(a)～(c)所示。
[0089]
首先，对晃动运动的目标回波进行距离向脉冲压缩。距离向脉冲压缩结果如附图15所示。
[0090]
之后对脉冲压缩结果选取一子孔径进行grft，grft结果如附图16(a)～图16(f)所
示。其绘制方式同附图13(a)～图13(f)。
[0091]
对目标的运动参数进行提取，并利用式(13)所示的条件对目标的运动状态进行判断，发现目标符合式(13)所示的条件，为晃动运动状态。
[0092]
在此基础上利用该子孔径的参数估计结果，选取成像时刻为合成孔径中心时刻0s，得到的基于晃动运动的目标isar成像结果如附图17所示。显然，聚焦效果良好。
[0093]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。