基于Tsallis熵最小化的ISAR全局包络对齐方法

基于tsallis熵最小化的isar全局包络对齐方法
技术领域
1.本发明属于雷达信号处理技术领域，更进一步涉及逆合成孔径雷达成像处理技术领域中的一种基于tsallis熵最小化的逆合成孔径雷达isar(inverse synthetic apertureradar)全局包络对齐方法。本发明可用于对小转角的空间运动目标回波信号进行包络对齐处理。


背景技术：

2.目标相对于雷达的运动分为转动分量和平动分量，转动分量是方位向高分辨的基础，平动分量会造成距离向包络偏移和回波初相调制，对成像无益，需对平动分量进行补偿。平动补偿对于isar成像至关重要，其性能直接影响成像质量，包络对齐为isar成像的关键和基础。目前，常采用的包络对齐法有最大互相关法、累积包络对齐或者全局最优包络对齐等。相邻最大互相关法和累积包络对齐的对齐效果欠佳，为提高对齐精度，进行精细距离范围的遍历操作时耗时较长。全局包络对齐方式避免了累积误差的发生，对齐精度较好，但全局包络对齐需要一个评价对齐效果的目标函数，对齐算法的耗时与对齐效果与该目标函数有关。
3.西安空间无线电技术研究所在其申请的专利文献“一种基于频域移位的去斜体制雷达isar包络对齐方法”(专利申请号：201610466396.8，申请公开号：cn 106154265 a) 中公开了一种基于频域移位的去斜体制雷达isar包络对齐方法。该方法的具体步骤为： 1.雷达按照脉冲重复周期采集去斜混频后的目标回波信号，得到目标回波原始信号； 2.按照互相关包络对齐法进行粗对齐；3.得到包络偏移量的粗估计值后，以该粗估计为中心，将频率分辨率分成n份，以这n个值构造线性相位补偿项，在频域进行补偿； 4.将线性相位补偿后的n个距离像与基准信号做互相关，以最大互相关法得到最终的偏移量；5.按照步骤2～4，遍历所有待对齐的回波序列即实现对一个相干周期内所有回波序列的包络对齐。该方法存在的不足之处是，先用最大互相关包络对齐法进行粗对齐，再以该粗估计为中心，在以分辨率大小的范围内，以群举的方式精细搜索来对齐，该方法分两步进行，且使用穷举法，耗时长。此外该方法需要选取一个基准距离像与各次回波距离像做互相关，在实测数据中每次回波距离像包络并不完全相同，而有突跳误差，因此该方法得到的整体对齐结果并不精确。
4.在专利文献“一种用于逆合成孔径雷达成像的距离对准方法及系统”(专利申请号：202110263357.9，申请公布号：cn 113030967 a) 中公开了一种用于逆合成孔径雷达成像的包络对齐方法。该方法的具体步骤为：1.保存脉压后的isar原始数据，将每个脉冲回波脉压进行傅里叶变换获得每个脉冲的频域数据；2.对每个脉冲的频域数据通过递推算法获得递推参数并递推出雷达发射信号带宽之外的信息；3.对递推后的脉冲频域数据通过傅立叶逆变换成像，得到超分辨图像； 4.通过全局最小熵算法对超分辨图像进行距离对准处理，得到每个脉冲压缩图像距离对准误差。该方法存在的不足之处是，该算法是在最小香农熵全局包络对齐方法基础上的改进，该方法以平均距离像香农熵最小为目标，进行距离像包络的偏移估计，其对齐过程受到香农熵的限制，算法迭代次数较多，导致算法运算时间较
长。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于tsallis熵最小化的isar全局包络对齐方法，用于解决现有技术中在实测数据中每次回波距离像包络并不完全相同时，由一个基准距离像与每次回波距离像做互相关，而产生对齐误差的问题，以及由于算法迭代次数较多导致为保证较好对齐效果耗时长的问题。
6.为实现上述目的，本发明的思路是：将对齐过程建模为一个平均距离像的tsallis 熵最小化优化问题，该优化问题的解为待对齐脉压回波的包络偏移量，这种估算包络偏移量的方式，使得对齐过程不需要以一个距离像为基准，依赖各距离像之间的强相关性进行对齐，而是考虑整体包络的对齐程度，改善了实测数据中有个别差异较大的距离像而产生较大对齐误差的情况；采用以平均距离像的tsallis熵不再减少作为循环终止条件的循环迭代方式进行包络对齐，这种方式避免了群举操作，而且迭代次数较少，提高了算法效率，为实时成像提供了较好的基础。
7.本发实现的具体步骤如下：
8.步骤1，获取距离向脉压回波：
9.雷达天线接收逆合成孔径雷达isar向运动目标发射脉冲信号后的回波信号，对接收信号做距离向脉压，得到nr
×
na维的距离向脉压回波，nr表示距离向脉压回波距离向上采样的总数，na表示距离向脉压回波方位向上接收回波的总数；
10.步骤2，按照下式，计算当前待对齐的距离向脉压回波的平均距离像：
[0011][0012]
其中，p
ave
表示当前待对齐的距离向脉压回波的平均距离像，∑表示求和操作， m表示距离向脉压回波方位向上接收回波的序号，m＝1,2,...,na，abs(pm)表示对待对齐的距离向脉压回波p的第m个接收回波取模后的距离像；
[0013]
步骤3，按照下式，计算平均距离像的tsallis熵：
[0014][0015]
其中，s表示平均距离像的tsallis熵，n表示距离向脉压回波距离向上采样点的序号，n＝1,2,...,nr，p
ave
(n)表示平均距离像p
ave
的第n个采样点的值，q表示根据包络对齐的效果和对齐速度要求确定的一个常数；
[0016]
步骤4，按照下式，估算包络偏移量进行包络对齐：
[0017][0018]
δm表示第m次回波的偏移量，arg max{}表示获取最大值所对应的偏移量操作，表示互相关操作，根据该公式计算每一次回波的距离偏移量，根据该偏移量移动当前包络，
获得当前对齐后的距离向脉压回波；
[0019]
步骤5，判断当前对齐的距离向脉压回波的平均距离像的tsallis熵是否收敛，若是，则执行步骤6，否则，将当前对齐的距离向脉压回波作为新的待对齐的距离向脉压回波后执行步骤2；
[0020]
步骤6，将平均距离像的tsallis熵最小时的对齐结果作为isar全局包络对齐的最终结果。
[0021]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0022]
第一，由于本发明考虑优化平均距离像的tsallis熵，克服了现有技术依赖距离像之间的强相关性，以一个对齐的距离像为基准进行对齐时对齐效果较差的缺陷，使得本发明能确保较好的对齐效果，提高了逆合成孔径雷达isar全局包络对齐的精度。
[0023]
第二，由于本发明通过判断当前对齐的距离向脉压回波的平均距离像的tsallis熵是否收敛，估算的包络偏移量迭代更新进行包络对齐，克服了现有技术由于平均距离像评价指标不合适和群举操作耗时长的不足，使得本发明提高了逆合成孔径雷达isar全局包络对齐的效率。
附图说明
[0024]
图1为本发明的流程图；
[0025]
图2为本发明的仿真实验图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和仿真实验对本发明做进一步的描述。
[0027]
参照图1，对本发明的具体实现步骤做进一步的描述。
[0028]
步骤1，获取距离向脉压回波。
[0029]
雷达天线接收逆合成孔径雷达isar向运动目标发射脉冲信号后的回波信号，对该回波信号进行8倍补零操作，来增加对齐精度，并为增大脉压后回波的主副瓣比，在距离向上加汉明窗，对加窗补零后的接收信号做距离向脉压，得到nr
×
na维的距离向脉压回波，nr表示距离向脉压回波距离向上采样的总数，na表示距离向脉压回波方位向上接收回波的总数。
[0030]
步骤2，按照下式，计算当前待对齐的距离向脉压回波的平均距离像：
[0031][0032]
其中，p
ave
表示当前待对齐的距离向脉压回波的平均距离像，∑表示求和操作， m表示距离向脉压回波方位向上接收回波的序号，m＝1,2,...,na，abs(pm)表示对待对齐的距离向脉压回波p的第m个接收回波取模后的距离像。
[0033]
步骤3，按照下式，计算平均距离像的tsallis熵：
[0034][0035]
其中，s表示平均距离像的tsallis熵，n表示距离向脉压回波距离向上采样点的序号，n＝1,2,...,nr，p
ave
(n)表示平均距离像p
ave
的第n个采样点的值，q表示根据包络对齐的效果和对齐速度要求确定的一个常数。
[0036]
步骤4，利用估算的包络偏移量进行包络对齐。
[0037]
按照下式，估算每个接收回波的距离偏移量：
[0038][0039]
其中，δm表示第m个接收回波的距离偏移量，arg max{}表示获取最大值所对应的偏移量操作，表示互相关操作。
[0040]
根据估算的距离偏移量移动当前包络，获得当前对齐后的距离向脉压回波。
[0041]
步骤5，判断当前对齐的距离向脉压回波的平均距离像的tsallis熵是否收敛，若是，则执行步骤6，否则，将当前对齐的距离向脉压回波作为新的待对齐的距离向脉压回波后执行步骤2。
[0042]
步骤6，将平均距离像的tsallis熵最小时的对齐结果作为isar全局包络对齐的最终结果。
[0043]
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
[0044]
1、仿真实验条件：
[0045]
本发明的仿真实验的硬件平台为：
[0046]
处理器为intel(r)core(tm)i7-6700 cpu，主频为3.41ghz，内存8gb。
[0047]
本发明的仿真实验软件平台为：windows 10操作系统，mtalab2020a。
[0048]
本发明的仿真实验中所使用输入数据是，c波段isar雷达系统录取的yak-42飞机回波数据，对应载频为5.52ghz，带宽为0.4ghz。
[0049]
2、仿真实验内容及其结果分析：
[0050]
本发明的仿真实验有两个。
[0051]
仿真实验1：
[0052]
采用本发明与现有技术中的最小tsallis熵相邻包络对齐法，分别对c波段isar 雷达系统录取的yak-42飞机回波数据进行包络对齐，记录对齐时间，在将对齐后数据用单特显点自聚焦法校正相位误差后，记录二维成像的香农熵值,将两个方法的对齐时间和二维图像香农熵值，并记录在表1中。
[0053]
表1仿真实验1的结果对照表
[0054] 最小tsallis熵相邻包络对齐本发明熵2.061.67耗时110.5888s0.6152s
[0055]
从表1中可看出，本发明包络对齐后的isar图像熵较tsallis熵相邻包络对齐法所
得图像的熵有所降低，且运算速度显著提升。
[0056]
现有技术最小tsallis熵相邻包络对齐法是指：newisarrangealignmentmethodviaminimumtsallisentropy”(ieeeinternationalconferenceonmicrowavetechnology&computationalelectromagnetics,2013)中提出的相邻最小tsallis熵包络对齐法
[0057]
仿真实验2：
[0058]
利用本发明与现有技术中的最小香农熵全局包络对齐法，分别对c波段isar雷达系统录取的yak-42飞机回波数据进行包络对齐，记录对齐时间，在将对齐后数据用单特显点自聚焦法校正相位误差后，记录二维成像的香农熵值，并记录在表2中。
[0059]
表2仿真实验2的结果对照表
[0060] 最小香农熵全局包络对齐本发明熵1.681.67耗时0.7355s0.6152s
[0061]
从表2中可看出，本发明包络对齐后的isar图像熵较最小香农熵全局包络对齐法所得图像的熵较小，时间较短，表明本发明用tsallis熵作为评价平均距离像聚焦性的指标是可靠的。
[0062]
现有技术最小香农熵全局包络对齐法是指：zhud,wangl,yuy,etal.robustisarrangealignmentviaminimizingtheentropyoftheaveragerangeprofile[j].ieeegeoscienceandremotesensingletters,2009,6(2):204-208.中提出的平均距离像的最小香农熵包络对齐法。
[0063]
下面结合图2对本发明仿真实验的包络对齐效果作进一步的说明：
[0064]
图2中的(a)图是对yak-42飞机回波数据做距离向脉压后得到的待对齐的距离向脉压回波图，图中的横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。图2中的(b)图是采用本发明的方法对图2中的(a)图的数据进行包络对齐后的对齐结果图，图中的横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。由图2中的(b)图可以看出包络已经对齐。图2中的(c)图为采用本发明的方法对包络对齐后，又用最小熵自聚焦法补偿误差相位，最后进行二维成像的r-d像。由图2中的(c)图可见，二维像聚焦良好，进一步验证了本发明包络对齐的效果，本发明方法的有效性。