一种机动目标调频步进逆合成孔径成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种低信噪比下机动目标的调频步进雷达成像方法，该方法可以应用 于调频步进雷达在低信噪比下对机动目标进行成像。
【背景技术】
[0002] 调频步进信号是一种易于实现的距离高分辨信号，它发射一串载频线性跳变的窄 带调频脉冲信号，经过对回波脉冲进行两次FFT处理的运算量即可以获得合成距离高分辨 率。这种信号综合了步进频和线性调频脉冲信号的优点，已有较广应用，但是现有文献对调 频步进雷达的分析不多。
[0003] 脉冲积累成像是逆合成孔径（ISAR)雷达的常用方法，其相较于瞬时成像方法的 好处在于能适用于低信噪比，而不利因素在于复杂的运动补偿机制。脉冲积累成像又分为 相参和非相参两种方法，非相参方法计算量低，但相参方法能适用于低信噪比。
[0004] 目标匀速运动时，可以通过包络相关、Keystone变换以及Hough变换等非相参方 法，或Radon-傅里叶变换（RFT)等相参方法完成距离徙动校正。
[0005] 目标机动运动时，回波信号具有高阶相位形式，除了距离徙动外还存在多普勒徙 动。可以采用分数阶傅里叶变换（FrFT)、立方相位函数法（Cubic Phase Function, CPF)等 方法进行多普勒徙动校正。
[0006] 分数阶模糊函数（fractional ambiguity function, FRAF)的方法，综合了模糊函 数和FRFT的优点，能灵活匹配高次相位信号，将该方法应用于机动目标成像将具有同时补 偿距离和多普勒徙动的效果。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题包括：1)在调频步进雷达体制下，机动目标的回波信号 会出现距离徙动效应和多普勒徙动效应，导致目标能量跨越多个距离单元和多普勒单元， 距离-多普勒成像会出现畸变，另外还会影响目标能量积累，在低信噪比下会出现没有足 够信号能量，无法成像的情况；2)传统的相参累积技术方案在不能很好兼顾低信噪比和目 标机动运动情况下的能量相参积累问题。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供的一种机动目标调频步进逆合成孔径成像方 法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1，将调频步进雷达回波信号经过本地的参考信号进行去斜处理，从而得到粗 距离像信号；
[0010] 步骤2,将选定的成像区域在距离上划分为各个较粗的距离单元，并将预警雷达提 供的目标的速度和加速度作为FRAF参数离散区间取值的参考，将每个距离单元的时延作 为信号瞬时自相关函数的时延参数离散区间参考；
[0011] 步骤3,将粗距离像信号进行FRAF变换获得各个距离单元相应的FRAF谱图，比较 各个FRAF谱图的峰值大小，将峰值最大的那幅FRAF谱图作为要求的参数估计谱；
[0012] 步骤4,通过参数估计谱解出目标运动的初始速度和加速度参数，即得到一个脉冲 串内目标的初始速度和加速度的估计值；
[0013] 步骤5,重复执行步骤2步骤4,从而获得不同脉冲串内目标的初始速度和加速度 的估计值，再利用不同脉冲串内目标的初始速度和加速度的估计值拟合出目标精确的初始 速度和加速度的估计值；
[0014] 步骤6,根据目标精确的初始速度和加速度的估计值构造相位补偿函数，并将相位 补偿函数和粗距离像信号相乘，从而补偿去除粗距离像信号中的高次相位项；
[0015] 步骤7,对补偿后的粗距离像信号在慢时间域进行FFT，从而得到目标精距离像信 号再对目标精距离像信号进行相位聚焦；
[0016] 步骤8,对相位聚焦后的目标精距离像信号进行转台成像，得到目标逆合成孔径图 像。
[0017] 作为本发明的进一步限定方案，在步骤6中，构造的相位补偿函数为：
[0019] 式中，0和g为目标的初始速度和加速度的精确估计值，m e [0, M-1]，M为脉冲串 内的脉冲数，I e [0, L-l]，L为脉冲串的个数，Λ f为频率步进量，?；为脉冲串重复周期，f。 为载波频率，μ为子脉冲调频率，c为光速。
[0020] 本发明的有益效果在于：
[0021] (1)采用FRAF变换能够在低信噪比下能补偿目标机动运动产生的距离和多普勒 徙动，可以实现目标能量的相参积累；(2)利用对目标运动参数进行拟合，有效消除了误 差，且根据调频步进雷达目标回波特征构造补偿函数，该方法能在低信噪比下得到目标运 动精确参数，提升了调频步进雷达在恶劣背景下对机动目标的成像能力。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的方法流程图；
[0023] 图2为本发明的方法验证时的仿真飞机模型；
[0024] 图3为本发明的方法验证时未经处理的精距离像；
[0025] 图4为本发明的方法验证时运动补偿后的精距离像；
[0026] 图5为本发明的方法验证时的FRAF谱图；
[0027] 图6为本发明的方法验证时的ISAR像；
[0028] 图7为本发明的方法在不同信噪比条件下对飞机目标的运动参数估计结果。
【具体实施方式】
[0029] 为了便于解释机动目标的调频步进雷达信号模型，首先做如下推导：
[0030] 调频步进雷达发射的每一簇线性调频（LFM)脉冲串可以表示为：
[0031] s(t) = rect[(t-tm)/Tp]exp[j π μ (t~tm)2] exp [ j2 π (f0+mAf) (t~tm)]
[0032] 式中，t为全时间，t"= 为慢时间，m e [0, M-l]，M为一簇子脉冲串的脉 冲数，I e [0, L-l]，L为子脉冲串的个数，Λ f为频率步进量，Tp为子脉冲宽度，?\为子脉 冲重复周期，&为载波频率，μ为子脉冲调频率。
[0033] 调频步进雷达接收到的目标回波为：
[0034] sr (t) = rect [ (t-tm-2R/c)/Tp] exp [ j π μ (t-tm-2R/c)2] exp [ j2 π (f0+mAf) (t-tm_2R/c)]
[0035] 将该回波信号和本地参考信号进行去斜处理，可以得到目标回波的差频信号为：
[0037] 式中，Rraf为去斜参考距离。
[0038] 将差频信号对快时间进行傅里叶变换就可以得到脉冲串的粗距离像信号：
[0040]由于目标在一个?；内的运动可以忽略，所以在慢时间t "维考虑，具有加速度的机 动目标与雷达之间的距离R为：
[0042] 式中，R。为目标初始距离，V为目标速度，a为目标加速度。
[0043] 将以上的距离R表达式和t"= 代入粗距离像信号公式中，由于距离合成 只和ml；相关的相位项有关，所以只保留和ml\相关的低次相位项，则粗距离像信号的相位 项部分剔除小值后可以近似为下式：
[0045] 式中，Ra = IVRraf，第一个指数项反映了目标的精距离像，第二个和第三个指数项 在一个子脉冲串持续时间内为常数，但是在脉冲串间产生精距离像的走动，需要消除，后两 个指数项是由于目标运动产生的调频项，同样需消除，可以看出上式是一个三次调频信号， 如果能估计出二次和三次调频率，就可以解出目标的速度和加速度。
[0046] 如图1所示，本发明的机动目标调频步进逆合成孔径成像方法，包括如下步骤：
[0047] 步骤1，将调频步进