專利名稱：一種逆合成孔徑雷達(dá)成像數(shù)據(jù)段選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于圖像對比度最大化的逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像數(shù)據(jù)段選 擇方法，屬于雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
雷達(dá)成像不僅分辨率高、穿透性好、抗干擾能力強(qiáng)，而且能夠全天候，全天時工作， 可以彌補(bǔ)可見光與紅外成像技術(shù)的不足。ISAR是在SAR(合成孔徑雷達(dá))基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的另外一種雷達(dá)成像技術(shù)，目的在于解決運(yùn)動目標(biāo)的成像問題。實際應(yīng)用中，ISAR除了固 定在地面上，也可以裝在飛機(jī)、艦船等運(yùn)動平臺上，對空中、海面或地面的運(yùn)動目標(biāo)成像，在 戰(zhàn)略防御、反衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)武器以及雷達(dá)天文學(xué)中都有重要應(yīng)用價值。距離-多普勒(R-D)成像方法仍是ISAR成像的經(jīng)典方法，R_D成像的基本原理 可以用轉(zhuǎn)臺模型說明。圖1為轉(zhuǎn)臺模型成像原理圖，假定目標(biāo)位于一個轉(zhuǎn)動平臺上，目標(biāo) 以均勻角速度繞垂直于x-y平面作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。雷達(dá)與目標(biāo)旋轉(zhuǎn)中心0之間的距離為ra，目 標(biāo)繞0點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角速度為《。一般情況下，雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離遠(yuǎn)大于目標(biāo)的幾何尺寸 (ra □ r0)。那么，在時刻慢時間tffl,目標(biāo)上某一點(diǎn)(r0, 0 0)到雷達(dá)的距離為 (1) 其中，(x0, y0)表示點(diǎn)目標(biāo)A初始成像時間在縱向和橫向的位置坐標(biāo)?；夭ㄐ盘柕亩嗥绽疹l率由目標(biāo)上散射點(diǎn)相對于雷達(dá)的徑向運(yùn)動速度\決定，所以 多普勒頻率fd可以寫成
2)假設(shè)在一個合成孔徑時間內(nèi)，目標(biāo)轉(zhuǎn)過的角度口 e = cotm很小，則公式⑴和⑵ 可近似為
(3) 由此可見，利用分析回波信號的距離延時和多普勒頻率，就可確定散射點(diǎn)(X(l，y0) 的位置。等距離平面是一組垂直于雷達(dá)視線(RL0S)方向的平行平面，而等多普勒頻率平面 平行于由目標(biāo)轉(zhuǎn)軸與RL0S形成的平面，如圖1所示。公式(4)是在目標(biāo)轉(zhuǎn)角小(3° -5° ) 的條件下推導(dǎo)出的一個近似表達(dá)式，在這種情況下可以利用距離_多普勒二維可分的信號 處理方法進(jìn)行成像。但是，當(dāng)回波數(shù)據(jù)時間較長時口 e太大時，式(4)就不成立了，多普勒 頻率不再近似為常數(shù)，因此簡單的使用距離_多普勒方法成像會造成圖像模糊。此外，基于時頻分析的ISAR成像方法可以對長回波成像，這種方法是借助時頻分 析得到回波的時頻分布，通過把各個距離單元的時頻分析結(jié)果拼接起來，得到目標(biāo)圖像序列。但是通過此方法無法確定最佳的成像時刻和最佳成像數(shù)據(jù)段長度。為了彌補(bǔ)上述成像方法的不足，本發(fā)明設(shè)計了一種基于對比度最大化的最佳成 像數(shù)據(jù)段選擇方法，可以實現(xiàn)從長回波數(shù)據(jù)中自動選取最佳成像數(shù)據(jù)段，用于生成聚焦的 ISAR圖像。
發(fā)明內(nèi)容
解決的問題本發(fā)明的目的在于提供一種逆合成孔徑雷達(dá)成像數(shù)據(jù)段選擇方法，是一種基于對 比度最大化的最佳成像數(shù)據(jù)段選擇方法，實現(xiàn)從長時間回波數(shù)據(jù)中獲得分辨率高、聚焦好 的ISAR圖像。技術(shù)方案本方法以圖像對比度作為評價圖像聚焦程度的標(biāo)準(zhǔn)，最佳成像數(shù)據(jù)段的選擇方法 用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以簡單表示為(topt, Atopt) = arg[max(IC)](5)其中t。pt為最佳成像數(shù)據(jù)段的中心時刻，A t。pt為最佳成像數(shù)據(jù)段的長度，IC為圖 像對比度?？梢姶_定最佳數(shù)據(jù)段的關(guān)鍵就是從(5)式中解出t-和At。pt，提供的解決方案 分為以下四步步驟一生成ISAR圖像序列對運(yùn)動補(bǔ)償后的回波信號，給定一個初始的數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)段的滑動步長， 將回波數(shù)據(jù)按照初始數(shù)據(jù)段和滑動步長分段，對每個回波數(shù)據(jù)段進(jìn)行兩維快速傅里葉變換 (2DFT)成像，得到一系列ISAR圖像序列。步驟二計算圖像序列對比度分別計算步驟一中得到的圖像序列中每個圖像的強(qiáng)度。定義圖像強(qiáng)度表達(dá)式為= (6)其中是某段回波信號，(n，U)是圖像的坐標(biāo)，(t，At)是選取的數(shù)據(jù)段的 中心時刻和長度。再計算圖像的對比度，圖像對比度(IC)的定義是
rnnoon/附{[/(", u; t, At) - m[I(rj, u; t, AO]]2}其中，m表示均值，I表示圖像強(qiáng)度。對比度是圖像強(qiáng)度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)方差。當(dāng)圖 像聚焦時，散射點(diǎn)的強(qiáng)度大，所以使用對比度作為圖像聚焦的衡量標(biāo)準(zhǔn)。步驟三估計最佳數(shù)據(jù)段的中心時刻t。pt搜索圖像序列的對比度(IC)關(guān)于t的最大值，取IC最大值對應(yīng)的數(shù)據(jù)段的中心 時刻作為最佳數(shù)據(jù)段的中心時刻t。pt。步驟四估計最佳數(shù)據(jù)段的長度At。pt確定最佳數(shù)據(jù)段的中心時刻t。pt后，變換初始數(shù)據(jù)段的長度At，計算不同長度的 數(shù)據(jù)段成像的IC，找到IC關(guān)于At的最大值，取IC最大值對應(yīng)的數(shù)據(jù)長度作為最佳數(shù)據(jù)長 度At。pt，具體過程是
(3)以t。pt為中心，將數(shù)據(jù)長度在初始長度的基礎(chǔ)上增加2n (n的典型值為4、5、6)， 并計算由此生成的圖像的IC。如果IC增加了，將數(shù)據(jù)長度再增加2n，直到IC不再增加。(4)將⑴中最后的數(shù)據(jù)長度再逐一增加2 (n-k)，(k = 1，. . .，n)，并計算IC，直 到IC取得最大值。如果Atin第一次增加2n時，IC減小了，則將八^逐漸減小2n，直到IC不再增 加。然后，使數(shù)據(jù)長度逐一減小2 (n-k)，(k= 1，...，11)，直到取得1(最大值。有益效果本發(fā)明是一種逆合成孔徑雷達(dá)成像數(shù)據(jù)段選擇方法，能夠?qū)崿F(xiàn)從長的回波數(shù)據(jù)中 自動選取用于成像的最佳數(shù)據(jù)段中心時刻和數(shù)據(jù)段長度，從而避免直接使用R-D成像造成 成像模糊。通過此方法獲得的ISAR圖像分辨率高、聚焦好，能夠為后續(xù)的雷達(dá)目標(biāo)識別與 探測提供高質(zhì)量的ISAR圖像。
圖1是轉(zhuǎn)臺模型成像原理圖。圖2是本發(fā)明方法的流程圖。圖3是多普勒頻率隨時間變化曲線。圖4是三種不同信噪比信號的圖像序列對比度圖。圖5是三種數(shù)據(jù)長度的橫向距離像幅度圖。
具體實施例方式結(jié)合附圖，通過仿真詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。圖2為本發(fā)明方法的實施流程 圖。為驗證本方法的有效性，首先仿真一個散射點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)，用此回波數(shù)據(jù)說明最 佳成像數(shù)據(jù)段具體選取過程。仿真回波中雷達(dá)參數(shù)是波長入=0.03m，帶寬B = 100MHz， 成像累積時間T = 0. 5s，脈沖重復(fù)頻率prf = 4000Hz。假定目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度保持不變《 = Ji rad/s，散射點(diǎn)初始坐標(biāo)為(x0, y0) = (10，0)，雷達(dá)與目標(biāo)中心距離R = 20000m。由多普勒頻率表達(dá)式(3)可知此回波的多普勒頻率先驗信息 圖3是此回波的多普勒頻率隨時間變化曲線，可見即使目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度是常數(shù)，多 普勒頻率仍是時變的，從而導(dǎo)致R-D成像模糊。從圖3可知多普勒頻率在t = 0時刻變化 緩慢，所以最佳數(shù)據(jù)段中心時刻理論上應(yīng)該在t = 0處。下面采用本發(fā)明提供的方法估計最佳成像數(shù)據(jù)段的中心時刻和長度步驟一、假定初始數(shù)據(jù)長度為256個采樣點(diǎn)(A tin = 0. 064s)，滑動步長為32采 樣點(diǎn)(0.008s)。分別對回波數(shù)據(jù)加入信噪比為10dB和OdB的高斯白噪聲。目標(biāo)回波信號
表達(dá)式為
(8)
其中
，表示快時間，\為發(fā)射信號波長，y為調(diào)頻率，
為噪聲。根據(jù)Atin和滑動步長將分段并成像，得到包含55個ISAR子圖像的圖像序 列。步驟二^用圖像強(qiáng)度表達(dá)式
，計算圖像序列的強(qiáng)
度，分別記為
。其中^^J是某數(shù)據(jù)段回波信號， (n, u)是圖像的坐標(biāo)，(t，At)是此數(shù)據(jù)段的中心時刻和長度。 再使用圖像對比度(IC)表達(dá)式
，算圖像序列中子圖像的對比度，分別記為IC(tk，Atin), (k= 1，2，...，55)。IC表達(dá)式中，
m表示均值，I表示圖像強(qiáng)度。圖4所示為圖像序列對應(yīng)的對比度計算結(jié)果。步驟三、搜索出圖像序列中對比度最大值對應(yīng)的時刻，t = 0時刻。t = 0時刻就 是最佳數(shù)據(jù)段的中心時刻t。pt。由圖4可見，噪聲只會影響圖像對比度的幅度，并不影響對 比度的峰值位置，圖像序列最大對比度的位置始終在t = 0時刻，估計結(jié)果與圖3中多普勒 頻率給出先驗信息一致。步驟四、估計最佳數(shù)據(jù)段的長度A t。pt分為兩步(1)以t。pt為中心，將數(shù)據(jù)長度At在Atin基礎(chǔ)上增加2n(本例中n = 4)，并計 算由此生成的圖像的對比度IC(t。pt，At)。如果IC(t。pt，At) >IC(t。pt，Atin)，則At繼 續(xù)增加2n，直到IC不再增加。(2)將A t再逐一增加2 (n-k)，(k = 1， ，n)，并計算IC，直到IC取得最大值。如果At 在(1)中第一次增加 2n 時，IC(t。pt，Atin) > IC(t。pt，A t)，則將 At 逐 漸減小2n，直到IC不再增加。然后，使At逐一減小2(n-k)，(k = 1，...，n)，直到IC取
得最大值。IC最大值對應(yīng)的數(shù)據(jù)長度At就是最佳數(shù)據(jù)段長度A t。pt。本例中估計出的最佳 數(shù)據(jù)長度為264個采樣點(diǎn)，S卩A t。pt = 0.066s。圖5給出了最佳長度(264個采樣點(diǎn))，較 長的數(shù)據(jù)長度(444個采樣點(diǎn))和較短的數(shù)據(jù)長度(66個采樣點(diǎn))三種數(shù)據(jù)長度的橫向距 離像幅度圖?？梢娸^長的數(shù)據(jù)長度由于多普勒的時變有很高的旁瓣，而較短的數(shù)據(jù)長度的 橫向分辨率低，最佳數(shù)據(jù)段既保證了旁瓣低，又具有較高的橫向分辨率。綜上所述，本發(fā)明估計出的最佳數(shù)據(jù)段中心時刻位于多普勒頻率變化緩慢的時間 段內(nèi)，數(shù)據(jù)段的最佳長度具有分辨率高、旁瓣低的優(yōu)點(diǎn)。因此，使用本發(fā)明選擇的最佳數(shù)據(jù) 段進(jìn)行成像，可以生成聚焦效果好、分辨率高的ISAR圖像。
權(quán)利要求
一種逆合成孔徑雷達(dá)成像數(shù)據(jù)段選擇方法，該方法以圖像對比度作為評價圖像聚焦程度的標(biāo)準(zhǔn)，最佳成像數(shù)據(jù)段的選擇方法用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以簡單表示為(topt，Δtopt)＝arg[max(IC)] (5)其中topt為最佳成像數(shù)據(jù)段的中心時刻，Δtopt為最佳成像數(shù)據(jù)段的長度，IC為圖像對比度；確定最佳數(shù)據(jù)段的關(guān)鍵就是從(5)式中解出topt和Δtopt，具體分為以下四步步驟一生成ISAR圖像序列對運(yùn)動補(bǔ)償后的回波信號，給定一個初始的數(shù)據(jù)長度Δtin和數(shù)據(jù)段的滑動步長，將回波數(shù)據(jù)按照初始數(shù)據(jù)段和滑動步長分段，對每個回波數(shù)據(jù)段進(jìn)行兩維快速傅里葉變換成像，得到一系列ISAR圖像序列；步驟二計算圖像序列對比度分別計算步驟一中得到的圖像序列中每個圖像的強(qiáng)度；定義圖像強(qiáng)度表達(dá)式為 <mrow><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>η</mi> <mo>,</mo> <mi>υ</mi> <mo>;</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>Δt</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mn>2</mn><mi>DFT</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mrow><mo>(</mo><mover> <mi>t</mi> <mo>^</mo></mover><mo>,</mo><msub> <mi>t</mi> <mi>m</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中是某段回波信號，(η，υ)是圖像的坐標(biāo)，(t，Δt)是選取的數(shù)據(jù)段的中心時刻和長度；再計算圖像的對比度，IC的定義是 <mrow><mi>IC</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>Δt</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <msqrt><mi>m</mi><mo>{</mo><msup> <mrow><mo>[</mo><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>η</mi> <mo>,</mo> <mi>υ</mi> <mo>;</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>Δt</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>m</mi><mo>[</mo><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>η</mi> <mo>,</mo> <mi>υ</mi> <mo>;</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>Δt</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>}</mo> </msqrt> <mrow><mi>m</mi><mo>[</mo><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>η</mi> <mo>,</mo> <mi>υ</mi> <mo>;</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>Δt</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，m表示均值，I表示圖像強(qiáng)度；對比度是圖像強(qiáng)度的歸一化標(biāo)準(zhǔn)方差；當(dāng)圖像聚焦時，散射點(diǎn)的強(qiáng)度大，所以使用對比度作為圖像聚焦的衡量標(biāo)準(zhǔn)；步驟三估計最佳數(shù)據(jù)段的中心時刻topt搜索圖像序列的對比度關(guān)于t的最大值，取IC最大值對應(yīng)的數(shù)據(jù)段的中心時刻作為最佳數(shù)據(jù)段的中心時刻topt；步驟四估計最佳數(shù)據(jù)段的長度Δtopt確定最佳數(shù)據(jù)段的中心時刻topt后，變換初始數(shù)據(jù)段的長度Δt，計算不同長度的數(shù)據(jù)段成像的IC，找到IC關(guān)于Δt的最大值，取IC最大值對應(yīng)的數(shù)據(jù)長度作為最佳數(shù)據(jù)長度Δtopt。FSA00000118371400012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種逆合成孔徑雷達(dá)成像數(shù)據(jù)段選擇方法，其特征在于所 述步驟四的具體過程是(1)以t。pt為中心，將數(shù)據(jù)長度在初始長度的基礎(chǔ)上增加2n(n的典型值為4、5、6)，并 計算由此生成的圖像的IC ；如果IC增加了，將數(shù)據(jù)長度再增加2n，直到IC不再增加；(2)將上述過程⑴中最后的數(shù)據(jù)長度再逐一增加2(n-k)，(k = 1，. . .，n)，并計算IC， 直到IC取得最大值；如果Atin第一次增加2n時，IC減小了，則將八、 逐漸減小2n，直到IC不再增加；然 后，使數(shù)據(jù)長度逐一減小2 (n-k)，(k = 1，. . .，n)，直到取得IC最大值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種逆合成孔徑雷達(dá)成像數(shù)據(jù)段選擇方法，該方法以圖像對比度作為評價圖像聚焦程度的標(biāo)準(zhǔn)，最佳成像數(shù)據(jù)段的選擇方法用數(shù)學(xué)表達(dá)式可以簡單表示為(topt，Δtopt)＝arg[max(IC)]，其中topt為最佳成像數(shù)據(jù)段的中心時刻，Δtopt為最佳成像數(shù)據(jù)段的長度，IC為圖像對比度；確定最佳數(shù)據(jù)段的關(guān)鍵就是從式中解出topt和Δtopt，具體分為以下四步步驟一生成ISAR圖像序列；步驟二計算圖像序列對比度；步驟三估計最佳數(shù)據(jù)段的中心時刻topt；步驟四估計最佳數(shù)據(jù)段的長度Δtopt。由此最佳數(shù)據(jù)段可以生成具有分辨率高、聚焦好的ISAR圖像。
文檔編號G01S7/41GK101846741SQ20101017213
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者袁運(yùn)能, 鄭夙 申請人:北京航空航天大學(xué)