專利名稱：基于時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種逆合成孔徑雷達(dá)成像方法。
背景技術(shù)：
在逆合成孔徑雷達(dá)成像中，迄今為止運(yùn)算量最小、應(yīng)用最為普遍的成像方法是 距離——多普勒算法，縱向距離分辨率依靠雷達(dá)發(fā)射寬頻帶信號，橫向分辨率依靠目標(biāo) 轉(zhuǎn)動(dòng)的多普勒頻率，首先經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償使目標(biāo)成為“自聚焦點(diǎn)”位于軸心的轉(zhuǎn)臺目標(biāo)，然 后進(jìn)行成像處理。整個(gè)成像過程可理解為利用目標(biāo)上各散射點(diǎn)子回波的不同時(shí)延，以 及目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)子回波的不同多普勒頻率，在距離——多普勒平面上呈現(xiàn)出目標(biāo)散射點(diǎn)的 強(qiáng)度分布圖。其中，目標(biāo)的多普勒信息是通過對雷達(dá)回波每個(gè)距離單元做傅立葉變換得 到的。這種算法隱含兩個(gè)假設(shè)，即目標(biāo)尺寸和轉(zhuǎn)角較小，目標(biāo)散射點(diǎn)對距離單元游動(dòng)的 影響可不考慮，這一假設(shè)一般可以滿足；另外假設(shè)目標(biāo)在水平面內(nèi)均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，在整個(gè)成 像處理期間，散射點(diǎn)的多普勒頻率是恒定的，這一假設(shè)對大型平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)也可以滿 足。但在實(shí)際情況下，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)常常是伴隨著機(jī)動(dòng)性的，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會導(dǎo)致 觀測期間轉(zhuǎn)速的變化和轉(zhuǎn)軸的變化。這里以艦船目標(biāo)的ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar—逆合成孔徑雷達(dá))成像為例，它的成像條件要比飛機(jī)目標(biāo)復(fù)雜得多，除了海雜波 的存在降低了回波信號的信噪比之外，海面的波動(dòng)起伏，使艦船的姿態(tài)變化非常復(fù)雜， 同時(shí)伴有偏轉(zhuǎn)(yaw)，俯仰(pitch)和側(cè)擺(roll)三維運(yùn)動(dòng)，這給艦船的ISAR成像帶來了 很大的困難。同時(shí)，由于ISAR是對三維物體作二維成像，轉(zhuǎn)軸的改變會導(dǎo)致成像投影 平面也隨之變化。此時(shí)，由于目標(biāo)散射點(diǎn)回波的多普勒信號是時(shí)變的，傳統(tǒng)的距離—— 多普勒成像方法得到的圖像非常模糊，無法識別目標(biāo)，此時(shí)需要對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分 析，得到每一個(gè)時(shí)刻散射點(diǎn)的高分辨瞬時(shí)多普勒譜，此即為ISAR成像的距離——瞬時(shí)多 普勒法。對于復(fù)雜高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的ISAR成像，現(xiàn)有的方法對散射點(diǎn)回波信號的刻畫不夠 精確，一般將其近似為多分量的線性調(diào)頻信號，進(jìn)而采用各種時(shí)頻分析的方法對其進(jìn)行 參數(shù)估計(jì)，并結(jié)合距離——瞬時(shí)多普勒法得到目標(biāo)的瞬態(tài)ISAR像。該方法與傳統(tǒng)的距 離——多普勒成像方法相比，可在一定程度上提高目標(biāo)的成像質(zhì)量。但由于目標(biāo)的高機(jī) 動(dòng)性，散射點(diǎn)回波信號的時(shí)頻特性非常復(fù)雜，已有的方法都是將其近似為線性調(diào)頻信號 模型。由于回波信號的多普勒頻率隨時(shí)間呈非線性變化，已有的方法只能通過分段線性 的直線來近似表示各散射點(diǎn)的多普勒頻率變化，即把具有高階多普勒的散射點(diǎn)回波近似 為多個(gè)線性調(diào)頻分量之和，但該方法對信號的逼近程度不高，對于一些散射點(diǎn)在某些時(shí) 刻存在幅度和頻率估計(jì)誤差，尤其是在兩個(gè)分量的接點(diǎn)處誤差更大。此時(shí)得到的圖像會 含有虛假散射點(diǎn)，同時(shí)存在散射點(diǎn)定位不準(zhǔn)現(xiàn)象，這些因素會極大地影響成像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決已有技術(shù)對復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(由于其散射點(diǎn)回波信號具有復(fù)雜時(shí)頻特性)所采用的成像方法，不能產(chǎn)生高質(zhì)量圖像，而提出新的基于時(shí)間——相 位導(dǎo)數(shù)分布的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，以獲得目標(biāo)清晰的瞬態(tài)像。本發(fā)明的原理是本發(fā)明將復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)散射點(diǎn)回波信號精確刻畫為多分量多項(xiàng)式相位信號模 型，并提出新的基于時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布的多分量多項(xiàng)式相位信號參數(shù)估計(jì)方法，結(jié) 合距離——瞬時(shí)多普勒成像技術(shù)，獲得目標(biāo)清晰的瞬態(tài)ISAR像。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案的方法是1.針對目標(biāo)具有高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，可將回波信號描述為多分量多項(xiàng)式相位信號 模型；2.對于單分量多項(xiàng)式相位信號情況，采用四次相位信號模型(對于高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的 ISAR成像，精度已足夠高)，構(gòu)造適合于四次相位信號的時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布，使之 集中在信號的四次相位導(dǎo)數(shù)曲線上，通過峰值搜索，獲得四次相位系數(shù)的估計(jì)；3.根據(jù)上一步驟中估計(jì)出的四次相位系數(shù)，將原信號解調(diào)為三次相位信號；4.構(gòu)造適合于三次相位信號的時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布，使之集中在信號的三次 相位導(dǎo)數(shù)曲線上，通過峰值搜索，獲得三次相位系數(shù)的估計(jì)；5.根據(jù)上一步驟中估計(jì)出的三次相位系數(shù)，將原信號解調(diào)為二次相位信號，即 線性調(diào)頻信號；6.采用解線性調(diào)頻并結(jié)合傅立葉變換的方法估計(jì)出其余參數(shù)；7.對于多分量信號的情況，采用乘積型時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布的方法，并結(jié)合 潔凈技術(shù)，依次估計(jì)出每個(gè)信號分量的參數(shù)；8.根據(jù)信號的參數(shù)估計(jì)結(jié)果，結(jié)合距離——瞬時(shí)多普勒成像方法，獲得目標(biāo)的 清晰瞬態(tài)像。其中，1)本發(fā)明步驟1中的回波信號模型的建立為假定回波已經(jīng)過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，此時(shí)，由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，散射點(diǎn)回波信號的 時(shí)頻關(guān)系可用多項(xiàng)式相位信號模型來刻畫，即
權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征包括下列步驟1)將回波信號描述為多分量多項(xiàng)式相位信號模型；2)對于單分量多項(xiàng)式相位信號情況，采用四次相位信號模型，構(gòu)造適合于四次相 位信號的時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布，使之集中在信號的四次相位導(dǎo)數(shù)曲線上，通過峰值搜 索，獲得四次相位系數(shù)的估計(jì)；3)根據(jù)上一步驟中估計(jì)出的四次相位系數(shù)，將原信號解調(diào)為三次相位信號；4)構(gòu)造適合于三次相位信號的時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布，使之集中在信號的三次相位 導(dǎo)數(shù)曲線上，通過峰值搜索，獲得三次相位系數(shù)的估計(jì)；5)根據(jù)上一步驟中估計(jì)出的三次相位系數(shù)，將原信號解調(diào)為二次相位信號，即線性 調(diào)頻信號；6)采用解線性調(diào)頻并結(jié)合傅立葉變換的方法估計(jì)出其余參數(shù)；7)根據(jù)信號的參數(shù)估計(jì)結(jié)果，結(jié)合距離——瞬時(shí)多普勒成像方法，獲得目標(biāo)的清晰 瞬態(tài)像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于步驟1中的回波多項(xiàng) 式相位信號模型的建立為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于以四次相位信號模型 為例，回波信號的一般形式可寫為
4.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于所述的單分量四 次相位信號及構(gòu)造信號的時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布，表現(xiàn)為①單分量四次相位信號
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于對于(7)式中P= 4 和M = 4的情況，其TPDD具有如下形式
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于步驟3、4中，通過 構(gòu)造參考信號sre/( )=e-A"4，將原信號解調(diào)為三次相位信號Sd(n) = s (η) Sref (η)；此時(shí)有P = 3和M = 3，相應(yīng)的TPDD具有如下形式
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于對于回波信號為多分 量信號的情況，采用乘積型時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布PTPDD (product time-phase derivatives distribution)的方法，并依照步驟2-6的方法，并結(jié)合潔凈技術(shù)，依次估計(jì)出每個(gè)信號分 量的參數(shù)；根據(jù)信號的參數(shù)估計(jì)結(jié)果，結(jié)合距離——瞬時(shí)多普勒成像方法，獲得目標(biāo)的 清晰瞬態(tài)像。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征在于對多分量進(jìn)行參數(shù)估 計(jì)的方法如下
全文摘要
一種基于時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布的逆合成孔徑雷達(dá)成像方法。在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜的情況下，散射點(diǎn)回波信號的多普勒頻率是時(shí)變的，此時(shí)傳統(tǒng)的距離——多普勒成像方法得到的圖像是模糊的，無法識別目標(biāo)。本發(fā)明將散射點(diǎn)回波信號描述為多分量四次相位信號，然后針對單分量信號的情況，提出基于時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布的參數(shù)估計(jì)方法；而針對多分量信號的情況，提出采用乘積型時(shí)間——相位導(dǎo)數(shù)分布，并結(jié)合潔凈技術(shù)的參數(shù)估計(jì)方法。最后，結(jié)合距離——瞬時(shí)多普勒成像方法，獲得目標(biāo)清晰的瞬態(tài)像。
文檔編號G01S7/41GK102012510SQ20101028964
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者姜義成, 張?jiān)? 王勇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)