一種基于設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的ISAR運動補償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的ISAR運動補償方法，屬于雷達成像的【技術(shù)領(lǐng)域】。運動補償是ISAR成像算法中的重要步驟。本發(fā)明將運動補償歸結(jié)為多參數(shù)估計問題，基于設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的最優(yōu)化理論提出了一種全新的運動補償方法。該方法可分為距離對準和相位補償兩部分，其中距離對準算法通過讓所有距離像之間的相關(guān)性同時逼近最大值的準則實現(xiàn)偏移量的估計，而相位補償算法則通過分析信號模型推導(dǎo)出最優(yōu)矩陣從而利用最優(yōu)化方法提取相位誤差。本發(fā)明充分利用了每個回波脈沖之間的相關(guān)性，實現(xiàn)了對距離偏移量和相位誤差的高精度估計，算法的具有較強的魯棒性，并適用于回波隨機采樣的情況，使得壓縮感知技術(shù)在ISAR成像領(lǐng)域具有更實際的應(yīng)用前景。
【專利說明】—種基于設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的ISAR運動補償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的ISAR運動補償方法，屬于雷達成像的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]一般來說，非合作目標相對雷達的運動是不可預(yù)知的。通常雷達與目標之間的相對運動可分解為平動和轉(zhuǎn)動分量，其中只有轉(zhuǎn)動分量對目標像的重建起作用，而平動分量對成像是不利的。因此在成像之前通常需要對各距離像完成運動補償操作以去除平動分量。運動補償是ISAR成像的關(guān)鍵技術(shù)，其的性能將直接影響最終成像的質(zhì)量。
[0003]由于非合作目標的運動姿態(tài)和航跡等運動參數(shù)無法準確獲知，因此運動補償所需的參數(shù)都要從回波中估計出來，實際上運動補償問題就是多參數(shù)估計問題。運動補償可分為距離對準和相位補償兩個步驟。
[0004]距離對準作為相位補償和成像的基礎(chǔ)，目的是通過校正各距離像的偏移量將各距離像對準?，F(xiàn)有的距離對準算法主要可以分為距離像互相關(guān)對準和全局對準兩類。前者典型的算法有:相鄰包絡(luò)互相關(guān)法、時域和頻域積累互相關(guān)法、包絡(luò)最大修正峰度法等。這類算法較依賴于距離像之間的相關(guān)性。而全局對準類算法一般是以某種全局準則作為對準依據(jù)，通過迭代的方法使某個性能指標達到最優(yōu)，例如全局對準算法、全局最小熵算法等。這類算法對距離像之間的相關(guān)性要求不高，并且可以較好地抑制突跳和漂移誤差，尤其當遇到回波有間斷或回波突變的情況，該類方法較前者具有更好的魯棒性。這兩類算法都是利用兩個距離像之間的相關(guān)性實現(xiàn)距離對準，因此距離對準精度一般。
[0005]距離對準基本解決了距離單元級別的距離像偏移問題，為了進一步消除平動對成像的影響，必須進行相位補償以消除平動引起的相位誤差。目前已有多種相位補償方法，如多普勒中心跟蹤法、相位梯度自聚焦法(PGA)和特征向量相位補償算法(MLE)等。其中前兩種算法通過估計兩個相鄰距離像的相位梯度獲得相位誤差，由于在估計相位誤差的過程中存在誤差積累效應(yīng)，導(dǎo)致了算法精度的損失；而MLE算法則是通過求解距離像協(xié)方差矩陣的特征向量直接估計出相位誤差。相對而言，MLE算法的估計精度要高于前兩種算法，但是由于該算法要對協(xié)方差矩陣特征分解，所以該算法受到矩陣維數(shù)的限制難以在工程實踐中應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足，提供了一種基于設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的ISAR運動補償方法，有效減小運動補償過程中引入的積累和突跳誤差，提高了算法的魯棒性和成像質(zhì)量。
[0007]本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的ISAR運動補償方法，分為距離對準和相位補償算法兩部分，包括如下步驟:[0009]步驟1，距離對準算法采用了讓任意距離像之間的相關(guān)性同時逼近最大值的準則，通過設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的方法實現(xiàn)距離像偏移量的估計，具體實施如下:
[0010]步驟1-1，根據(jù)距離單元大小Ari生成線性相位偏移量矩陣Q，表示如下:
[0011]Q = Eq1 |qj...1qJ
[0012]qj (fr, Ari) = exp(j2 π ^Ari)
[0013]其中M為距離像個數(shù)，fr表示頻域離散采樣點。
[0014]步驟1-2，根據(jù)上述準則，設(shè)計出結(jié)構(gòu)化Gram矩陣(5，并求解出01/2，表示如下:
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種基于設(shè)計結(jié)構(gòu)化Gram矩陣的ISAR運動補償方法，包括如下步驟: (1)距離對準: <1-1>生成以距離偏移量為變量的線性相位矩陣； <1-2>設(shè)計理想最優(yōu)Gram矩陣； <1-3>將距離像矩陣沿距離向變換到頻域并做歸一化處理； <1-4>通過求解指定矩陣的極因子獲得修正矩陣； <1-5>通過最小二乘估計法逼近修正矩陣完成距離像偏移量的估計； 〈1_6>距尚像偏移量補償； 〈1-7>將距離像矩陣沿距離向變換回信號域。 (2)相位補償: <2-1>設(shè)計理想最優(yōu)Gram矩陣； 〈2-2>將回 波信號矩陣的方位向平均多普勒頻率置零并歸一化； 〈2-3>通過求解指定矩陣的極因子獲得修正矩陣； 〈2-4>通過最小二乘估計法逼近修正矩陣并利用相位誤差的空不變性估計出相位誤差; 〈2-5>相位誤差補償； <2-6>方向傅立葉變換成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈1-1>是根據(jù)距離單元大小生成線性相位偏移量矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈1-2>是利用ISAR回波信號的高度相關(guān)性，設(shè)計出理想最優(yōu)Gram矩陣。矩陣形式如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈1-3>是將距離像二維矩陣沿距離向變換到頻域并將得到的距離像歸一化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈1-4>是利用步驟〈1-2>和步驟<1-3>的結(jié)果求解矩陣的極因子，以獲得修正矩陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈1-5>是利用最小二乘估計法通過逼近步驟〈1-4>的結(jié)果完成距離像偏移量的估計。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈1-6>是利用步驟〈1-5>的結(jié)果實現(xiàn)對一維距離像在頻域的偏移線性相位補償。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈1-7>是對步驟〈1-6>的結(jié)果距離向變換回信號域，實現(xiàn)對距離像的距離對準。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈2-1>是利用ISAR回波信號的相位特征，設(shè)計出理想最優(yōu)Gram矩陣。矩陣形式如下:
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈2-2>利用了步驟〈1-7>的結(jié)果，將距離對準完畢的信號矩陣方位向平均多普勒頻率置零并對方位向信號歸一化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈2-3>利用步驟〈2-1>和步驟〈2-2>的結(jié)果求解矩陣的極因子，以獲得修正矩陣。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈2-4>是利用了最小二乘估計法，通過逼近步驟〈2-4>的結(jié)果并利用相位誤差的空不變性實現(xiàn)相位誤差的估計。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈2-5>是利用步驟〈2-4>的結(jié)果消除方位向相位誤差。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的運動補償方法，其中步驟〈2-6>是通過對步驟〈2-5>的結(jié)果方位向傅里葉變換得到準確聚焦的圖像。
【文檔編號】G01S13/90GK103941255SQ201310016499
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月17日
【發(fā)明者】俞翔, 宋偉, 朱岱寅 申請人:南京航空航天大學(xué)