[發明專利]基于距離像復包絡相位匹配處理的空間進動目標成像方法

有效

• 申請號: 201910525435.0
• 申請日: 2019-06-17
• 公開（公告）號: CN110244296B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 田彪;劉永祥;黎湘;姜衛東;霍凱
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01S13/89
• 分類號: G01S13/89
• 代理公司: 長沙中科啟明知識產權代理事務所(普通合伙) 43226
• 代理人: 任合明

1.一種基于距離像復包絡相位匹配處理的空間進動目標成像方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

S1：構造自適應高速運動匹配濾波器，實現聯合高速運動補償和脈沖壓縮

基于寬帶直采回波的匹配濾波脈沖壓縮處理，可以較好地保持回波的相干性，有利于微動目標的平動補償；因此對于雷達觀測的空間進動目標，考慮對回波進行匹配濾波脈沖壓縮接收方法，具體步驟如下：

S1.1對回波進行高速運動補償，消除一維距離像的平移

對于空間目標而言，往往存在高速平動，此時目標不再滿足“走-?！蹦Ｐ?，回波瞬時距離會隨快時間發生變化；高速運動會造成回波一維距離像發生畸變，其譜峰發生分裂和展寬，從而對后續的目標成像產生嚴重影響，因此先要對回波進行高速運動補償；

根據雷達成像原理以及點散射模型，目標相對雷達的運動可以分解為目標主體的平動以及目標圍繞自身的微運動；假設目標由Num_Scatter個散射中心構成，目標相對雷達的徑向速度為v，第k個散射中心與雷達的瞬時距離可表示為

其中為平動部分，R_Rot(t_m)＝r_k(t_m)為微運動部分，R₀為初始時刻目標到雷達的距離，t_m為脈沖慢時間，為脈沖內快時間，r_k(t_m)為第k個散射中心的微運動分量，k＝1,2，…，Num_Scatter；

同時，根據高速運動和非高速運動區分，公式(1)可以寫為

其中R_k(t_m)＝R₀+vt_m+r_k(t_m)為非高速運動部分，為高速運動部分；

當目標存在速度項時，雷達接收到的回波信號可寫成：

其中σ_k為后向散射系數，f_c為雷達載頻，γ為調頻率，T_p為脈沖寬度；

將公式(2)帶入公式(3)，可得

構造平移補償因子如下：

利用該補償因子對回波信號進行補償可以消除一維距離像的平移：

S1.2：構造帶有速度項的匹配濾波器減小匹配濾波器失配帶來的一維距離像畸變

匹配濾波處理回波數據的一維距離像畸變主要是由于濾波器的失配所引起的，為減小匹配濾波器失配帶來的一維距離像畸變，根據目標運動速度自適應調整匹配濾波器的參數，而目標運動速度的估計值可從窄帶跟蹤系統中獲得；根據窄帶跟蹤系統中目標速度參數自適應改變匹配濾波器的參數，構造帶有速度項的匹配濾波器如下：

其中

S1.3：對回波信號進行匹配濾波，消除一維距離像的展寬效應

利用該濾波器對回波信號進行匹配濾波，可以消除一維距離像的展寬效應，得到目標的單幀一維距離像如下：

S2：基于運動參數估計的快時間頻域聯合平動補償

基于匹配濾波脈沖壓縮處理，回波脈壓時直接使用發射信號的復共軛作為匹配處理信號，因此不會在回波信號中引入平動誤差，回波信號能夠更好的保留目標的運動信息；但是由于目標平動影響，即使采用匹配濾波對回波進行脈沖壓縮處理，寬帶回波一維距離像的旋轉中心在距離-慢時間域上并未對齊，這對后續的目標成像將帶來不利，必須將回波平動分量補償掉，具體步驟如下：

S2.1：對一維距離像進行傅里葉變換，得到目標快時間頻域回波

對式(8)在快時間維進行傅立葉變換，可得：

其中：

可以看出，回波快時間頻域的相位由三部分組成：第一項由目標的初始位置決定，不存在快時間頻率與慢時間的耦合，其只會使回波距離像整體搬移；第二項由目標的平移運動決定，存在快時間頻率與慢時間的耦合，會造成時域的包絡走動與多普勒相位調制且對成像無意義，需要補償掉；第三項由目標的旋轉運動決定，存在快時間頻率與慢時間的耦合，會造成時域的包絡走動與多普勒相位調制，對成像有意義，需要保留；

S2.2進行目標運動參數估計，針對每個快時間頻點f，進行頻域聯合運動補償

假設對目標的速度估計為對于每個快時間頻點f，可以通過乘以一定的補償因子消去由目標平動所造成的快時間頻率與慢時間耦合，達到聯合補償的效果，補償因子項如下：

對補償后的回波忽略其初始位置決定的固定相位項，則結果可以表示為：

S2.3對快時間頻域回波進行逆傅里葉變換，得到目標補償后的一維距離像

將補償后的回波變回到快時間時域，回波的包絡走動和多普勒相位同時被消除，即同時實現了包絡對齊和相位補償：

此時，目標變成轉臺模型，其回波變化僅與目標轉動相關：對于小轉角目標，回波包絡在距離-慢時間域上會對齊成一條直線，對于快速旋轉的目標回波包絡會在距離-慢時間域上呈現出正弦曲線的特征；

S3：基于一維距離像復包絡相位匹配處理的二維成像

通過高速運動補償和平動補償，目標回波已經轉化成轉臺模型下的一維像，進一步通過轉動分析獲取目標的二維像，因此這一步提出基于一維距離像復包絡相位匹配處理的方法，實現二維圖像的良好聚焦，具體步驟如下：

S3.1目標一維距離像合成表示

通過步驟S2得到了目標一維距離像的統一表示，進一步可得到包含非自旋對稱部件的目標的合成回波一維距離像為：

其中P和Q分別表示目標主體和非自旋對稱部件散射點的個數，σ_p和σ_q分別表示散射點p和q的后向散射系數，r_p(t_m)表示僅受錐旋運動影響的目標主體散射點相對于雷達的徑向距離變化，r_q(t_m)表示進動所造成的目標非自旋對稱散射點相對于雷達的徑向距離變化；

S3.2散射點微動徑向距離計算

目標二維成像分析是在微運動的分析，即r(t_m)的變化，針對坐標為[x,y,z]^T的散射點進行分析；

若其為目標主體散射點，則其相對雷達的徑向距離t_m時刻可統一表示為：

其中K(t_m)＝sinβsinθ_NsinΩ_ct_m+cosβcosθ_N，Ω_c表示錐旋速度的大小，β為雷達視線到進動軸間的夾角，θ_N為進動角大小；

而若其為非自旋對稱部件散射點，則其相對雷達的徑向距離在t_m時刻可統一表示為：

其中Ω_s表示自旋速度的大??；

S3.3距離像復包絡相位匹配處理

設g(r,t_m)為一維距離像序列中隨慢時間變量t_m和距離刻度變量_r連續變化的函數，ξ＝(y,z)表示一個參數平面中的二維向量，則廣義Radon變換可表示為：

其中，T表示成像積累時間，r_min、r_max分別表示目標區域的最小距離和最大距離，r＝Φ(t_m；ξ)表示廣義Radon變換的曲線積分路徑；

為實現目標主體散射點的回波能量有效積累，Φ(t_m；ξ)取值為：

由于非旋轉對稱部件散射點運動規律具有自旋和錐旋耦合運動特性，在經過廣義Radon變換的曲線積分時，其回波部分能量經過累積會形成虛假的尖峰；

為抑制非自旋對稱部件能量帶來的干擾，可通過對廣義Radon變換積分曲線上的復包絡乘以相位函數后積分，對復包絡進行相位匹配處理的積分函數可表示為：

式中積分路徑為因此相位匹配處理采用的函數為

積分后，將在參數域坐標上ξ＝(y,z)處得到一尖峰，即成像復數據；

S3.4積分結果歸一化

對積分結果的復數據進行歸一化處理即得到目標的二維成像結果。

2.一種根據權利要求1所述基于距離像復包絡相位匹配處理的空間進動目標成像方法，其特征在于：S3.1的回波模型同時也適應于自旋對稱的光滑進動目標，當進動目標自旋對稱，此時目標不包含非自旋對稱部件，取Q＝0。