基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法技术

基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法，本发明专利技术涉及逆合成孔径雷达成像的横向定标方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有方法估计出的目标转速不准确，导致ISAR横向定标精度低，给后续的目标识别、三维重构带来不便的问题。一、得到转台目标的ISAR成像回波数据，计算所有J个距离门回波的归一化幅度方差，选择方差最小的M个距离门回波信号；二、得到频谱加窗的长度，窗型为矩形窗；三、得到预处理后的M个距离门回波信号；四、得到M个去斜信号的角频率估计值；五、求出等效转台目标转动角速度的估计值；六、计算ISAR像的横向尺度，按横向尺度重新绘制ISAR像，完成ISAR图像的横向定标。本发明专利技术用于雷达成像领域。

ISAR image lateral calibration method based on IAA spectral estimation technique

A transverse calibration method for ISAR images based on IAA spectral estimation technology is presented. The invention relates to a lateral calibration method for inverse synthetic aperture radar imaging. The aim of the present invention is to solve the inaccuracy of the target speed estimated by the existing method, which leads to the low precision of the ISAR lateral calibration, which brings inconvenience to the subsequent target recognition and 3D reconstruction. First, get the ISAR imaging echo data of the target of the turntable, calculate the normalized amplitude variance of all the J distance gate echoes, select the M distance gate echo signal with the least variance, two, get the length of the window, the window type is rectangular window; three, get the pre processed M distance gate echo signal; four, get M de slanting signal. The angular frequency estimation value; five. Calculate the estimated value of the rotational angular velocity of the target of the equivalent turntable; six, calculate the lateral scale of the ISAR image, redraw the ISAR image on the lateral scale, and complete the lateral calibration of the ISAR image. The invention is used in the field of radar imaging.

【技术实现步骤摘要】
基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法
本专利技术涉及逆合成孔径雷达成像的横向定标方法。
技术介绍
ISAR成像技术能够获得舰船、飞机、卫星等目标的高分辨二维像。距离向高分辨由发射信号的大带宽获得，在不改变发射信号带宽的情况下是个已知的定量；而其方位向(横向)分辨能力通过多普勒分析获得，因此横向单元尺度由多普勒频域的分辨率决定，且随着目标转速、积累时长的不同而改变。所以二维ISAR像只能反映散射点在方位向的相对位置。为了后续的目标识别、三维重构等处理，需要对二维像进行横向定标，确定尺度大小。对于非合作目标，在决定横向分辨率的诸多因素中，只有目标转速是雷达事先不知道的，因此横向定标实质上是从回波中提取目标的转速信息。目标的转动使同一散射点的回波沿慢时间近似表现为线性调频信号，转速信息就蕴藏在信号的调频斜率中，所以估计出此调频斜率，就可以得到目标转动角速度，进而计算出横向分辨率。目前估计慢时间调频率的参数化方法主要有解线调频法、FrFT法、DPT法、RWT及RAT法等。解线调频法在一定的调频率搜索范围内，构造一系列参考信号对目标信号进行解调频处理，而后求其频谱峰值，以最大峰值对应的参考信号调频率作为估计值；FrFT法对目标信号进行p阶傅里叶变换，通过改变阶数p控制变换方向与时间轴的夹角，当此夹角与信号调频斜率对应夹角一致时，分数阶傅里叶变换将出现最大峰值，根据此时的阶数p即可计算出调频率的估计值；DPT法类似解线调频法，不过参考信号变为目标信号的τ延迟，省去了搜索步骤，但精度进一步下降；RWT和RAT法类似FrFT法，分别利用LFM信号的Wigner分布或模糊函数在时-频域上表现为斜直线的性质，通过Radon直线积分寻找最大峰值以估计直线斜率，从而得到信号调频斜率的估计值。上述方法虽各有优势，但都受到傅氏变换分辨率的限制。由于目标转速一般不会很大，一幅ISAR像的积累时间也不会太长，因此沿慢时间的LFM信号调频率不会很大，造成频域窄峰宽度过小。再加上横向积累时间有限，频域分辨率不会很高，搜索精度较差，使估计出的目标转速不够准确，导致ISAR横向定标精度低，给后续的目标识别、三维重构带来不便。而直接应用超分辨方法，又会造成计算量过大，导致方法效率下降。可见，探索一种高精度、高效率的横向定标方法是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有方法估计出的目标转速不准确，导致ISAR横向定标精度低，给后续的目标识别、三维重构带来不便的问题，而提出基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法。基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法具体过程为：步骤一、对雷达获取的ISAR成像数据进行距离维压缩和运动补偿，经运动补偿后的ISAR成像回波等效于转台目标的回波，即得到转台目标的ISAR成像回波数据，计算J个距离门回波的归一化幅度方差，按从小到大排序，选择方差最小的M个距离门回波信号；所述ISAR为逆合成孔径雷达；J为距离门的个数；步骤二、将步骤一选出的M个距离门回波信号对应的最大纵向距离记为ymax，确定转台目标转动角速度的上界Ωmax,得到频谱加窗的长度，窗型为矩形窗；步骤三、将步骤一得到的M个距离门回波信号做FFT变换到频域，找出峰值位置，按步骤二计算出的频谱加窗的长度进行加窗处理，得到预处理后的M个距离门回波信号；步骤四、对步骤三得到的预处理后的M个距离门回波信号分别做去斜处理，利用IAA谱估计方法估计M个去斜信号的频谱，根据去斜信号的频谱得到M个去斜信号的角频率估计值；步骤五、根据步骤四得到的M个去斜信号的角频率估计值，得到每个预处理后的距离门回波信号的调频斜率，最终求出等效转台目标转动角速度的估计值；步骤六、根据步骤五得到的等效转台目标转动角速度的估计值，计算ISAR像的横向尺度，按横向尺度重新绘制ISAR像，完成ISAR图像的横向定标。本专利技术的有益效果包括：本专利技术采用基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法，获得一维距离像序列，计算每个距离门内的归一化幅度方差，按方差最小选取待处理信号。根据纵向距离最大值和转速上界确定频域展宽宽度。对选择的信号进行频域加窗处理。将处理后的信号延迟与原信号相乘，利用IAA谱估计技术得到频谱，通过峰值搜索得到频率估计值。利用线性拟合求得目标转速的估计值。利用估计出的目标转动角速度计算ISAR像的横向尺度，完成定标。本专利技术利用IAA谱估计技术提高了频域分辨率，进而提高了目标转速的估计精度，尤其对小转角、短时间情况下的横向定标结果有很大改善，提高了横向定标精度。本专利技术预处理时在每个选中距离门内进行了频域加窗处理，在抑制杂波和噪声的同时，也避免了同一距离门内存在的多个散射点回波相乘形成交叉项，影响估计精度的问题，提高了横向定标精度。本专利技术无需繁复的搜索过程，能有效节省计算量，避免了确定搜索间隔的步骤。解决了现有方法估计出的目标转速不准确，导致ISAR横向定标精度低，给后续的目标识别、三维重构带来不便的问题。结合表2得出，对微调频LFM信号的调频斜率估计问题上，当调频斜率a为7时(单位：Hz/s)，现有解调频法的调频斜率估计值为7.37，现有DPT法的调频斜率估计值为7.79，而本专利技术基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法的调频斜率估计值为7.21；在调频率a为1时(单位：Hz/s)，现有解调频法的调频斜率估计值为1.36，现有DPT法的调频斜率估计值为1.95，而本专利技术基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法的调频斜率估计值为0.97；得出在微调频的LFM信号情况下，本专利技术的估计精度相比一般方法有很大提高。且调频率越小，效果越显著。结合表4和图4、5、6得出分别利用解线调频法(Ω搜索间隔为0.01rad/s)、DPT法和本专利技术方法(迭代次数I＝15，频谱点数K＝5N，N为脉冲个数)从ISAR一维距离像序列中估计目标转动角速度，得出由于调频率过小，DPT方法已无法分辨横向的LFM信号，解线调频法的角速度估计误差为36％，而本专利技术方法的角速度估计误差为5％，得出本专利技术的估计精度高于一般方法。如图7所示利用本专利技术方法的估计结果进行横向定标并重新绘制图像，得到定标后的ISAR像长宽比例协调，目标更易辨识。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为本专利技术中用到的IAA频谱估计流程图；图3为实施例二的散射点模型，x为横坐标，y为纵坐标，m为单位，表示米；图4为实施例二中解线调频法的拟合效果图，Range为纵向距离，OriginalData为原始数据点，FittingData为拟合数据点及拟合直线，am为调频率，(2π*Hz/s)为纵轴单位，表示2π乘赫兹每秒，m为横轴单位，表示米；图5为实施例二中DPT法的拟合效果图；图6为实施例二中本专利技术方法的拟合效果图；图7a为实施例二中未定标的ISAR成像效果图，AzimuthBin为横向单元；图7b为实施例二中利用本专利技术横向定标后的ISAR图像效果图，CrossRange为横向距离，m为单位，表示米。具体实施方式具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法具体过程为：步骤一、对雷达获取的ISAR成像数据进行距离维压缩和运动补偿，运动补偿后ISAR观本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、对雷达获取的ISAR成像数据进行距离维压缩和运动补偿，经运动补偿后的ISAR成像回波等效于转台目标的回波，即得到转台目标的ISAR成像回波数据，计算J个距离门回波的归一化幅度方差，按从小到大排序，选择方差最小的M个距离门回波信号；所述ISAR为逆合成孔径雷达；J为距离门的个数；步骤二、将步骤一选出的M个距离门回波信号对应的最大纵向距离记为ymax，确定转台目标转动角速度的上界Ωmax,得到频谱加窗的长度，窗型为矩形窗；步骤三、将步骤一得到的M个距离门回波信号做FFT变换到频域，找出峰值位置，按步骤二计算出的频谱加窗的长度进行加窗处理，得到预处理后的M个距离门回波信号；步骤四、对步骤三得到的预处理后的M个距离门回波信号分别做去斜处理，利用IAA谱估计方法估计M个去斜信号的频谱，根据去斜信号的频谱得到M个去斜信号的角频率估计值；步骤五、根据步骤四得到的M个去斜信号的角频率估计值，得到每个预处理后距离门回波信号的调频斜率，最终求出等效转台目标转动角速度的估计值；步骤六、根据步骤五得到的等效转台目标转动角速度的估计值，计算ISAR像的横向尺度，按横向尺度重新绘制ISAR像，完成ISAR图像的横向定标。...

【技术特征摘要】
1.基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、对雷达获取的ISAR成像数据进行距离维压缩和运动补偿，经运动补偿后的ISAR成像回波等效于转台目标的回波，即得到转台目标的ISAR成像回波数据，计算J个距离门回波的归一化幅度方差，按从小到大排序，选择方差最小的M个距离门回波信号；所述ISAR为逆合成孔径雷达；J为距离门的个数；步骤二、将步骤一选出的M个距离门回波信号对应的最大纵向距离记为ymax，确定转台目标转动角速度的上界Ωmax,得到频谱加窗的长度，窗型为矩形窗；步骤三、将步骤一得到的M个距离门回波信号做FFT变换到频域，找出峰值位置，按步骤二计算出的频谱加窗的长度进行加窗处理，得到预处理后的M个距离门回波信号；步骤四、对步骤三得到的预处理后的M个距离门回波信号分别做去斜处理，利用IAA谱估计方法估计M个去斜信号的频谱，根据去斜信号的频谱得到M个去斜信号的角频率估计值；步骤五、根据步骤四得到的M个去斜信号的角频率估计值，得到每个预处理后距离门回波信号的调频斜率，最终求出等效转台目标转动角速度的估计值；步骤六、根据步骤五得到的等效转台目标转动角速度的估计值，计算ISAR像的横向尺度，按横向尺度重新绘制ISAR像，完成ISAR图像的横向定标。2.根据权利要求1所述基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法，其特征在于：所述步骤一中对雷达获取的ISAR成像数据进行距离维压缩和运动补偿，经运动补偿后的ISAR成像回波等效于转台目标的回波，即得到转台目标的ISAR成像回波数据，计算J个距离门回波的归一化幅度方差，按从小到大排序，选择方差最小的M个距离门回波信号；具体过程为：假设雷达发射LFM信号，对雷达获取的ISAR成像数据进行距离维压缩和运动补偿，经运动补偿后的ISAR成像回波等效于转台目标的回波，即得到转台目标的ISAR成像回波数据，表示为:其中LFM信号为线性调频信号；t为慢时间，f为快时间频率，Tp为LFM信号脉冲宽度，γ为发射LFM信号的调频率，c为电波在真空中的传播速度，fc为发射LFM信号中心频率，Q为目标上散射点个数，σq是第q个散射点回波的幅度，ΔRq(t)表示t时刻第q个散射点到雷达的距离，为虚数单位；假设t时刻第q个散射点的坐标为(xq,yq),则有ΔRq(t)＝R0+xqsin(Ωt)+yqcos(Ωt)(2)其中R0为雷达到转台中心的距离，平动补偿后它是一个常量；Ω为目标等效转动角速度；利用Tylor展开的主要项代替(2)式中的三角函数，写为ΔRq(t)＝R0+xqΩt+yq-0.5yqΩ2t2(3)记(1)式中t时刻第q个散射点的回波包络为为抽样函数；根据式(1)、(3)、(4)得到第k个距离门内的回波信号为其中k＝1,2,...,J，Qk为第k个距离门内目标上散射点个数，pk(t)为t时刻第k个距离门内散射点的回波包络，xkq为第k个距离门内第q个散射点对应的横向距离，yk为第k个距离门对应的纵向距离；将式(5)中的二次项提出，得将式(6)离散化，计算第k个距离门回波信号的归一化幅度方差，计算公式为其中E[·]表示均值计算；sk(n)为sk(t)的离散化形式，n＝1,2,…,N，N为慢时间采样点数；将δk从小到大排序，选择δk最小的M个距离门回波信号。3.根据权利要求2所述基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法，其特征在于：所述M取8～10。4.根据权利要求3所述基于IAA谱估计技术的ISAR图像横向定标方法，其特征在于：所述步骤二中将步骤一选出的M个距离门回波信号对应的最大纵向距离记为ymax，确定转台目标转动角速度的上界Ωmax,得到频谱加窗的长度，窗型为矩形窗；具体过程为：将步骤一选出的M个距离门回波信号对应的最大纵向距离记为ymax，确定转台目标转动角速度的上界Ωmax,则(6)式中信号sk(t)的最大调频率为假设，发射LFM信号的脉冲重复周期为PRI，则频谱加窗的长度为：N为慢时间采样点数。5.根据权利要求4所述基于IAA谱估计技术的ISA...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，黄鑫，谢俊好，李绍滨，李高鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23