基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法技术

本发明专利技术涉及逆合成孔径雷达成像信号处理技术，尤其涉及一种基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法，包括以下步骤：S1：构建基于压缩感知的稀疏孔径相位自聚焦模型；S2：选择参与相位补偿参数估计的目标距离单元；S3：设置迭代算法初始参数值；S4：单轮相位误差估计与补偿；S5：迭代终止条件判断；S6：更新相位自聚焦，重构ISAR图像。本发明专利技术将稀疏孔径下的ISAR成像相位自聚焦、ISAR图像重构以及图像质量评价结合起来，同时实现了相位误差估计、补偿、重构与评估四个步骤，通过缩小迭代相位误差估计偏移量逐级提高补偿精度，提高了算法的稳健性以及相位补偿的准确性，进而获得补偿精度更高、聚焦性能更好的目标ISAR图像。

【技术实现步骤摘要】
基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法
本专利技术涉及逆合成孔径雷达(InverseSyntheticApertureRadar,ISAR)成像信号处理技术，尤其涉及一种基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法。
技术介绍
传统ISAR成像技术要求观测目标必须围绕自身某一固定转动中心进行匀速转动。但是实际中，目标在成像过程期间除了自身的转动，还有目标中心相对于雷达中心的变化，即目标的平动分量。运动补偿的目的就是消除平动的影响，将运动目标等效为理想的转台模型，即可使用成像算法进行成像。因此，运动补偿技术是ISAR成像中的关键技术之一，运动补偿的精度高低，直接决定了最终成像结果的质量高低。ISAR成像的运动补偿，通常由包络对齐和相位自聚焦两部分组成。包络对齐是通过补偿包络的时间延迟，将不同脉冲下相同散射点的回波置于同一个距离单元中，是对目标平动的粗补偿。包络对齐之后还需要进行相位自聚焦，通过校正回波中平动分量造成的初相误差，使得回波初相变化符合目标转动，回波满足相参化，是对平动分量的精补偿。目前运动补偿技术已相对成熟，相关算法均在实际中发挥了预期的效果。传统ISAR基于转台模型进行成像时，要求观测目标匀速转动、方位向回波数据完整且等间隔。但是，在ISAR成像数据的采集过程中，不可避免会遇到一些问题，比如：由于雷达系统自身的原因导致观测期间存在部分回波数据未采集或未存储的现象；受外界干扰造成雷达存储下的部分回波数据损坏或缺失；雷达进行搜索跟踪时交替使用不同的脉冲重复频率导致方位向脉冲的非等间隔分布等等。这些都会导致回波数据部分不可用、数据完整性遭到破坏等问题，形成了稀疏孔径下的回波数据。稀疏孔径回波数据给相位补偿造成的问题主要有：脉冲重复间隔不均匀导致的相位变化规律异常、稀疏脉冲造成的信息缺失增加了误差估计和相位补偿的难度。针对稀疏孔径下回波数据的ISAR成像相位自聚焦算法目前尚无有效手段。
技术实现思路
针对上述技术中存在的问题，本专利技术提出一种基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法。基于方位向回波数据稀疏的前提，采用逐级逼近的思想，结合压缩感知重构和成像质量最优化准则，对方位向回波序列进行迭代相位误差估计和校正，提高有限脉冲回波下的相位补偿精度，最终得到聚焦程度较好的ISAR图像。本专利技术采用的技术方案为：一种基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法，该方法包括以下步骤：S1：构建基于压缩感知的稀疏孔径相位自聚焦模型；为了研究稀疏孔径下的相位自聚焦问题，假定一维距离像的包络对齐已经完成，利用压缩感知理论的思想，建立基于压缩感知的相位误差模型；包络对齐后完整的目标一维距离像S表示如下：S＝[s1,…,sl,…,sL]＝Ψ[θ1,…,θl,…,θL]＝ΨΘ(1)其中，sl表示第l个距离单元的一维距离像幅度，θl表示第l个距离单元内散射点的分布及强度，l＝1,2,…,L为距离单元序号，L为总的距离单元数，M为脉冲个数，故M×L维矩阵S和Θ分别代表目标的一维距离像矩阵和二维成像结果，矩阵Ψ为傅里叶稀疏基，表示如下：其中时间序列t＝[1:M]T·PRT，PRT表示脉冲重复周期；多普勒频率fdm＝m·Δfd-(PRF/2)，m＝1,2,…,Q，Q＝PRF/Δfd为多普勒单元数，PRF和Δfd分别表示脉冲重复频率和多普勒分辨率；又因为故Q＝M，即多普勒单元数Q等于脉冲数M；考虑引入目标回波的相位误差，则一维距离像可以写为：SΛ＝ΛS＝ΛΨΘ(3)其中，M维对角矩阵Λ＝diag{exp(jλ1),exp(jλ2),…,exp(jλM)}代表目标回波的相位误差，矩阵对角线元素λm代表第m个回波脉冲的相位误差；稀疏孔径等效于对包含目标回波相位误差Λ的一维距离像信号SΛ进行稀疏降维采样，构造一个P×M(P<M)维的观测矩阵Φ，将一维距离像信号SΛ投影到观测矩阵Φ上，得到P维观测值为：Y＝ΦSΛ＝ΦΛΨΘ(4)Y便是包含目标回波相位误差Λ的稀疏孔径一维距离像数据，根据压缩感知重构理论，重构过程表述如下：一维距离像的相位补偿就是要对稀疏孔径一维距离像数据Y中包含的目标回波相位误差Λ进行估计和补偿，估计得到的相位误差补偿向量记为相位补偿后的重构过程表述如下：由于表示回波相位误差的M维对角矩阵Λ未知，因此无法通过压缩感知重构的方法从稀疏孔径一维距离像数据Y中恢复出完整的二维成像结果Θ；而稀疏孔径一维距离像数据Y中由于不均匀的脉冲重复间隔，导致回波相位历程不完整，回波间相位关系遭到破坏。因此，传统的自聚焦算法对于方位向稀疏回波数据的相位补偿效果不佳，导致最终成像结果质量不高。同时，传统自聚焦算法将大量不含目标的噪声距离单元引入到相位补偿中，也降低了相位补偿的精度。S2：选择参与相位补偿参数估计的目标距离单元；理论上，基于一个距离单元的数据即可估计出对应的相位补偿参数。但是，单个距离单元估计出的相位补偿参数容易出现不稳定的情况，导致成像质量退化。基于此，本专利技术提出一种参与相位补偿参数估计的目标距离单元选取方法，该方法包括以下步骤：S2.1计算每个距离单元上的各次回波能量总和，并从中选出能量较大的L1个距离单元作为初步有效参数估计距离单元，L1≤L。通常，为了保证初步选择出有足够能量的距离单元，要求挑选出的L1个距离单元中每个距离单元的能量均不低于所有距离单元回波平均能量的0.7倍。S2.2计算S2.1中初步挑选出的距离单元回波的幅度归一化方差，对幅度归一化方差从小到大排列，挑选排列中前L2个幅度归一化方差对应的距离单元作为最终参与相位误差参数估计的距离单元，L2≤L1；其中，第l个距离单元的幅度归一化方差定义如下：式中，表示求算术平均，表示第l个距离单元的一维像幅度的均值，表示第l个距离单元的一维像幅度的均方值；S3：设置迭代算法初始参数值；初始化迭代轮数i＝1，初始化单个回波相位误差补偿值初始化回波相位误差补偿向量根据稀疏孔径回波数据构造随机观测矩阵Φ，设定迭代终止门限ξ＝0.001，初始图像熵值E0＝∞；S4：单轮相位误差估计与补偿；S4.1设定第i轮相位误差估计偏移量为Δi＝π/2i，初始化回波脉冲为p＝1；S4.2在当前迭代轮次中逐次回波进行相位误差估计与补偿；S4.2.1对第p次回波，在当前相位误差补偿值基础上前后偏移Δi，保持剩下P-1次回波相位误差补偿值不变，更新相位误差补偿向量，形成进行相位误差补偿的三个候选向量：S4.2.2对p次回波L2个距离单元分别以三个候选向量进行相位误差补偿，然后进行压缩感知重构成像，得到二维ISAR图像S4.2.3对成像质量进行评估，考虑到基于图像最小熵的稳健性，本专利技术采用最小熵作为成像质量的评估准则：比较的图像熵，选择图像熵最小的ISAR图像对应的相位误差补偿候选向量作为更新第p次回波的相位误差补偿向量同时记最小的图像熵为S4.2.4判断是否完成对全部回波的相位误差估计与补偿，若p<P，则令p＝p+1，返回S4.2.1；若p＝P，则执行S4.3；S4.3对全部的P次回波均进行相位误差估计和补偿后，得到第i轮迭代相位误差补偿向量以及对应ISAR成像结果的图像熵如此，便完成了单轮迭代中的相位误差估计、补偿、ISAR本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：构建基于压缩感知的稀疏孔径相位自聚焦模型；为了研究稀疏孔径下的相位自聚焦问题，假定一维距离像的包络对齐已经完成，利用压缩感知理论的思想，建立基于压缩感知的相位误差模型；包络对齐后完整的目标一维距离像S表示如下：S＝[s1,…,sl,…,sL]＝Ψ[θ1,…,θl,…,θL]＝ΨΘ    (1)其中，sl表示第l个距离单元的一维距离像幅度，θl表示第l个距离单元内散射点的分布及强度，l＝1,2,…,L为距离单元序号，L为总的距离单元数，M为脉冲个数，故M×L维矩阵S和Θ分别代表目标的一维距离像矩阵和二维成像结果，矩阵Ψ为傅里叶稀疏基，表示如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：构建基于压缩感知的稀疏孔径相位自聚焦模型；为了研究稀疏孔径下的相位自聚焦问题，假定一维距离像的包络对齐已经完成，利用压缩感知理论的思想，建立基于压缩感知的相位误差模型；包络对齐后完整的目标一维距离像S表示如下：S＝[s1,…,sl,…,sL]＝Ψ[θ1,…,θl,…,θL]＝ΨΘ(1)其中，sl表示第l个距离单元的一维距离像幅度，θl表示第l个距离单元内散射点的分布及强度，l＝1,2,…,L为距离单元序号，L为总的距离单元数，M为脉冲个数，故M×L维矩阵S和Θ分别代表目标的一维距离像矩阵和二维成像结果，矩阵Ψ为傅里叶稀疏基，表示如下：其中时间序列t＝[1:M]T·PRT，PRT表示脉冲重复周期；多普勒频率fdm＝m·Δfd-(PRF/2)，m＝1,2,…,Q，Q＝PRF/Δfd为多普勒单元数，PRF和Δfd分别表示脉冲重复频率和多普勒分辨率；又因为故Q＝M，即多普勒单元数Q等于脉冲数M；考虑引入目标回波的相位误差，则一维距离像可以写为：SΛ＝ΛS＝ΛΨΘ(3)其中，M维对角矩阵Λ＝diag{exp(jλ1),exp(jλ2),…,exp(jλM)}代表目标回波的相位误差，矩阵对角线元素λm代表第m个回波脉冲的相位误差；稀疏孔径等效于对包含目标回波相位误差Λ的一维距离像信号SΛ进行稀疏降维采样，构造一个P×M维的观测矩阵Φ，P<M，将一维距离像信号SΛ投影到观测矩阵Φ上，得到P维观测值为：Y＝ΦSΛ＝ΦΛΨΘ(4)Y便是包含目标回波相位误差Λ的稀疏孔径一维距离像数据，根据压缩感知重构理论，重构过程表述如下：一维距离像的相位补偿就是要对稀疏孔径一维距离像数据Y中包含的目标回波相位误差Λ进行估计和补偿，估计得到的相位误差补偿向量记为相位补偿后的重构过程表述如下：S2：选择参与相位补偿参数估计的目标距离单元；选取方法包括以下步骤：S2.1计算每个距离单元上的各次回波能量总和，并从中选出能量较大的L1个距离单元作为初步有效参数估计距离单元，L1≤L；S2.2计算S2.1中初步挑选出的距离单元回波的幅度归一化方差，对幅度归一化方差从小到大排列，挑选排列中前L2个幅度归一化方差对应的距离单元作为最终参与相位误差参数估计的距离单元，L2≤L...

【专利技术属性】
技术研发人员：田彪，鲍庆龙，户盼鹤，张月，陈健，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43