非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法技术

本发明专利技术公开了一种非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法，该方法的具体步骤为：将单个距离单元内的回波信号建模为QFM信号。构造相关函数，将QFM信号变换至时间‑调频率分布平面内，采用基于最小熵准则的加权最小二乘Radon变换估计二次调频率；同时有效改善估计精度与低信噪比环境下算法的稳健性。采用基于TFD的加权最小二乘Radon变换估计线性调频率，并且通过滤波来消除交叉项干扰。根据距离‑多普勒域中的几何信息，直接估计出中心频率。本发明专利技术能够显著降低目标运动参数估计过程的运算量，同时，有效避免了传递误差对各项运动参数估计的影响，保证了最终目标参数的估计精度与ISAR成像质量。

A Fast Method for Estimating Motion Parameters of Non-uniform Rotating Targets

【技术实现步骤摘要】
非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法
本专利技术属于雷达信号处理
，尤其涉及一种非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法，用于消除传播误差的影响并同时降低计算复杂度。
技术介绍
逆合成孔径雷达(ISAR)可以通过地基雷达获取空域非合作运动目标的高分辨雷达图像，实现对目标的观测成像与识别监视。在许多应用中，目标总是具有高机动性和不均匀旋转。对于典型的非均匀旋转目标，由于目标轮廓上的每一个散射点均具有时变性，ISAR图像质量会出现明显退化。为了解决这个问题，现有的距离瞬时多普勒(RID)算法，作为一种参数化方法，RID通常是对数据单个距离单元内的回波信号进行建模，随后对模型中的参数进行估计，重建目标ISAR图像。但该方法会引入较为明显的传递误差，造成参数估计精度与成像质量下降。此外，该方法通常需要数次积累与搜索来估计参数的值，这会导致算法运算量巨大难以在实际工程中应用。由于描述机动目标的优越性，二次频率调制(QFM)信号通常用于对接收信号回波建模并在ISAR成像中进行运动参数估计。基于该模型，开发了许多ISAR参数估计算法，如乘积立方相函数(PCPF)，积分立方相函数(ICPF)和相干积分广义立方相函数(CIGCPF)等。这些算法在估计各次项参数时，往往会不可避免地引入传递误差，这会对最终的参数估计精度造成一定影响；而且，这些方法总是需要多次集成或搜索，使实现过程的计算量巨大，限制其实际应用。而时频分析类(TFD)方法利用信号在时频分布平面的几何关系信息，能够独立地估计ISAR信号的各项运动参数，有效降低了传递误差对估计精度的影响，因此在ISAR成像处理中得到了广泛的应用。然而，当目标进行非均匀旋转时，由于高阶项的存在，传统基于TFD的方法的参数估计精度与成像质量都会出现明显下降。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提出一种非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法。本专利技术能够显著降低目标运动参数估计过程的运算量，同时，有效避免了传递误差对各项运动参数估计的影响，保证了最终目标参数的估计精度与ISAR成像质量。本专利技术的技术原理：将单个距离单元内的回波信号建模为QFM信号。构造相关函数，将QFM信号变换至时间-调频率分布(TCD)平面内，并对二次调频率与时间-调频率轨迹斜率之间的关系进行分析。考虑到搜索会引入较大的计算量，提出了基于TCD的最小二乘Radon变换(RT变换)来估计线性调频率的导数，即二次调频率，利用数次RT变换的结果即可实现对二次调频率的估计。考虑到交叉项和低信噪比(SNR)可能降低估计精度，提出了基于最小熵准则的加权最小二乘Radon变换(WeightedLeastSquareRadonTransform，WLSRT-TCD)估计方法，能够有效改善估计精度与低信噪比环境下算法的稳健性。类似地，提出基于TFD的加权最小二乘Radon变换(WLSRT-TFD)来估计线性调频率，并且通过滤波来消除交叉项干扰。随后根据距离-多普勒分布平面中的几何信息，通过WLSRT方法直接估计出中心频率。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以解决。非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法，包括以下步骤：步骤1，雷达发射线性调频(LFM)信号，即为发射信号，并接收回波信号，对回波信号进行基带调制和距离压缩后，得到距离压缩后的回波信号，将距离压缩后的回波信号转换为二次调频信号形式，得到每个距离单元内的方位回波信号，即为二次调频率形式的回波信号s(ta)。步骤2，构建二次调频率形式的回波信号s(ta)的自相关函数R(ta，τ)，对自相关函数R(ta，τ)进行快速傅里叶变换，得到时间-调频率分布平面内的回波信号WS(ta，γ)，即将回波信号s(ta)转换到时间-调频率分布平面。步骤3，将二次调频率形式的回波信号s(ta)中的二次调频率去除，再进行维纳分布(Wigner-VilleDistribution，WVD)，得到维纳分布形式的回波信号即将回波信号s(ta)转换到时频分布平面。步骤4，分别对时间-调频率分布平面内的回波信号Ws(ta，γ)和维纳分布形式的回波信号进行Radon变换，并采用加权最小二乘法估计出对应的二次调频率轨迹斜率角θ和线性调频率轨迹的斜率角α。步骤5，根据目标在时间-调频率分布平面内轨迹的斜率角、目标在时频分布平面内轨迹的斜率角、目标在距离-多普勒分布平面内轨迹的斜率角，分别估计出对应的目标运动参数，即目标的二次调频率en，3、目标的线性调频率en，2和目标的中心频率en，1。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术通过基于时间-调频率分布的最小二乘Radon变换估计二次调频率，降低了计算负担，提高了非均匀旋转目标成像的精度和鲁棒性。(2)本专利技术通过基于时频分布的加权最小二乘Radon变换估计线性调频率和基于距离-多普勒分布平面的加权最小二乘Radon变换估计中心频率，消除了非均匀旋转目标成像的交叉项干扰，同时消除了传播误差的影响。附图说明下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。图1是本专利技术的使用场景图；图2是本专利技术的实现流程图；图3是Radon变换对应的几何关系图；图4是本专利技术在模拟环境下对非均匀旋转目标的成像效果图；图5是本专利技术在真实环境下对非均匀旋转目标的成像效果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例及效果作进一步详细描述。参照图1，将目标的旋转中心作为坐标原点O，构造笛卡尔坐标系O-XYZ。设定雷达视线方向的单位向量目标的三维角速度向量选定目标观测成像的投影平面。其中，目标的三维角速度向量可分解为：平行于雷达视线方向的分量和垂直于雷达视线方向的分量且有由于水平分量不会产生任何旋转运动，因此其对信号回波的多普勒没有贡献，这里我们仅需分析讨论垂直分量的作用影响。参照图2，本专利技术的实现步骤如下：步骤1，雷达发射线性调频(LFM)信号，即为发射信号，并对回波信号进行基带调制和距离压缩后，得到距离压缩后的回波信号，将距离压缩后的回波信号转换为二次调频信号形式，得到每个距离单元内的方位回波信号，即为二次调频率形式的回波信号s(ta)；子步骤1.1，设定目标上的散射点P的坐标为则其多普勒频率fd为：其中，表示叉乘运算，⊙表示内积运算。表示从原点到散射点P的方向矢量，vr为散射点P的平动速度，λ是发射信号的波长。由于逆合成孔径雷达成像中合成孔径时间短，通常假设成像投影平面在成像周期内保持不变。因此散射点P的多普勒频率简化式为：子步骤1.2，由于散射点p的平动速度vr、散射点p垂直于雷达视线方向的角速度分量ωpx、ωpy、ωpz都是与非均匀旋转目标的时间变量，将其通过泰勒展开扩展到二阶，得到对应的泰勒展开式为：其中，ta是方位慢时间，v0表示初始径向速度，a0表示初始径向加速度，γ0表示初始径向加加速度；目标的三维角速度向量在垂直于雷达视线方向的分量投影至笛卡尔坐标系中的三条坐标轴上的分量的常系数分别为μx，μy，μz，且目标的三维角速度向量在垂直于雷达视线方向的分量投影至笛卡尔坐标系中的三条坐标轴上的分量的一阶系数分别为αx，αy，αz，且目标的三维角速度向量在垂直于雷达视线方向的分量投影至笛卡尔坐标系中的三条坐标轴上的分量的二阶系数分别为βx，βy，βz，且子步骤1.3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，雷达发射线性调频信号，即为发射信号，并接收回波信号，对回波信号进行基带调制和距离压缩后，得到距离压缩后的回波信号，将距离压缩后的回波信号转换为二次调频率信号形式，得到每个距离单元内的方位回波信号，即为二次调频率形式的回波信号s(ta)；其中，ta表示方位慢时间；步骤2，构建二次调频率形式的回波信号s(ta)的自相关函数R(ta，τ)，对自相关函数R(ta，τ)进行快速傅里叶变换，得到时间‑调频率分布平面内的回波信号WS(ta，γ)，即将回波信号s(ta)转换到时间‑调频率分布平面；其中，τ表示之滞后时间，γ表示发射信号的调频率；步骤3，将二次调频率形式的回波信号s(ta)中的二次调频率去除，再进行维纳分布，得到维纳分布形式的回波信号

【技术特征摘要】
1.非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，雷达发射线性调频信号，即为发射信号，并接收回波信号，对回波信号进行基带调制和距离压缩后，得到距离压缩后的回波信号，将距离压缩后的回波信号转换为二次调频率信号形式，得到每个距离单元内的方位回波信号，即为二次调频率形式的回波信号s(ta)；其中，ta表示方位慢时间；步骤2，构建二次调频率形式的回波信号s(ta)的自相关函数R(ta，τ)，对自相关函数R(ta，τ)进行快速傅里叶变换，得到时间-调频率分布平面内的回波信号WS(ta，γ)，即将回波信号s(ta)转换到时间-调频率分布平面；其中，τ表示之滞后时间，γ表示发射信号的调频率；步骤3，将二次调频率形式的回波信号s(ta)中的二次调频率去除，再进行维纳分布，得到维纳分布形式的回波信号即将回波信号s(ta)转换到时频分布平面；其中，fd表示目标的多普勒频率；步骤4，分别对时间-调频率分布平面内的回波信号Ws(ta，γ)和维纳分布形式的回波信号进行Radon变换，并采用加权最小二乘法估计出对应的二次调频率轨迹的斜率角θ和线性调频率轨迹的斜率角α；步骤5，根据目标在时间-调频率分布平面内轨迹的斜率角、目标在时频分布平面内轨迹的斜率角、目标在距离-多普勒分布平面内轨迹的斜率角，分别估计出对应的目标运动参数，即目标的二次调频率en，3、目标的线性调频率en，2和目标的中心频率en，1；其中，n＝1，2，…，N，N表示距离单元总数。2.根据权利要求1所述的非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法，其特征在于，步骤1包含以下子步骤：子步骤1.1，将目标的旋转中心作为坐标原点O，构造笛卡尔坐标系O-XYZ；设定雷达视线方向的单位向量目标的三维角速度向量选定目标观测成像的投影平面；其中，目标的三维角速度向量分解为：平行于雷达视线方向的分量和垂直于雷达视线方向的分量且目标上的散射点P的坐标为则其多普勒频率fd为：其中，表示叉乘运算，⊙表示内积运算；表示从原点到散射点P的方向矢量，vr为散射点P的平动速度，λ是发射信号的波长；设定投影平面在成像周期内保持不变，则散射点P的多普勒频率简化式为：子步骤1.2，将散射点p的平动速度vr和散射点p垂直于雷达视线方向的角速度分量ωpx、ωpy、ωpz，分别通过泰勒展开扩展到二阶，得到对应的泰勒展开式为：其中，ta是方位慢时间，v0表示初始径向速度，a0表示初始径向加速度，γ0表示初始径向加加速度；目标的三维角速度向量在垂直于雷达视线方向的分量投影至笛卡尔坐标系中的三条坐标轴上的分量的常系数分别为μx，μy，μz，且目标的三维角速度向量在垂直于雷达视线方向的分量投影至笛卡尔坐标系中的三条坐标轴上的分量的一阶系数分别为αx，αy，αz，且目标的三维角速度向量在垂直于雷达视线方向的分量投影至笛卡尔坐标系中的三条坐标轴上的分量的二阶系数分别为βx，βy，βz，且子步骤1.3，将子步骤1.2中的泰勒展开式代入散射点P的多普勒频率简化式，得到散射点P的二阶多普勒频率表达式为：子步骤1.4，计算散射点P到雷达的距离，即为目标斜距项Rp(ta)：其中，R0表示在初始时间t0时散射点到雷达的斜距，γ0表示初始径向加加速度，表示散射点P的等效位置向量，且子步骤1.5，距离压缩后的回波信号的表达式为：其中，j为虚数单位，An为第n个散射点的幅度常数项，tr为距离快时间，c为光速，Br为发射信号带宽，Ta表示散射点积累时间，N(tr，ta)表示方差为的加性复高斯白噪声项，sinc[·]表示辛格函数，且有sinc(t)＝sin(πt)/πt，rect[·]表示矩形脉冲，且子步骤1.6，对距离压缩后的回波信号进行平动补偿，设定经过平动补偿后，目标的所有散射点均位于正确的距离单元内，且每个距离单元内共有N个散射点，则得到单个距离单元内的方位回波信号，即为二次调频率形式的回波信号s(ta)，其表达式为：其中，en，0表示单个距离单元内的方位回波信号的初始相位，且en，0＝R0；en，l表示单个距离单元内的方位回波信号的中心频率，且en，2表示单个距离单元内的方位回波信号的线性调频率，即目标的线性调频率，且en，3表示单个距离单元内的方位回波信号的二次调频率，即目标的二次调频率，且N(ta)表示合并同类项后N(tr，ta)。3.根据权利要求2所述的非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法，其特征在于，步骤2包含以下子步骤：子步骤2.1，构建二次调频率形式的回波信号s(ta)的自相关函数R(ta，τ)：其中，*是取共轭操作，Rc，n(ta，τ)表示交叉项；τ表示滞后时间；子步骤2.2，沿滞后时间τ对自相关函数R(ta，τ)进行快速傅里叶变换，得到时间-调频率分布平面内的回波信号Ws(ta，γ)：其中，TCDc，n(ta，γ)是快速傅里叶变换后的交叉项；γ表示发射信号的调频率。4.根据权利要求3所述的非均匀旋转目标运动参数的快速估计方法，其特征在于，所述维纳分布形式的回波信号的表达式为：其中，fτ是滞后时间τ的频率变量，即滞后时间τ对应的频率；WDc，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱圣棋，张俊，王博，曾操，许京伟，刘婧，李军，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61