本发明是一种基于相干化处理的步进频率ISAR成像方法。主要解决传统参数估计方法运算效率较低，包络补偿后存在的相位误差对频率合成有较大影响的问题。其实现步骤为：建立步进频率ISAR回波信号模型；根据回波信号模型进行运动参数估计；构造补偿函数对回波信号的子脉冲包络进行补偿；对补偿完的回波信号进行基于相干化处理的频率合成；对合成后的回波信号频谱进行IFFT变换，获取高分辨一维距离像；利用RD算法或RID算法进行方位成像，获取方位的高分辨图像。实验证明本发明具有高相位误差补偿精度和高运算效率的优点，可用于实现目标的二维高分辨ISAR成像。
1.一种基于相干化处理的步进频率ISAR成像方法，包括如下步骤：（1）建立步进频率ISAR回波信号模型；
2a）将不同脉组的第一个子脉冲数据分别取出，得到回波信号相邻相关表达式为：其中，τ为相关时间，m为脉组数，0≤m≤M-1，mTa为方位时间的离散表示，σP为目标回波后向散射系数，A为相关匹配量，c为光速，λ为信号波长，M＝M1+M2，M2＝TaarmTa其中，vr是目标相对雷达运动的径向速度，xP是散射点的横向位置信息，ω为目标相对雷达运动的转动角速度，Ta为脉组间的重复周期，ar是目标相对雷达运动的径向加速度；
2b）对回波信号相邻相关表达式沿着方位向做FFT积累，得到方位频域回波信号相邻相关表达式为：其中，Tm为子脉冲重复周期，fa为方位向频率， 是回波信号相邻相关表达式的相关峰值位置；
忽略M中相邻两次回波ω引起的包络变化，则相关峰值位置又可表示为
2c）将相关峰值位置在距离向和方位向的坐标分别设为 和 计算目标的径向加速度ar和速度vr：其中， 和 分别为距离向和方位向的离散点数，prf为方位向采样频率，fs为距离向采样频率，Tr为脉冲重复周期；
（3）根据径向加速度ar和速度vr，利用如下包络补偿的相位补偿函数ssref对回波信号的子脉冲包络进行补偿，其中，fr为距离向频率，tm为方位向时间；
（4）对完成子脉冲包络补偿的回波信号进行基于相干化处理的频率合成，得到合成后的回波信号频谱s(fr,Tr)；
（5）对合成后的回波信号频谱s(fr,Tr)进行逆傅里叶IFFT变换，获取高分辨一维距离像；
（6）对高分辨一维距离像利用RD算法或RID算法进行方位成像，获取目标方位的高分辨图像。
2.根据权利要求1所述的基于相干化处理的步进频率ISAR成像方法,其中步骤（4）所述的对完成子脉冲包络补偿的回波信号进行基于相干化处理的频率合成，按如下步骤进行：
4a）把完成子脉冲包络补偿的回波信号变换到距离频域sn(fr,nTr)；
其中，fr为距离向频率，nTr表示方位时间， 为幅度系数，B为发射子脉冲信号带宽，c为光速，R0为目标到雷达的初始作用距离，yP是散射点P的纵向位置信息，f0+nΔf为第n个调频步进子脉冲的载频，Δf为频率步进量；
4b）对相邻的子脉冲频域回波信号位置和相位进行变化，变化量为Δf/2，求出变化后相邻子脉冲间频域回波信号的共轭相位差ΔΦn：其中，Tr为脉冲重复周期，vr是目标相对雷达运动的径向速度，ω为目标相对雷达运动的转动角速度，xP是散射点的横向位置信息，ar是目标相对雷达运动的径向加速度；
4c）以回波信号脉组中第一个子脉冲的相位为参考，依次对子脉冲补偿共轭相位差ΔΦn，获取频率合成后的回波信号频谱s(fr,Tr)：其中，BΔ＝NΔf为合成后的信号带宽。
3.根据权利要求2所述的基于相干化处理的步进频率ISAR成像方法，其中步骤
4b）所述的对相邻的子脉冲频域回波信号位置和相位进行变化，通过如下公式进行：其中，sn(fr+Δf/2,nTr)是第n个位置和相位变化后的子脉冲频域回波信号，sn+1(fr-Δf/2,(n+1)Tr)是第n+1个位置和相位变化后的子脉冲频域回波信号，fr的范围为[-Bc/2～Bc/2]，Bc为共用的信号带宽，nTr表示方位时间，f0为基频，exp为指数函数底数，rect为矩形函数。
基于相干化处理的步进频率ISAR成像方法
技术领域
[0001] 本发明属于雷达技术领域，特别涉及逆合成孔径雷达高分辨成像技术，可用于实现目标的高分辨二维成像。
背景技术
[0002] 高分辨ISAR成像雷达由于能够实现目标的二维成像，获取更加丰富的目标散射信息，有利于目标的识别和分类，因而被广泛地应用于现代雷达系统中。对目标进行高分辨ISAR成像需要提高雷达的纵向和横向分辨率。横向分辨率是通过目标相对雷达的转动实现的，而纵向分辨率是通过雷达发射的大信号带宽实现的。
[0003] 线性调频步进信号由于能合成大的信号带宽提高雷达的纵向分辨率而被广泛地应用于高分辨成像雷达系统中。线性调频步进信号合成距离高分辨处理一般有三种方法：合成距离包络法、时域合成法和频域合成法。由于频域合成法运算效率高、不会产生虚假伪峰而受到更多的重视和应用。
[0004] 步进频率高分辨ISAR成像算法的重点在于运动目标的运动参数估计和运动误差补偿，用于合成高分辨距离像，并最终获取目标的高分辨二维图像。利用最小熵方法对运动目标进行参数估计，并补偿回波数据中脉组内的运动误差。通过回波包络的移动量来拟合目标的运动参数。但这几种方法在实际应用上有很多不足：
[0005] 1.最小熵方法需要利用搜索的方法对运动参数进行估计，其搜索步进量大小难以控制，运算效率较低。
[0006] 2.通过回波包络的移动量来拟合目标的运动参数，其估计误差较大，剩余相位误差也大，严重影响脉组内各子脉冲间的相干性，使合成后的目标像出现主瓣展宽和副瓣变差的现象。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出了一种基于相干化处理的步进频率ISAR成像方法，以高效、精确地补偿步进频率信号中脉组内各子脉冲间的相对包络和相位误差，更好地获取目标的合成高分辨一维距离像。
[0008] 实现本发明目的技术思路是：通过相邻相关法对回波数据进行降维处理，利用傅里叶变换对回波数据的相关能量峰值进行积累；利用积累后的峰值在距离向和方位向的投影位置，快速地估计运动目标的速度和加速度，构造补偿函数校正子脉冲间的包络徙动；利用相干化技术对脉组内各子脉冲的方位相位误差进行校正，通过频域合成方法获取目标的高分辨一维距离像；利用RD算法或RID算法进行方位成像，获取目标方位的高分辨图像。其实施步骤包括如下：
[0009] (1)建立步进频率ISAR回波信号模型；
[0010] (2)根据回波信号模型进行运动参数估计：
[0011] 2a)将不同脉组的第一个子脉冲数据分别取出，得到回波信号相邻相关表达式为：
[0012]
[0013] 其中，τ为相关时间，m为脉组数，0≤m≤M-1，mTa为方位时间的离散表示，σP为目标回波后向散射系数，A为相关匹配量，c为光速，λ为信号波长，M＝M1+M2，M2＝TaarmTa
[0014] 其中，vr是目标相对雷达运动的径向速度，xP是散射点的横向位置信息，ω为目标相对雷达运动的转动角速度，Ta为脉组间的重复周期，ar是目标相对雷达运动的径向加速度。
[0015] 2b)对回波信号相邻相关表达式沿着方位向做FFT积累，得到方位频域回波信号相邻相关表达式为：
[0016]
[0017] 其中，Tm为子脉冲重复周期，fa为方位向频率， 是回波信号相邻相关表达式的相关峰值位置；
[0018] 忽略M中相邻两次回波ω引起的包络变化，则相关峰值位置又可表示为[0019] 2c)将相关峰值位置在距离向和方位向的坐标分别设为 和 计算目标的径向加速度ar和速度vr：
[0020]
[0021] 其中， 和 分别为距离向和方位向的离散点数，prf为方位向采样频率，fs为距离向采样频率，Tr为脉冲重复周期；
[0022] (3)根据径向加速度ar和速度vr，利用如下包络补偿的相位补偿函数ssref对回波信号的子脉冲包络进行补偿，
[0023]
[0024] 其中，fr为距离向频率，tm为方位向时间；
[0025] (4)对完成子脉冲包络补偿的回波信号进行基于相干化处理的频率合成，得到合成后的回波信号频谱s(fr，Tr)；
[0026] (5)对合成后的回波信号频谱s(fr，Tr)进行逆傅里叶IFFT变换，获取高分辨一维距离像；
[0027] (6)对高分辨一维距离像利用RD算法或RID算法进行方位成像，获取目标方位的高分辨图像。
[0028] 本发明与现有技术相比具有以下优点
[0029] 第一，本发明采用先构造滤波器实现距离脉冲压缩，截取出回波能量数据，利用运动补偿和相位相干化实现距离高分辨合成的方法，相对于传统的频域合成方法，减少所处理的数据量；
[0030] 第二，本发明利用相邻两次回波的相邻相关性，沿方位积累获取主峰值能量积累的位置，估计出速度和加速度的值，使得估计精度、估计效率较高。即使在低信号比情况下也能应用，对估计精度影响不大；
[0031] 第三，由于相位所需补偿的精度要高于包络补偿的精度，常规的最小熵和包络拟合等方法估计的目标运动参数精度又不够高，往往合成效果不明显。本发明采用相干化处理的方法来补偿子脉冲间相位误差，合成效果明显。
附图说明
[0032] 图1是本发明的实现流程图；
[0033] 图2是本发明中目标运动参数估计的子流程图；
[0034] 图3是本发明中相邻子脉冲频谱搬移的示意图；
[0035] 图4是本发明仿真目标高分辨ISAR成像结果图；
[0036] 图5是本发明实测舰船目标步进频率高分辨ISAR成像结果图。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图对本发明做进一步的描述。
[0038] 参照图1，本发明的具体实施步骤如下：
[0039] 步骤1.建立步进频率ISAR回波信号模型。
[0040] 假设雷达发射线性调频步进信号的波形为：
[0041] U(t)＝u1(t)exp(j2π(f0+nΔf)t) 0≤n≤N-1
[0042] 式中，u1(t)＝rect(t/T1)exp(jπγt2)为线性调频子脉冲，exp为指数函数底数，j为虚数，f0为基频，n为调频步进子脉冲个数，Δf为频率步进量，f0+nΔf为第n个调频步进子脉冲的载频，t为时间，N为每一脉组内子脉冲的步进调频数，T1为子脉冲宽度，γ为子脉冲调频率；
[0043] 将雷达发射第n个子脉冲信号时运动目标上任意一散射点P与雷达间的距离表示为：
[0044]
[0045] 式中，tm为方位时间，R0为目标到雷达的初始作用距离，xP和yP分别是散射点P的横向和纵向位置信息，vr是目标相对雷达运动的径向速度，ω为目标相对雷达运动的转动角速度，ar是目标相对雷达运动的径向加速度；
[0046] 利用U(t)和RP(tm)，得到散射点P的回波信号为：
[0047]
[0048] 式中，rect为矩形函数，c为光速，σP为目标回波后向散射系数；
[0049] 步骤2.根据回波信号模型进行运动参数估计。
[0050] 参照图2，本步骤的具体实现如下：
[0051] 2a)对回波信号sn(t)进行距离匹配滤波的脉冲压缩，得到脉冲压缩后的回波信号为：
[0052]
[0053] 式中，B为发射子脉冲信号带宽；
[0054] 2b)分别取出脉冲压缩后不同脉组的第一个子脉冲回波信号为：
[0055]
[0056] 得到回波信号的相邻相关表达式为：
[0057]
[0058] 其中，τ为相关时间，m为脉组数，0≤m≤M-1，mTa为方位时间的离散表示，A为相关匹配量，λ为信号波长，M＝M1+M2， M2＝TaarmTa，式中，Ta为脉组间的重复周期；
[0059] 2c)对回波信号相邻相关表达式沿着方位向做傅里叶变换FFT积累，得到方位频域回波信号相邻相关表达式为：
[0060]
[0061] 其中，Tm为子脉冲重复周期，fa为方位向频率， 是回波信号相邻相关表达式的相关峰值位置；
[0062] 忽略M中相邻两次回波ω引起的包络变化，则相关峰值位置又可表示为：
[0063]
[0064] 2d)将相关峰值位置在距离向和方位向的坐标分别设为 和 ，计算目标的径向加速度ar和速度vr：
[0065]
[0066] 其中， 和 分别为距离向和方位向的离散点数，prf为方位向采样频率，fs为距离向采样频率，Tr为脉冲重复周期。
[0067] 步骤3.构造用于包络补偿的相位补偿函数。
[0068] 根据径向加速度ar和速度vr，利用如下包络补偿的相位补偿函数ssref对回波信号的子脉冲包络进行补偿，
[0069]
[0070] 其中，fr为距离向频率，tm为方位向时间。
[0071] 步骤4.进行基于相干化处理的频率合成。
[0072] 4a)利用相位补偿函数对子脉冲的包络校正，得到包络校正后的回波信号：
[0073]
[0074] 把包络校正后的回波信号s″n(t)变换到距离频域sn(fr，nTr)
[0075]
[0076]
[0077] 其中，fr为距离向频率，nTr表示方位时间，为幅度系数，B为发射子脉冲信号带宽；
[0078] 4b)对相邻的子脉冲频域回波信号位置和相位进行变化，变化量为Δf/2，[0079] 位置和相位变化前的第n个子脉冲频域回波信号如图3(a)，
[0080] 位置和相位变化前的第n+1个子脉冲频域回波信号如图3(b)，
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087] 其中，sn(fr+Δf/2，nTr)是第n个位置和相位变化后的子脉冲频域回波信号，sn+1(fr-Δf/2，(n+1)Tr)是第n+1个位置和相位变化后的子脉冲频域回波信号，fr的范围为[-Bc/2～Bc/2]，Bc为共用的信号带宽，nTr表示方位时间，位置和相位进行变化后的相邻的子脉冲频域回波信号如图3(c)；
[0088] 4c)求出变化后相邻子脉冲间频域回波信号的共轭相位差ΔΦn：
[0089]
[0090] 4d)以回波信号脉组中第一个子脉冲的相位为参考，依次对子脉冲补偿共轭相位差ΔΦn，获取频率合成后的回波信号频谱s(fr，Tr)：
[0091]
[0092]
[0093] 其中，BΔ＝NΔf为合成后的信号带宽。
[0094] 步骤5.获取目标高分辨一维距离像。
[0095] 对频率合成后的回波信号频谱s(fr，Tr)进行逆傅里叶IFFT变换，获取高分辨一维距离像。
[0096] 步骤6.获取目标方位高分辨图像。
[0097] 对高分辨一维距离像利用RD算法或RID算法进行方位成像，获取目标方位的高分辨图像。
[0098] 本发明的效果可以通过下述仿真实验加以说明：
[0099] 1.仿真数据
[0100] 对仿真的飞机目标数据进行成像，其仿真参数如表1所示。
[0101] 表1雷达工作及目标运动参数
[0102]雷达作用距离 30km 采样频率 250MHz
脉组个数 128个 脉冲宽度 10us
子脉冲个数 5个 信号带宽 200MHz
脉冲重复频率 1000Hz 目标径向加速度 6m/s
初始载频 10GHz 目标径向速度 120m/s
步进频率 180MHz 目标转动角速度 0.07rad/s
[0103] 2.对仿真数据成像
[0104] 仿真飞机目标，飞机目标共由59个有效散射点组成，得到飞机目标的原始图像，如图4(a)；
[0105] 结合雷达工作及目标运动参数，对仿真的飞机目标进行ISAR成像，得到仿真飞机目标的频率合成前ISAR图像，如图4(b)；
[0106] 结合雷达工作及目标运动参数，对仿真的飞机目标采用本发明步进频率合成的方法ISAR成像，得到仿真飞机目标的ISAR图像，如图4(c)。
[0107] 3.对实测数据成像
[0108] 已知实测舰船目标数据的每个脉组由31个频率步进的子脉冲组成；
[0109] 已知舰船目标的光学图像，如图5(a)；
[0110] 利用实测舰船目标数据进行ISAR成像，得到舰船目标的频率合成前ISAR图像，如图5(b)；
[0111] 用本发明步进频率合成的方法对实测舰船目标数据进行ISAR成像，得到实测舰船目标的频率合成ISAR图像，如图5(c)；
[0112] 由图5(b)、5(c)可见采用本发明步进频率合成的方法比直接进行ISAR成像，可以获取更高分辨的目标ISAR图像，进一步证明了本发明所提出方法的高效性和有效性。
