一种运动目标的一维距离像的速度补偿方法

摘要

本发明公开了一种运动目标的一维距离像的速度补偿方法，该方法包括：将雷达在预设时间间隔内连续获得的一维距离像序列缓存到缓存器中，并对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理，获得一维距离像的分析窗口，并去除噪声；然后，将缓存器内所有在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理；估计目标包络移动量，并加上参考信号延时对应位置，得到目标的实际距离；通过一次曲线拟合的方法得到一维距离像的速度估计值；根据一维距离像的速度估计值，对一维距离像进行速度补偿；对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，确定用作速度补偿的脉冲数满足误差要求。通过使用本发明所提供的方法，可以有效地消除高速运动带来的不利影响。

权利要求

1.一种运动目标的一维距离像的速度补偿方法，其特征在于，该方法包括：步骤A、将雷达在预设时间间隔内连续获得的一维距离像序列缓存到缓存器中，并对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理，获得一维距离像的分析窗口，并去除噪声；

步骤B、将缓存器内所有在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理；估计目标包络移动量，并加上参考信号延时对应位置，得到目标的实际距离；

步骤C、通过一次曲线拟合的方法得到一维距离像的速度估计值；

步骤D、根据一维距离像的速度估计值，对一维距离像进行速度补偿，具体包括：根据一维距离像的速度估计值，对各个一维距离像进行平移补偿处理；

对平移补偿处理之后的一维距离像作FFT估计，得到相邻回波的相位差ΔΦ；

预先设定第一门限值Z*，当ΔΦ>Z*时，返回执行步骤B；而当ΔΦ≤Z*时，执行步骤E；

步骤E、对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，确定用作速度补偿的脉冲数满足误差要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理包括：根据缓存器中所缓存的一维距离像序列的一维距离像历程图形成灰度图像；

利用图像处理方法提取所述灰度图像的边缘，获得一维距离像的分析窗口的起始位置和终止位置，并进行去除噪声的操作。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用如下的公式对在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理：其中，r(k)(nk)为互相关处理结果，nk为互相关处理变量，表示对 进行nk个距离单元移动，Jmax表示缓存器的尺寸大小； 表示归一化后的一维距离像。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用如下的公式得到目标的实际距离pk：pk＝pk-1+cnk/2Δf，k＝1,2,...,Jmax-1；

其中，p0为初始时刻的目标距离，c为光速，Δf为雷达扫频带宽。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤E包括：对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，得到各个一维距离像的方差估计值；

对所有一维距离像的方差估计值取平均值，得到方差平均值；

预先设置第二门限值NN*，当 时，增加缓存器尺寸并返回执行步骤A；当时，结束整个流程。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过如下的公式进行方差估计：其中， 表示第i个一维距离像在尺寸大小为Jmax的缓存器内的散射强度的平均值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过如下的公式得到方差平均值：

说明书

一种运动目标的一维距离像的速度补偿方法

技术领域

[0001] 本发明涉及雷达目标特征识别技术，特别涉及一种运动目标的一维距离像的速度补偿方法。

背景技术

[0002] 逆合成孔径雷达(ISAR)成像技术是在合成孔径雷达技术上发展起来的。ISAR成像系统为雷达静止、目标运动的成像系统，不同于传统雷达，ISAR是一种高分辨率成像雷达，能够远距离获得非合作运动目标的精确图像。

[0003] ISAR成像技术作为一种有价值的探测手段在过去的几十年里得到了广泛的重视。太空中分布着大量处于工作状态的在轨航天器，此外还有数量巨大的空间碎片、陨石以及失效航天器等，对这些目标的成像是空间探测的重要内容。但迄今为止的ISAR技术的研究主要集中在速度较低的空中目标(如飞机等)，对速度更高的空间轨道目标的ISAR成像的研究还较少。

[0004] 空间目标与传统ISAR成像对象的显著区别是目标运动速度很高，比传统目标的运动速度提高了一个数量级，使得目标距离像产生模糊和畸变，进而引起ISAR图像径向散焦，因此对空间目标成像必须考虑高速运动带来的影响。

[0005] 当被测目标径向运动速度较低时，全去斜处理后的回波近似为正弦信号，通过脉冲压缩就能得到目标的一位距离像；但当观测对象是空间轨道航天器等高速运动目标时，由于目标相对于雷达的径向速度很高，使得接受散射点回波为线性调频(LFM)信号(不再是低速运动下的单频信号)，脉冲压缩处理后得到的高速运动目标的距离像严重畸变。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明提供一种运动目标的一维距离像的速度补偿方法，从而可以有效地消除高速运动带来的影响。

[0007] 本发明的技术方案具体是这样实现的：

[0008] 一种运动目标的一维距离像的速度补偿方法，该方法包括：

[0009] 步骤A、将雷达在预设时间间隔内连续获得的一维距离像序列缓存到缓存器中，并对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理，获得一维距离像的分析窗口，并去除噪声；

[0010] 步骤B、将缓存器内所有在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理；估计目标包络移动量，并加上参考信号延时对应位置，得到目标的实际距离；

[0011] 步骤C、通过一次曲线拟合的方法得到一维距离像的速度估计值；

[0012] 步骤D、根据一维距离像的速度估计值，对一维距离像进行速度补偿；

[0013] 步骤E、对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，确定用作速度补偿的脉冲数满足误差要求。

[0014] 可选的，所述对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理包括：

[0015] 根据缓存器中所缓存的一维距离像序列的一维距离像历程图形成灰度图像；

[0016] 利用图像处理方法提取所述灰度图像的边缘，获得一维距离像的分析窗口的起始位置和终止位置，并进行去除噪声的操作。

[0017] 可选的，使用如下的公式对在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理：

[0018]

[0019] 其中，r(k)(nk)为互相关处理结果，nk为互相关处理变量，表示对ξ′H(k)进行nk个距离单元移动，Jmax表示缓存器的尺寸大小；ξ′H(k-1)i表示归一化后的一维距离像。

[0020] 可选的，使用如下的公式得到目标的实际距离pk：

[0021] pk＝pk-1+cnk/2Δf，k＝1，2，...，Jmax-1；

[0022] 其中，p0为初始时刻的目标距离，c为光速，Δf为雷达扫频带宽。

[0023] 可选的，所述根据一维距离像的速度估计值，对一维距离像进行速度补偿包括：

[0024] 根据一维距离像的速度估计值，对各个一维距离像进行平移补偿处理；

[0025] 对平移补偿处理之后的一维距离像作FFT估计，得到相邻回波的相位差ΔΦ；

[0026] 预先设定第一门限值Z*，当ΔΦ＞Z*时，返回执行步骤B；而当ΔΦ≤Z*时，执行步骤E。

[0027] 可选的，所述步骤E包括：

[0028] 对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，得到各个一维距离像的方差估计值；

[0029] 对所有一维距离像的方差估计值取平均值，得到方差平均值；

[0030] 预先设置第二门限值NN*，当 时，增加缓存器尺寸并返回执行步骤A；当时，结束整个流程。

[0031] 可选的，通过如下的公式进行方差估计：

[0032]

[0033] 其中， 表示第i个一维距离像在尺寸大小为Jmax的缓存器内的散射强度的平均值。

[0034] 可选的，通过如下的公式得到方差平均值：

[0035]

[0036] 如上可见，在本发明的运动目标的一维距离像的速度补偿方法中，由于将雷达在预设时间间隔内连续获得的一维距离像序列缓存到缓存器中，并对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理，获得一维距离像的分析窗口，并去除噪声；然后，将缓存器内所有在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理；估计目标包络移动量，并加上参考信号延时对应位置，得到目标的实际距离；通过一次曲线拟合的方法得到一维距离像的速度估计值；根据一维距离像的速度估计值，对一维距离像进行速度补偿；对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，确定用作速度补偿的脉冲数满足误差要求，因此可以对回波信号进行速度补偿，有效地消除高速运动带来的不利影响。

附图说明

[0037] 图1为本发明实施例中的运动目标的一维距离像的速度补偿方法的流程示意图。

[0038] 图2为本发明实施例中的运动目标的一维距离像的速度补偿方法效果示意图。

具体实施方式

[0039] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

[0040] 在本发明的技术方案中，宽带信号的目标回波是一维距离像，因此难以像窄带情况那样，用距离波门来进行跟踪。所以，在本发明的技术方案中，可以用相邻两次回波(即一维距离像)“滑动相关”来进行跟踪。两次回波的“滑动相关”，类似于接收里说的“自相关”，所不同的是自相关只用本身一次回波，将其作延时滑动，以延时滑动量为变量，计算两个的相关系数，以相关系数的峰值表示目标所在的位置，并估计目标的速度。

[0041] 运动补偿是ISAR成像技术中的关键技术，通常包括包络对齐和相位补偿。在本发明的技术方案中，根据ISAR成像技术中的包络对齐的经验，包络对齐通常采用滑动相关，而以相关系数最大作为对齐准则，其对齐误差与两个回波(即一维距离像)的时间间隔(即视角变化)的大小有关。对于相邻回波视角变化极小的情况，延时估计误差是很小的，可以比±1/4距离分辨单元小得多。但是，这是指信噪比很高的情况。当对远距离目标跟踪时，信噪比要低得多，此时的延时估计误差主要来自噪声的影响，而不是由于视角改变而引起的距离像变化，信噪比越低，则估计误差也越大，约为±1/2个距离分辨单元。由于噪声引起的包络对齐的误差完全是随机的，不存在相关性，可以通过多个脉冲的平均来减小它，。

[0042] 空间目标在亚秒级的时间里，径向速度基本恒定，其径向加速度可以忽略不计，此时，相邻两个回波延时的距离差应为常数，因而可将多次回波相继地作相邻滑动相关，得到一系列的延时差，然后求平均即可。若各次噪声是统计独立，其引起的延时估计误差也不相关，用N次平均，误差的方差可以减小到1/N。如果时间较长，除噪声引起的误差外，视角变化引起的延时估计误差也要占一定的比例，它引起的误差有相关性，平均效果要差一些。

[0043] 本实施例提供了一种运动目标的一维距离像的速度补偿方法，从而可以有效地消除高速运动带来的影响。

[0044] 图1为本发明实施例中的运动目标的一维距离像的速度补偿方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的运动目标的一维距离像的速度补偿方法可以包括如下所述的步骤：

[0045] 步骤101，将雷达在预设时间间隔内连续获得的一维距离像序列缓存到缓存器中，并对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理，获得一维距离像的分析窗口，并去除噪声。

[0046] 在本发明的技术方案中，雷达在预设时间间隔内可以连续获得多个一维距离像，其中，单个的一维距离像可以表示为：

[0047] ξ＝{ξ1，ξ2，…，ξN}  (1)

[0048] 将上述雷达所获得的多个一维距离像组成一个一维距离像序列缓存到缓存器中，则缓存器中一维距离像序列可以表示为：

[0049] ξ(k)＝{ξ1(k)，ξ2(k)，…，ξN(k)}，k＝0，1，…，Jmax-1  (2)

[0050] 其中，Jmax表示缓存器的尺寸大小(即可存储的一维距离像的最大数目)。

[0051] 另外，缓存器中一维距离像序列还可以表示为：

[0052] ξ(tk)＝{ξ1(tk)，ξ2(tk)，…，ξN(tk)}，tk＝t0+k·dt  (3)

[0053] 其中，t0为初始时刻，dt为时间间隔，k＝0，1，…，Jmax-1。

[0054] 将一维距离像序列缓存到缓存器中之后，即可对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理，以获得一维距离像的分析窗口，并去除噪声。

[0055] 在本发明的技术方案中，可以使用多种具体实现方式来进行上述的预处理。以下，将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

[0056] 例如，在本发明的一个较佳实施例中，所述对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理可以包括：

[0057] 根据缓存器中所缓存的一维距离像序列的一维距离像历程图形成灰度图像；

[0058] 利用图像处理方法提取所述灰度图像的边缘，获得一维距离像的分析窗口的起始位置和终止位置，并进行去除噪声的操作。

[0059] 其中，设一维距离像的分析窗口的起始位置和终止位置分别为NS和NE，则该一维距离像的分析窗口一共有Nr＝(NE-NS+1)个距离单元。

[0060] 在进行去除噪声的操作之后，预处理之后的一维距离像序列可以表示为：

[0061] ξ′(k)＝{ξ′i(k)}，i＝0，1，…，Nr-1，k＝0，1，…，Jmax-1  (4)[0062] 在本发明的技术方案中，还可以进一步对上述预处理之后的一维距离像序列中的每个一维距离像都进行归一化，可得归一化后的一维距离像ξ′H(k)i：

[0063]

[0064] 其中，ξ′i(k)表示一维距离像中的每个距离单元的散射强度；ξ′max(k)表示每个一维距离像中所有距离单元散射强度的最大值。

[0065] 步骤102，将缓存器内所有在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理；估计目标包络移动量，并加上参考信号延时对应位置，得到目标的实际距离。

[0066] 例如，在本发明的一个较佳实施例中，可以使用如下所述的公式对在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理：

[0067]

[0068] 其中，r(k)(nk)为互相关处理结果，nk为互相关处理变量，表示对ξ′H(k)进行nk个距离单元移动，Jmax表示缓存器的尺寸大小。

[0069] 假设相邻两个包络(即归一化后的一维距离像)ξ′H(k-1)与ξ′H(k)之间的偏移量为Δrk，则当nk＝Δrk时，r(k)(nk)达到最大值。

[0070] 另外，在本发明的一个较佳实施例中，可以使用如下所述的公式得到目标的实际距离pk：

[0071] pk＝pk-1+cnk/2Δf，k＝1，2，...，Jmax-1  (7)

[0072] 其中，p0为初始时刻的目标距离，c为光速，Δf为雷达扫频带宽。

[0073] 步骤103，通过一次曲线拟合的方法得到一维距离像的速度估计值。

[0074] 在本发明的技术方案中，可以假设目标距离p是关于时间自变量t的一次曲线，可以表示为：

[0075] p＝VTt+p0+e  (8)

[0076] 其中，e为观测误差，VT为目标的径向速度，e的方差σ2＝E[e2]，如果对该目标有k次观察，k为观察的次数，观察方程分别为：

[0077]

[0078] 将上述观察方程写成矢量形式：P＝[p1，p2，…pk]T，e＝[e1，e2，…，ek]T，V＝[VT，p0]T， 则上述观察方程可以表示为：

[0079] P＝TV+e  (10)

[0080] V的最小二乘估计的代价函数为：

[0081]

[0082] V的估计值 应使代价函数达到最小，即满足如下所述的条件：

[0083]

[0084] 因此，V的估计值 (即一维距离像的速度估计值)为：

[0085]

[0086] 步骤104，根据一维距离像的速度估计值，对一维距离像进行速度补偿。

[0087] 在本发明的技术方案中，可以使用多种具体实现方式来进行上述的步骤104。以下，将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

[0088] 例如，在本发明的一个较佳实施例中，所述根据一维距离像的速度估计值，对一维距离像进行速度补偿可以包括：

[0089] 根据一维距离像的速度估计值，对各个一维距离像进行平移补偿处理；

[0090] 经过平移补偿处理之后，各个相邻回波的一维距离像已基本排列整齐，因此可再对平移补偿处理之后一维距离像作FFT估计，得到相邻回波的相位差ΔΦ；

[0091] 预先设定第一门限值Z*，当ΔΦ＞Z*时，返回执行步骤102；而当ΔΦ≤Z*时，判断速度补偿结束，执行后续的步骤105。

[0092] 步骤105，对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，确定用作速度补偿的脉冲数满足误差要求。

[0093] 在本发明的技术方案中，可以使用多种具体实现方式来进行上述的步骤104。以下，将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

[0094] 例如，在本发明的一个较佳实施例中，所述步骤105可以包括：。

[0095] 对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，得到各个一维距离像的方差估计值；

[0096] 例如，可以通过如下所述的公式进行方差估计：

[0097]

[0098] 其中， 表示第i个一维距离像在尺寸大小为Jmax的缓存器内的散射强度的平均值。

[0099] 然后，再对所有一维距离像的方差估计值取平均值，得到方差平均值。例如，可以通过如下所述的公式得到方差平均值：

[0100]

[0101] 最后，预先设置第二门限值NN*，当 时，则增加缓存器尺寸并返回执行步骤101；而当 时，则确定用作速度补偿的脉冲数已经满足误差要求，结束整个流程，从而完成了一维距离像的包络速度估计与补偿过程。

[0102] 在本发明的技术方案中，可以通过仿真分析的方法来检验本发明中所提供的运动目标的一维距离像的速度补偿方法的技术效果。

[0103] 例如，在本发明的技术方案中，可以对点目标在雷达参数已知的情况下进行仿真分析。

[0104] 对于Ka波段雷达，设中心频率为37.5GHz，目标径向速度为其最大测量速度范围中的最大测量速度VT＝12km/s，实际的径向速度一般都小于该最大测量速度，目标距离雷达300km。当脉冲宽度为Tp＝50μs时，将使距离像产生36m的平移，相当于480个高分辨距离单元，当估计出目标速度后，距离像平移可加以校正。

[0105] 图2为本发明实施例中的运动目标的一维距离像的速度补偿方法效果示意图。如图2所示，在本次仿真分析中，使用了如下所述的雷达参数，图2的左图中所示的一维距离像是空间目标与雷达的相对速度为8000m/s时的一个散射点的一维距离像。图2的右图中所示的是经过一次速度补偿之后的一维距离像。根据两图的对比可知，对原始的一维距离像进行速度补偿之后，一维距离像的平移和展宽都得到了明显的校正，从而有效地消除了高速运动带来的不利影响。

[0106] 综上可知，在本发明的运动目标的一维距离像的速度补偿方法中，由于将雷达在预设时间间隔内连续获得的一维距离像序列缓存到缓存器中，并对缓存器中缓存的一维距离像序列进行预处理，获得一维距离像的分析窗口，并去除噪声；然后，将缓存器内所有在分析窗口之内的一维距离像序列进行互相关处理；估计目标包络移动量，并加上参考信号延时对应位置，得到目标的实际距离；通过一次曲线拟合的方法得到一维距离像的速度估计值；根据一维距离像的速度估计值，对一维距离像进行速度补偿；对进行速度补偿后的每个一维距离像进行方差估计，确定用作速度补偿的脉冲数满足误差要求，因此可以对回波信号进行速度补偿，有效地消除高速运动带来的不利影响。

[0107] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。