专利名称：基于hrrp序列的空间目标高分辨成像方法
技术领域：
本发明属于信号处理技术领域，更进一步涉及雷达成像领域中的基于高分辨一维距离像(high-resolution range profiles,HRRP)序列的空间目标高分辨成像方法。本发明可以在低重频条件下，有效地对空间目标进行高分辨成像，避免方位欠采样、平动量和随机初相误差对图像质量的影响，为后续目标识别提供有力保障。
背景技术：
为获得对空间目标散射点分布特征更为精细和准确的描述，目前对雷达图像分辨率的要求在不断提高。其中距离向高分辨依靠发射大的时宽-带宽积信号获得；而方位向高分辨则依靠成像时间内目标相对于雷达视线运动所引起的多普勒变化获得。为满足距离向高分辨成像要求，可以通过信号处理方法实现多波段超宽带合成，或通过系统硬件升级等方法使雷达系统发射超宽带信号。但是在获得距离向高分辨率的同时，若仍采用传统的成像方法获得方位向高分辨率时会遇到新的问题:首先，距离分辨率提高的同时会使散射点更易发生越距离单元走动，从而限制了距离-瞬时多普勒、时频分析等成像方法的应用；其次，由于电磁波受大气扰动的影响，回波相位中会包含时变的随机初相误差。当散射点存在越距离单元走动时，对该误差的校正及平动补偿会变得更加困难；最后，由于地基雷达发射功率有限，当对相距较远的空间目标进行探测时，需要降低雷达脉冲重复频率以保证雷达接收机对信噪比的要求。在这种情况下，对于旋转频率较高的机动目标，其回波会出现方位欠采样,混迭的方位频谱将进一步增加对空间目标高分辨成像的难度。因此,有必要研究在低重频条件下的新的高分辨成像方法。当采用宽带雷达对目标进行高分辨观测时，根据投影定理，目标的高分辨一维距离像(HRRP:high-resolution range profiles)将反映出散射点分布沿雷达视线方向的投影。当雷达视线连续变化时，不同观测时刻对应的HRRP将形成HRRP序列。当散射点不存在越距离单元走动时，HRRP序列仅描述散射点沿距离向的分布；当采用超宽带对机动目标进行观测时，由于发生越距离单元走动，实HRRP序列会反映出散射点在观测时间内的运动轨迹，从而包含散射点的二维或三维分布信息。因此，通过合适的算法设计能够实现基于HRRP序列的目标高分辨成像。同传统成像方法相比，这类方法不会受到方位欠采样和随机初相误差的影响，同时降低了成像对雷达PRF的要求。Kai Huo 等人在文献 “A novel imaging method for fast rotating targetsbased on thesegmental pseudo Keystone transform，，(IEEE Trans.Geosc1.RemoteSens.，vol.49, n0.4, pp.1464-1472, Apr.2011)中提出基于分段伪 Keystone 变换的快速旋转目标二维成像方法，该方法在平动可被准确补偿，并且目标的旋转频率较高且在观测时间内恒定前提下可以精确估计出目标的位置。但是，该方法仍存在的不足是，当散射点存在严重越距离单元走动而使传统相邻相关平动补偿方法失效时，没有考虑有效的平动补偿方法；当目标存在变加速旋转、或雷达进行重频抖动(即脉冲重复频率随时间变化)以实现ECCM (electronic counter-countermeasures)时，该方法假设的正弦模型已经不再满足，从而导致图像模糊；至少需要接收到目标一个旋转周期内的回波才能得到低旁瓣、聚焦良好的图像，当回波次数较少时，旁瓣很高；运算复杂度较高。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法。该方法弥补了基于分段伪Keystone变换方法具有对PRF要求高、对目标运动模型要求严格、对高速旋转目标成像时精确平动补偿和初相校正难度大、参数搜索运算量高的不足，不需要对回波进行精确的平动补偿和初相校正，在低重频条件下仅利用散射点在距离-慢时间平面上的航迹特征进行非参数化成像即可得到目标聚焦良好的高分辨图像。实现本发明的基本思路是:首先，采用稀疏信号重构方法获得目标高质量的HRRP序列；其次，根据散射点的幅度和运动特征，采用航迹关联方法从HRRP序列中提取出目标强散射点对应的轨迹并生成散射点航迹矩阵；最后，从航迹矩阵中求解出散射点坐标并得到高分辨图像。本发明的具体步骤如下:(I)雷达录取ISAR回波；(2)高速运动补偿2a)将参考距离为雷达到场景中心距离，频率、调频率与雷达发射信号相同的线性调频信号作为参考信号；2b)将参考信号取共轭后与雷达录取的ISAR回波相乘得到解线调频处理结果；2c)按照下式构造相位补偿函数:
权利要求
1.关于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法，包括如下步骤: (1)雷达录取ISAR回波； (2)高速运动补偿 2a)将参考距离为雷达到场景中心距离，频率、调频率与雷达发射信号相同的线性调频信号作为参考信号； 2b)将参考信号取共轭后与雷达录取的ISAR回波相乘得到解线调频处理结果； 2c)按照下式构造相位补偿函数:
2.根据权利要求1所述的基于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法，其特征在于，步骤3e)中所述的投影方法如下:
3.根据权利要求1所述 的基于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法，其特征在于，步骤3g)中所述的噪声门限为，对步骤3c)得到的残余信号进行逆傅里叶变换并取模值，将取模值后的图像中远离峰值点的其余点对应的平均功率作为噪声门限。
4.根据权利要求1所述的基于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法，其特征在于，步骤4b)中所述的小转角内散射点幅度近似不变且位置接近准则为，当前时刻散射点幅度应该满足如下等式:Ak = BrgminIlA' J5-Ak-Jl2 其中，Ak为当前散射点在第k时刻对应的最优幅度值，argmin(.)为求使目标函数取最小值时对应变量值的运算，I I.I I2求为2范数，A' k为第k时刻的位置幅度集合中当前散射点对应的所有幅度值，Ak^1为航迹矩阵中第k-Ι列中当前散射点对应的幅度值。
5.根据权利要求1所述的基于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法，其特征在于，步骤4g)中所述的Kalman预测准则如下:
6.根据权利要求1所述的基于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法，其特征在于，步骤4k)中所述的归一化的最近邻准则函数如下
7.根据权利要求1所述的基于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法，其特征在于，步骤5b)中所述的带约束的矩阵分解步骤如下: 第一步，对平动校正后的航迹矩阵进行分解:
全文摘要
本发明公开了一种基于HRRP序列的空间目标高分辨成像方法，其步骤包括(1)雷达录取ISAR回波；(2)高速运动补偿；(3)获取高质量HRRP；(4)散射点航迹关联；(5)高分辨成像。本发明首先通过稀疏信号重构获得高质量HRRP序列，之后采用有效的航迹关联方法从HRRP序列中生成散射点航迹矩阵，进而通过带约束条件的矩阵分解实现高分辨成像。该方法克服了基于分段伪Keystone变换方法对PRF要求高、对目标运动模型要求严格、对高速旋转目标成像时精确平动补偿和初相校正难度大、运算量高等缺点，具有在低PRF甚至方位多普勒模糊条件下能够进行高分辨成像、对目标运动模型具有普适性、不需平动补偿、效率高、图像聚焦良好等优点。
文档编号G01S13/90GK103091674SQ201210596470
公开日2013年5月8日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者白雪茹, 周峰, 刘妍, 保铮 申请人:西安电子科技大学