基于进动特征提取的空间锥体目标ISAR三维成像方法与流程

基于进动特征提取的空间锥体目标isar三维成像方法
技术领域
1.本发明属于雷达技术领域，涉及空间锥体目标isar三维成像方法。


背景技术：

2.弹道目标识别是当前弹道导弹中段防御系统的关键问题之一，雷达成像能够提供目标直观的形状和结构特征，可以作为中段弹道目标识别的重要手段。弹道目标的外形一般为锥体，除了轨道运动外，还具有自旋、锥旋、进动等微动形式，进动的锥体目标在雷达成像时姿态变化复杂，使得传统成像方法不再适用。为实现进动目标isar成像，需要获得目标的进动特征。目前，解决空间锥体目标进动特征提取和isar三维成像的方法主要有分布式雷达组网和高维参数搜索方法，可以估计目标进动参数，实现目标三维成像。但是，分布式雷达组网需要多部雷达资源，并且进动特征提取过程需要考虑目标不同进动姿态的情况，计算过程复杂；高维参数搜索的计算量较大，并且搜索结果可能不唯一。因此，研究空间锥体目标进动特征提取和isar三维成像是十分必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有空间锥体目标进动特征提取和isar三维成像的方法需要多部雷达资源，计算过程复杂；以及参数搜索计算量较大，搜索结果可能不唯一的问题，而提出基于进动特征提取的空间锥体目标isar三维成像方法。
4.基于进动特征提取的空间锥体目标isar三维成像方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
5.步骤一、采用雷达1和雷达2两部雷达对进动空间锥体目标进行观测，获得锥体目标雷达回波，对锥体目标雷达回波先进行脉冲压缩，再进行运动补偿，获得不同角度的目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)；
6.采用曲线分离技术和自相关方法获得目标自旋角速度ω
s
和锥旋角速度ω
c
；
7.步骤二、进动空间锥体目标锥顶散射点在目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面产生的微动曲线为正弦曲线a
i
sin(ω
c
t
m
b
i
) d
i
，利用iradon变换分别对步骤一中雷达1和雷达2的目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)估计正弦曲线参数幅度a
i
、相位b
i
、偏置d
i
；
8.i＝1,2表示雷达1和雷达2；
9.步骤三、建立进动空间锥体目标isar成像模型，推导锥顶散射点微动正弦曲线a
i
sin(ω
c
t
m
b
i
) d
i
参数幅度a
i
、相位b
i
、偏置d
i
与目标进动特征自旋角速度单位矢量目标锥旋角速度单位矢量的关系，根据步骤二中iradon变换对雷达1和雷达2目标慢时间
‑
距离像平面上正弦曲线的参数估计结果{a
i
,b
i
,d
i
}以及自旋角速度单位矢量锥旋角速度单位矢量与微动正弦曲线参数{a
i
,b
i
,d
i
}的关系，i＝1,2表示雷达1和雷达2，建立非线性方程组；
10.步骤四、利用拟newton法求解步骤三中建立的非线性方程组，获得未知数{r
p
′
,θ
′
p
,z
′
p
,α
c
,β
c
}，进而估计目标自旋、锥旋单位矢量
11.所述，r
p
′
为锥顶散射点柱坐标形式中的极径，θ
p
′
为锥顶散射点柱坐标形式中的极角，z
′
p
为锥顶散射点柱坐标形式中的高度，α
c
和β
c
分别为锥旋矢量在目标坐标系中的方位角和仰角；
12.步骤五、根据步骤四获得的目标自旋、锥旋角速度单位矢量和步骤一估计的目标自旋、锥旋角速度{ω
s
,ω
c
}，确定进动空间锥体目标不同位置散射点(x,y,z)在慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上的微动曲线，利用广义radon变换对目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上的微动曲线路径进行积分，获得目标的三维图像s
grt
(x,y,z)，成像结果反应目标的结构尺寸和空间姿态。
13.本发明的有益效果为：
14.现有的空间锥体目标进动特征提取和isar三维成像方法需要多部雷达资源或者计算量较大，难以实现准确高效的进动特征提取和isar三维成像。本发明给出了一种两部雷达观测空间锥体目标进动特征提取方法，获得目标进动特征后，利用广义radon变换方法对目标进行isar三维成像，成像结果可以反应目标的结构尺寸和空间姿态。本发明采用两部雷达对进动空间锥体目标进行观测，获得不同角度的目标慢时间
‑
距离像；锥顶散射点在慢时间
‑
距离像平面产生的微动曲线为正弦曲线，利用iradon变换估计正弦曲线参数；根据进动空间锥体目标isar成像模型，推导锥顶散射点正弦曲线参数与目标进动特征的关系，建立非线性方程组；利用拟newton法求解非线性方程组，获得目标进动特征；根据目标进动特征，确定进动目标不同位置散射点在慢时间
‑
距离像平面上的微动曲线，利用广义radon变换对目标慢时间
‑
距离像在微动曲线路径积分，获得目标的三维图像，成像结果可以反应目标的结构尺寸和空间姿态。
15.与传统的进动特征提取和isar三维成像算法相比本发明具有以下优点：
16.(1)对宽带雷达回波进行处理，不需要其他雷达数据，如目标散射截面积；
17.(2)利用两部雷达观测目标，相对于多部雷达观测节约雷达资源；
18.(3)通过方程组求解提取进动特征，避免了高维搜索计算量大，搜索结果可能不唯一的问题。
附图说明
19.图1为本发明的算法流程图；
20.图2为进动空间锥体目标isar成像模型图，q
‑
uvw为雷达坐标系，为目标质心在雷达坐标系中的初始矢量，p为锥顶散射点，为目标自旋角速度矢量，为目标锥旋角速度矢量；
21.图3为目标坐标系和中间坐标系的位置关系图，为在中间坐标系中雷达视线单位矢量；
22.图4为进动空间锥体目标散射点模型图；
23.图5a为进动空间锥体目标散射点模型图；
24.图5b为目标isar三维成像结果图；
25.图5c为散射点模型俯视图；
26.图5d为成像结果俯视图；
27.图5e为散射点模型正视图；
28.图5f为成像结果正视图；
29.图5g为散射点模型侧视图；
30.图5h为成像结果侧视图；
31.图6a为不同进动姿态空间锥体目标散射点模型图；
32.图6b为目标isar三维成像结果图；
33.图7a为不同进动姿态空间锥体目标散射点模型图；
34.图7b为目标isar三维成像结果图；
35.图8a为不同信噪比雷达1目标慢时间
‑
距离像正弦曲线参数估计误差图；
36.图8b为不同信噪比雷达2目标慢时间
‑
距离像正弦曲线参数估计误差图；
37.图9为不同信噪比空间锥体目标进动特征估计误差图。
具体实施方式
38.具体实施方式一：本实施方式具体过程为：
39.步骤一、采用雷达1和雷达2两部雷达对进动空间锥体目标进行观测，获得锥体目标雷达回波，对锥体目标雷达回波先进行脉冲压缩，再进行运动补偿，获得不同角度的目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)；
40.采用曲线分离技术和自相关方法获得目标自旋角速度ω
s
和锥旋角速度ω
c
；
41.步骤二、进动空间锥体目标锥顶散射点在目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面产生的微动曲线为正弦曲线a
i
sin(ω
c
t
m
b
i
) d
i
，利用iradon变换分别对步骤一中雷达1和雷达2的目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)估计正弦曲线参数幅度a
i
、相位b
i
、偏置d
i
；
42.i＝1,2表示雷达1和雷达2；
43.步骤三、建立进动空间锥体目标isar成像模型(参数幅度a
i
、相位b
i
、偏置d
i
与目标进动特征自旋角速度单位矢量目标锥旋角速度单位矢量的关系)，推导锥顶散射点微动正弦曲线a
i
sin(ω
c
t
m
b
i
) d
i
参数幅度a
i
、相位b
i
、偏置d
i
与目标进动特征自旋角速度单位矢量目标锥旋角速度单位矢量的关系，根据步骤二中iradon变换对雷达1和雷达2目标慢时间
‑
距离像平面上正弦曲线的参数估计结果{a
i
,b
i
,d
i
}以及自旋角速度单位矢量锥旋角速度单位矢量与微动正弦曲线参数{a
i
,b
i
,d
i
}的关系，i＝1,2表示雷达1和雷达2，建立非线性方程组；
44.步骤四、利用拟newton法求解步骤三中建立的非线性方程组，获得未知数{r
′
p
,θ
′
p
,z
′
p
,α
c
,β
c
}，进而估计目标自旋、锥旋单位矢量
45.所述，r
p
′
为锥顶散射点柱坐标形式中的极径，θ
p
′
为锥顶散射点柱坐标形式中的极角，z
′
p
为锥顶散射点柱坐标形式中的高度，α
c
和β
c
分别为锥旋矢量在目标坐标系中的方位角和仰角；
46.步骤五、根据步骤四获得的目标自旋、锥旋角速度单位矢量和步骤一估计
的目标自旋、锥旋角速度{ω
s
,ω
c
}，确定进动空间锥体目标不同位置散射点(x,y,z)在慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上的微动曲线，利用广义radon变换对目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上的微动曲线路径进行积分，获得目标的三维图像s
grt
(x,y,z)，成像结果可以反应目标的结构尺寸和空间姿态。
47.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤二中利用iradon变换分别对步骤一中雷达1和雷达2的目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)估计正弦曲线参数幅度a
i
、相位b
i
、偏置d
i
；具体过程为
48.iradon变换可以将平面上的正弦曲线映射到参数空间，实现正弦曲线的参数估计，一般通过滤波逆投影算法实现。
[0049][0050]
其中，s
rl
(f
r
,t
m
)表示目标的慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)经过在距离域ram
‑
lak滤波器滤波后的结果，f
r
表示距离，t
m
表示慢时间，s
irt
(a,b,d)为目标的慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上幅度搜索变量a、相位搜索变量b、偏置搜索变量d的正弦曲线的iradon变换值，ω
c
为目标的锥旋角速度；
[0051]
雷达1和雷达2的目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上正弦曲线的参数可以通过s
irt
(a,b,d)的最大值位置估计
[0052][0053]
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
[0054]
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述步骤三中建立进动空间锥体目标isar成像模型(参数幅度a
i
、相位b
i
、偏置d
i
与目标进动特征自旋角速度单位矢量目标锥旋角速度单位矢量的关系)，推导锥顶散射点微动正弦曲线a
i
sin(ω
c
t
m
b
i
) d
i
参数幅度a
i
、相位b
i
、偏置d
i
与目标进动特征自旋角速度单位矢量目标锥旋角速度单位矢量的关系，根据步骤二中iradon变换对雷达1和雷达2目标慢时间
‑
距离像平面上正弦曲线的参数估计结果{a
i
,b
i
,d
i
}以及自旋角速度单位矢量锥旋角速度单位矢量与微动正弦曲线参数{a
i
,b
i
,d
i
}的关系，i＝1,2表示雷达1和雷达2，建立非线性方程组；具体过程为：
[0055]
根据进动模型建立非线性方程组
[0056]
进动空间锥体目标的锥顶散射点位于目标的自旋轴上，锥顶散射点的自旋运动对雷达回波不产生影响，在目标慢时间
‑
距离像上仅能观察到锥顶散射点的锥旋运动。
[0057]
目标的锥旋运动可以利用目标坐标系描述，目标坐标系平行于预设的雷达坐标系，目标质心位于目标坐标系的原点；
[0058]
目标坐标系的xyz轴平行于雷达坐标系坐标轴，雷达坐标系是预设的，以正北为y轴、垂直地面为z轴的右手坐标系；
[0059]
在目标坐标系o
‑
xyz中，锥顶散射点在慢时间
‑
距离像上产生的微动曲线为
[0060][0061]
其中，r
c
为目标锥旋矩阵，为锥顶散射点在目标坐标系中的坐标，为雷达视线
单位矢量；i3为3
×
3的单位阵，为目标锥旋角速度单位矢量的反对称矩阵，α
c
和β
c
分别为锥旋矢量在目标坐标系中的方位角和仰角，(
·
)
t
表示矩阵的转置，表示矩阵的转置，α和β分别为雷达视线在雷达坐标系q
‑
uvw中的方位角和仰角；
[0062]
在目标的锥旋角速度ω
c
和雷达视线单位矢量已知的情况下，锥顶散射点在慢时间
‑
距离像上产生的微动曲线由锥顶散射点在目标坐标系中的坐标和目标锥旋角速度单位矢量确定，而目标锥顶散射点位置位于目标的自旋轴上，目标锥顶散射点位置可以表示自旋角速度单位矢量||
·
||表示向量的模；
[0063]
建立中间坐标系o
‑
x
′
y
′
z
′
，确定目标进动特征(包括自旋角速度单位矢量和锥旋角速度单位矢量)自旋角速度单位矢量锥旋角速度单位矢量与微动正弦曲线参数{a
i
,b
i
,d
i
}的关系；
[0064]
根据步骤二中iradon变换对雷达1和雷达2目标慢时间
‑
距离像平面上正弦曲线的参数估计结果{a
i
,b
i
,d
i
}以及自旋角速度单位矢量锥旋角速度单位矢量与微动正弦曲线参数{a
i
,b
i
,d
i
}的关系，i＝1,2表示雷达1和雷达2，建立非线性方程组
[0065][0066]
其中，α
i
和β
i
分别为第i部雷达视线的方位角和仰角。
[0067]
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
[0068]
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述建立中间坐标系o
‑
x
′
y
′
z
′
，确定目标进动特征(包括自旋角速度单位矢量和锥旋角速度单位矢量)自旋角速度单位矢量锥旋角速度单位矢量与微动正弦曲线参数{a
i
,b
i
,d
i
}的关系；具体过程为：
[0069]
中间坐标系与目标坐标系的原点重合，中间坐标系坐标轴单位矢量满足：
[0070][0071][0072][0073]
其中，为目标坐标系z轴单位矢量，目标锥顶散射点在中间坐标系中的坐标
可由经过变换获得
[0074][0075]
其中，r
t
为变换矩阵；(x,y,z)为进动空间锥体目标不同位置散射点；
[0076]
在中间坐标系中，锥顶散射点在慢时间
‑
距离像上产生的微动曲线可以表示为
[0077][0078]
其中，r
′
c
为目标在中间坐标系中的锥旋矩阵，为锥顶散射点在中间坐标系中的坐标，(
·
)
t
表示转置，r
p
′
为锥顶散射点柱坐标形式中的极径，θ
p
′
为锥顶散射点柱坐标形式中的极角，z
′
p
为锥顶散射点柱坐标形式中的高度，a
r
为正弦曲线幅度分量，为正弦曲线相位分量，a
z
为正弦曲线偏置分量；
[0079]
根据步骤三的上述分析，可以获得锥顶散射点在慢时间
‑
距离像平面产生的微动正弦曲线参数和未知数{r
′
p
,θ
′
p
,z
′
p
,α
c
,β
c
}的关系。
[0080]
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
[0081]
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述目标在中间坐标系中的锥旋矩阵r
′
c
、正弦曲线幅度分量a
r
、正弦曲线相位分量正弦曲线偏置分量a
z
表达式为：
[0082][0083][0084][0085][0086]
其中，ε表示锥旋角速度单位矢量与雷达视线的夹角。
[0087]
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
[0088]
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤四中利用拟newton法求解步骤三中建立的非线性方程组，获得未知数{r
′
p
,θ
′
p
,z
′
p
,α
c
,β
c
}，进而估计目标自旋、锥旋单位矢量具体过程为：
[0089]
对于非线性方程组f(x)＝0，可利用拟newton法求解
[0090][0091]
其中，i＝0,1,2,...表示迭代次数，x0表示初始近似解，a0表示f(x0)的jacobi矩
阵，(
·
)
‑1表示矩阵的逆，y
i
＝f(x
i 1
)
‑
f(x
i
)，r
i
＝x
i 1
‑
x
i
。在应用拟newton法求解非线性方程组的近似解时，选择初始近似解x0和初始矩阵a0，一般可得到较好的近似解，迭代序列{x
i
}具有超线性收敛速度。
[0092]
通过拟newton法求解非线性方程组的未知数{r
p
′
,θ
′
p
,z
′
p
,α
c
,β
c
}；
[0093]
目标自旋、锥旋角速度单位矢量通过下式获得
[0094][0095]
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
[0096]
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述步骤五中根据步骤四获得的目标自旋、锥旋角速度单位矢量和步骤一估计的目标自旋、锥旋角速度{ω
s
,ω
c
}，确定进动空间锥体目标不同位置散射点(x,y,z)在慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上的微动曲线，利用广义radon变换对目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上的微动曲线路径进行积分，获得目标的三维图像s
grt
(x,y,z)，成像结果可以反应目标的结构尺寸和空间姿态；具体过程为：
[0097]
根据步骤四获得的目标自旋、锥旋角速度单位矢量和步骤一估计的目标自旋、锥旋角速度{ω
s
,ω
c
}，确定进动空间锥体目标不同位置散射点(x,y,z)在慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)平面上产生的微动曲线，表达式为：
[0098][0099]
其中，r
c
为目标锥旋矩阵，为目标自旋矩阵，为目标自旋角速度单位矢量的反对称矩阵，α
s
和β
s
分别为自旋矢量在目标坐标系中的方位角和仰角，为某一散射点在目标坐标系中的坐标，为雷达视线单位矢量，a0、a1、a2、a3、a4、φ1、φ2、φ3、φ4为中间变量；
[0100]
在三维空间中建立成像网格，以成像网格坐标(x,y,z)的微动曲线为积分路径，对目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)进行广义radon变换，实现目标三维成像。
[0101]
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
[0102]
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述中间变量a0、a1、a2、a3、a4具体定义为：
[0103][0104]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
[0105]
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述中间变量φ1、φ2、φ3、φ4具体定义为：
[0106][0107]
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
[0108]
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述在三维空间中建立成像网格，以成像网格坐标(x,y,z)的微动曲线为积分路径，对目标慢时间
‑
距离像s(f
r
,t
m
)进行广义radon变换，实现目标三维成像；表达式为：
[0109][0110]
其中，s
grt
(x,y,z)为目标的三维图像。
[0111]
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
[0112]
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
[0113]
实施例一：
[0114]
由于空间锥体目标isar成像实测数据缺乏，本发明主要利用仿真数据来进行验证，可以证明本发明对空间锥体目标进动特征提取和isar三维成像的有效性。
[0115]
图2为进动空间锥体目标isar成像模型，图3为目标坐标系和中间坐标系的位置关系，图4为进动空间锥体目标散射点模型，锥体目标在空间中进动，包括自旋和锥旋；
[0116]
表1为雷达1和雷达2的目标慢时间
‑
距离像正弦曲线参数估计结果，在目标慢时间
‑
距离像平面进行iradon变换，对正弦曲线幅度、相位、偏置的参数估计结果与真实值相差不大，可以用于后续目标进动特征的提取，表2为空间锥体目标进动特征估计结果，利用拟newton法求解非线性方程组，获得目标进动特征，进动特征估计结果与真实值相差不大，
可见本发明可以实现目标的进动特征提取；
[0117]
图5a为进动空间目标锥体目标散射点模型，图5b为目标isar三维成像结果，图5c、图5e、图5g分别为散射点模型俯视图、正视图、侧视图，图5d、图5f、图5h分别为成像结果俯视图、正视图、侧视图；
[0118]
目标进动特征的估计结果可以确定不同位置散射点的微动曲线，利用广义radon变换对目标慢时间
‑
距离像在微动曲线路径积分，获得的成像结果可以真实反应目标的结构尺寸和空间姿态，可见本发明可以实现进动空间锥体目标isar三维成像。
[0119]
表1
[0120][0121]
表2
[0122][0123]
表3和表4分别为不同进动姿态下空间锥体目标进动特征估计结果，估计结果与真实值相差不大；
[0124]
图6a、图7a为不同进动姿态空间锥体目标散射点模型，图6b、图7b为目标isar三维成像结果图，可见本发明在不同进动姿态下可以有效实现目标的进动特征提取和isar三维成像。
[0125]
表3
[0126][0127]
表4
[0128][0129]
图8a、图8b为在不同信噪比下雷达1、雷达2目标慢时间
‑
距离像正弦参数估计误差，图9为在不同信噪比下空间锥体目标进动特征估计误差，估计误差在信噪比高于
‑
30db时快速收敛，可以实现较好的参数估计和进动特征提取效果。
[0130]
从仿真数据的处理结果来看，本发明可以实现对空间锥体目标进动特征提取和isar三维成像，可以得到很好的进动特征提取效果和目标的三维图像。
[0131]
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。