基于Keystone变换和时频分析的ISAR成像-论文

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1、基于Keystone变换和时频分析的ISAR成像摘　要：基于Keystone变换和时频分析，研究了空中飞行目标ISAR成像问题。利用Keystone变换，完成了ISAR目标距离平动校正，以解决较低距离分辨率雷达ISAR数据的运动补偿问题。用时频分析方法完成ISAR成像处理，并提出了时频分辨率较高、交叉项干扰较小的新的组合时频分布。真实ISAR数据的成像处理结果，表明了所提出方法的有效性。关　键　词：逆合成孔径雷达；雷达成像；时频分析；运动补偿ISAR对于转台目标成像，易于得到良好的图像，但对空中飞行目标，由于目标距离平动的影响，其

2、运动补偿一直是关键问题并已得到大量的研究[1,2]。ISAR的运动补偿过程分为距离对准（有时也称作包络对齐）和相位校准（通常称为自聚焦）两步。由于相位校准用的参考点参数由目标回波中估计出来[1,2]，这种运动补偿方法也可用于脉冲间非相参雷达的ISAR成像。通常的ISAR像建立在斜距离-多卜勒频率域，主要的成像算法有：基于FFT的距离多卜勒（RD）算法、极坐标格式处理（PFA）法[3]等。随着技术的发展，近年来时频分析[4,5]在ISAR成像中也得到了广泛地应用。目前，进行空中飞行目标ISAR成像研究的雷达距离分辨率都较高，一般在0

3、.3～1m左右，而地面火控雷达的距离分辨率通常在3～30m之间，两者相差1～2个数量级。考虑到地面火控雷达的目标识别问题，开展较低距离分辨率雷达ISAR成像研究对地面火控雷达的发展具有重要意义。事实上，在运动补偿过程中无论是包络对齐还是相位校准的质量，都与分辨率有关[4]。文献[2]深入研究了ISAR的散射点模型，并对散射点进行了分类。理想的运动补偿希望在目标众多的距离单元中，至少有一个距离单元只存在一个孤立的散射点，当雷达的距离分辨率很高时，这个要求有可能满足。通常，同一个距离单元中有可能存在多个特显点[2]，这些特显点回波之间

4、的差拍作用，会使该距离单元回波信号的幅度和相位有较大的起伏。为此，文献[2]提出了一些改进的运动补偿方法。但是，当雷达的距离分辨率较低时，不仅距离对准的精度难以保证[4]，而且用于相位校准的参考点难以选择和构造。此时，这些常用的运动补偿方法在ISAR成像中难以奏效。本文研究了较低距离分辨率相参雷达的ISAR成像问题。考虑到上述问题，对距离分辨率较低的ISAR数据，采用Keystone变换完成目标距离平动校正和运动补偿，然后用时频分析方法进行ISAR成像处理，最后给出了3m距离分辨率真实ISAR数据的成像处理结果。1ISAR成像的基

5、本理论为使问题简化，将ISAR成像问题在二维平面讨论，图1给出了ISAR成像几何关系。图1中直角坐标系（U,V）为雷达坐标系，雷达位于其原点，直角坐标系（X,Y）为目标坐标系，其原点为目标的几何中心。为描述目标的旋转，又引入新的坐标系（X’,Y’）。8图1ISAR成像几何关系Fig.1ISARimageformationgeometry设雷达至目标几何中心的距离为，在直角坐标系（X，Y）中目标上散射点至雷达的距离为（1）其中：为目标相对于（U，V）坐标系的方向角；为（X，Y）坐标系相对于（X’,Y’）坐标系的转角。根据已知，散射点

6、的雷达回波信号为　　　　（2）其中：为快时间；为回波包络；为其回波强度；为雷达信号的载频；为光速。回波信号的相位项为　　　　　　　　　（3）ISAR成像时目标的斜距离分辨率由回波包络的宽度决定，而其横向分辨率为　　　　　　　　　　　（4）其中为载波波长。在微波频段，通常目标的转角变化很小即可达到所需的ISAR横向分辨率。事实上，和均为慢时间的函数。设慢时间时，（X，Y）坐标系相对于（X’,Y’）坐标系的初始转角为，雷达至目标几何中心的距离为，又设目标绕点的旋转角速度为，目标的径向速度为。当较小时，目标运动产生的多卜勒频率为　（5）

7、式（5）中第一项为目标平动带来的多卜勒频率，后两项为目标转动带来的多卜勒频率。当较小，可看作非时变的，仅由散射点的坐标决定。坐标不同的散射点，对应的不同，这就是ISAR在域成像的基本原理。当8较大，即使为固定值，也是时变的，此时可近似为多卜勒频率随时变的线性调频（LFM）信号。当目标有个散射点，并设为第个目标散射点到雷达间的斜距离，为其回波强度，此时雷达回波信号可写为　　　　　　（6）2基于Keystone变换的ISAR目标距离平动校正考虑利用文献[6]介绍的Keystone变换完成ISAR目标距离平动校正。对在快时间域（距离向）

8、作傅立叶变换有　　　　　　（7）其中为的傅立叶变换。对在处进行泰勒展开并令为二阶以上的高阶项，有　（8）在域进行Keystone变换[5]，即令　　　　　　　　　　（9）将其代入式（7），有（10）略去二阶以上高阶项的影响，对上式在距离频率域作反傅