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1、 分类号 TN958.92 学号 09040099 密级 公开 工学硕士学位论文 基于基于 ADSP-TS201S 的实时的实时 ISAR 成像技术成像技术 研究与实现研究与实现 硕士生姓名 陈晓丹 学 科 专 业 电子科学与技术 研 究 方 向 信息获取、处理与电路实现技术 指 导 教 师 吴巨红 副教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 基于 A D S P - T S 2 0 1 S 的实时 I S A R 成像技术研究与实现 国防科学技术大学研究生院 Study and Implementation of Real-time ISAR
2、Imaging Technology Based on ADSP-TS201S Candidate：Chen Xiaodan Advisor：Vice-Prof.Wu Juhong A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in ELECTRONIC SCIENCE sin aaaa xryr= 。雷达与旋转中心的距 离为 0 R，雷达到点A的距离为R，其随着时间而变化。 图 3.1 ISAR 成像转台模型 点A的初始角为
3、，在某一时刻t，其角度变为wt+。R随t的变化关系为 221 2 00 2cos(2) aa RRRR Rt=+ 221 2 00 2sin() aa RRR Rt=+ (3.1) 一般情况下，雷达与目标之间的距离远大于目标的几何尺寸，即 0 , aa RR z? ， 则R可近似表示为 0 sincos aa RRxtyt=+ (3.2) 回波信号的多普勒频率是由目标散射点相对于雷达的径向运动速度 r v决定， 故回波信号的频率可以写成 2222 cossin aar d xyvdR ftt dt = (3.3) 其中，为雷达信号波长。当t=，上式右边第二项近似为零，可得 0a RRy+ (3
4、.4) 2 a d x f (3.5) 由公式(3.4)和公式(3.5)可知，通过回波信号的距离延时和多普勒频率，就可确 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 23 页 定散射点的位置( ,) aa xy ，这就是距离多普勒（R-D）成像原理4647。如图3.1所 示，等多普勒频率平面是一组平行于由目标转轴和雷达视线方向形成的平行平面； 等距离平面是一组垂直于雷达视线方向的平行平面。 纵向分辨率 r 与雷达信号的带宽成反比 2 r c B = (3.6) c表示光速。因此，为了获得高的纵向分辨率，需要发射宽带雷达信号。在实 际中，高的纵向分辨率一般是通过发射宽频带的线性调频信号，然后采用脉
5、冲压 缩技术而实现的。我国第一部实验逆合成孔径雷达的带宽为400MHz，其纵向理论 分辨率为0.375米。 横向分辨率 a 的表达式为 22 a t = (3.7) 由式(3.7)可知， 横向分辨率与雷达信号的波长和相干积累时间相关。 雷达信号 波长越短，横向分辨率越高；相干积累时间越长，横向分辨率越高。在实际中， 雷达工作在固定的一个或多个频段，波长是确定的。相干积累时间长，一方面提 高了横向分辨率，但另一方面可能造成离旋转中心较远的散射点穿越分辨单元的 现象，这时会导致图像模糊。因此，相干积累时间需要进行合理设置。 除了R-D成像方法，还有各种实现大转角成像或提高成像质量的成像方法， 如极
6、坐标格式处理法、扩展相干处理法、卷积反投影层析成像法等成像方法2。应 用最普遍的成像算法是R-D方法，它把横向和纵向处理分开进行，成像方法简单； 采用FFT提高计算效率，实时性强。本文从实时性出发，采用R-D算法进行成像。 3.2.2 运动补偿原理 上面说明了基于理想转台模型的距离多普勒成像原理。理想转台模型中只有 目标相对某一参考点的转动。在实际中，雷达目标不仅含有转动分量，而且还有 平动分量。目标的平移运动造成同一散射点相邻两回波产生延时变化和相位变化， 这两者对成像是有害的，需要补偿。运动补偿后只剩下转动分量，相当于理想转 台运动，用于成像。 设雷达某次回波信号为： 0 ( )( )ex
7、p()s tf tjt= (3.8) 上式中， ( )f t为回波复包络， 0 为载波角频率。将回波延迟一个时间，得 其时延信号为： 00 ()()exp()exp()s tf tjtj = (3.9) 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 24 页 通常雷达回波信号都是经混频后在基频上处理的，将上式乘以因子 0 exp()jt，得延时后的复包络为 0 ()exp()f tj 。由此可知，目标平移运动对 ISAR成像的影响有两个方面：一是，相邻回波延时变化将导致目标相邻一维距离 像的错位；二是，相邻回波相位变化会导致回波的多普勒频率发生变化。一般情 况下，这种变化都较大。因此需要对平动分量
8、进行补偿，消除掉平移运动在这两 方面的影响，使成像转变为旋转目标成像。补偿过程一般分为距离对准和相位补 偿两步，分别将相邻的回波信号在距离向对准和进行相位补偿。基于R-D成像方 法的ISAR成像处理流程示意图如图3.2所示。 图 3.2 ISAR 成像处理流程示意图 到目前为止，ISAR运动补偿算法可以分为两类，一类是基于相邻一维距离像 相关的方法；另一类是基于孤立散射点方法2。相邻一维距离像相关的方法假设相 邻一维像之间的复包络变化较小。在距离向，通过相邻一维像的互相关来对准。 在方位向，假设目标存在一个等效的多普勒中心，通过比较相邻一维像对应距离 单元的相位变化，估计出目标径向多普勒频率引
9、起的相位变化。基于相邻一维距 离像相关的方法所要求的条件比较容易满足，应用范围广泛。 孤立散射点方法假设在成像积累时间内存在一个稳定的强散射点，在距离向 它是最强的散射点，以其为基准，实现各个回波的距离对准。在方位向必须存在 一个孤立点，以其为基准对各个距离单元回波的相位进行校正。在距离向找到强 且稳定的孤立散射点的概率比较小；在方位向，找到孤立散射点的概率比较大， 因为这时只要求其是孤立散射点而不再要求其同时又是最强的散射点。但即使如 此也不是对所有的目标类型甚至是一个目标的所有姿态都适用。因此，对于ISAR 这种非合作成像模式，孤立散射点方法的应用范围有限。 3.3.3 成像质量评价函数
10、ISAR成像完成后需要获知图像的质量，可以通过图像质量来评价各运动补偿 算法的优劣，分析影响成像质量的各种因素，从而进一步改进运动补偿算法。而 图像质量的优劣有时很难通过肉眼观察出来，这就需要定量分析成像结果。通常 可以采用图像的对比度35和图像熵3637来进行评价，分别定义如下 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 25 页 () () () 2 , 2 , 2 , g m n Cg m n Eg m n = (3.10) ()(),ln, 11 MN Eg m ng m n mn = = (3.11) 其中，() ,g m n是ISAR图像；m,n分别表示空间坐标位置；( )表示对括号
11、 内表达式取方差；( ) E 表示对括号内表达式取平均；( , ) g m n是能量归一化的图像， 其定义如下： () () () 2 , , 2 , g m n g m n g m n m n = (3.12) 一般而言，聚焦好的ISAR图像其对比度较大而图像熵较小。本文选择图像对 比度和图像熵作为ISAR成像质量的评价标准。 3.3 距离对准算法距离对准算法 距离对准（亦称包络对齐）是消除由于目标相对于雷达地平动造成的相邻回 波在距离向上的错位。通过调整时延，把积累时间内的回波信号在距离向上调整 为相对于转台目标的数据38。距离对准是相位补偿的基础和前提，如果距离对准 精度差，相互参差不齐
12、，就不可能实现有效的相位补偿。距离对准过程示意图如 图3.3所示。 图 3.3 距离对准过程示意图 传统距离对准算法主要有由C.C.Chen提出的包络相关法（相邻互相关法）39 和王根原引入的最小熵法40。相邻互相关法具有运算速度快的优点，在以单个距 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 26 页 离分辨单元作为步长进行处理时其对准精度和最小熵法相当。相比于相邻互相关 法，最小熵法运算量较大，尤其雷达分辨率越高，积累时间越长，其迭代搜索时 间就越长，但最小熵法的稳健性较好。传统距离对准算法的最大对准误差可达到 0.5个距离分辨单元。 3.3.1 相邻互相关法 相邻互相关法的前提是相邻一维距
13、离像的复包络之间变化较小，相关性较强。 从文献33可知，由于ISAR成像所需要的相干积累角很小，一般情况下均满足相 邻包络相关法的前提。 设 ( ) i e r和 1( )i er + 为相邻一维距离像，它们有两方面的差别：一是距离偏移；二 是相位变化。 其中目标平动造成的相位因子用 i 表示， 它与距离变量r无关。 i r表 示两个距离像的径向平移，即要估计的距离偏移量，则可得到下面的近似关系 1( ) ()exp() iiii ere rrj + (3.13) 相邻距离像的互相关函数为 1 1 22 2 1 () ( ) ( )( ) ii ii e ers dr R s e rdrerd
14、r + + + = i 1 22 2 1 () exp() ( )( ) iii i ii e e rsr dr j e rdrerdr + + = i (3.14) 根据许瓦兹不等式可知， 上式在 i sr= 处取得最大值。 利用( )R s峰值的位置就 可得到距离偏移量的估计值 i r。在实际中处理的是离散信号，同时考虑到上式的 分子并不影响 ( )R s峰值位置的确定，因此可以采用下式来估计ir 1 ( )( )() ii n R ke n enk + =+ (3.15) 上式为 ( ) i e r和 1( )i er + 的互相关。 相邻互相关法首先求两相邻一维距离像的互相 关系数，然
15、后通过互相关系数最大值处的位置确认偏移量，最后利用偏移量进行 距离对准。基于实测数据，某相邻一维距离像的相关系数如图3.4所示，图中偏移 量是整数倍距离单元。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 27 页 图 3.4 相邻一维距离像相关系数 3.3.2 最小熵法 最小熵包络对齐方法是利用熵作为衡量波形锐化度的一种定量指标。如果当 前回波与参考回波求和得到的合成波形的熵值最小，则认为回波得到对齐33。 对于一个序列 12 , N xx xx=? ，序列的熵定义如下： 1 ( )log() N kk k H xpp = = (3.16) 其中， 1 N kkk k pxx = = ，当x的各个分量的大小接近时，熵 ( )H x较大；当x的 各个分量都相等时，熵 ( )H x最大；而各个分量相差较大时，特别是除了几个特别 大的分量外，其余分量可以忽略时， ( )H x较小。 最小熵包络对齐的做法是将待对齐的回波进行逐位的延迟处理，与上次距离 像的包络相加，然后求熵值。当所有位置都计算出熵值以后，找到熵值最小位置 所对应的延迟距离单元数，就是待对齐回波需要移动的距离单元数。基于实测数 据，熵值与距离偏移量之间的关系如图3.5所示，图中偏移量是整数倍距离单元。 图 3.5 熵与偏移量关
