High-Resolution ISAR Imaging Based on Sparse Iterative Covariance-Based Estimation

基于协方差稀疏迭代谱估计的ISAR高分辨成像

王勇^1，2，张荣政^1，2

(1.哈尔滨工业大学 电子工程技术研究所，哈尔滨 150001;

2. 对海监测与信息处理工业和信息化部重点实验室 哈尔滨 150001)

创新点说明：

提出一种基于协方差稀疏迭代谱估计（SPICE）的ISAR高分辨成像算法，具体创新性可说明如下：

1）首先在回波数量有限的情况下使用SPICE算法估计ISAR方位像上的多普勒谱，进而得到高分辨率的成像结果。

2）本文所用方法解决了传统方法处理回波数量有限或者转角很小的ISAR数据分辨率不够的问题，相比于主流的压缩感知方法，该方法不需要预先设置任何参数。对比同类的谱估计方法，该方法的分辨率更高。

3）为解决SPICE方法计算量大的问题，给出一种基于G-S分解的快速实现方法，降低了运算复杂度。

研究目的：

由于实际系统可能具有有限数量的回波或者一些回波受到强干扰，因此传统的基于FFT的距离多普勒算法的分辨率可能无法满足要求。当相干累积角度受到限制时，有必要使用高分辨率方法进行ISAR成像。本文提出一种基于协方差稀疏迭代谱估计（SPICE）的ISAR高分辨成像算法。该算法具有全局收敛性，不需要预先设置参数，能有效提高成像分辨率。针对SPICE方法计算量大的问题，本文提出了一种改进方法。

研究方法：

1）对回波数据进行解线性调频处理，对其得到的每一个一维距离像进行运动补偿消除平等分量。

2）将有效数据中每一个距离单元内的方位向数据视为一个稀疏的复合频率信号，使用改进的SPICE算法估计信号的频谱，将其作为方位向压缩的结果，从而得到清晰的成像结果。

研究结果：

1）文中进行了针对一维线谱数据的频谱仿真实验，说明了SPICE算法对于数据量很小的信号频谱估计的精确性。

2）文中使用IAA算法及SPICE算法进行了仿真MIG-25和Yak-42数据的小转角成像实验，实验结果说明，SPICE算法能够在获得回波很少的情况下获得清晰的目标图像，有效提高了成像的分辨率。

3）文中将使用SPICE算法的成像结果与IAA算法成像结果进行了定量对比，说明了SPICE算法的优越性。

结论：

1）本文提出的基于协方差稀疏迭代的ISAR高分辨成像算法在不需要设置任何参数的同时利用信号的稀疏性，有效地提高ISAR成像的分辨率。

2）为减少计算量，本文还介绍了基于G-S分解的SPICE算法的快速实现。仿真MIG-25和Yak-42实测数据的实验结果说明了SPICE算法的有效性。

关键词：ISAR，高分辨，SPICE，快速实现

     

ISAR Imaging of Missing Data Based on the Iterative Adaptive Approach

基于迭代自适应算法的缺失数据ISAR成像

王勇,张荣政

(哈尔滨工业大学 电子工程技术研究所,哈尔滨 150001)

创新点说明：

本文提出一种新基于迭代自适应（IAA）算法的缺失数据ISAR成像算法,具体创新性可说明如下：

1） 首先在回波随机缺失的情况下使用IAA算法估计ISAR方位像上的多普勒谱,进而得到清晰且有较高分辨率的缺失数据成像结果。

2）本文所用方法解决了传统FFT的处理缺失数据的谱泄露问题,相比于主流的压缩感知方法,该方法恢复效果更好。

研究目的：

常规的FFT处理方法会导致图像模糊和高旁瓣等问题,为解决缺失数据下的ISAR成像问题,本文提出一种基于迭代自适应方法（IAA）的ISAR缺失数据成像算法。该算法具有全局收敛性,不需要预先设置参数,能得到清晰的成像结果。

研究方法：

1）对回波数据进行解线性调频处理,对其得到的每一个一维距离像进行运动补偿消除平等分量。

2）从缺失数据的回波中提取出有效时刻对应的一维距离像,作为有效数据。

3）将有效数据中每一个距离单元内的方位向数据视为一个非均匀采样信号,使用IAA算法应用加权最小二乘估计来获得非均匀采样信号的频谱,将其作为方位向压缩的结果,从而得到清晰的成像结果。

结果：

1）文中进行了针对一维线谱数据的缺失数据仿真实验,说明了IAA算法对于缺失数据频谱估计的精确性。

2）文中使用IAA算法及OMP算法进行了仿真MIG-25和Yak-42数据的缺失数据成像实验,实验结果说明,IAA算法能够在随机丢失数据的情况下获得清晰的目标图像。

3）文中将使用IAA算法的MIG-25 缺失成像实验数据与OMP算法实验数据进行了定量对比,说明了IAA算法的优越性。

结论：

本文提出的基于迭代自适应算法的ISAR缺失数据成像方法应用加权最小二乘估计来获得非均匀采样信号的频谱。 仿真MIG-25和Yak-42的结果表明,该算法能够在随机丢失数据的情况下获得清晰的目标图像。

关键词：迭代自适应,缺失数据,ISAR

     

一种高效的非均匀转动目标成像方法

在逆合成孔径雷达(ISAR)成像中,目标的非均匀转动会造成图像的严重散焦．针对这一问题,提出一种高效的成像方法．该方法首先对同一距离单元的方位向回波数据进行时频分析,接着根据目标转速与尺度变换因子的对应关系,用不同尺度因子对中心时刻的频率分布进行尺度变换构造出参考信号,通过求解各个时刻的频率分布与参考信号的相关系数,估计出目标的旋转速度变化情况,然后沿方位向进行重采样以补偿目标旋转速度变化的影响,最后进行成像处理得到聚焦良好的目标图像．该算法对每个时刻目标转动速度的变化都进行了精确的估计和补偿,因此它适用于转动速度任意变化的情况．另外,该算法需要的计算量较少,适用于实时处理．仿真和实测数据的处理结果验证了该方法的有效性．     

3D打印AlSi10Mg合金组织性能研究

二维稀疏舰船目标的三维干涉ISAR成像

王勇^1,2,陈雪飞^1,2

(1.哈尔滨工业大学 电子工程技术研究所,哈尔滨 150001;

2. 对海监测与信息处理工业和信息化部重点实验室 哈尔滨 150001)

创新点说明：

提出一种当舰船目标回波处于两维稀疏情况时的三维InISAR成像算法,具体创新性可说明如下：

1） 首先将距离维稀疏回波进行稀疏重构;然后利用全局类补偿方法对重构后的信号进行包络对齐、相位校正和图像配准;接着考虑舰船目标在成像时间内近似为平稳运动,对接收的稀疏回波提取出有效数据,进行方位压缩得到目标的高分辨ISAR图像;最后通过干涉处理得到目标的三维几何重构图。

2） 本文所提方法解决了回波两维稀疏情况下舰船目标的三维InISAR成像问题,可有效适用于回波距离维随机缺失、方位维随机缺失和块缺失的情况;相对于传统的三维成像算法,本文算法可得到更好的成像结果。

研究目的：

为解决回波处于两维缺失时舰船目标的三维InISAR成像问题,提出一种针对回波距离维随机缺失、方位维随机缺失和块缺失时的舰船目标三维InISAR成像算法。该算法具有一定的有效性和实用性,可实现在方位维回波随机缺失75%时的成像,块缺失中有效回波仅占接收回波1/8时的舰船目标三维InISAR成像。

研究方法：

1）对回波距离维随机缺失数据采用梯度自适应算法进行稀疏重构,得到重构的回波;

2） 利用全局平均一维距离像熵最小算法估计出中心雷达回波中目标的运动参数,利用该参数对各雷达回波进行距离对准;

3） 利用联合相位校正算法对包络对齐后的三雷达回波进行处理,在实现回波相位校正的同时消除回波间的波程差,实现各图像间的配准;

4） 将成像时间内舰船目标的运动近似为平稳运动,提取出接收回波中的有用数据进行方位向压缩后得到三幅ISAR图像;

5） 分别沿两基线进行干涉处理,并结合测距信息即可得到目标的三维几何重构,从而实现回波两维缺失时舰船目标的三维InISAR成像。

研究结果：

1） 由不同稀疏重构算法对距离维信号的重构误差对比图可看出,本文中的梯度自适应算法能获得更好的结果;

2） 由回波两维随机缺失时舰船目标的三维InISAR成像结果可看出,回波在不同的缺失情况时均能得到目标很好的三维图像,即使回波中有效数据仅占25%时。

3）由距离维随机缺失、方位维块缺失时舰船目标的成像结果可发现,本文算法对处于不同缺失情况下的回波均能实现目标的三维几何重构,表明了该算法的有效性。

4） 通过对采用不同图像配准算法的舰船目标三维几何重构图分析可以发现,本文算法更适用于稀疏孔径下目标的三维InISAR成像。

结论：

当雷达接收回波处于两维稀疏时,传统的运动补偿和图像配准算法将无法获得目标运动的精确补偿和图像间的精确配准,使得稀疏孔径下舰船目标的二维成像质量下降,三维几何重构精度偏低。本文提出一种针对回波处于两维稀疏时舰船目标的三维InISAR成像算法,仿真实验结果可看出,该算法适用于回波处于距离维随机缺失、方位维随机缺失或块缺失的舰船目标三维成像,验证了所提算法的有效性。

关键词：3-D InISAR, 两维稀疏,梯度自适应算法,平均一维距离像,联合相位校正

     

伪双站ISAR成像方法研究

提出了基于单站成像系统获取多站逆合成孔径雷达(ISAR)重建图像的方法,称其为伪双站ISAR成像法.该方法利用电磁波的多径效应,发射一组电磁波信号可接收到多组回波数据,通过对回波进行信号处理,能够获得比常规单、双站ISAR成像更多的目标有用信息.与常规双站ISAR相比,它的设备大大简化,且避开了双站ISAR成像最难解决的同步技术问题.深入分析了伪双站ISAR成像的几何配置、成像原理、雷达成像平面和坐标变换等问题.仿真实验结果验证了理论分析的正确性和成像方法的有效性.     

一种基于时频分析的自适应积累成像算法

为改善基于时频分析的逆合成孔径雷达（ISAR）瞬时成像算法的性能，提出了一种基于时频分析的ISAR积累成像算法．该算法利用回波相关系数门限自适应调整积累范围，并结合图像熵法对积累范围内由时频分析得到的距离-瞬时多普勒像进行叠加成像．该算法可适用于机动目标和平稳目标的ISAR成像，其成像清晰度优于传统距离-多普勒算法．     

基于LWVD的机动目标ISAR成像新方法

为了提高机动目标的逆合成孔径雷达(ISAR)成像质量,提出了基于LWVD(L-Wigner-Ville分布)的机动目标ISAR成像新方法,通过计算回波数据不同距离单元的LWVD,得到不同时刻目标的瞬态ISAR像.与已有的时频分布相比,LWVD的时频聚集性进一步提高,而且对于多分量信号不存在交叉项干扰,计算简单,仿真数据结果验证了本文方法的有效性.     

相对运动多目标的逆合成孔径雷达成像

由于非合作的机动多目标相对于雷达射线的姿态是时变的,而且目标间可能存在相对运动,给逆合成孔径雷达(ISAR)成像造成较大的困难。当多目标间存在相对运动时,直接利用常规补偿方法通常得不到满意的结果。该文建立了目标相对运动的模型,分析了相对运动对成像的影响,提出了一种新的相对运动补偿算法。该算法对存在相对运动的目标在距离上利用Keystone变换进行分离,提取相对运动目标的回波,分别利用Autoclean算法进行运动补偿。模拟和实测数据的成像结果表明,该算法是可行的。     

利用时间-调频率分布特性的复杂运动目标ISAR成像研究

针对海面舰船目标的复杂运动所引起的调频率的变化并导致方位聚焦质量下降的问题,提出了一种新的基于TC-DechirpClean(时间-调频率平面的解调频Clean搜索方法)的瞬时成像方法,在方位信号的时间-调频率平面内,利用信号散射点调频率变化率的一维搜索方法得到信号的调频率的变化率和调频率值,同时,在补偿高次相位后做FFT变换,根据幅度最大的位置来确定信号的中心频率和幅度信息,重构有用的回波信号,最终对目标进行ISAR成像．实测数据成像结果证明了该方法能有效地解决调频率的变化所造成的方位聚焦质量下降的问题．     

一种适用于低信噪比短CPI的ISAR横向定标算法

针对低信噪比短相干处理时间(CPI)的逆合成孔径雷达(ISAR)成像及应用,提出一种有效的ISAR横向定标算法．基于ISAR图像的稀疏特征,该方法首先利用加权压缩感知实现超分辨成像,有效地抑制噪声并保证强散射点的恢复精度．然后,根据二维傅里叶变换及极坐标变换的特性,利用极坐标图像间的相关性对转动角速度进行初估计．最后,利用加权压缩感知对相关函数峰值位置进行精确估计,提高了估计精度和效率,从而实现ISAR图像的横向定标．通过仿真和实测数据处理验证了该方法的可行性和有效性．     

逆合成孔径雷达成像的机动目标平均补偿

逆合成孔径雷达成像中平动补偿可以分为两步进行,即平动粗补偿（包络对齐）和平动精补偿（自聚焦）。经过多年的研究,包络对齐和自聚焦都有一系列算法,但是,这些算法的提出和分析都是基于目标平稳飞行的。随着对机动目标瞬时成像研究的深入,表明当不发生距离走动的情况下,平稳飞行的包络对齐方法完全适用于机动飞行,但大部分自聚焦方法对机动飞行目标不再有效,为此提出一种基于相干积累的适用于机动目标的自聚焦方法,仿真和实测数据的处理表明该方法是有效的。     

Sparse Bayesian learning in ISAR tomography imaging

Inverse synthetic aperture radar(ISAR) imaging can be regarded as a narrow-band version of the computer aided tomography(CT). The traditional CT imaging algorithms for ISAR, including the polar format algorithm(PFA) and the convolution back projection algorithm(CBP), usually suffer from the problem of the high sidelobe and the low resolution. The ISAR tomography image reconstruction within a sparse Bayesian framework is concerned. Firstly, the sparse ISAR tomography imaging model is established in light of the CT imaging theory. Then, by using the compressed sensing(CS) principle, a high resolution ISAR image can be achieved with limited number of pulses. Since the performance of existing CS-based ISAR imaging algorithms is sensitive to the user parameter, this makes the existing algorithms inconvenient to be used in practice. It is well known that the Bayesian formalism of recover algorithm named sparse Bayesian learning(SBL) acts as an effective tool in regression and classification,which uses an efficient expectation maximization procedure to estimate the necessary parameters, and retains a preferable property of the l0-norm diversity measure. Motivated by that, a fully automated ISAR tomography imaging algorithm based on SBL is proposed.Experimental results based on simulated and electromagnetic(EM) data illustrate the effectiveness and the superiority of the proposed algorithm over the existing algorithms.     

弹载SAR下降段成像算法研究

弹载SAR下降段成像中,弹体较大的下降速度和加速度将导致SAR回波信号的多普勒调频率沿方位向变化,影响方位聚焦.针对该问题,提出了一种利用方位非线性变标(NLCS)的弹载SAR下降段成像算法.该算法在距离徙动校正和距离压缩处理之后,通过引入方位非线性变标操作,补偿变化的多普勒调频率,并校正图像方位畸变,从而改善了方位聚焦深度和聚焦质量.数据仿真结果验证了算法的有效性.     

解线频调步进频率ISAR成像研究

提出一种采用两次相干化处理实现对解线频调步进频率的逆合成孔径雷达(ISAR)成像算法．首先对回波进行相干化预处理,以估计运动目标的参数,并对相干化后的回波进行补偿;之后,采用相位相干化技术对残留相位误差进行校正,并利用时域带宽拼接技术获得目标的高分辨一维距离像．最后利用传统方位成像算法获得目标的高分辨ISAR图像．仿真数据验证了该方法的有效性．     

一种基于FrFT的ISAR多目标成像方法

针对逆合成孔径雷达（IsAR）同一波束内多个运动目标在距离上重叠时的成像问题,提出了一种基于分数阶傅里叶变换（FrFT）的ISAR多目标成像新算法．首先建立多目标回波模型,通过分析各目标平动多普勒历程差异,得出各目标回波在同一距离门内均可近似为一组线性调频信号的结论．然后结合FrFT和Clean思想（FrFT-Clean）对多目标回波信号中各个目标的回波分量进行分离,最后用常规算法对各个单目标分别进行成像．仿真结果验证了该方法的有效性．     

基于压缩感知的多目标认知成像方法

为利用有限雷达资源实现对多ISAR目标的实时高分辨成像,提出了一种基于压缩感知的相控阵雷达多目标稀疏孔径认知高分辨成像方法．在对目标稀疏特性认知的基础上,构建了基于目标横向稀疏度和成像积累时间的雷达资源动态分配函数,并给出了成像质量评估标准,最终实现了有限雷达资源条件下不同ISAR目标的高分辨认知成像．仿真结果表明,利用该方法成像不仅可以减少雷达成像发射脉冲数,而且可以有效减少雷达观测时间,同时还能获得高质量的目标ISAR像．     

自适应Chirplet分解的ISAR成像方法

为了提高机动目标的逆合或孔径雷达(ISAR)成像质量,提出了一种新的ISAR成像算法,通过将每一距离单元的回波数据进行自适应Chirplet分解,并采用松弛(RELAX)技术来提高参数估计精度,得到了高质量的瞬态ISAR像.外场实测数据成像结果验证了本文方法的有效性.     

New ISAR imaging interval selection method for ship targets on the sea

Ship targets on the sea swing because of the sea wave, which leads to instability of the rotation speed and variation of the image project plane. As a result, imaging interval selection should be taken into consideration in order to obtain a high quality ISAR image. In this paper, firstly, the relationship between effective rotating speed and image project plane is analyzed in detail, by which the conclusion that the image project plane is stable and the resolution of the ISAR image is best when the valid speed of rotation of a ship target is highest is drawn. Then a new method to select favorable imaging interval based on the rotation speed of ship targets is proposed. In comparison with existing methods, the proposed one can select a better period for ISAR imaging, which leads to an imaging result with higher quality. The effectiveness of the proposed method is verified by simulation and real data processing result.     

ISAR Imaging of Fluctuating Ship Target Based on a Novel Approach for Cubic Chirplet Decomposition with Local Polynomial Wigner Distribution

基于局域多项式魏格纳分布的三次Chirplet分解新方法及其在舰船目标逆合成孔径雷达成像中的应用

王勇,高建军

(哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院)

创新点说明：

1） 本文提出一种三次Chirplet分解的新方法。通过计算散射点回波信号的局域多项式魏格纳分布,可获得三次Chirplet基函数的参数估计。解决了传统参数估计方法存在的算法复杂、计算量大等问题。

2） 本文提出一种基于三次Chirplet分解的舰船目标逆合成孔径雷达成像新方法,解决了舰船目标复杂运动情况下,传统的成像方法成像质量下降的问题。本文方法可获得舰船目标高质量的成像结果。

研究目的：

本文的写作目的主要是为了解决舰船目标复杂运动情况下如何提高成像质量的问题。同时提出新的信号参数估计方法,解决传统方法存在的算法复杂、计算量大等问题。

研究方法：

1） 基于局域多项式魏格纳分布的三次Chirplet分解的新方法。通过峰值搜索,可获得三次Chirplet基函数三次相位系数的估计,进而通过解调频等技术获得其它信号参数的估计。对于多分量信号,可通过洁净技术逐一估计出不同信号分量的参数。

2） 舰船目标复杂运动情况下,散射点回波信号可用多分量多项式相位信号模型来进行刻画。通过对多项式相位信号进行三次Chirplet分解,可获得其内在结构信息。进而采用距离——瞬时多普勒成像算法,可获得舰船目标高质量的成像结果。

仿真数据和外场实测数据成像结果验证了本文方法的有效性。

结果：

1） 文中构造了三维摆动的舰船目标及其回波信号模型,如文中图2所示。相应的成像结果如文中图4所示。此时获得了舰船目标高质量的成像结果。

2）文中选取舰船目标的外场实测数据,相应的成像结果如文中图6和图7所示,进一步说明了本文算法的适应性。

结论：

基于局域多项式魏格纳分布的三次Chirplet分解的新方法,可获得三次Chirplet基函数的高精度参数估计结果。将该方法应用于复杂运动舰船目标的逆合成孔径雷达成像中,可获得舰船目标高质量的成像结果。

关键词：三次Chirplet分解;局域多项式魏格纳分布;逆合成孔径雷达成像

     

基于时频分析方法的多弹头成像处理算法

分析了逆合成孔径雷达多目标成像机理和时频分析成像算法,以多弹头的刚性多目标模型为基础,利用时频分析方法对多目标成像进行仿真。并且对距离-多普勒算法和3种逆合成孔径雷达多目标成像时频分析算法进行了比较,结果证明逆合成孔径雷达在多目标成像及识别中的可行性。