申请/专利权人：电子科技大学

申请日：2024-02-06

公开（公告）日：2024-06-11

公开（公告）号：CN118169682A

主分类号：G01S13/90

分类号：G01S13/90;G01S7/41

优先权：

专利状态码：在审-公开

法律状态：2024.06.11#公开

摘要：本发明公开了一种基于成像投影平面分析的双基SAR舰船成像时窗寻优方法，首先对舰船目标中强散射点回波做短时傅里叶变换以获取时频信息，然后利用差分进化法估计目标散射点的位置和旋转参数得到成像投影平面的变化，选出目标呈俯侧正视图的时刻，再对比不同时间长度成像的图像对比度和熵选出最优成像时间长度，完成高海情下双基SAR舰船目标成像最优时间段的选取。本发明的方法结合成像投影平面分析和成像时窗寻优，不需要海浪和目标运动参数等先验参数，能准确选取目标成像呈俯侧正视图的最优时间段，解决在没有先验条件的情况下，现有成像时窗寻优方法无法克服高海情下海面运动目标不规则三维摆动导致的成像散焦和获取优秀成像视图的问题。

主权项：1.一种基于成像投影平面分析的双基SAR舰船成像时窗寻优方法，具体步骤如下：步骤一、建立双基SAR和舰船目标几何结构，并完成参数初始化；设定在直角坐标系中，O-XYZ为参考坐标系，O-UVW为舰船目标自身旋转坐标系，其中，U轴、V轴、W轴分别对应目标横滚、俯仰、偏航；设定T表示发射平台，R表示接收平台，在初始时刻，两个坐标系重合，目标中心位置处于坐标原点O处[0，0，0]T，[·]T表示矩阵的转置操作；双基雷达的发射平台初始坐标为rT＝[XT，YT，ZT]T，速度为接收平台初始坐标为rR＝[XR，YR，ZR]T，速度为舰船目标受海浪影响产生三维摆动看作简谐运动，其在O-UVW坐标系中的三维旋转角度表达式如下： 其中，η表示慢时间，θiη表示分别绕UVW轴的旋转角度，i＝u，v，w表示分别绕U轴、V轴、W轴旋转；Ti表示摆动幅度，Ωi表示摆动角频率，φi表示摆动的初始相位；步骤二、获取舰船目标上散射点的双基距离历史；设定一散射点p初始坐标为[xp，yp，zp]T，速度为[vx，vy，vz]T，则该散射点在O-XYZ坐标系中的瞬时坐标rpη表达式如下： 其中，表示绕中心O点按U-V-W轴顺序的旋转矩阵，具体如下： 其中，表示绕U轴旋转θu角度的旋转矩阵，表示绕V轴旋转θv角度的旋转矩阵，表示绕W轴旋转θw角度的旋转矩阵；则散射点p在O-XYZ坐标系中相应的旋转角速度ωrot表达式如下： 散射点p的双基距离历史Rη为舰船目标到接收机RRη和发射机RTη的距离和，表示为： 步骤三、获取舰船目标的双基SAR回波，并进行距离向脉冲压缩；散射点p反射的回波经距离向脉冲压缩后在二维时域表达式如下： 其中，t和η分别表示快时间和慢时间，Ta表示脉冲积累时间，λc和c分别表示波长和光速，B表示带宽，ση表示目标的散射系数；步骤四、获取散射点的STFT时频分析，并对STFT曲线插值并平滑；sPCt，η做短时傅立叶变换STFT的表达式如下：STFT{sPCt，η}＝∫sPCt，ηwη-τe-jωηdη其中，wη-τ表示窗函数，ω表示频率，τ表示时间偏移；然后对散射点的STFT曲线进行插值处理，并使用移动均值法对STFT时频曲线进行平滑处理；步骤五、通过差分进化法搜索目标旋转参数和散射点位置；散射点p的多普勒频率表达式如下： 在目标上选取三个强散射点，分别标记为A，B和C点，提取其回波做STFT时频分析，然后，基于这三条STFT曲线用差分进化法搜索旋转参数Ai、Ωii＝u，v，w和散射点位置rpp＝A，B，C，则差分进化法的目标函数表达式如下： 其中，MSEfD表示一个三行矩阵，每一行表示一个强散射点通过差分进化法搜索得到旋转参数计算出的多普勒频率与该散射点在整个脉冲积累时间内的STFT实际值STFTn之间的均方误差，表达式如下： 其中，n表示离散的时间点数，N表示总时间点数；Δ表示另一个三行矩阵，每一行表示一个强散射点通过差分进化法搜索得到的参数计算出的双基距离历史Rcalη与中心时刻实际数据Rη之间的差值绝对值，表达式如下：ΔR＝|Rcalη-Rη|其中，||·||表示向量的模长；当oj的值趋近与0时，视搜索的参数为最优解，即估计所得目标旋转参数和散射点位置坐标；步骤六、双基SAR合成单基SAR，获取雷达视线RLOS方向；设定rT，rR，rE分别表示发射、接收和合成单基平台的初始位置，他们相对于中心点O的单位方向向量分别为iT，iR，iE0；经过一段时间η后，三个平台的位置变为rT′，rR′和rE′，单位方向向量分别为iTη、iRη和iEη；设定舰船目标相对于雷达的平动分量已经在回波预处理阶段补偿，发射和接收平台的运动看成相对于中心点的转动；则发射平台的方向向量表达式如下： 其中，表示旋转矩阵，θT表示旋转角度；通过发射平台速度VT的切向分量VT，其旋转角速度向量ωT表达式如下： 其中，×表示叉乘；ωT向量的方向表示发射平台的旋转轴，旋转角由ωT向量的模长表示，即θT＝||ωT||η；通过罗德里格旋转公式推导，表达式如下： 其中，I表示单位矩阵，[·]×表示向量的反对称矩阵；接收平台的旋转矩阵和旋转角度θR有相同的结构；同理，合成单基平台的初始方向为其瞬时方向向量iEη即为单基SAR系统RLOS方向，表达式如下： 其中，表示合成旋转矩阵，结构与类似，表达式如下： 其中，kE表示合成单基SAR旋转轴，θE表示旋转角度，其表达式分别如下： 步骤七、获取有效旋转矢量；成像投影平面IPP平行于RLOS且垂直与有效旋转矢量，通过估计参数计算可得目标旋转角速度ωrot，然后从中减去平行于RLOS的分量ω||，得到向量ω⊥，既是有效旋转矢量，也是IPP的法向量；步骤八、选取最优舰船俯侧正视图成像时刻；选取最优俯视图成像时刻，即当ω⊥趋近于与Z轴平行时，IPP呈近似水平面，此时舰船成像为类俯视图；选取最优侧视图成像时刻，即当ω⊥趋近于与Y轴平行时，IPP呈近似垂直平面，此时舰船成像为类侧视图；选取最优正视图成像时刻，即当ω⊥趋近于与X轴平行时，IPP呈近似垂直平面，此时舰船成像为类正视图；步骤九、选取最优成像时间长度；在最优舰船俯侧正视图成像时刻，分别对不同时间长度的成像进行对比，通过分析各个图像的对比度和熵值来确定最优的成像时间长度；在这些最优时刻，使用选定的最优时间长度进行成像，获得舰船最清晰和精确的俯视图、侧视图和正视图。

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