基于二維散射中心集網(wǎng)格模型的isar圖像恢復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于二維散射中心集網(wǎng)格模型的ISAR圖像恢復(fù)方法，首先，為雷達目標(biāo)建立一個極坐標(biāo)空間網(wǎng)格，計算各個網(wǎng)格節(jié)點對應(yīng)視角下的目標(biāo)ISAR圖像，并從ISAR圖像提取各個網(wǎng)格節(jié)點的二維散射中心集，存儲在網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)庫中，形成一個全角度模型；然后將給定視角所在網(wǎng)格單元的四個節(jié)點對應(yīng)的二維散射中心集進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)處理，再以之恢復(fù)出節(jié)點視角對應(yīng)的ISAR圖像；最后基于四幅節(jié)點ISAR圖像，通過雙線性插值恢復(fù)出給定視角下的ISAR圖像。本發(fā)明方法不需要復(fù)雜的建模步驟，能提供全角度散射中心模型所具備的ISAR圖像恢復(fù)功能，且模型需要的存儲容量小，ISAR圖像恢復(fù)的精度高。
【專利說明】基于二維散射中心集網(wǎng)格模型的ISAR圖像恢復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于目標(biāo)識別領(lǐng)域，涉及一種基于二維散射中心集網(wǎng)格模型進行目標(biāo)建庫和ISAR圖像恢復(fù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在基于雷達成像的目標(biāo)識別中，必須進行目標(biāo)建庫。傳統(tǒng)的目標(biāo)建庫方法是為目標(biāo)進行各個角度下的逆合成孔徑雷達(ISAR)成像，然后將這些ISAR圖像存儲在目標(biāo)模板庫中。這種方法的問題在于目標(biāo)庫的數(shù)據(jù)是海量的，因為對于任何一個目標(biāo)，需要成像的角度非常多，而每一幅圖像的數(shù)據(jù)量也很大。這使得建庫的代價很大，而且在目標(biāo)識別時，從庫中進行圖像搜索的耗時也很長。
[0003]散射中心提取為降低數(shù)據(jù)庫的容量提供了有效的手段。每一幅ISAR圖像都是由一序列強度不等的強散射區(qū)組成，即散射中心。散射中心提取可以獲取這些強散射區(qū)的位置和幅度等參數(shù)，達到對目標(biāo)的準(zhǔn)確描述。每一幅ISAR圖像都可以用一個二維散射中心集來代替，數(shù)據(jù)存儲所需容量大大減小。
[0004]全角度散射中心模型是用于雷達目標(biāo)散射特性分析和目標(biāo)建庫的重要手段，它可以用于快速恢復(fù)目標(biāo)在任意視角下的ISAR圖像。1997年發(fā)表在IEEE Transactions onAntennas and Propagation上的文獻“A Global Scattering Center Representation ofComplex Targets Using the Shooting and Bouncing Ray Technique，，中，提出將三維ISAR像用于建立目標(biāo)的全角度散射中心模型。首先，通過射線跟蹤技術(shù)獲取目標(biāo)在預(yù)設(shè)網(wǎng)格的各個結(jié)點視角的三維ISAR像；然后，基于這些三維ISAR像提取目標(biāo)的三維散射中心。將各個視角下的三維散射中心置入同一空間內(nèi)，對來自于同一散射結(jié)構(gòu)的多個三維散射中心進行關(guān)聯(lián)，獲取全局散射中心的位置和可見度分布。
[0005]2006年發(fā)表的國防科技大學(xué)博士學(xué)位論文中題為“光學(xué)區(qū)雷達目標(biāo)三維散射中心重構(gòu)理論與技術(shù)”的文獻研究了一種基于一維寬帶測量數(shù)據(jù)的雷達目標(biāo)全角度散射中心建模方法。該方法利用散射中心一維投影位置在空間的球面分布規(guī)律，組成一維到高維散射映射圖，然后采用Hough變換提取穩(wěn)定散射中心，并采用最小二乘方法估計散射系數(shù)。
[0006]雖然國內(nèi)外在全角度散射中心模型重構(gòu)方面已經(jīng)取得很多成果，但依然存在一些問題需要繼續(xù)改進和完善。在基于三維散射中心的重構(gòu)方法中，需要各個角度下的三維ISAR成像，并提取三維散射中心，其計算量非常大。該方法所使用的射線跟蹤技術(shù)僅僅在仿真中存在，在實測成像中無法使用。在基于一維散射中心的重構(gòu)方法中，由于一維距離像隨著成像視角的輕微變化就會產(chǎn)生劇烈變化，因此增加了散射中心關(guān)聯(lián)的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題:本發(fā)明提出一種作為雷達目標(biāo)建庫的段，建模步驟簡單，模型數(shù)據(jù)量小，ISAR圖像恢復(fù)速度快而且準(zhǔn)確的基于二維散射中心網(wǎng)格模型的ISAR圖像恢復(fù)方法。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明的基于二維散射中心網(wǎng)格模型的ISAR圖像恢復(fù)方法，包括如下步驟:
[0009]1)以雷達目標(biāo)為極坐標(biāo)原點，確定需要進行ISAR圖像恢復(fù)的視角范圍，包括俯仰角范圍和方位角范圍，并將這個視角范圍劃分為均勻的角度域網(wǎng)格；
[0010]2)針對角度域網(wǎng)格的每一個節(jié)點，計算節(jié)點視角下的二維ISAR圖像，組成網(wǎng)格模型的ISAR圖像序列；
[0011]3)從步驟2)得到的網(wǎng)格模型的ISAR圖像序列中提取每一幅節(jié)點ISAR圖像的二維散射中心集，組成二維散射中心集序列，存儲在模型數(shù)據(jù)庫中，形成雷達目標(biāo)的二維散射中心集網(wǎng)格模型；
[0012]4)針對任意需要ISAR圖像恢復(fù)的給定視角，首先確定該給定視角所在的角度域網(wǎng)格單元，然后根據(jù)給定視角與所在角度域網(wǎng)格單元的四個網(wǎng)格節(jié)點之間的方位角差距，分別對四幅節(jié)點SAR圖像的二維散射中心集進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)處理；
[0013]5)采用恢復(fù)算法將經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)之后的節(jié)點SAR圖像的二維散射中心集恢復(fù)為節(jié)點ISAR圖像，恢復(fù)算法是二維散射中心集提取算法的逆過程；
[0014]6)基于步驟5)恢復(fù)的給定視角所在角度域網(wǎng)格單元的四幅節(jié)點ISAR圖像，采用雙線性插值方法恢復(fù)出給定視角對應(yīng)的ISAR圖像。
[0015]本發(fā)明方法的步驟3)中，采用CLEAN算法提取節(jié)點ISAR圖像的二維散射中心，組成ISAR圖像的二維散射中心集。
[0016]本發(fā)明方法的步驟4)中，對節(jié)點SAR圖像的二維散射中心集進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的具體算法如下:
[0017]Jf2 = xt cosA^+V1 sin 卸
[0018]J2 =—XtSinA穸+% eosA 識
[0019]其中，(X1, Y1)是旋轉(zhuǎn)前的節(jié)點SAR圖像的二維散射中心坐標(biāo)，(x2, y2)是旋轉(zhuǎn)后的節(jié)點SAR圖像的二維散射中心坐標(biāo)，Af是網(wǎng)格節(jié)點與給定視角之間的方位角差距。
[0020]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有全角度模型重構(gòu)技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0021](I)本發(fā)明提出的全角度網(wǎng)格模型的建模方法步驟簡練，不需要復(fù)雜的運算。所建立的網(wǎng)格模型所需存儲空間小，遠遠小于模板庫的所需要的存儲空間；
[0022](2)本發(fā)明建立的二維散射中心集網(wǎng)格模型，具有全角度ISAR圖像恢復(fù)的功能。對于網(wǎng)格覆蓋范圍內(nèi)的任意角度下的ISAR圖像，均可由該角度所在網(wǎng)格單元的節(jié)點二維散射中心集進行恢復(fù)；
[0023](3)基于本發(fā)明提出的二維散射中心集網(wǎng)格模型進行成像恢復(fù)，只涉及到距離成像恢復(fù)角度最接近的四個網(wǎng)格結(jié)點，降低了實現(xiàn)難度，并提高了成像恢復(fù)的準(zhǔn)確度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明提出的SAR圖像恢復(fù)方法流程圖；
[0025]圖2 (a)是極坐標(biāo)網(wǎng)格節(jié)點分布示意圖；
[0026]圖2 (b)是極坐標(biāo)網(wǎng)格俯仰角范圍示意圖；
[0027]圖3是圖像恢復(fù)視角與所在網(wǎng)格節(jié)點之間的關(guān)系示意圖；
[0028]圖4 (a)是在(75° ,36° )視角恢復(fù)的ISAR圖像；[0029]圖4(b)是在(75°，36° )視角的直接ISAR成像；
[0030]圖5 (a)是在(95°，43° )方向恢復(fù)的ISAR圖像；
[0031]圖5 (b)是在(95°，43° )方向的直接ISAR成像。
【具體實施方式】
[0032]下面將參照附圖對本發(fā)明進行說明。本發(fā)明的流程圖如圖1所示，提出一種基于二維散射中心集網(wǎng)格進行全角度建模和ISAR圖像恢復(fù)的方法。首先，為雷達目標(biāo)建立一個極坐標(biāo)空間網(wǎng)格，計算各個網(wǎng)格節(jié)點對應(yīng)視角下的目標(biāo)ISAR圖像，并基于ISAR圖像提取各個節(jié)點的二維散射中心集，存儲在網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)庫中，形成一個全角度模型。網(wǎng)格覆蓋范圍內(nèi)的任意給定視角下的ISAR圖像都可以基于這個網(wǎng)格模型進行恢復(fù):首先確定給定視角所在的網(wǎng)格單元，將該網(wǎng)格單元四個節(jié)點對應(yīng)的二維散射中心集進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)處理，再以之恢復(fù)出這四個節(jié)點對應(yīng)的ISAR圖像；最后基于四幅節(jié)點ISAR圖像，通過雙線性插值恢復(fù)出給定視角下的ISAR圖像。
[0033]本發(fā)明提出的二維散射中心集網(wǎng)格模型不需要復(fù)雜的建模步驟，但能提供全角度散射中心模型所具備的ISAR恢復(fù)功能，且模型需要的存儲容量小。基于該網(wǎng)格模型進行ISAR圖像恢復(fù)的算法運行穩(wěn)健，且圖像恢復(fù)具有很好的準(zhǔn)確性。其實施步驟如下: [0034]步驟I):在極坐標(biāo)空間中建立一個網(wǎng)格，如圖2 Ca)所示。成像目標(biāo)被放置于坐標(biāo)原點，網(wǎng)格覆蓋的范圍是需要為目標(biāo)成像的視角范圍。即以雷達目標(biāo)為極坐標(biāo)原點，確定需要進行ISAR圖像恢復(fù)的視角范圍，包括俯仰角范圍和方位角范圍，然后通過經(jīng)線和緯線將角度域范圍劃分為均勻的角度域網(wǎng)格，相鄰經(jīng)線的方位角差距相同，相鄰緯線的俯仰角差距相同。每根經(jīng)線和每根緯線均會有一個交點，稱為角度域網(wǎng)格的節(jié)點，每個節(jié)點代表了一個面向坐標(biāo)原點的視角。圖2 (a)給出了分布在極坐標(biāo)空間中的網(wǎng)格節(jié)點，每一個節(jié)點都是一個成像視角，也是雷達成像時電磁波的入射方向。網(wǎng)格模型的俯仰角范圍如圖2(b)所示，即角寬Z A1OB1，其等于Z A2OB2，也就是每一個模型的俯仰角范圍是有限的，俯仰角的范圍確定為需要進行ISAR成像恢復(fù)的角域范圍，這取決于雷達成像的原理，比如±45°，方位角范圍通常為O到360°。與此同時，網(wǎng)格模型的方位角范圍則是從0°到360°的全方位分布。
[0035]步驟2):計算目標(biāo)在每一個網(wǎng)格節(jié)點視角的ISAR成像。本發(fā)明通過電磁仿真手段獲取散射場的頻率一方位域的二維譜數(shù)據(jù)，然后進行插值，將極坐標(biāo)格式的譜數(shù)據(jù)變換成直角坐標(biāo)格式的譜數(shù)據(jù)，并使用Taylor窗進行加窗處理，最后通過IFFT運算將譜數(shù)據(jù)變換成圖像域數(shù)據(jù)。
[0036]步驟3):基于各個節(jié)點視角的ISAR圖像，提取節(jié)點二維散射中心集。本發(fā)明采用CLEAN算法來提取二維散射中心，包括其幅度和二維坐標(biāo)等參數(shù)。每個散射中心由幅值和二維坐標(biāo)等參數(shù)表示。每幅ISAR圖像中均可提取一系列的二維散射中心，組成ISAR圖像的二維散射中心集。CLEAN算法是一個迭代過程，它不斷從圖像中找到最高峰值，把它作為一個散射中心，獲取它的幅值和坐標(biāo)，然后從圖像中減去具有相應(yīng)幅值的擴展函數(shù)。一系列的散射中心被提取出來，并組成該圖像的二維散射中心集。
[0037]單位幅值的二維散射中心擴展函數(shù)可以表示為:
[0038]h(x,y)=e12kgxsinc(Δk·x)sinc(k0Δφ·y)(I)[0039]其中，參數(shù)Iitl= c^/c是成像時的中心波數(shù)，Ak= Λ ω/c則是成像時的波數(shù)域帶寬，參數(shù)Λ φ表示成像時的單站掃角寬度，變量X和y分別表示距離向和橫向坐標(biāo)。
[0040]在散射中心提取的迭代過程中，原始ISAR圖像與被提取散射中心集之間的關(guān)系可用下式表示:
【權(quán)利要求】
1. 一種基于二維散射中心集網(wǎng)格模型的ISAR圖像恢復(fù)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: O以雷達目標(biāo)為極坐標(biāo)原點，確定需要進行ISAR圖像恢復(fù)的視角范圍,包括俯仰角范圍和方位角范圍，并將所述視角范圍劃分為均勻的角度域網(wǎng)格； 2)針對角度域網(wǎng)格的每一個節(jié)點，計算節(jié)點視角下的二維ISAR圖像，組成網(wǎng)格模型的ISAR圖像序列； 3)從所述步驟2)得到的網(wǎng)格模型的ISAR圖像序列中提取每一幅節(jié)點ISAR圖像的二維散射中心集，組成二維散射中心集序列，存儲在模型數(shù)據(jù)庫中，形成雷達目標(biāo)的二維散射中心集網(wǎng)格模型； 4)針對任意需要ISAR圖像恢復(fù)的給定視角，首先確定該給定視角所在的角度域網(wǎng)格單元，然后根據(jù)給定視角與所在角度域網(wǎng)格單元的四個網(wǎng)格節(jié)點之間的方位角差距，分別對四幅節(jié)點SAR圖像的二維散射中心集進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)處理； 5)采用恢復(fù)算法將經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)之后的節(jié)點SAR圖像的二維散射中心集恢復(fù)為節(jié)點ISAR圖像，所述恢復(fù)算法是二維散射中心集提取算法的逆過程； 6)基于所述步驟5)恢復(fù)的給定視角所在角度域網(wǎng)格單元的四幅節(jié)點ISAR圖像，采用雙線性插值方法恢復(fù)出給定視角對應(yīng)的ISAR圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維散射中心集網(wǎng)格模型的ISAR圖像恢復(fù)方法，其特征在于，所述的步驟3)中，采用CLEAN算法提取節(jié)點ISAR圖像的二維散射中心，組成ISAR圖像的二維散射中心集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維散射中心集網(wǎng)格模型的ISAR圖像恢復(fù)方法，其特征在于，所述的步驟4)中，對節(jié)點SAR圖像的二維散射中心集進行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的具體算法如下:


X2 = X1 cos Αφ + v, sin Αφ


y2 =-XlSiiiΑφ^yi cosA, 其中，Upy1)是旋轉(zhuǎn)前的節(jié)點SAR圖像的二維散射中心坐標(biāo)，(x2J y2)是旋轉(zhuǎn)后的節(jié)點SAR圖像的二維散射中心坐標(biāo)，Δ-是網(wǎng)格節(jié)點與給定視角之間的方位角差距。
【文檔編號】G06K9/32GK103530627SQ201310501146
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】蔣忠進, 崔鐵軍 申請人:東南大學(xué)