基于和差波束的三維ISAR成像技術

李 軍 全英匯 邢孟道 黎海林 李亞超

(1.西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室,陜西西安710071;2.北京跟蹤與通信技術研究所,北京100094)

1.引 言

基于單天線的逆合成孔徑雷達(ISAR)成像技術目前已發(fā)展較為成熟,針對非合作目標的不同運動狀況,提出的各種成像算法如距離多普勒算法[1]、距離瞬時多普勒算法[2]、Radon-Wigner濾波反投影成像算法[3]等在實際數(shù)據(jù)處理中取得了較好的成像結(jié)果。隨著高分辨成像的進一步發(fā)展及實際應用需求的增長,需要準確獲取目標的三維信息,即對目標進行三維成像并對目標尺寸進行定標。傳統(tǒng)的單天線ISAR方位為多普勒,不代表具體物理尺寸,無法滿足上述應用要求,需要研究其他體制的成像雷達。

近年來,利用和差波束對目標進行三維測量成為各國研究的熱點,通過和差波束測角跟蹤機動目標同時對其進行定標。傳統(tǒng)的單脈沖測角對象為單次回波的一維距離像,一般采取比幅法測角或者比相法測角[4]。該方法實時性好,算法較為簡單,對系統(tǒng)要求較低。但隨著大帶寬高分辨雷達的發(fā)展,此方法無法分離同一距離單元的多個散射點,降低了該算法的有效性。基于ISAR成像方法的和差波束測角根據(jù)多普勒的不同可以分離相同距離單元的散射點,同時完成目標定標。首先利用ISAR成像方法進行成像,然后在圖像配準的基礎上利用幅度或者相位信息進行測角,最后利用三維合成獲得目標三維坐標信息。文獻[5-6]從理論上討論了此方法的可行性,通過模型仿真驗證了理論的正確性。但由于條件的限制,所提出的方法沒有經(jīng)過實測數(shù)據(jù)的驗證。

本文從理論上分析了成像模型及成像方法,以國內(nèi)首批實測數(shù)據(jù)為基礎,分析了實測數(shù)據(jù)的特點,根據(jù)該特點提出了一套三維ISAR成像方法。和差波束測角跟蹤目標時信號形式一般為多通道的和與差,相位干涉法所需的單個獨立通道在實際工程中不易得到,這里考慮直接采用和差信號對ISAR像素點進行比幅測角。通過實際單個散射點目標及飛機目標的三維成像驗證了方法的正確性及可行性。文中對常規(guī)單脈沖測角結(jié)果及本方法結(jié)果進行了對比,說明本文方法具有一定的優(yōu)越性,為實際運用提供了一種可行性的實現(xiàn)方法。

2.三維ISAR成像模型及算法

2.1 ISAR三維成像模型

ISAR成像以旋轉(zhuǎn)目標為基礎,距離像根據(jù)信號帶寬進行分辨,方位向利用各散射點多普勒的不同對同一距離單元散射點進行分離。

和差波束利用天線方向圖權值及相位信息對目標進行測角,以雙天線和差波束對機動目標觀測時的成像為例,模型如圖1所示。

圖1 和差波束測角及ISAR成像示意圖

ISAR雷達系統(tǒng)一般采用解線頻調(diào)接收方式,假設雷達發(fā)射波形為線性調(diào)頻信號,信號波形如下

假設單散射點目標P與雷達距離為Rp,則雷達接收信號為

單脈沖測角實時跟蹤雷達系統(tǒng)中一般采用多個通道的和與差,以圖1水平兩天線為例,發(fā)射天線等效波束中心與雷達AB交點為圖1中O點,則雷達A、B與散射點P距離分別為

以天線A為例,經(jīng)解線頻調(diào)后輸出信號形式為

目標的運動導致雷達跟蹤的距離處于時變狀態(tài),且雷達參考距離以真實值存在偏差,故方位處理前回波的包絡及相位均需補償。

在轉(zhuǎn)臺模型條件下,若目標旋轉(zhuǎn)速度很小,散射點與雷達之間的距離可近似為

式中：Rp0為散射點旋轉(zhuǎn)中心和雷達距離與目標參考距離之差,方位直接傅立葉變換即可得到目標ISAR像

2.2 干涉ISAR三維成像算法

干涉ISAR即可通過比幅法測角實現(xiàn)定標,也可以利用相位干涉法定標。比幅法測角適用距離較近,而相位干涉方法適用距離較遠。實際雷達系統(tǒng)采用測角法跟蹤目標,信號形式為多通道的和差波束形式。相位干涉法三維成像所需的單個獨立通道有時無法得到。這里考慮直接利用信號振幅進行處理。后續(xù)工作將進一步討論利用相位進行干涉ISAR成像,這里不再討論。

振幅和差單脈沖雷達利用和差比較器得到和差波束,和信號用于跟蹤目標并測距,差信號用于測量目標偏離主波束角度。設兩波束相對天線軸線偏角為δ,對于偏離天線軸線角方向的目標,和振幅為

利用和與差的幅度相比

式中：K為比例系數(shù),可見目標偏離天線軸線較小時,差和信號振幅比與目標誤差角θ成線性關系。差信號的相位則表明了目標偏離天線軸線的方向。

傳統(tǒng)單脈沖測角雷達一維距離像同一距離單元中存在多個散射點,導致測角存在誤差,最終影響三維成像質(zhì)量。為了減小多散射點混疊的影響,首先利用ISAR成像原理對同一距離單元散射點進行多普勒分離,然后在和差信號ISAR成像基礎之上采用像素點比幅法測角,最后完成散射點定標及三維成像。

將式(8)代入式(11)得到

由式(12)可見通過ISAR像的比幅可以完成垂直于距離向的定標,將散射點多普勒轉(zhuǎn)化為實際距離。

ISAR系統(tǒng)接收信號為解線頻調(diào)非相參信號,既存在包絡的移動,各次脈沖間也存在不同初始相位。包絡對齊一般采用包絡互相關方法[7],為了減小和差波束ISAR的差異,需要采用聯(lián)合包絡對齊,即兩通道采用相同的包絡作為對齊基準。相位校正時采用多特顯點綜合法[8],這里采用聯(lián)合多特顯點方法,同時采用Keystone變換[9]的校正ISAR的距離徙動。

利用比幅法測角時為圖像像素點的幅度比值,ISAR像與SAR像不同,圖像中僅有少數(shù)不連續(xù)的強散射點,且旁瓣和噪聲較大,直接對方位FF T進行三維成像誤差較大,采用CLEAN算法[10]或者APES算法[11]可以有效消除旁瓣的影響。由于CLEAN算法不具備相位保持特性,這里采用APES算法進行方位向的處理。

ISAR像素點測角過程中仍然存在角閃爍,需要進行消除,這里采用文獻[12]所提出的剔除發(fā)生角閃爍散射點的方法。需要說明的是實測數(shù)據(jù)處理中二維成像后的角閃爍現(xiàn)象依然存在,只是較一維距離像角閃爍影響減小,如何完全消除角閃爍仍然是一個值得研究的問題。

根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換將距離多普勒圖像轉(zhuǎn)換為距離角度圖像,通過比例因子K即可得到目標二維距離水平像。這里僅討論水平的兩個天線,同理得到俯仰向兩天線的二維距離俯仰像,通過圖像融合得到目標三維像。

綜合上述處理步驟,得到ISAR三維成像流程圖如圖2所示。

圖2 實測三維ISAR成像流程圖

2.實測數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

為了驗證本文算法的可行性,下面分別對實測散射點目標及飛機目標進行三維ISAR成像。

2.1 雙散射點目標

雷達跟蹤對象為四個靜止的球狀目標,可近似為散射點,雷達機械掃描轉(zhuǎn)動搜索,發(fā)射信號帶寬為800 MHz,數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 散射點目標三維ISAR結(jié)果對比

圖3中(a)為散射點模型,(b)為距離脈壓結(jié)果,(c)為和信號的成像結(jié)果,(d)為三維ISAR成像結(jié)果,“.”表示理想散射點模型,“*”表示傳統(tǒng)一維距離像三維成像結(jié)果,由于多散射點疊加的影響,散射點位置和個數(shù)出現(xiàn)偏差,“o”表示本文成像結(jié)果,由重構(gòu)結(jié)果可知四個散射點可以完全分離。

實測點目標數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知,通過ISAR像的比幅法測角在實際應用中是完全可行的,其三維形狀與實際散射點位置一致,驗證了本文算法的有效性。

3.2 實測飛機目標

為了進一步驗證三維ISAR成像實際應用的可行性,該雷達對遠距離民航客機進行跟蹤并三維成像,處理結(jié)果如圖4所示。

圖4 和差波束ISAR成像

圖4中(a)為民航飛機光學圖像,(b)為和信號的ISAR結(jié)果,(c)與(d)分別為水平差、俯仰差信號的ISAR成像結(jié)果。采用RD0.成像之前需要經(jīng)過運動補償及距離徙動校正。和信號ISAR分別與水平差ISAR像及俯仰差ISAR像進行像素點干涉和比幅,得到如圖5所示結(jié)果。

圖5(a)、(b)分別為水平俯仰通道的干涉相位圖,(c)、(d)為兩個通道的比幅結(jié)果圖,可以看出相位及幅度比均呈現(xiàn)一定的趨勢性,為后續(xù)的處理提供了可能性。

為了對比本文方法結(jié)果與傳統(tǒng)一維距離像的比幅法成像結(jié)果,這里畫出了傳統(tǒng)處理方法的三維成像結(jié)果,如圖6所示。

圖6直接采用一維距離像比幅法測角進行三維成像,圖(a)、(b)、(c)分別為三維成像在距離水平平面、距離俯仰平面、水平俯仰平面的投影,(d)為一維距離向的三維成像。可以看出采用一維距離像的比幅法測角對高分辨目標成像效果較差,同一距離單元內(nèi)多個散射點的疊加使得測角誤差較大,最終導致目標輪廓變形。

下面采用本文提出的利用ISAR圖像像素點的幅度比進行圖像重構(gòu),得到如圖7所示結(jié)果。

圖7 三維ISAR成像及二維投影

圖7為三維ISAR成像及其在二維平面的投影,(a)為三維ISAR在距離水平平面的投影,(b)、(c)分別為三維ISAR在距離俯仰平面及水平俯仰平面的投影,(d)為合成后的三維ISAR圖像。圖(a)中可以清楚的看出目標飛機的輪廓,并且可以得到飛機的實際尺寸,實現(xiàn)目標的定標。比較圖6與圖7結(jié)果可知,本文提出的方法對實測數(shù)據(jù)效果更具有直觀性。該方法既可以顯示目標的輪廓,也可以準確定標,較傳統(tǒng)一維距離向測角三維成像具有更大的優(yōu)勢。

4.結(jié) 論

在大帶寬、高分辨情況下傳統(tǒng)的一維距離像比幅法測角,由于多個散射點的復數(shù)疊加難以對目標輪廓進行準確定位。本文采用了基于ISAR圖像的像素點比幅法測角,利用同一距離單元內(nèi)散射點多普勒的不同分離重疊的散射點,最后利用散射點的幅度比重構(gòu)三維ISAR圖像。實測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示該方法較傳統(tǒng)方法成像質(zhì)量有較大改善。對遠距離目標跟蹤、定標、識別提供了前提,為實際工程運用提供了另一種可行的方法。目前對三維ISAR研究剛剛起步,國內(nèi)首批數(shù)據(jù)中仍存在較多問題,三維ISAR成像算法及補償算法是今后研究的重點和方向。

[1]CHEN C,ANDREWS H C.Targets motion induced radar imaging[J].IEEE Trans.On AES,1982,16(1)：2-14.

[2]BAO Z,SUN C Y,XING M D.Time-frequency approaches to ISAR imaging of maneuvering targets and their limitations[J].IEEE Trans.On Aerospace and Electronic Systems,2001,37(3)：1091-1099.

[3]CHEN V C,QIAN S.Joint time-frequency transform for radar range-doppler imaging[J].IEEE Trans.On Aerospace and Electronic Systems,1998,34(2)：486-499.

[4]張明友,汪學剛.雷達系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006：45-49.

[5]WANG Genyuan,XIA Xianggen,and CHEN V C.Three-dimensional ISAR imaging of maneuvering targets using three receivers[J].IEEE Trans.Image Processing,2001,10(3)：436-447.

[6]張 群,馬長征,張 濤,等.干涉式逆合成孔徑雷達三維成像技術研究[J].電子與信息學報,2001,23(9)：890-898.ZHANG Qun,MA Changzheng,ZHANG Tao,et al.Research on 3-D imaging technique for interferometric inverse synthetic aperture radar[J].Journal of Electronics and Information Technology,2001,23(9)：890-898.(in Chinese)

[7]邢孟道,保 錚,鄭義民.用整體最優(yōu)準則實現(xiàn)ISAR成像的包絡對齊[J].電子學報,2001,29(12A)：1807-1811.XING Mengdao,BAO Zheng,ZHENG Yimin.Range alignment using global optimization criterion in ISAR imaging[J].Acta Electronica Sinica,2001,29(12A)：1807-1811.(in Chinese)

[8]YE W,YEO T S,BAO Z.Weighted least-squares estimation of phase errors for SAR/ISAR autofocus[J].IEEE Trans.On Geoscience and Remote Sensing,1999,37(5)：2487-2494.

[9]PERRY R P,DIPIETRO R C,L FANT E R.SAR imaging of moving targets[J].IEEE Trans.AES,1999,35(1)：188-199.

[10]TSAO J and STEINBERG B D.Reduction of sidelobe and speckle artifacts in microwave imaging：the CLEAN technique[J].IEEE T rans.on AP.1988,36(4)：543-556.

[11]LI Jian,Stoica P.An Adaptive Filtering Approach to Spectral Estimation and SAR Imaging[J].IEEE T rans.Signal Processing,1996,44(6)：1496-1484.

[12]HUANG P K,YIN H C.Angular glint of extended targets[J].Journal of Systems Engineering and Electronics,1990,12(12)：l-17.