多基ISAR艦船側(cè)視及俯視高分辨率成像方法

李 寧 汪 玲* 張 弓

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多基ISAR艦船側(cè)視及俯視高分辨率成像方法

李 寧 汪 玲張 弓

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 南京 210016)

由于艦船運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，獲得艦船高分辨率圖像一直是雷達(dá)成像領(lǐng)域的熱點(diǎn)，同時(shí)多平臺(tái)聯(lián)合監(jiān)視和作戰(zhàn)模式近年來(lái)發(fā)展迅速?；谏鲜銮闆r，該文提出了一種多基ISAR艦船成像方法。該方法通過(guò)合理布置各平臺(tái)的高度和方位，綜合各平臺(tái)接收的回波數(shù)據(jù)后，相比單基雷達(dá)可增加平穩(wěn)成像積累時(shí)間，結(jié)合最優(yōu)成像時(shí)間段選擇，可獲得更高分辨的艦船側(cè)視及俯視圖像。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該成像方法的有效性。

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)；艦船；多基；側(cè)視；俯視

1 引言

ISAR能夠?qū)Ψ呛献髂繕?biāo)成像，得到目標(biāo)的2維高分辨率圖像，是一種有效的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別途徑。與其它運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(如空中的飛機(jī)和地面上的車輛)的成像相比，艦船成像的特點(diǎn)是海浪起伏引起的艦船偏航、縱搖和橫搖可以作為成像的主要來(lái)源。同時(shí)，由于艦船的3維搖擺運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致目標(biāo)有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量的大小和方向具有時(shí)變特性，獲得高質(zhì)量的艦船圖像具有較高難度。

針對(duì)艦船目標(biāo)的成像問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了一些成像處理方法，如時(shí)頻分析法、最優(yōu)成像時(shí)間選擇法。時(shí)頻分析法不受多普勒頻率時(shí)變的影響，可以得到一系列的反映艦船姿態(tài)變化的瞬時(shí)圖像，但是計(jì)算量偏大，存儲(chǔ)量也較大，對(duì)于后期的目標(biāo)識(shí)別，存在較大的信息冗余。最優(yōu)成像時(shí)間選擇法通過(guò)從回波數(shù)據(jù)中提取艦船的運(yùn)動(dòng)信息，并根據(jù)該信息確定最有利于成像的時(shí)間段進(jìn)行成像。該方法運(yùn)算量小，并且可以有針對(duì)性地得到艦船的側(cè)視圖和俯視圖，非常有利于艦船目標(biāo)的識(shí)別，但是這種方法基于觀測(cè)期間轉(zhuǎn)動(dòng)矢量近似不變的假設(shè)，雖然可以依靠時(shí)變運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償適當(dāng)增加積累時(shí)間，但成像積累時(shí)間仍然受限。

近年來(lái)，在多平臺(tái)聯(lián)合監(jiān)視和作戰(zhàn)模式實(shí)際需求的推動(dòng)下，多基ISAR成像方法獲得關(guān)注。利用分置于不同載機(jī)平臺(tái)的雷達(dá)形成多發(fā)多收的ISAR系統(tǒng)，通過(guò)綜合各平臺(tái)的回波數(shù)據(jù)，可增加成像積累時(shí)間，有效提高目標(biāo)的方位向分辨率。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]以艦船目標(biāo)為例，分別探討了如何利用多基ISAR提高目標(biāo)俯視圖和側(cè)視圖的方位向分辨率，但是均假設(shè)載機(jī)靜止，而且目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)僅含有垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量或水平轉(zhuǎn)動(dòng)矢量。但是在實(shí)際中，不但載機(jī)運(yùn)動(dòng)，而且艦船在正常航行的同時(shí)還受到海浪的作用做3維非平穩(wěn)搖擺運(yùn)動(dòng)，垂直和水平轉(zhuǎn)動(dòng)矢量同時(shí)存在。此時(shí)，文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中方法的應(yīng)用將受到限制。本文在對(duì)文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的多基ISAR艦船成像方法，該方法通過(guò)合理布置各平臺(tái)的高度和方位，綜合各平臺(tái)接收的回波數(shù)據(jù)后，結(jié)合最優(yōu)成像時(shí)間段選擇，可同時(shí)獲得高分辨的艦船側(cè)視及俯視圖像。與文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中方法相比，該方法針對(duì)實(shí)際情況，更全面考慮了載機(jī)運(yùn)動(dòng)和艦船的3維搖擺運(yùn)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)合多平臺(tái)雷達(dá)數(shù)據(jù)，可同時(shí)提高艦船目標(biāo)側(cè)視和俯視的方位向分辨率。本文通過(guò)仿真數(shù)據(jù)的處理，驗(yàn)證了該方法的有效性。

本文內(nèi)容安排如下，第2節(jié)給出多基ISAR對(duì)艦船成像原理，第3節(jié)給出多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法以及處理流程，第4節(jié)對(duì)本文的多基ISAR艦船成像方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，第5節(jié)是結(jié)論。

2 多基ISAR艦船成像原理

本節(jié)以雙基雷達(dá)為例描述成像原理。成像幾何關(guān)系如圖1所示。觀察起始時(shí)刻，即時(shí)，艦船中心位于固定參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)，固定于艦船的坐標(biāo)系與重合，為目標(biāo)上某散射點(diǎn)。艦船以速度沿軸正方向航行，同時(shí)艦船受到海浪的作用做3維非平穩(wěn)的搖擺運(yùn)動(dòng)，,,分別表示其偏航、縱搖、橫搖的角速度。載機(jī)和以相同速度沿軸正方向飛行，飛行高度和初始方位如圖1所示，和分別為載機(jī)和載機(jī)的初始方位角，和分別為載機(jī)和載機(jī)的擦地角，為雙基地角。

各載機(jī)除接收自身發(fā)出的信號(hào)，還可接收來(lái)自其它載機(jī)發(fā)出的信號(hào)，因此雙基系統(tǒng)實(shí)際包含兩個(gè)單基工作模式，即載機(jī)自發(fā)自收，載機(jī)自發(fā)自收，以及載機(jī)與載機(jī)之間互相收發(fā)的雙基模式。與互相收發(fā)形成的雙基系統(tǒng)可以等效為視線沿雙基地角平分線的單基工作模式，兩載機(jī)連線與雙基地角平分線的交點(diǎn)位置是等效后的單基載機(jī)平臺(tái)位置。

目標(biāo)的3維轉(zhuǎn)動(dòng)矢量可以分解為雷達(dá)視線坐標(biāo)系上的水平轉(zhuǎn)動(dòng)矢量和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量，分別如圖1中的和所示。利用水平轉(zhuǎn)動(dòng)矢量可得到艦船的側(cè)視圖，利用垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量可得到艦船的俯視圖。由圖1可以得到各平臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)矢量和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量與艦船3維轉(zhuǎn)動(dòng)矢量，以及載機(jī)與艦船相對(duì)運(yùn)動(dòng)矢量的關(guān)系如下：

圖1 多基ISAR對(duì)艦船成像幾何示意圖

(2)

(6)

可見(jiàn)，綜合各個(gè)平臺(tái)數(shù)據(jù)后獲得的總轉(zhuǎn)角要明顯大于單個(gè)雷達(dá)平臺(tái)的轉(zhuǎn)角，可顯著提高艦船圖像的方位向分辨率。但是，為有效綜合各平臺(tái)數(shù)據(jù)，需要保證多個(gè)平臺(tái)之間轉(zhuǎn)角的連續(xù)性。由圖2可知，相對(duì)平臺(tái)的初始轉(zhuǎn)角須介于相對(duì)平臺(tái)的初始轉(zhuǎn)角和終止轉(zhuǎn)角之間，即

圖2 最優(yōu)成像時(shí)間段內(nèi)相對(duì)于不同雷達(dá)平臺(tái)構(gòu)成的成像轉(zhuǎn)角, 的變化示意圖

(8)

因此，各雷達(dá)平臺(tái)初始設(shè)置需滿足

(10)

由式(9)和式(10)可知，多基ISAR成像各平臺(tái)初始方位角和擦地角設(shè)置與成像積累時(shí)間和艦船相對(duì)于各平臺(tái)的垂直和水平轉(zhuǎn)動(dòng)角速度有關(guān)。

由于成像積累時(shí)間通常較短，在1/10 s(海情高)或秒量級(jí)(海面較平靜)，而且由艦船搖擺和載機(jī)運(yùn)動(dòng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，機(jī)艦相對(duì)轉(zhuǎn)速通常在1/100量級(jí)，各平臺(tái)方位角差異和擦地角差異很小，通常不到，因此不同平臺(tái)的水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量可近似相等，令,。式(5)、式(6)、式(9)和式(10)變?yōu)?/p>

（12）

以上討論的是雙基情況，該方法可擴(kuò)展至多基模式，可進(jìn)一步提高艦船圖像的方位分辨率。

3 多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法

本節(jié)給出多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法，具體包括以下步驟：

(1) 最優(yōu)成像時(shí)間段選擇對(duì)某一平臺(tái)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)距離多普勒(RD)成像處理，獲得一系列艦船圖像，然后通過(guò)計(jì)算艦船圖像多普勒展寬和艦船中心線斜率來(lái)估計(jì)有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量、垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量和水平轉(zhuǎn)動(dòng)矢量。當(dāng)有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量較大時(shí)，表明海面不平靜，此時(shí)選擇有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量較大而垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量較小的時(shí)刻作為艦船側(cè)視圖成像的最優(yōu)時(shí)刻；當(dāng)有效轉(zhuǎn)動(dòng)矢量較小時(shí)，表明海面較平靜，此時(shí)選擇垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量較大的時(shí)刻作為俯視圖成像的最優(yōu)時(shí)刻。成像所需積累時(shí)間利用圖像對(duì)比度最大準(zhǔn)則確定。

(2) 平臺(tái)間相位補(bǔ)償 對(duì)各平臺(tái)接收回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償，以校正各平臺(tái)與目標(biāo)中心距離不同而產(chǎn)生的相位誤差。

(5) 多平臺(tái)數(shù)據(jù)融合 將步驟(4)中不同平臺(tái)時(shí)移后的回波數(shù)據(jù)在時(shí)域中拼接起來(lái)。

(6) 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 補(bǔ)償載機(jī)和艦船之間的平動(dòng)矢量。本文采用全局最小熵方法完成距離對(duì)準(zhǔn)，采用相位梯度自聚焦方法完成相位補(bǔ)償。

(7) 對(duì)綜合后的數(shù)據(jù)在方位向進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，完成成像。

圖3給出完整的多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法流程圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)對(duì)上文給出的多基ISAR成像方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真中采用的多散射點(diǎn)艦船模型如圖4所示，目標(biāo)主要尺寸如圖中標(biāo)注，該模型共包含301個(gè)散射點(diǎn)，各散射點(diǎn)坐標(biāo)間距為5 m，散射點(diǎn)的反射系數(shù)均設(shè)為單位值。仿真中未考慮遮擋效應(yīng)。成像幾何關(guān)系如圖1所示，具體仿真系統(tǒng)參數(shù)與艦船運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。假設(shè)成像起始時(shí)刻載機(jī)距地面高度，與艦船的斜距為，方位角，擦地角/。假設(shè)載機(jī)與載機(jī)的方位角之差為，擦地角之差為。需要指出，此處和的設(shè)置是參考艦船相對(duì)載機(jī)的垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和水平轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，詳見(jiàn)下述。

假設(shè)一次連續(xù)采集10 s的回波數(shù)據(jù)，由艦船和載機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算出相對(duì)平臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)矢量和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)矢量，如圖5中虛線所示。根據(jù)和隨時(shí)間變化曲線，通過(guò)最優(yōu)成像時(shí)間選擇，選定作為俯視圖最優(yōu)成像中心時(shí)刻，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的為；選定作為側(cè)視圖最優(yōu)成像中心時(shí)刻，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的為。兩個(gè)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度均選為。

圖3 多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法流程圖

圖4 艦船模型

運(yùn)用本文所述多基ISAR成像算法分別對(duì)以上兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行成像，得到艦船的俯視及側(cè)視圖，如圖6和圖7所示。圖6(a)和圖6(b)分別為單基ISAR和本文多基成像算法所得艦船俯視圖。圖7(a)和圖7(b)分別為單基ISAR和本文多基成像算法所得艦船側(cè)視圖。對(duì)比圖6(a)和圖6(b)可以看出，圖6(b)的艦船俯視圖輪廓明顯比圖6(a)清晰，很容易分辨出船頭和船尾。比較圖7(a)和圖7(b)可發(fā)現(xiàn)，圖7(b)的分辨率高于圖7(a)，船身及桅桿上的散射點(diǎn)清晰可辨。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文多基ISAR成像算法的有效性，圖8分別給出了上述不同數(shù)據(jù)段成像結(jié)果中某散射點(diǎn)所在距離單元的方位向幅度剖面。由圖8(a)和圖8(b)可以明顯看出，運(yùn)用本文多基ISAR成像算法后，方位向分辨率提高了大約3倍，這與前面的理論分析一致。

上述仿真的成像結(jié)果及某散射點(diǎn)的方位向剖面分析驗(yàn)證了本文算法的有效性，說(shuō)明通過(guò)合理配置各平臺(tái)的位置，并結(jié)合最優(yōu)成像時(shí)間選擇技術(shù)，可以得到高分辨率的艦船俯視和側(cè)視圖像。

表1 仿真參數(shù)

參數(shù)取值參數(shù)取值 波長(zhǎng)0.032 m艦船速度vS20 節(jié) 帶寬60 MHz 距離向采樣率70 MHz偏航qy 距離向分辨率2.5 m縱搖qp 載機(jī)速度120 m/s橫搖qr

圖6 第1個(gè)數(shù)據(jù)段成像結(jié)果(中心時(shí)刻為)

圖7 第2個(gè)數(shù)據(jù)段成像結(jié)果(中心時(shí)刻為)

圖8 單基ISAR與本文多基ISAR成像結(jié)果某散射點(diǎn)的方位向剖面比較

5 結(jié)論

艦船是一類非常重要的軍事目標(biāo)，研究如何獲得高質(zhì)量且有利于識(shí)別的艦船圖像是一項(xiàng)極具戰(zhàn)略意義的任務(wù)。本文在深入研究艦船運(yùn)動(dòng)規(guī)律及已有研究成果的基礎(chǔ)上，給出了一種艦船側(cè)視和俯視多基ISAR成像算法，詳細(xì)闡述了該算法提高目標(biāo)成像方位向分辨率的原理，給出了算法的處理流程及其中關(guān)鍵步驟的分析。艦船仿真數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗(yàn)證了算法的正確性和有效性。該算法通過(guò)融合多個(gè)雷達(dá)平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)，可以同時(shí)提高艦船目標(biāo)的側(cè)視和俯視的方位向分辨率，得到高分辨的艦船側(cè)視及俯視圖像。

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High-resolution Side-view and Top-view Imaging Method of Ship Targets Using Multistatic ISAR

Li Ning Wang Ling Zhang Gong

(College of Electronic Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China)

How to obtain high-resolution images of ship targets is an active research area in radar field due to the complexity of the ship motion. At the same time, multi-platform based surveillance and combat mode is gaining more and more interests in recent years. Based on the above situation, in this paper, a multistatic Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) ship imaging method is presented, the method is capable of increasing the integration time for stationary imaging by deploying the multiple platforms with appropriate altitudes and aspect angles and coherently integrating the echoes received by each platform. Combined with the optimal imaging time selection scheme, this method can obtain side-view or top-view ship images with higher-resolution as compared to the monostatic radar. Simulations are performed to verify the effectiveness of our multistatic ISAR ship imaging method.

Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR); Ship targets; Multistatic; Side-view; Top-view

TN958

A

2095-283X(2012)02-0163-08

10.3724/SP.J.1300.2012.20021

2012-04-05收到，2012-05-22改回；2012-06-08網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國(guó)家自然科學(xué)基金(61001151)資助課題

汪玲 tulip_wling@nuaa.edu.cn

李寧(1987-)男，碩士，研究方向?yàn)槟婧铣煽讖嚼走_(dá)(ISAR)成像。

汪玲，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)槔走_(dá)成像，包括合成孔徑雷達(dá)成像、逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像、分布式孔徑雷達(dá)成像、無(wú)源雷達(dá)成像等。

張弓(1964-)，男，南京航空航天大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，南京航空航天大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學(xué)位。中國(guó)宇航學(xué)會(huì)電磁信息專業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國(guó)航空學(xué)會(huì)會(huì)員、IEEE會(huì)員。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別等。

E-mail: gzhang@nuaa.edu.cn