一種基于聚束式SAR圖像的單脈沖測(cè)角方法?

宮蘭暉, 李涼海, 張振華

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

一種基于聚束式SAR圖像的單脈沖測(cè)角方法?

宮蘭暉, 李涼海, 張振華

(北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076)

傳統(tǒng)單脈沖雷達(dá)把艦船目標(biāo)當(dāng)作點(diǎn)目標(biāo)處理，海面雜波對(duì)其影響較大，它對(duì)小目標(biāo)無法進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍。提出一種基于聚束式SAR圖像的單脈沖測(cè)角方法，解決了雷達(dá)對(duì)小目標(biāo)能量重心的精確測(cè)角問題。首先對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多通道高分辨成像，然后通過對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行單脈沖測(cè)角估算出目標(biāo)上散射點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)天線波束中心軸的角度偏差，最后對(duì)目標(biāo)上較強(qiáng)散射點(diǎn)的單脈沖測(cè)角值進(jìn)行加權(quán)相加，從而估計(jì)出目標(biāo)能量重心處的角度值。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性。

聚束式SAR圖像； 單脈沖測(cè)角； 目標(biāo)能量重心

引 言

隨著陸地資源不斷減少，世界各國(guó)都把目光投向海洋，開發(fā)海洋資源，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)。我國(guó)海洋遼闊，海洋資源豐富，國(guó)外非法考察船經(jīng)常進(jìn)入我國(guó)海洋專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行考察，嚴(yán)重?fù)p害我國(guó)利益。因此，對(duì)海面艦船目標(biāo)進(jìn)行大范圍搜索、識(shí)別和精確定位是目前海洋管理部門的一項(xiàng)重要任務(wù)。傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)受到天時(shí)和天候的影響，應(yīng)用范圍有所限制；單脈沖跟蹤雷達(dá)不具備目標(biāo)成像能力，只能把目標(biāo)當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行定位，并且易被干擾，在實(shí)際使用中性能指標(biāo)將大大降低。而基于高分辨雷達(dá)圖像的目標(biāo)搜索、識(shí)別、定位技術(shù)首先對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行大范圍成像，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后基于高分辨圖像對(duì)目標(biāo)的關(guān)鍵部位進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而可對(duì)關(guān)鍵部位所在像素進(jìn)行精確定位。該技術(shù)不但具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可大大提高雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的偵察能力，其應(yīng)用前景廣闊。

本文針對(duì)基于雷達(dá)圖像的測(cè)角方法進(jìn)行研究，提出一種基于聚束式SAR圖像的單脈沖測(cè)角方法，首先利用多通道雷達(dá)圖像對(duì)目標(biāo)散射點(diǎn)進(jìn)行單脈沖測(cè)角，然后對(duì)較強(qiáng)散射點(diǎn)的單脈沖測(cè)角值進(jìn)行加權(quán)相加，從而估計(jì)出目標(biāo)能量重心處的角度值。該方法能增加系統(tǒng)的信雜噪比，具有較強(qiáng)的抗海雜波能力、抗干擾能力和抗單脈沖角閃爍能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海面慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精確測(cè)角和跟蹤。

1 基于聚束式SAR圖像的單脈沖測(cè)角原理

首先介紹基于聚束式SAR圖像的單脈沖測(cè)角原理，分析雷達(dá)測(cè)角位置與成像位置的關(guān)系。

假設(shè)成像場(chǎng)景如圖1所示。圖中，點(diǎn)P為位于(xP，yP)處的某一散射點(diǎn)，且假設(shè)在合成孔徑時(shí)間內(nèi)其RCS幅值為常數(shù)σP(在高分辨雷達(dá)圖像的前提下可不考慮RCS相位的影響)，雷達(dá)沿x軸方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，其速度為v，點(diǎn)P到雷達(dá)航線的垂直斜距為R0，S為合成孔徑的起始點(diǎn)，E為合成孔徑的終點(diǎn)，SS′和EE′為天線中心軸，S′(E′)為成像場(chǎng)景中心點(diǎn)，其到雷達(dá)航線的最短距離為RC，α為成像過程中天線中心軸視線的轉(zhuǎn)角，雷達(dá)高度為H，Δθ為和差波束的方位向波束寬度。雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)和通道天線方向圖調(diào)制后，有

其中，uΣ、uΔθ、uΔφ分別為和通道、方位差通道以及俯仰差通道的回波數(shù)據(jù)壓縮值，累加變量i表示合成孔徑上的采樣點(diǎn)。當(dāng)SAR工作在聚束模式時(shí)，由圖1所示的成像幾何關(guān)系作出點(diǎn)P及點(diǎn)S′(E′)的斜平面幾何關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 中，Ai(i=1，2，…，M)為雷達(dá)位置，M為方位向采樣點(diǎn)數(shù)，AiPi(P′i)為AiP在點(diǎn)S′(E′)的斜平面上的投影。在AiS′(E′) ?S′(E′)Pi(P′i) 的情況下，可認(rèn)為θP(τi)、φP(τi) 不變，即θP(τi) ≈θ0，φP(τi) ≈φ0。以正側(cè)視聚束式SAR為例，為分析簡(jiǎn)便起見，假設(shè)圖2(a)中點(diǎn)P位于直線l1上，圖2(b)中點(diǎn)P位于直線 l2上，當(dāng)雷達(dá)高度 H=5km，S′(E′)P=50m，α =4°時(shí)，在測(cè)角精度為0.1mrad的情況下，有 θmax=θmin，φmax= φmin，θmin和 θmax分別為 θP(τi) 的最小值和最大值，φmin和 φmax分別為 φP(τi) 的最小值和最大值。也就是說，對(duì)于聚束式SAR而言，方位向高分辨等效于散射點(diǎn)相對(duì)于波束中心軸等角偏差信號(hào)的積累，這使得用回波壓縮信號(hào)進(jìn)行單脈沖測(cè)角成為可能；而對(duì)于SAR的其它工作模式，如條帶模式或掃描模式，在回波數(shù)據(jù)錄取過程中，天線波束掃過散射點(diǎn)，而差波束的天線方向圖函數(shù)關(guān)于等信號(hào)軸方向奇對(duì)稱，因此差通道信號(hào)在進(jìn)行方位向積累時(shí)(如式(3)所示)，由于差波束天線方向圖的影響導(dǎo)致積累值為零，這時(shí)差通道的成像結(jié)果是無意義的，不能將其用作測(cè)角的工具。

圖2 點(diǎn)P及點(diǎn)S′(E′)的斜平面幾何關(guān)系圖

由振幅和差單脈沖測(cè)角原理[8～10]可知，點(diǎn)P相對(duì)于雷達(dá)天線中心軸的方位面角度偏差＾θP和俯仰面角度偏差分別為

其中， μθ=F′θ(θ3dB/2，φ3dB/2)/F(θ3dB/2，φ3dB/2)、μφ=F′φ(θ3dB/2，φ3dB/2)/F(θ3dB/2，φ3dB/2) 分別為方位面和俯仰面的測(cè)角比例系數(shù)，F(xiàn)為單個(gè)天線方向圖函數(shù)，F(xiàn)′θ、F′φ分別為單個(gè)方向圖函數(shù)F對(duì)θ和φ的偏導(dǎo)數(shù)，θ3dB、φ3dB分別為單個(gè)天線波束在方位面和俯仰面的半功率波束寬度，Re[·]表示取實(shí)部操作。由上述分析，將 θP(τi) ≈ θ0、φP(τi) ≈ φ0代入式(4)，得

可見，在二維高分辨的前提下，用三通道聚束式SAR圖像對(duì)散射點(diǎn)進(jìn)行角度估算得到的方位面角度偏差＾θP以及俯仰面角度偏差與方位向脈沖積累個(gè)數(shù)M無關(guān)，最終可退化為單脈沖角偏差估算式。但式(5)是在假設(shè)BP算法可以完全校正距離徙動(dòng)以及解距離方位耦合的基礎(chǔ)上得到的，而在實(shí)際中，由于采樣不可能得到上述理想表達(dá)式，因此隨著方位向脈沖積累個(gè)數(shù)M的增加，圖像信噪比增大，測(cè)角精度也會(huì)有所改善。由圖2以及關(guān)系式θP(τi)≈θ0、φP(τi)≈φ0可知，式(5)的估算值與雷達(dá)在合成孔徑的具體位置無關(guān)，可以作為散射點(diǎn)在雷達(dá)成像時(shí)刻的實(shí)時(shí)角偏差。

2 基于能量重心的雷達(dá)圖像測(cè)角方法

在高分辨雷達(dá)圖像中，整個(gè)艦船的灰度分布不均勻，亮度比較高的點(diǎn)是艦船的上層建筑，如艦橋、桅桿等的角反射或點(diǎn)反射的結(jié)果，亮度稍低的點(diǎn)是由甲板等漫反射引起的結(jié)果[11]。由于可以將不同的散射點(diǎn)分辨開，當(dāng)雷達(dá)相對(duì)于目標(biāo)的位置有小角度變化時(shí)，各散射點(diǎn)回波不會(huì)因?yàn)樽飨蛄肯嗉佣鴮?dǎo)致幅度變化，考慮到弱散射點(diǎn)容易被強(qiáng)散射點(diǎn)、雜波以及干擾污染，因此在本方法中，由強(qiáng)散射點(diǎn)得到目標(biāo)的能量重心，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)角跟蹤，從而提高雷達(dá)的抗角閃爍能力和抗干擾能力。

若目標(biāo)上強(qiáng)弱散射點(diǎn)的分布較均勻，則不需要對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行分割。目標(biāo)能量重心的角度值提取可分兩步進(jìn)行:首先選出能量較強(qiáng)的散射點(diǎn)，然后對(duì)這些較強(qiáng)散射點(diǎn)的角度偏差進(jìn)行加權(quán)相加，得到能量重心的角度信息。

2.1 散射強(qiáng)度閾值及其對(duì)應(yīng)的圖像灰度閾值的設(shè)定

為了估算出目標(biāo)能量重心的角度，首先要確定目標(biāo)上能量相對(duì)較強(qiáng)的散射點(diǎn)的角度信息，即通過確定散射強(qiáng)度閾值及其對(duì)應(yīng)的圖像灰度閾值來排除能量較弱散射點(diǎn)的干擾。下面討論閾值的設(shè)定方法。

仍然假設(shè)在成像過程中散射點(diǎn)的RCS幅值不變，由第1節(jié)的討論可知，在理想情況下，位于(x，y)處的散射點(diǎn)的回波在和通道中的數(shù)據(jù)壓縮值為

式(9)表示和通道雷達(dá)圖像中目標(biāo)的不同像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同的灰度閾值，且此灰度閾值由散射強(qiáng)度閾值以及和波束方向圖共同決定。在和通道雷達(dá)圖像中，像素灰度值大于灰度閾值的像素點(diǎn)被選出，其角度偏差將用來確定目標(biāo)能量重心的角度偏差。另外，為了增加此方法的抗角閃爍能力和可靠性，圖像灰度值達(dá)到飽和的像素點(diǎn)也要被剔除。

2.2 目標(biāo)能量重心角度值的確定

結(jié)合式(10)和式(11)，可以取

3 仿真結(jié)果及分析

為了分析基于聚束式SAR圖像的單脈沖測(cè)角性能，在此進(jìn)行仿真分析。假設(shè)聚束式SAR正側(cè)視工作，其發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，脈沖持續(xù)時(shí)間Tr=5μs，脈沖重復(fù)頻率為600Hz，載頻為2.1486GHz，信號(hào)帶寬為150MHz，單個(gè)天線方向圖為簡(jiǎn)化的高斯型方向圖，方位面和俯仰面主瓣3dB波束寬度均為1°，回波錄取過程中天線波束中心在地面的足跡坐標(biāo)為(0，5km)，成像積累角α=4°，對(duì)艦船目標(biāo)上的散射點(diǎn)建模，其示意圖如圖3(a)所示，船舷和中間桅桿上散射點(diǎn)的散射強(qiáng)度為255，兩端桅桿上散射點(diǎn)的散射強(qiáng)度為100。圖3(b)、(c)和(d)為目標(biāo)在和差三通道中的聚束式SAR圖像，圖4為和通道圖像灰度值(歸一化)，圖5為散射強(qiáng)度閾值

時(shí)由式(9)得到的圖像灰度閾值(用和通道圖像最大灰度值對(duì)其歸一化)。

圖3 目標(biāo)示意圖及其在和差三通道中的雷達(dá)圖像

圖4 和通道圖像灰度值(歸一化)

圖5 散射強(qiáng)度閾值時(shí)對(duì)應(yīng)的灰度閾值

表1 用不同散射強(qiáng)度閾值σVT估算出的能量重心的角度偏差

4 結(jié)束語

本文提出一種基于聚束式SAR圖像的單脈沖測(cè)角方法，即通過對(duì)多通道聚束式SAR圖像進(jìn)行單脈沖測(cè)角得到目標(biāo)散射點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)天線中心軸的角度，再對(duì)目標(biāo)上較強(qiáng)散射點(diǎn)的單脈沖測(cè)角值進(jìn)行加權(quán)相加，估計(jì)出目標(biāo)能量重心的角度值。仿真結(jié)果表明，該方法能有效提取目標(biāo)能量重心的角度值。由于使用了高分辨雷達(dá)圖像，該方法可增加系統(tǒng)的信雜噪比，提高跟蹤測(cè)量雷達(dá)的抗海雜波能力、抗干擾能力以及抗單脈沖角閃爍能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。但本文方法及仿真尚未考慮通道不一致、通道噪聲和圖像噪聲的影響，亦還沒有得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，仍需進(jìn)一步完善。

[1] 張澄波.綜合孔徑雷達(dá)原理、系統(tǒng)分析與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，1989.

[2] 王 娟.機(jī)動(dòng)條件下的高分辨率機(jī)載聚束SAR算法研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2011.

[3] McCorkle J W.Focusing of Synthetic Aperture Ultra Wideband Data[C].IEEE International Conference on Systems Engineering，F(xiàn)airborn，OH，USA，1991:1～5.

[4] Tan Weixian， Li Daojing， Hong Wen.Airborne Spotlight SAR Imaging with Super High Resolution Based on Back-Projection and Autofocus Algorithm[J].IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium，2008.

[5] Desai M D and Jenkins W K.Convolution Back-Projection Image Reconstruction for Spotlight Mode Synthetic Aperture Radar[J].IEEE Transaction on Image Processing，1992，1(4):505～516.

[6] 朱國(guó)富，董 臻，梁甸農(nóng).超寬帶LFM信號(hào)的BP算法[J].信號(hào)處理，2001，17(5):424～428.

[7] 林翊青，李景文.超寬帶/寬波束SAR的后向投影(BP)算法[J].遙測(cè)遙控，2005，26(3):24～30.

[8] 王德純，丁家會(huì)，程望東.精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[9] 胡體玲，李興國(guó).雙平面振幅和差式單脈沖雷達(dá)的性能分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(8):11～13.

[10] 安 紅，楊 莉，宋悅剛.單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭角度跟蹤環(huán)路建模及抗干擾仿真分析[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2012，7(1):52 ～57.

[11] 董江曼，李應(yīng)岐，鄧 飚.SAR圖像艦船目標(biāo)的特征識(shí)別[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，32(6):203～205.

A Method of Monopulse Angle Measurement Based on Spotlight SAR Images

Gong Lanhui， Li Lianghai， Zhang Zhenhua

Ship targets are considered as point targets in a traditional monopulse radar.However，the powerful sea clutter makes the monitoring for small targets invalid and limits the application of the monopulse radar technology.Thus，a method of monopulse angle measurement based on spotlight SAR images is proposed，which can measure the angle deviation between small target's energy center of gravity and the radar antenna beam's center axis accurately.Firstly，the target is imaged with high resolution in multichannel.Then， the multichannel radar images are used in monopulse angle measurement， to estimate the angle deviations between the scattering points of the target and the radar antenna beam's center axis.Finally，the angle deviations between the more powerful scattering points and the radar antenna beam's center axis are weighted by a vector，therefore the angle deviation between the target's energy center of gravity and the radar antenna beam's center axis is obtained.The simulation result demonstrates the effectiveness of the method.

Spotlight SAR images； Monopulse angle measurement； Target's energy center of gravity

TN953

A

CN11-1780(2014)04-0032-07

?項(xiàng)目資助:十二五總裝精導(dǎo)組裝備預(yù)先研究項(xiàng)目(No.51301020201)

2014-03-27 收修改稿日期:2014-04-21

宮蘭暉 1988年生，碩士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

李涼海 1965年生，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

張振華 1977年生，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)镾AR成像。