基于解線頻調(diào)ISAR成像與散射中心匹配的彈道目標(biāo)識(shí)別*

何興宇，童寧寧，胡曉偉

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

基于解線頻調(diào)ISAR成像與散射中心匹配的彈道目標(biāo)識(shí)別*

何興宇，童寧寧，胡曉偉

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

為了能充分利用目標(biāo)的散射中心進(jìn)行彈道目標(biāo)識(shí)別，提出利用解線頻調(diào)的方法，通過(guò)對(duì)距離向和方位向進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)散射中心成像，然后從目標(biāo)ISAR像中提取目標(biāo)特征信息。最后提出了一種新的匹配識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的分類識(shí)別，該方法利用提取的散射中心的位置和幅度信息，通過(guò)構(gòu)造匹配度矩陣，判定目標(biāo)所屬的類別。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法在設(shè)定情況下具有良好的目標(biāo)識(shí)別能力。

ISAR，解線頻調(diào)，散射中心，匹配矩陣，特征量

0 引言

地面多功能雷達(dá)（GBR）所具有的大帶寬可以獲取高分辨的一維距離像，然而一維距離像只反映目標(biāo)的徑向一維信息，導(dǎo)彈彈頭目標(biāo)一般較小而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一維距離像能攜帶的信息少并且敏感于目標(biāo)的姿態(tài)變化，給識(shí)別帶來(lái)難度。但逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）可以通過(guò)橫向分辨將這些距離上重合的點(diǎn)分開(kāi)，從而獲得目標(biāo)的二維分布，極大提高目標(biāo)的信息量［1］。ISAR具有遠(yuǎn)距離、全天候、全天時(shí)工作等優(yōu)點(diǎn)，目前通過(guò)ISAR成像來(lái)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別已得到廣泛的應(yīng)用，并且可以對(duì)飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高分辨二維乃至三維成像，所以ISAR成像是戰(zhàn)略防御系統(tǒng)中極有前途的一種目標(biāo)識(shí)別手段［2-3］。

逆合成孔徑雷達(dá)成像基于目標(biāo)的散射點(diǎn)模型，即認(rèn)為在不大的角度范圍里，目標(biāo)可用位置、強(qiáng)度不變的散射點(diǎn)表示它的散射特征［4］。本文基于目標(biāo)的散射點(diǎn)成像，通過(guò)散射點(diǎn)特征匹配實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別。文獻(xiàn)［5-6］分析并仿真了彈道目標(biāo)回波，介紹了ISAR中的信號(hào)處理和特征提取技術(shù)，文獻(xiàn)［7-8］分析了轉(zhuǎn)動(dòng)目標(biāo)的ISAR成像方法及其發(fā)展。為了更好地對(duì)目標(biāo)成像，需要選用時(shí)寬帶寬積較大的信號(hào)，本文選用線性調(diào)頻信號(hào)。用解線頻調(diào)的方法對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)散射中心成像，并得到目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)成像結(jié)果［9］，再進(jìn)行目標(biāo)成像信息的提取，獲得目標(biāo)散射中心的位置和幅度信息，最后通過(guò)匹配識(shí)別，判斷目標(biāo)所屬的目標(biāo)類。

1 解線頻調(diào)與散射中心成像

其中，發(fā)射時(shí)刻tm=mT（m=0，1，2，…），稱為慢時(shí)間，t稱為快時(shí)間。fc為中心頻率，Tp為脈寬，γ為調(diào)頻率。

設(shè)參考距離為Rref，則參考信號(hào)為［4］：

其中，Tref為參考信號(hào)的脈寬。參考信號(hào)中的載頻信號(hào)應(yīng)與發(fā)射信號(hào)中的載頻信號(hào)相同，以得到良好的相干性。

某點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)的距離為Ri，雷達(dá)接收到的該目標(biāo)信號(hào)sr（，tm）為：

若R△=Ri-Rref，則其差頻輸出為：

將式（4）的差頻信號(hào)對(duì)快時(shí)間作傅里葉變換，由此得到在差頻域的表示式：

式（5）中后兩個(gè)相位項(xiàng)可寫(xiě)成：

對(duì)上述得到的每一次回波信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到目標(biāo)的一維距離像信息，對(duì)得到的多次一維距離像對(duì)慢時(shí)間作傅里葉變換，得到目標(biāo)散射中心的ISAR二維成像結(jié)果。此時(shí)，目標(biāo)縱向分辨率與帶寬成反比，橫向分辨率與觀測(cè)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)轉(zhuǎn)過(guò)的角度成反比。

2 特征量匹配識(shí)別

在得到目標(biāo)的散射中心成像結(jié)果后，并不能完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別，如果直接利用目標(biāo)散射中心圖像判斷目標(biāo)類別將有很大的不確定性，因此，本文提出了利用散射中心特征量匹配的識(shí)別方法。

經(jīng)過(guò)上面的散射中心成像，得到目標(biāo)的散射中心分布情況，其中包含散射中心的位置及幅度信息。設(shè)（pi，qi），i=1，2，…，N為得到的各散射中心的信息，其中pi為第i個(gè)散射點(diǎn)的位置，qi為第i個(gè)散射點(diǎn)的幅度，N為散射點(diǎn)個(gè)數(shù)。同樣（pij，qij），i=1，2，…，N，j=1，2，…，M為模板散射中心分布信息，（pij，qij）為第j個(gè)模板位置及幅度信息，模板總數(shù)為M。

彈頭目標(biāo)ISAR圖像散射點(diǎn)較少，因而每個(gè)散射點(diǎn)代表的信息量就相對(duì)較多，所以在一定的姿態(tài)角范圍內(nèi)，識(shí)別出的目標(biāo)散射中心數(shù)目標(biāo)應(yīng)與成像得到的散射中心數(shù)目相同，進(jìn)行匹配識(shí)別時(shí)要舍去與提取得到的散射中心數(shù)目不一致的模板。對(duì)剩余模板及成像得到的散射中心信息進(jìn)行以下處理：

步驟1將每組散射中心幅度按最大值進(jìn)行歸一化，得到歸一化幅度：

步驟2建立目標(biāo)對(duì)各個(gè)模板的位置差矩陣，構(gòu)造如下：

步驟3建立目標(biāo)對(duì)各個(gè)模板的幅度差矩陣，并且由于幅度強(qiáng)的散射中心對(duì)于表征目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征貢獻(xiàn)較大，因此，幅度差矩陣構(gòu)造如下

3 仿真分析

仿真采用發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)脈沖寬度Tp=40 μs，中心頻率fc=6 GHz，信號(hào)帶寬B=300 MHz，采樣頻率Fs=300 MHz，脈沖重復(fù)頻率prf=50 MHz，自旋角速度w=0.01 rad/s，同時(shí)，為了獲得清晰的ISAR圖像，應(yīng)使方位分辨率與距離分辨率相同，即ρr=ρa(bǔ)，而距離分辨率理論值為，故成像段目標(biāo)總轉(zhuǎn)角滿足。

作為與本文成像方法的對(duì)比，圖1給出了距離像域分解重構(gòu)后得到的成像結(jié)果。圖2為距離和方位維同時(shí)進(jìn)行FFT變換得到散射中心圖像。圖3為目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)成像結(jié)果。

圖1 距離像分解重構(gòu)的成像結(jié)果

圖2 距離和方位維同時(shí)進(jìn)行FFT變換得到的散射中心圖像

圖3 目標(biāo)散射中心轉(zhuǎn)臺(tái)成像結(jié)果

圖4 目標(biāo)散射點(diǎn)模型

由圖1和圖2的對(duì)比可以看出，由于距離像域分解重構(gòu)方法得到的成像結(jié)果有較大的距離向展寬及越距離單元走動(dòng)，利用本文的方法得到的成像結(jié)果要比距離像域分解重構(gòu)得到的成像效果要好。

利用得到的目標(biāo)散射中心成像結(jié)果，依據(jù)本文提出的匹配識(shí)別方法，提取目標(biāo)散射中心的位置和幅度信息，然后構(gòu)造目標(biāo)與模板的位置差與幅度差矩陣，按照匹配識(shí)別過(guò)程得到最終匹配識(shí)別結(jié)果如圖4所示。

由匹配出的目標(biāo)散射點(diǎn)模型可以看出，成像得到的結(jié)果與目標(biāo)散射點(diǎn)模型相似度很大。而由于誘餌及伴飛物的影響，傳統(tǒng)的直接根據(jù)目標(biāo)的ISAR圖像進(jìn)行目標(biāo)分類識(shí)別并不能有好的識(shí)別效果，與之相比該方法有較好的識(shí)別性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用目標(biāo)的散射點(diǎn)模型進(jìn)行ISAR成像進(jìn)而進(jìn)行匹配識(shí)別具有非常大的潛力。本文在利用解線頻調(diào)方法處理線性調(diào)頻信號(hào)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)散射中心的成像，進(jìn)而利用提出的匹配識(shí)別的方法完成對(duì)目標(biāo)的分類識(shí)別。仿真實(shí)驗(yàn)證明，基于解線頻調(diào)成像方法較距離像域分解重構(gòu)有更好的成像效果，匹配識(shí)別體現(xiàn)了較好的目標(biāo)識(shí)別效果，證明該方法對(duì)勻高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)具有較好的識(shí)別性能。然而，對(duì)于高速機(jī)動(dòng)類目標(biāo)及彈頭微動(dòng)較復(fù)雜的情況下，該方法需進(jìn)一步完善。

［1］周萬(wàn)幸.彈道導(dǎo)彈雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］陳秀偉，張?jiān)迫A，張祥坤.彈道導(dǎo)彈的ISAR回波模擬［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，12（1）:29-34.

［3］周萬(wàn)幸.ISAR成像系統(tǒng)與技術(shù)發(fā)展綜述［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（9）：1-7.

［4］保錚，邢孟道，王彤.雷達(dá)成像技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［5］Thayaparan T，F(xiàn)rangos P，Stankovic L.Signal Processing Techniques for ISAR and Feature Extraction［J］.IET Signal Processing，2008，2（3）:189-191.

［6］姚漢英，李星星，孫文峰，等.基于電磁散射數(shù)據(jù)的彈道目標(biāo)寬帶回波仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013，25（4）：599-604.

［7］賀思三，龍戈農(nóng)，趙會(huì)寧，等.非均勻轉(zhuǎn)動(dòng)目標(biāo)ISAR成像及橫向定標(biāo)［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，13（4）:36-40.

［8］Pastina D.Rotation Motion Estimation for High Resolution ISAR and Hybrid SAR/ISAR Target Imaging［C］//IEEE Eadar Conference.Rome:IEEE Press，2008:1674-1679.

［9］楊有春，童寧寧，馮存前，等.彈道目標(biāo)中段平動(dòng)補(bǔ)償與微多普勒提?。跩］.宇航學(xué)報(bào)，2011，32（10）:2235-2241.

Ballistic Targets Recognition Based on Dechirping ISAR Imaging and Scattering Centers Matching

HE Xing-yu，TONG Ning-ning，HU Xiao-wei
（Air and Missile Defense College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

To recognise the ballistic targets by the effectively use of its scattering centers，dechirping method is proposed.First，by proceeding planar FFT，imaging for targets’scattering centers is achieved.Then targets’feature information is extracted from targets’ISAR imaging.At last，a new matching method for recognition is proposed to realize targets’classification.The method realize its function by the use of the scattering centers’position and amplitude that extracted，then realized the classification by constructing metching matrixs.Simulations show the method has a fine target recognition ability under the certain condition.

ISAR，dechirp，scattering center，matching matrix，feature information

TN957.52

A

1002-0640（2015）02-0006-03

2013-12-15

2014-01-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61372166）

何興宇（1989-），男，河北石家莊人，碩士研究生。研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理。