一種用于單脈沖成像的自聚焦算法

吳 迪,楊成杰,朱岱寅,沈明威

(1.南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210016;2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,江蘇南京 211100)

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一種用于單脈沖成像的自聚焦算法

吳 迪1,楊成杰1,朱岱寅1,沈明威2

(1.南京航空航天大學(xué)雷達(dá)成像與微波光子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210016;2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,江蘇南京 211100)

本文針對(duì)單脈沖成像技術(shù)在實(shí)際處理中,鑒角曲線誤差引起的方位分辨率下降問(wèn)題,提出了一種用于單脈沖成像的自聚焦算法.算法通過(guò)迭代,自動(dòng)從雷達(dá)接收數(shù)據(jù)中挑選孤立強(qiáng)散射點(diǎn)回波信號(hào)精確估計(jì)實(shí)際鑒角曲線,將其用于單脈沖成像處理中,實(shí)現(xiàn)圖像方位自聚焦.仿真及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,該方法能夠有效降低測(cè)角誤差對(duì)成像效果的影響,且對(duì)多數(shù)地貌場(chǎng)景數(shù)據(jù)具備魯棒性,是一種實(shí)際可行的單脈沖成像自聚焦算法.

單脈沖成像;雷達(dá)成像;前視成像;自聚焦

電子學(xué)報(bào)URL:http://www.ejournal.org.cn DOI:10.3969/j.issn.0372-2112.2016.08.027

1 引言

為獲取二維高分辨圖像,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)雷達(dá)往往采用合成孔徑雷達(dá)(SAR)技術(shù)[1,2]或多普勒波束銳化(DBS)技術(shù)[3]實(shí)現(xiàn)成像.然而,現(xiàn)有的SAR與DBS成像無(wú)法覆蓋飛行路線正前方,形成所謂成像“盲區(qū)”.而前視區(qū)域?qū)τ谶\(yùn)動(dòng)平臺(tái)來(lái)說(shuō),恰恰是一個(gè)極為重要、敏感的區(qū)域,此類區(qū)域可視程度的降低,無(wú)疑是雷達(dá)成像技術(shù)的一個(gè)重要缺憾.

針對(duì)這種情況,各國(guó)研究者陸續(xù)開展了前視成像的研究工作,取得了一些具有重要價(jià)值的成果.主要采用的方法包括:(1)實(shí)波束成像技術(shù)[4],該方法是早期雷達(dá)采用的成像方法,方位分辨率完全受限于波束寬度,但近些年研究者們將一些新概念引入該成像過(guò)程,使成像效果得到提升[5,6];(2)視景增強(qiáng)扇區(qū)成像雷達(dá)(SIREV)[7,8],在上世紀(jì)末由德國(guó)宇航中心(DLR)提出,其采用前視陣列天線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛行路線正前方扇形區(qū)域的高分辨率成像;(3)雙基地SAR前視成像[9,10],將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分置在不同運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,通過(guò)發(fā)射與接收平臺(tái)的不同飛行方向?qū)崿F(xiàn)前視成像,具備高分辨的特點(diǎn);(4)基于解卷積理論的實(shí)孔徑前視成像[11,12],該方法通過(guò)解卷積的思想獲取有關(guān)目標(biāo)的準(zhǔn)確信息,從而提高圖像方位分辨率;(5)單脈沖成像技術(shù)[13,14],將天線掃描與單脈沖測(cè)角相結(jié)合,利用測(cè)角改善圖像質(zhì)量,得到更為清晰的雷達(dá)圖像.文獻(xiàn)[15]對(duì)現(xiàn)有前視成像算法進(jìn)行了較為全面的總結(jié).

在上述方法中,單脈沖成像具備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、對(duì)載機(jī)飛行航跡無(wú)特殊要求等優(yōu)點(diǎn),是一種實(shí)際可行的前視成像方案.從其信號(hào)處理流程來(lái)看[13,14],單脈沖測(cè)角是其中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),測(cè)角精度的高低直接影響方位清晰度改善效果.然而,作為一種典型的多通道系統(tǒng),單脈沖雷達(dá)在實(shí)際處理中,不同接收通道間的誤差不可避免,而該誤差直接導(dǎo)致了實(shí)際鑒角曲線與設(shè)計(jì)值的偏差,進(jìn)而影響成像效果.

針對(duì)這種情況,本文提出了一種用于單脈沖成像的自聚焦算法,該算法通過(guò)迭代步驟,能夠從回波數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確估計(jì)實(shí)際鑒角曲線,克服測(cè)角誤差對(duì)成像效果的影響,實(shí)現(xiàn)圖像方位自聚焦.本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)以及多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明,該算法在實(shí)際處理中能夠有效改善由測(cè)角誤差導(dǎo)致的圖像質(zhì)量下降,同時(shí)具備較強(qiáng)的魯棒性,對(duì)多數(shù)地貌有效.

2 單脈沖成像技術(shù)

2.1 單脈沖雷達(dá)鑒角曲線

單脈沖是火控、跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)中常用的技術(shù)之一,根據(jù)不同的和、差波束形成方式,目前較為常用的單脈沖包括比幅和比相兩種模式[16].以比相模式為例,令∑(θ)、Δ(θ)分別表示和、差波束天線方向圖,在理想情況下,二者關(guān)系可表示為:

(1)

其中,j為虛數(shù)單位,θ表示相對(duì)于天線波束中心的方位角(方位偏軸角),k為一常數(shù),與系統(tǒng)參數(shù)以及天線俯仰角等因素有關(guān).令

(2)

(3)

上式揭示了單脈沖天線的測(cè)角原理,給出了單脈沖和、差比與波束中目標(biāo)偏軸角的關(guān)系,故往往稱為單脈沖雷達(dá)的鑒角曲線.

2.2 單脈沖成像算法信號(hào)處理流程

單脈沖成像技術(shù)采用單脈沖天線接收信號(hào),將方位角估計(jì)與天線掃描相結(jié)合,通過(guò)測(cè)角對(duì)回波信號(hào)的方位信息進(jìn)行提取,通過(guò)波束在成像區(qū)的掃描實(shí)現(xiàn)信號(hào)積累,以提高成像區(qū)特征目標(biāo)方位精度的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)圖像的方位分辨效果的改善.其信號(hào)處理的主要步驟包括:

(1)和、差通道數(shù)據(jù)距離脈沖壓縮.

(2)和、差兩路數(shù)據(jù)構(gòu)造單脈沖和差比,對(duì)每個(gè)距離-脈沖單元信號(hào)的方位偏軸角進(jìn)行估計(jì),并根據(jù)波束中心線瞬時(shí)指向推算實(shí)際方位.

(3)根據(jù)每個(gè)距離-脈沖單元信號(hào)方位信息的估計(jì)值在距離-方位域?qū)π盘?hào)進(jìn)行積累,獲取距離-方位圖像.

(4)根據(jù)慣性導(dǎo)航信息及數(shù)據(jù)采集空間幾何關(guān)系,將距離-方位圖像轉(zhuǎn)換為地面圖像.

文獻(xiàn)[13]、[14]對(duì)上述步驟均進(jìn)行了詳細(xì)描述,這里不在贅述.可以看出,該算法可以逐脈沖處理數(shù)據(jù),系統(tǒng)資源占據(jù)量小,易于工程實(shí)現(xiàn).

2.3 測(cè)角誤差對(duì)分辨效果的影響

由單脈沖成像算法的處理流程可知,提高方位分辨率的核心步驟即為方位角估計(jì),故測(cè)角中出現(xiàn)的誤差,將直接影響強(qiáng)散射點(diǎn)信號(hào)在其真實(shí)位置的積累,導(dǎo)致圖像方位分辨效果下降.

作為一種典型的多通道接收系統(tǒng),單脈沖雷達(dá)在實(shí)際中必然存在通道誤差,該誤差會(huì)直接導(dǎo)致實(shí)際鑒角曲線與設(shè)計(jì)值之間的差異.此外,天線姿態(tài)在飛行過(guò)程中變化(如載機(jī)俯沖、橫滾時(shí))等因素,同樣會(huì)導(dǎo)致等效鑒角曲線發(fā)生變化.此時(shí),若采用理想的鑒角曲線(設(shè)計(jì)值)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,則測(cè)角誤差必然會(huì)引起圖像在方位上的“散焦”.

為驗(yàn)證這一現(xiàn)象,我們?cè)?0dB信噪比條件下,產(chǎn)生單個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的和、差波束雷達(dá)回波仿真數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行單脈沖成像處理.產(chǎn)生回波信號(hào)時(shí)采用的鑒角曲線由公式(3)在k=30時(shí)計(jì)算所得.隨后,分別采用三條不同的鑒角曲線對(duì)數(shù)據(jù)成像,三條曲線分別在k=30、k=31.5及k=33時(shí)由公式(3)計(jì)算所得.圖1給出了成像方位剖面圖(1000次蒙特-卡洛平均),圖中每條曲線均對(duì)最大值進(jìn)行了歸一化.可以看出,當(dāng)成像鑒角曲線存在誤差時(shí),點(diǎn)目標(biāo)在方位向明顯“散焦”,分辨效果隨誤差的增加逐步下降.

3 單脈沖成像自聚焦算法

由上文可知,造成單脈沖成像方位分辨效果下降的主要因素為鑒角曲線誤差,因此,若能夠從數(shù)據(jù)中估計(jì)出實(shí)際鑒角曲線,并將其運(yùn)用于成像處理中,則可顯著改善方位散焦.眾所周知,在天線掃描過(guò)程中,雷達(dá)數(shù)據(jù)的錄取過(guò)程在方位向相當(dāng)于天線方向圖與地面散射系數(shù)的卷積.對(duì)于波束中一點(diǎn)目標(biāo),其和、差波束回波數(shù)據(jù)在慢時(shí)間域受和、差天線方向圖調(diào)制,可由回波數(shù)據(jù)精確計(jì)算天線方向圖并由此獲取鑒角曲線.

圖2給出了方位掃描模式下和差、波束天線數(shù)據(jù)錄取二維空間幾何關(guān)系示意圖.設(shè)數(shù)據(jù)錄取過(guò)程中,由和波束發(fā)射信號(hào)并由和、差波束分別接收,波束以角速度vθ勻速掃過(guò)點(diǎn)目標(biāo),令t表示慢時(shí)間,并以波束中心線與點(diǎn)目標(biāo)重合時(shí)刻為時(shí)間零點(diǎn)(t=0),則隨著波束掃描,點(diǎn)目標(biāo)的瞬時(shí)方位偏軸角可表示為:

(4)

(5)

其中,A為點(diǎn)目標(biāo)散射系數(shù).由上式可知,點(diǎn)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)中精確包含了天線方向圖調(diào)制信息,可直接由其計(jì)算鑒角曲線,即

(6)

受這一點(diǎn)啟發(fā),本節(jié)提出了一種用于單脈沖成像的自聚焦算法.該算法通過(guò)迭代運(yùn)算,自動(dòng)從回波數(shù)據(jù)挑選類似于點(diǎn)目標(biāo)的孤立強(qiáng)散射點(diǎn)信號(hào),將其用于實(shí)際鑒角曲線的估計(jì)中,并將最終估計(jì)所得的曲線用于成像處理中,實(shí)現(xiàn)方位自聚焦.算法主要步驟如下:

(7)

(8)

該數(shù)據(jù)將用于鑒角曲線的估計(jì),故稱其為初始樣本數(shù)據(jù).

(2)由樣本數(shù)據(jù)平均的方法對(duì)鑒角曲線進(jìn)行估計(jì),該過(guò)程可表示為:

(9)

(10)

其中,H1、H0假設(shè)分別表示該樣本數(shù)據(jù)“包含孤立強(qiáng)散射點(diǎn)”和“不包含孤立強(qiáng)散射點(diǎn)”.

(11)

(6)對(duì)新提取的樣本數(shù)據(jù)重復(fù)步驟(2)～(5)形成迭代過(guò)程,每次迭代降低步驟(4)中峰值區(qū)時(shí)間寬度TP,當(dāng)TP小于預(yù)先設(shè)定值時(shí)(即所選數(shù)據(jù)的單脈沖成像結(jié)果能夠良好聚焦),迭代終止,獲得最終的鑒角曲線估計(jì)值.將該鑒角曲線用于整個(gè)數(shù)據(jù)的單脈沖成像處理,從而改善由測(cè)角誤差導(dǎo)致的圖像質(zhì)量下降.

圖3給出了該算法的信號(hào)處理流程圖.該算法可在鑒角曲線完全未知的情況下由回波數(shù)據(jù)自動(dòng)估計(jì)鑒角曲線,實(shí)現(xiàn)單脈沖成像,且對(duì)不同數(shù)據(jù)具備較強(qiáng)的魯棒性.

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)通過(guò)兩組仿真數(shù)據(jù)對(duì)上節(jié)所提算法進(jìn)行驗(yàn)證,兩組實(shí)驗(yàn)均采用了機(jī)載和、差波束單脈沖雷達(dá)前視成像模型,選用的主要系統(tǒng)參數(shù)相同(如表1所示),地面場(chǎng)景回波由兩幅不同地貌的高分辨率SAR圖像生成.

表1 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)列表

第1組實(shí)驗(yàn)的仿真場(chǎng)景為建筑區(qū)域,其SAR圖像如圖4所示.圖5中虛線給出了產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)的鑒角曲線,為標(biāo)準(zhǔn)比相單脈沖鑒角曲線.對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行自聚焦處理,處理中,ηT設(shè)為0.2,TP的初始值設(shè)為樣本時(shí)間長(zhǎng)度的1/4,每次迭代減小一半,最后一次迭代時(shí)TP值為一個(gè)脈沖重復(fù)周期(PRI).圖6給出了每次迭代樣本數(shù)據(jù)單脈沖成像結(jié)果的方位剖面圖,由所有樣本平均所得.可以看出,隨著迭代過(guò)程的進(jìn)行,樣本數(shù)據(jù)的成像結(jié)果逐步接近“點(diǎn)目標(biāo)”,最后一次迭代時(shí),成像結(jié)果約為波束主瓣寬度的1/15.最終鑒角曲線的估計(jì)結(jié)果如圖5中實(shí)線所示,可以看出,估計(jì)值與真實(shí)值差距很小,精度較高.圖7給出了自聚焦處理的單脈沖成像結(jié)果.

第2組實(shí)驗(yàn)的仿真場(chǎng)景為機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)域,其SAR圖像如圖8所示.圖9中虛線給出了仿真數(shù)據(jù)采用的鑒角曲線,與實(shí)驗(yàn)1不同,該鑒角曲線并非由公式(3)生成的標(biāo)準(zhǔn)比相鑒角曲線,其目的是用于驗(yàn)證算法在實(shí)際處理中對(duì)不同鑒角曲線的魯棒性.圖10給出了每次迭代時(shí),樣本數(shù)據(jù)成像結(jié)果的方位剖面圖.最終鑒角曲線的估計(jì)結(jié)果如圖9中實(shí)線所示,可以看出,對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)、非對(duì)稱的鑒角曲線,該算法同樣具備較高的估計(jì)精度.圖11給出了自聚焦處理的成像結(jié)果.

5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

本節(jié),我們對(duì)兩組機(jī)載單脈沖雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,主要系統(tǒng)參數(shù)如表2所示.兩組數(shù)據(jù)在錄取時(shí),實(shí)際鑒角曲線與設(shè)計(jì)值均存在一定的誤差,直接采用理論曲線進(jìn)行單脈沖成像的結(jié)果在方位向清晰度上有待改善,從而能夠?qū)Ρ疚淖跃劢顾惴ㄟM(jìn)行驗(yàn)證.

表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)列表

參數(shù)名稱第一組數(shù)據(jù)參數(shù)值第二組數(shù)據(jù)參數(shù)值雷達(dá)波長(zhǎng)X波段Ku波段和波束方位向主瓣寬度3.8°3°波束方位向掃描速度15°/s200°/s波束掃描范圍(相對(duì)于飛行方向)-30°～30°-10°～10°

續(xù)表

第一組數(shù)據(jù)由某型X波段機(jī)載單脈沖雷達(dá)錄取,成像場(chǎng)景為海洋區(qū)域.圖12中實(shí)線和虛線分別給出了估計(jì)所得以及由系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算所得的鑒角曲線,可以看出,兩者存在一定的差異.圖13給出了經(jīng)過(guò)自聚焦處理后的單脈沖成像結(jié)果,為了和自聚焦前進(jìn)行對(duì)比,我們?cè)趫D中選取了一塊區(qū)域進(jìn)行了放大,并在放大圖中選取一強(qiáng)散射點(diǎn)(白色箭頭所示),在圖13(b)中給出了其自聚焦前后的方位剖面圖.從這些圖中可以明顯看出本文自聚焦算法對(duì)單脈沖圖像方位分辨效果的改善.

第二組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由某型Ku波段高分辨率機(jī)載單脈沖雷達(dá)錄取,理論距離分辨率達(dá)到0.3m.該數(shù)據(jù)錄取的目的即為驗(yàn)證機(jī)載雷達(dá)前視成像在盲著陸中的應(yīng)用,故成像場(chǎng)景為某機(jī)場(chǎng)跑道,且作用距離較近.圖14中實(shí)線和虛線分別給出了估計(jì)所得以及由系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算所得的鑒角曲線.圖15給出了最終單脈沖成像結(jié)果,由于雷達(dá)在飛行過(guò)程中不斷在前方區(qū)域掃描,故最終圖像為多次掃描的拼接圖(距離向拼接),為便于對(duì)比,圖15(a)給出了該跑道的光學(xué)圖片.從圖15(b)、(c)成像結(jié)果的對(duì)比可以明顯看出本文算法的有效性.

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鑒角曲線誤差對(duì)單脈沖前視成像算法性能的影響,本文提出了一種用于單脈沖成像的自聚焦算法.對(duì)算法的詳細(xì)信號(hào)處理流程進(jìn)行了描述,并通過(guò)多組不同地貌場(chǎng)景的仿真及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)算法性能進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明,該方法能夠在鑒角曲線未知的情況下,自動(dòng)從回波數(shù)據(jù)中精確估計(jì)鑒角曲線,降低測(cè)角誤差對(duì)成像效果的影響,實(shí)現(xiàn)圖像方位自聚焦,且對(duì)多種地貌數(shù)據(jù)有效,魯棒性較好,是一種實(shí)用的機(jī)載雷達(dá)前視成像自聚焦技術(shù).

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[16]Skolnik,M.Radar Handbook[M].3rd edn.McGraw-Hill companies,2008.

吳 迪(通信作者) 男,1982年3月出生于河南安陽(yáng),2011年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,獲博士學(xué)位.現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、地面動(dòng)目標(biāo)指示技術(shù)等.

E-mail:wudi82@nuaa.edu.cn

楊成杰 女,1992年8月出生于江蘇揚(yáng)州.2010年本科畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)信息工程專業(yè).現(xiàn)為南航電子信息工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向?yàn)闄C(jī)載雷達(dá)前視成像.

E-mail:yangchenjie0807@126.com

An Autofocusing Algorithm for Monopulse Imaging

WU Di1,YANG Cheng-jie1,ZHU Dai-yin1,SHEN Ming-wei2

(1.KeyLaboratoryofRadarImagingandMicrowavePhotonics,MinistryofEducation,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,Jiangsu210016,China;2.CollegeofComputer&InformationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu211100,China)

To overcome the deterioration of azimuth resolution caused by errors of monopulse response curve (MRC) in practical processing,this paper proposes an autofocusing algorithm for monopulse imaging technique.By applying iterative steps,this algorithm automatically extracts the echo signals of isolated strong scatterers from the received data,and employs them to accurately estimate the actual MRC.The estimated curve is then used in the procedure of monopulse imaging to autofocus the image in azimuth.As is verified by simulation and experimental results,this algorithm can effectivelyreduce the impact of MRC errors on monopulse imaging and is robust to most of the ground scenes,making it feasible in practical processing.

monopulse imaging;radar imaging;forward-looking imaging;autofocusing

2015-01-13;

2015-07-31;責(zé)任編輯:馬蘭英

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61301212,No.61201459);航空科學(xué)基金(No.20132052030);中國(guó)博士后科學(xué)基金(No.2012M511750);江蘇省博士后科研資助計(jì)劃(No.1301027B)

TN958.4

A

0372-2112 (2016)08-1962-07