艦船目標混合式SAR/ISAR成像算法研究

曹 曄，師亞輝，閆海鵬，張劍琦

艦船目標混合式SAR/ISAR成像算法研究

曹 曄，師亞輝，閆海鵬，張劍琦

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

針對高動態(tài)平臺和大斜視角成像條件下運動艦船成像模糊的問題，從提高成像處理各個環(huán)節(jié)的精度的角度出發(fā)，提出了一種基于加速度模型的混合式SAR/ISAR成像算法，實現(xiàn)了兩種算法的有效融合：首先利用運動估計結(jié)合距離徙動校正完成回波包絡(luò)粗對齊，同時在距離多普勒域通過相位濾波去除調(diào)頻率空變，然后通過相關(guān)對準實現(xiàn)包絡(luò)精對齊，補償由于運動估計不準、模型失配以及慣導(dǎo)測量等引入的誤差，最后結(jié)合加權(quán)多特顯點自聚焦法對剩余非空變相位項進行統(tǒng)一校正。仿真結(jié)果表明，所提算法能夠有效改善成像效果，得到聚焦良好的目標圖像。

混合式SAR/ISAR；艦船目標；平動補償；高分辨成像

引 言

海上超大型艦船是海洋艦隊的重要組成部分，針對超大型艦船目標的高分辨成像在當(dāng)代海戰(zhàn)中具有重要意義。而在實際工程應(yīng)用當(dāng)中，由于雷達平臺的高速機動和前斜視角的成像條件，針對非合作艦船目標的高分辨成像更加困難。為獲取更多的目標信息，需要研究提高成像結(jié)果分辨率的算法。

目前針對艦船目標的成像算法主要包括逆合成孔徑雷達ISAR（Inverse Synthetic Aperture Radar）成像算法、基于運動補償?shù)暮铣煽讖嚼走_SAR（Synthetic Aperture Radar）成像算法以及混合式SAR/ISAR成像算法。ISAR成像算法通過平動補償和轉(zhuǎn)臺成像進行成像處理，在雷達平臺高速運動和成像斜視角很大的情況下，目標各散射點距離徙動量增大且空變嚴重，相鄰回波相關(guān)性下降，包絡(luò)對齊難以精確對準，而且，基于特顯點的針對所有距離單元的統(tǒng)一初相校正忽略了距離和方位空變，也存在誤差，導(dǎo)致ISAR圖像散焦，成像質(zhì)量下降?；谶\動補償?shù)腟AR成像算法利用回波數(shù)據(jù)對艦船平動速度進行估計和補償，但在艦船運動非平穩(wěn)的情況下，比如目標存在加速和拐彎運動時，現(xiàn)有算法難以精確估計艦船的運動參數(shù)，估計誤差導(dǎo)致補償不準確，造成圖像散焦，而且，SAR成像算法及回波模型依賴于成像幾何模型，在實際應(yīng)用當(dāng)中，難以實現(xiàn)對雷達運動軌跡的精確建模，模型誤差也會導(dǎo)致成像過程中的補償不準確，最終影響成像質(zhì)量。

為了解決艦船成像模糊的問題，早在1989年，Ward K D[1]就首次提出了混合式SAR/ISAR的概念和設(shè)想；隨后幾年，Ward K D、Tough R J A和Porter N J等一同致力于這方面的研究，并于1993年聯(lián)合發(fā)表文章統(tǒng)一了SAR、ISAR、混合式SAR/ISAR在雷達成像中的應(yīng)用方法[2,3]。混合式SAR/ISAR的實現(xiàn)主要有兩種方式[4]，一是在SAR圖像中重新聚焦運動目標：首先對SAR的子孔徑數(shù)據(jù)進行ISAR處理，然后將處理后的子孔徑數(shù)據(jù)進行相干組合，得到新的SAR數(shù)據(jù)，最后用SAR重新處理新的數(shù)據(jù)便可以得到聚焦的運動目標圖像，這種方法屬于利用ISAR的優(yōu)勢來重新聚焦SAR中的運動目標；二是結(jié)合多個ISAR的數(shù)據(jù)來等效為SAR的數(shù)據(jù)：SAR的處理用于組合數(shù)據(jù)可以得到高的距離橫向分辨率，并提取目標三維特性，這種處理方法屬于利用SAR的優(yōu)勢來處理ISAR數(shù)據(jù)。

國內(nèi)對混合式SAR/ISAR成像技術(shù)的研究起步較晚，但近年來也有一些成果，主要利用上述方式一，即利用ISAR來處理SAR的數(shù)據(jù)[5-7]。典型的如文獻[6]中利用SAR粗成像和ISAR成像進行序貫處理。本文在此基礎(chǔ)上進行了改進，采用加速度模型下SAR成像結(jié)合運動估計，并利用ISAR成像步驟對SAR成像誤差進行補償?shù)幕旌鲜匠上穹椒?，對成像處理的各個環(huán)節(jié)進行更精確的補償處理，最終實現(xiàn)了運動艦船目標的兩維高分辨成像。

1 場景建模及回波仿真

圖1 成像幾何關(guān)系

圖2 艦船目標模型

表1 仿真參數(shù)

2 混合式SAR/ISAR成像過程

2.1 問題分析

若采用單一的ISAR成像算法進行處理，雖然不用考慮成像模型的影響，但由于雷達平臺運動速度快，以及成像斜視角大，導(dǎo)致同一散射點在相鄰回波中的距離徙動量較大（大于距離分辨單元）且存在空變性，無論采用非參數(shù)化的方法還是參數(shù)化的方法都難以實現(xiàn)回波包絡(luò)的精確對齊；同時目前廣泛應(yīng)用的初相校正方法也是通過選擇特顯點單元進行估計進而對所有距離單元進行統(tǒng)一校正，當(dāng)存在較嚴重的空變時必然會產(chǎn)生殘留誤差，從而影響方位聚焦，導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。

若采用單一的SAR成像算法對運動艦船目標進行成像處理，需要依靠基于回波的多普勒參數(shù)估計和復(fù)雜的運動補償，由于雷達平臺的高速機動和艦船目標的非合作運動，實際成像幾何模型十分復(fù)雜。仿真模型與實際情況存在偏差、艦船運動的復(fù)雜性及估計不精確、慣性測量誤差等因素會導(dǎo)致運動補償不夠精確，最終影響成像效果。

圖3 原始回波數(shù)據(jù)

表2 艦船在5級海況下的各維晃動參數(shù)

因此，單一的SAR或者ISAR成像算法均無法滿足高分辨成像的要求。基于上述原因，本文提出了一種基于加速度模型的混合式SAR/ISAR成像算法，能夠?qū)崿F(xiàn)回波包絡(luò)的精確對齊以及回波相位的精確補償：首先利用更精確的加速度模型和艦船目標運動參數(shù)估計，通過距離徙動校正等完成包絡(luò)粗對齊和空變消除；其次在距離-多普勒域利用高次相位濾波來去除調(diào)頻率的空變性；最后通過ISAR處理中的相關(guān)對準進一步實現(xiàn)回波包絡(luò)的精確對齊，并結(jié)合加權(quán)多特顯點自聚焦法對剩余非空變項進行統(tǒng)一校正。圖4是成像算法流程。

圖4 算法流程

2.2 混合式SAR/ISAR成像過程

2.2.1 條件假設(shè)

為便于分析，首先進行如下假設(shè)：

2.2.2 成像處理過程

下面詳細介紹混合式SAR/ISAR成像處理的過程，具體如下：

①距離壓縮

首先將回波信號沿距離維做FFT變換，在距離頻域完成距離向壓縮，對應(yīng)的壓縮函數(shù)為

②基于距離徙動校正的包絡(luò)粗對齊

由于雷達平臺的高速運動，同一散射點在相鄰回波間的距離徙動量較大，通常大于距離分辨單元，且由于成像斜視角較大，各散射點對應(yīng)的距離方位空變不能忽略，直接采用相關(guān)函數(shù)法進行包絡(luò)對齊必然存在誤差，效果不夠理想。下面首先通過距離徙動校正對回波包絡(luò)進行粗對齊，從而將距離徙動量減小到一定范圍內(nèi)，增加相鄰回波的相關(guān)性，后續(xù)通過相關(guān)對準能夠得到精度更高的包絡(luò)對齊結(jié)果。

其中

③相位濾波

將信號變換到距離-多普勒域，由于成像斜視角較大，回波信號方位調(diào)頻率空變不能忽略，這意味著無法對方位進行統(tǒng)一的補償聚焦處理，下面通過相位濾波來去除方位調(diào)頻率隨方位位置的變化。

④包絡(luò)精對齊

步驟5 返回步驟2對第3次回波進行包絡(luò)對齊，直至所有回波對齊。

⑤加權(quán)多特顯點自聚焦

經(jīng)過上述步驟的處理，已經(jīng)完成了回波包絡(luò)的精確對齊，通過步驟③的相位濾波處理，沿方位向回波信號相位中關(guān)于方位慢時間的各項系數(shù)是非方位空變的，可以進行統(tǒng)一補償。在SAR成像處理中，可以利用高階多項式模型統(tǒng)一補償，由于采用模型的方法會不可避免地引入誤差，下面采用基于數(shù)據(jù)估計的加權(quán)多特顯點自聚焦法對非方位空變項進行補償，具體步驟如下：

⑥方位壓縮

經(jīng)過上述處理，實現(xiàn)了回波包絡(luò)的精確對齊以及回波相位的精確補償。此外，由于本文選擇的是大型艦船作為目標進行成像，其晃動較為平緩，此時回波信號在方位向近似為單頻信號，通過FFT即可得到聚焦良好的成像結(jié)果。

3 仿真結(jié)果及成像效果分析

3.1 仿真結(jié)果

下圖6（a）、圖6（b）分別仿真了基于艦船平動補償?shù)膯我籗AR成像算法和單一ISAR成像算法的成像結(jié)果。文獻6中的混合式SAR/ISAR成像算法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種混合式成像算法，其算法流程如圖5所示：首先通過距離壓縮、方位壓縮得到SAR的粗成像結(jié)果（忽略了回波的空變），再通過目標提取、方位向反壓縮，得到距離向壓縮-方位向未壓縮的兩維時域結(jié)果，最后通過平動補償和轉(zhuǎn)臺成像完成ISAR成像部分的處理，得到目標圖像。這種算法涉及兩個完整成像過程（SAR成像和ISAR成像）的序貫進行，沒有從本質(zhì)上進行算法的融合，其優(yōu)點是能夠從中間步驟獲得目標的粗成像結(jié)果，能夠預(yù)先對最終高分辨成像結(jié)果有基本掌握，也便于現(xiàn)有成像系統(tǒng)的升級改造，缺點是存在冗余計算，降低了成像效率。圖6（c）為針對文獻6成像過程的仿真結(jié)果。圖6（d）為本文算法的仿真結(jié)果。仿真具體參數(shù)見表1，艦船晃動參數(shù)見表2。

圖5 文獻6算法流程

圖6 斜視角70°下不同算法的成像結(jié)果

對比圖6（a）和圖6（b）可以看出，后者的仿真結(jié)果總體上優(yōu)于前者：圖中紅色方框標出了艦船桅桿的兩條輪廓線，兩個紅色橢圓標出了船頭和船側(cè)的部分散射點，從這些位置可以明顯看出兩種算法在此處成像效果的差異，特別是在船頭部分，在SAR成像結(jié)果當(dāng)中，4個散射點存在模糊黏連，而在ISAR成像結(jié)果中，4個散射點清晰可辨；對比圖6（c）和圖6（d）兩種混合式SAR/ISAR成像算法的成像結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種方法的成像效果均較好，大部分的散射點成像均十分清楚，桅桿的四條豎棱清晰可見，圖中兩個綠色橢圓標出了船尾兩個拐角處的部分散射點，對比可以看出本文所提混合式SAR/ISAR成像算法的成像效果更勝一籌。

圖7 斜視角80°下不同算法的成像結(jié)果

3.2 成像效果分析

為對上述各種算法的成像效果進行定量的分析，下面選取艦船目標的5個邊緣點和1個中心點來進行觀察分析。以峰值點下降3dB對應(yīng)的距離為分辨率，依次仿真6個散射點的兩維幅度譜，并通過局部插值來提高讀取圖像分辨率的準確性。表3列出了斜視角70°情況下對應(yīng)圖6各種算法的兩維分辨率結(jié)果。

表3 斜視角70°時的分辨率結(jié)果

從表3可以看出，在70°的大斜視角情況下，各成像算法距離向分辨率差別不大，均達到1.5米以內(nèi)，方位向分辨率屬本文所提的混合式SAR/ISAR成像算法最優(yōu)，分辨率在3m以內(nèi)；文獻6中的混合式SAR/ISAR成像算法和ISAR成像算法次之，兩種算法成像效果差別不大，方位向分辨率在4m以內(nèi)；基于平動補償?shù)腟AR成像算法最差，方位向分辨率在5m以內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文通過分析ISAR成像算法與SAR成像算法對運動艦船目標進行高分辨成像處理時面臨的問題，綜合考慮雷達平臺高速機動、艦船目標非合作，以及成像斜視角大的特點，提出了一種基于加速度模型的混合式SAR/ISAR成像算法。本文從提高成像過程中各個步驟補償精度的角度出發(fā)，將已有的兩種算法進行了有效融合，將回波包絡(luò)對齊分步進行，提高了包絡(luò)對齊精度，利用SAR處理中的相位濾波去除調(diào)頻率的空變性，結(jié)合ISAR處理中的相位校正方法對剩余相位項統(tǒng)一校正，最終得到了兩維高分辨的結(jié)果。

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Research on hybrid SAR/ISAR imaging algorithm of ship target

CAO Ye, SHI Yahui, YAN Haipeng, ZHANG Jianqi

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Aiming at the problem of fuzzy imaging of moving ship target under high dynamic platform and large squint angle, this paper proposes a hybrid SAR/ISAR imaging algorithm based on acceleration model from the perspective of improving the accuracy of each part of imaging processing. The effective fusion of the two algorithms is achieved. Firstly, the motion estimation is combined with the distance migration correction to complete the roughly alignment of the echo envelopes, and at the same time, the phase modulation is eliminated by phase filtering in Range-Doppler domain. Then the accurate envelope alignment is achieved by correlation alignment to compensate the errors caused by the motion estimation inaccuracy, the model mismatch and the inertial measurement. Finally, the residual non-space-variant phase term is uniformly corrected by the weighted multi-special point autofocus method. The simulation results show that the proposed algorithm can effectively improve the imaging effect and obtain a well-focused target image.

Hybrid SAR/ISAR; Ship target; Translation compensation; High-resolution imaging

TN958

A

CN11-1780(2019)05-0034-08

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-04-15

2019-05-25

曹 曄 1994年生，在讀研究生，主要研究方向為雷達信號處理。

師亞輝 1977年生，研究員，主要研究方向為SAR信號處理算法及系統(tǒng)設(shè)計仿真。

閆海鵬 1988年生，碩士，主要研究方向為雷達信號處理。

張劍琦 1985年生，高級工程師，主要研究方向為雷達總體技術(shù)。