王 冉，姜義成

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程技術(shù)研究所，150001哈爾濱，wr0905@sina.com)

逆合成孔徑雷達(ISAR)是一種為人們熟知的獲得遠(yuǎn)距離非合作運動目標(biāo)雷達圖像的技術(shù).目前當(dāng)海情較高(3級以上海情)時，艦船目標(biāo)的ISAR成像來源主要是海浪起伏引起的艦船搖擺運動.由于艦船運動復(fù)雜，在實際成像環(huán)境中海情和艦船運動狀態(tài)未知，變化難以預(yù)料，成像具有較高難度.若正確選擇成像時刻和成像積累時間，利用艦船的自身搖擺可在較短的合成孔徑時間內(nèi)得到有利于艦船目標(biāo)識別的高質(zhì)量圖像.ISAR艦船目標(biāo)實測數(shù)據(jù)在進行成像處理之前，應(yīng)選擇合適的成像時刻和成像積累時間，以得到最利于目標(biāo)識別的清晰圖像.傳統(tǒng)的方法是對運動補償之后的數(shù)據(jù)進行多普勒中心估計，據(jù)此來確定成像時刻和成像積累時間［1－4］.這種方法的優(yōu)點是計算量小，便于快速實現(xiàn)，而且可同時得到最佳成像時刻和最佳成像積累時間的估計值.缺點是無法根據(jù)對回波數(shù)據(jù)的分析得到艦船目標(biāo)的最佳俯視圖和側(cè)視圖的成像時刻，而這對于艦船目標(biāo)的識別是很重要的.根據(jù)對艦船在高海情下三維轉(zhuǎn)動的特點，文獻［5－6］提出了一種可得到艦船目標(biāo)最佳俯視圖和側(cè)視圖成像時刻的方法.這種方法克服了多普勒中心估計法無法得到艦船目標(biāo)的最佳俯視圖和側(cè)視圖成像時刻的缺點，但是實現(xiàn)比較復(fù)雜，運算量偏大，限制了它的應(yīng)用范圍.

本文對文獻［6］的成像時刻選擇方法進行了改進，形成1個清晰的成像時刻選取的流程.通過該流程可確定ISAR艦船目標(biāo)最佳俯視圖和側(cè)視圖的成像時刻.定義了圖像對比度，并以此為標(biāo)準(zhǔn)來確定最優(yōu)成像積累時間.最后，用實測數(shù)據(jù)驗證了本文方法的有效性.

1 圖像對比度準(zhǔn)則

首先對ISAR原始數(shù)據(jù)進行處理，得到1幅ISAR圖像記為I(m，n，a，b)，其中含有m個多普勒單元和n個距離單元，a為成像起始時刻，b為成像積累時間.定義圖像對比度SIC(a，b)為

式中:E是對于變量m、n取均值的算子.由式(1)可見，SIC是I(m，n，a，b)的歸一化標(biāo)準(zhǔn)差.SIC(a，b)可作為衡量1幅ISAR圖像聚焦的標(biāo)準(zhǔn).

在式(1)中，分子是圖像矩陣的標(biāo)準(zhǔn)差.以多散射點模型為例，可以看出當(dāng)圖像聚焦很好時，圖像矩陣中第i個散射點(mi，ni)位置處及其附近很小的鄰域Ui內(nèi)將出現(xiàn)遠(yuǎn)大于圖像均值E［I(m，n，a，b)］的幅度值I(mu，nu，a，b)，其中(mu，nu)∈Ui，u=1，2，…，i，…，此時圖像的標(biāo)準(zhǔn)差會很大;而當(dāng)圖像聚焦很差時，圖像矩陣中各點幅度值I(m，n，a，b)都圍繞在圖像均值E［I(m，n，a，b)］附近，此時圖像的標(biāo)準(zhǔn)差要比聚焦好時小.因此圖像聚焦越好，SIC就會越大.

式(1)中的分母代表了該幅圖像幅度的均值，運用它對SIC進行歸一化.這樣做的意義在于便于用圖像對比度對多個不同大小的圖像進行聚焦程度的比較.

2 基于圖像對比度最大準(zhǔn)則的最優(yōu)成像時刻和最優(yōu)成像積累時間的選擇

由式(1)可見圖像對比度是該幅圖像成像起始時刻a和成像積累時間b的函數(shù).因此，最優(yōu)成像時刻和最優(yōu)成像積累時間的選取問題，可轉(zhuǎn)化為求當(dāng)SIC(a，b)取最大值時a、b的取值問題，即

因為a與b都是離散變量，因此這是1個求解二維離散函數(shù)極值的問題.通常一段ISAR回波數(shù)據(jù)中包含上萬個回波信號，因此直接對SIC的極值進行搜索，計算量將相當(dāng)大.文獻［7］提出了一種將二維搜索簡化成2個一維線性搜索的方法:

1)設(shè)b=bin，其中bin為b的初始值.bin由不同的ISAR系統(tǒng)參數(shù)及目標(biāo)類型決定.計算

3 艦船目標(biāo)最佳俯視圖和側(cè)視圖成像時刻選取

本節(jié)對文獻［6］的艦船目標(biāo)成像時刻的選擇方法進行了改進，提出了新的艦船目標(biāo)最佳俯視圖或側(cè)視圖的成像時刻選擇方法，如圖1所示.

圖1 艦船目標(biāo)最優(yōu)成像時刻選取流程

圖中m(t)為船體中心線斜率函數(shù)，Δf(t)為多普勒展寬函數(shù)，它們都是慢時間的函數(shù).m(t)與艦船有效轉(zhuǎn)動角速率的垂直分量以及雷達視角的正切函數(shù)成正比.由于在觀測期間內(nèi)雷達視角變化很小，因此m(t)可以反應(yīng)艦船有效轉(zhuǎn)動角速率垂直分量的大小.Δf(t)隨時間的變化反映合成有效轉(zhuǎn)動角速率的變化.當(dāng)艦船有效轉(zhuǎn)動角速率的垂直分量占主導(dǎo)地位，即m(t)取局部極大值時，將得到艦船最佳俯視圖.當(dāng)艦船有效轉(zhuǎn)動角速度的水平分量占主導(dǎo)地位，即Δf(t)取局部極大值，而m(t)取局部極小值時，將得到艦船目標(biāo)的最佳側(cè)視圖.因為這樣的Δf(t)和m(t)取值表明艦船的合成有效轉(zhuǎn)動角速率局部最大，同時它在垂直方向上的分量局部最小，因此它在水平方向上的分量很大，而合成有效轉(zhuǎn)動角速率的水平分量正是艦船目標(biāo)側(cè)視圖的成像來源.

估計艦船中心線斜率函數(shù)m(t)的步驟如下:

2)由于海雜波干擾和短時間距離多普勒成像的聚焦性不佳，對時間段內(nèi)的圖像選擇一灰度門限ITh，小于門限的像素灰度設(shè)為零，其中門限ITh=IMAX/10;

3)然后對圖像Hough變換，選出變換后圖像的最大值點，即可求出最大值角度θ，根據(jù)Hough變換的定義，艦船中心線的角度值為mi=θ+ 90°.

估計多普勒展寬函數(shù)Δf(t)的步驟如下:

2)由于海雜波干擾和短時間距離多普勒成像的聚焦性不佳，對時間段內(nèi)的圖像選擇一灰度門限ITh，小于門限的像素灰度設(shè)為零，其中門限的大小可設(shè)定為圖像灰度最大值的1/10左右，即ITh=IMAX/10;

3)對距離單元進行逐個搜索，找出第j號距離單元內(nèi)的所有艦船散射點，并記錄下這些散射點中多普勒值最小的點與多普勒值最大的點的多普勒值fj，min與fj，max，其中取fj，min最小值記為fmin，記fj，max最大值為fmax.其差值fmax－fmin為該幅圖像的多普勒展寬，記為Δfi.

用以上方法可得到ISAR艦船圖像的最優(yōu)俯視圖或側(cè)視圖的成像時刻^a.然后計算式(2)得到最優(yōu)成像積累時間^b的估計值.需注意的是，這里的^a是以回波數(shù)來表示的，它和慢時間t是一一對應(yīng)的關(guān)系.

本文方法相對于文獻［5－6］的改進有如下兩點:

1)在估計艦船中心線斜率函數(shù)m(t)和多普勒展寬函數(shù)Δf(t)時，短時成像采用了距離多普勒算法，而沒有如文獻［5］那樣采用短時傅立葉算法.這是因為在很短的成像積累時間內(nèi)，艦船的運動是近似平穩(wěn)的，因此用距離多普勒算法進行短時成像可以滿足計算精度的需要.而且該方法相比短時傅立葉變換法計算量大大降低，也不存在短時傅立葉變換法由于變換本身時頻聚集性不高而導(dǎo)致的成像模糊的缺點.

2)本文對文獻［5－6］中的俯視圖和側(cè)視圖選取的方法進行了整合，可以更清楚的反映出俯視圖和側(cè)視圖成像數(shù)據(jù)段選取的本質(zhì).整個過程也簡潔實用，如圖1所示.

4 實測數(shù)據(jù)驗證

采用某段艦船目標(biāo)的ISAR實測數(shù)據(jù)對上述方法進行驗證.首先用第3節(jié)提出的方法確定最優(yōu)成像時刻^a.用于快速成像的時間段Tib長度為512個回波，采用距離－多普勒(RD)算法進行成像.依次得到船體中心線斜率m(a)和多普勒展寬單元數(shù)Δf(a)對開始積累回波數(shù)a的變化.由圖1和如下所示的圖2可知，回波數(shù)a=2 048時，Δf(a)達到最大值，這時m(a)并不處于最大值.因此，^a=2 048時將得到艦船目標(biāo)的最佳側(cè)視圖.回波數(shù)a=512時，m(a)處于最大值，因此，艦船運動以偏航為主，但此時Δf(a)并沒有達到最大.因此，^a=512時將得到艦船目標(biāo)相對較好的俯視圖.圖3為積累回波數(shù)b與圖像對比度SIC的關(guān)系.b從1 024個回波開始，每次增加12個回波.其中圖3(a)為a=2 048的情況，在^b=1 156時SIC取最大值16.817.圖3(b)為a=512時的情況，在^b=1 552時SIC取最大值16.698.

圖2 艦船實測數(shù)據(jù)船體中心線斜率和多普勒展寬

圖4為艦船實測數(shù)據(jù)的最終成像結(jié)果.圖4(a)為^a=2 048，^b=1 156條件下艦船目標(biāo)的距離－多普勒(RD)算法成像結(jié)果.從圖中可見，在^a=2 048，^b=1 156時得到了艦船最佳側(cè)視圖，而且聚焦度很好.圖4(b)為 ^a=512，^b= 1 552條件下艦船目標(biāo)的距離 －多普勒(RD)算法成像結(jié)果.從圖中可見，在^a=512，^b=1 552時得到了艦船比較好的俯視圖，這從艦船圖像最左側(cè)的部分和圖4(a)對比可以看出，聚焦度也很好.圖4驗證了本文算法的有效性.因為采用的是RD算法完成最后的成像，所以相對于時頻分析方法計算量也很小.

圖3 積累回波數(shù)b與圖像對比度SIC的關(guān)系

圖4 艦船實測數(shù)據(jù)最終成像結(jié)果

5 結(jié)論

針對ISAR艦船目標(biāo)的成像數(shù)據(jù)段選取問題，本文對現(xiàn)有的幾種成像數(shù)據(jù)段選取方法進行了歸納.在簡要總結(jié)了這些方法的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，采用圖像對比度準(zhǔn)則作為評價ISAR圖像聚焦程度的標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)ISAR艦船目標(biāo)成像的特點，為得到便于目標(biāo)識別的艦船俯視圖和側(cè)視圖，對文獻［6］的成像時刻選取方法進行了改進，首先得到艦船最優(yōu)俯視圖或側(cè)視圖成像時刻，再通過使圖像對比度最大得到最優(yōu)的成像積累時間.艦船實測數(shù)據(jù)的成像結(jié)果驗證了本文方法的有效性.

［1］SMITH A M.A New approach to range-doppler SAR processing［J］.International Journal of Remote Sensing，1991，12(2):235－251.

［2］RANEY R K，RUNGE H，BAMLER R.Precision SAR processing using chirp scaling［J］.IEEE Trans on GRS，1994，32(4):786－799.

［3］SUN Haiping，XING Mengdao，ZHOU Lijuan.Division of imaging intervals and selection of optimum imaging time for ship ISAR imaging based on measured data［C］//Proceedings of CIE International Conference on Radar 2006.Shanghai:［s.n.］，2006:983－986.

［4］阮敏，羅代升，陳默，等.SAR成像系統(tǒng)中多普勒中心頻率fD和模糊數(shù)m的估計［J］.四川大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，42(5):963－968.

［5］汪玲，朱兆達，朱岱寅.機載ISAR艦船側(cè)視和俯視成像時間段選擇［J］.電子與信息學(xué)報，2008，30 (12):2835－2839.

［6］PASTINA D，MONTANARI A，APRILE A.Motion estimation and optimum time selection for ship ISAR Imaging［C］//IEEE Radar Conference 2003.Huntsville:［s.n.］，2003:7－14.

［7］MARTORELLA M，BERIZZI F.Time windowing for highly focused ISAR image reconstruction［J］.IEEE Trans on AES，2005，41(3):992－1007.