李 寧 汪 玲* 張 弓

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多基ISAR艦船側(cè)視及俯視高分辨率成像方法

李 寧 汪 玲張 弓

(南京航空航天大學電子信息工程學院 南京 210016)

由于艦船運動的復雜性，獲得艦船高分辨率圖像一直是雷達成像領(lǐng)域的熱點，同時多平臺聯(lián)合監(jiān)視和作戰(zhàn)模式近年來發(fā)展迅速?；谏鲜銮闆r，該文提出了一種多基ISAR艦船成像方法。該方法通過合理布置各平臺的高度和方位，綜合各平臺接收的回波數(shù)據(jù)后，相比單基雷達可增加平穩(wěn)成像積累時間，結(jié)合最優(yōu)成像時間段選擇，可獲得更高分辨的艦船側(cè)視及俯視圖像。仿真實驗結(jié)果驗證了該成像方法的有效性。

逆合成孔徑雷達(ISAR)；艦船；多基；側(cè)視；俯視

1 引言

ISAR能夠?qū)Ψ呛献髂繕顺上?，得到目標?維高分辨率圖像，是一種有效的雷達目標識別途徑。與其它運動目標(如空中的飛機和地面上的車輛)的成像相比，艦船成像的特點是海浪起伏引起的艦船偏航、縱搖和橫搖可以作為成像的主要來源。同時，由于艦船的3維搖擺運動，導致目標有效轉(zhuǎn)動矢量的大小和方向具有時變特性，獲得高質(zhì)量的艦船圖像具有較高難度。

針對艦船目標的成像問題，國內(nèi)外學者已經(jīng)提出了一些成像處理方法，如時頻分析法、最優(yōu)成像時間選擇法。時頻分析法不受多普勒頻率時變的影響，可以得到一系列的反映艦船姿態(tài)變化的瞬時圖像，但是計算量偏大，存儲量也較大，對于后期的目標識別，存在較大的信息冗余。最優(yōu)成像時間選擇法通過從回波數(shù)據(jù)中提取艦船的運動信息，并根據(jù)該信息確定最有利于成像的時間段進行成像。該方法運算量小，并且可以有針對性地得到艦船的側(cè)視圖和俯視圖，非常有利于艦船目標的識別，但是這種方法基于觀測期間轉(zhuǎn)動矢量近似不變的假設(shè)，雖然可以依靠時變運動補償適當增加積累時間，但成像積累時間仍然受限。

近年來，在多平臺聯(lián)合監(jiān)視和作戰(zhàn)模式實際需求的推動下，多基ISAR成像方法獲得關(guān)注。利用分置于不同載機平臺的雷達形成多發(fā)多收的ISAR系統(tǒng)，通過綜合各平臺的回波數(shù)據(jù)，可增加成像積累時間，有效提高目標的方位向分辨率。文獻[9]和文獻[10]以艦船目標為例，分別探討了如何利用多基ISAR提高目標俯視圖和側(cè)視圖的方位向分辨率，但是均假設(shè)載機靜止，而且目標相對雷達僅含有垂直轉(zhuǎn)動矢量或水平轉(zhuǎn)動矢量。但是在實際中，不但載機運動，而且艦船在正常航行的同時還受到海浪的作用做3維非平穩(wěn)搖擺運動，垂直和水平轉(zhuǎn)動矢量同時存在。此時，文獻[9]和文獻[10]中方法的應用將受到限制。本文在對文獻[9]和文獻[10]進行深入研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的多基ISAR艦船成像方法，該方法通過合理布置各平臺的高度和方位，綜合各平臺接收的回波數(shù)據(jù)后，結(jié)合最優(yōu)成像時間段選擇，可同時獲得高分辨的艦船側(cè)視及俯視圖像。與文獻[9]和文獻[10]中方法相比，該方法針對實際情況，更全面考慮了載機運動和艦船的3維搖擺運動，通過聯(lián)合多平臺雷達數(shù)據(jù)，可同時提高艦船目標側(cè)視和俯視的方位向分辨率。本文通過仿真數(shù)據(jù)的處理，驗證了該方法的有效性。

本文內(nèi)容安排如下，第2節(jié)給出多基ISAR對艦船成像原理，第3節(jié)給出多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法以及處理流程，第4節(jié)對本文的多基ISAR艦船成像方法進行仿真實驗驗證，第5節(jié)是結(jié)論。

2 多基ISAR艦船成像原理

本節(jié)以雙基雷達為例描述成像原理。成像幾何關(guān)系如圖1所示。觀察起始時刻，即時，艦船中心位于固定參考坐標系的原點，固定于艦船的坐標系與重合，為目標上某散射點。艦船以速度沿軸正方向航行，同時艦船受到海浪的作用做3維非平穩(wěn)的搖擺運動，,,分別表示其偏航、縱搖、橫搖的角速度。載機和以相同速度沿軸正方向飛行，飛行高度和初始方位如圖1所示，和分別為載機和載機的初始方位角，和分別為載機和載機的擦地角，為雙基地角。

各載機除接收自身發(fā)出的信號，還可接收來自其它載機發(fā)出的信號，因此雙基系統(tǒng)實際包含兩個單基工作模式，即載機自發(fā)自收，載機自發(fā)自收，以及載機與載機之間互相收發(fā)的雙基模式。與互相收發(fā)形成的雙基系統(tǒng)可以等效為視線沿雙基地角平分線的單基工作模式，兩載機連線與雙基地角平分線的交點位置是等效后的單基載機平臺位置。

目標的3維轉(zhuǎn)動矢量可以分解為雷達視線坐標系上的水平轉(zhuǎn)動矢量和垂直轉(zhuǎn)動矢量，分別如圖1中的和所示。利用水平轉(zhuǎn)動矢量可得到艦船的側(cè)視圖，利用垂直轉(zhuǎn)動矢量可得到艦船的俯視圖。由圖1可以得到各平臺的水平轉(zhuǎn)動矢量和垂直轉(zhuǎn)動矢量與艦船3維轉(zhuǎn)動矢量，以及載機與艦船相對運動矢量的關(guān)系如下：

圖1 多基ISAR對艦船成像幾何示意圖

(2)

(6)

可見，綜合各個平臺數(shù)據(jù)后獲得的總轉(zhuǎn)角要明顯大于單個雷達平臺的轉(zhuǎn)角，可顯著提高艦船圖像的方位向分辨率。但是，為有效綜合各平臺數(shù)據(jù)，需要保證多個平臺之間轉(zhuǎn)角的連續(xù)性。由圖2可知，相對平臺的初始轉(zhuǎn)角須介于相對平臺的初始轉(zhuǎn)角和終止轉(zhuǎn)角之間，即

圖2 最優(yōu)成像時間段內(nèi)相對于不同雷達平臺構(gòu)成的成像轉(zhuǎn)角, 的變化示意圖

(8)

因此，各雷達平臺初始設(shè)置需滿足

(10)

由式(9)和式(10)可知，多基ISAR成像各平臺初始方位角和擦地角設(shè)置與成像積累時間和艦船相對于各平臺的垂直和水平轉(zhuǎn)動角速度有關(guān)。

由于成像積累時間通常較短，在1/10 s(海情高)或秒量級(海面較平靜)，而且由艦船搖擺和載機運動經(jīng)驗數(shù)據(jù)可知，機艦相對轉(zhuǎn)速通常在1/100量級，各平臺方位角差異和擦地角差異很小，通常不到，因此不同平臺的水平和垂直轉(zhuǎn)動矢量可近似相等，令,。式(5)、式(6)、式(9)和式(10)變?yōu)?/p>

（12）

以上討論的是雙基情況，該方法可擴展至多基模式，可進一步提高艦船圖像的方位分辨率。

3 多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法

本節(jié)給出多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法，具體包括以下步驟：

(1) 最優(yōu)成像時間段選擇對某一平臺的回波數(shù)據(jù)進行短時距離多普勒(RD)成像處理，獲得一系列艦船圖像，然后通過計算艦船圖像多普勒展寬和艦船中心線斜率來估計有效轉(zhuǎn)動矢量、垂直轉(zhuǎn)動矢量和水平轉(zhuǎn)動矢量。當有效轉(zhuǎn)動矢量較大時，表明海面不平靜，此時選擇有效轉(zhuǎn)動矢量較大而垂直轉(zhuǎn)動矢量較小的時刻作為艦船側(cè)視圖成像的最優(yōu)時刻；當有效轉(zhuǎn)動矢量較小時，表明海面較平靜，此時選擇垂直轉(zhuǎn)動矢量較大的時刻作為俯視圖成像的最優(yōu)時刻。成像所需積累時間利用圖像對比度最大準則確定。

(2) 平臺間相位補償 對各平臺接收回波數(shù)據(jù)進行相位補償，以校正各平臺與目標中心距離不同而產(chǎn)生的相位誤差。

(5) 多平臺數(shù)據(jù)融合 將步驟(4)中不同平臺時移后的回波數(shù)據(jù)在時域中拼接起來。

(6) 運動補償 補償載機和艦船之間的平動矢量。本文采用全局最小熵方法完成距離對準，采用相位梯度自聚焦方法完成相位補償。

(7) 對綜合后的數(shù)據(jù)在方位向進行快速傅里葉變換(FFT)，完成成像。

圖3給出完整的多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法流程圖。

4 實驗結(jié)果與分析

本節(jié)對上文給出的多基ISAR成像方法進行仿真驗證。仿真中采用的多散射點艦船模型如圖4所示，目標主要尺寸如圖中標注，該模型共包含301個散射點，各散射點坐標間距為5 m，散射點的反射系數(shù)均設(shè)為單位值。仿真中未考慮遮擋效應。成像幾何關(guān)系如圖1所示，具體仿真系統(tǒng)參數(shù)與艦船運動參數(shù)如表1所示。假設(shè)成像起始時刻載機距地面高度，與艦船的斜距為，方位角，擦地角/。假設(shè)載機與載機的方位角之差為，擦地角之差為。需要指出，此處和的設(shè)置是參考艦船相對載機的垂直轉(zhuǎn)動角速度和水平轉(zhuǎn)動角速度，詳見下述。

假設(shè)一次連續(xù)采集10 s的回波數(shù)據(jù)，由艦船和載機運動參數(shù)計算出相對平臺的水平轉(zhuǎn)動矢量和垂直轉(zhuǎn)動矢量，如圖5中虛線所示。根據(jù)和隨時間變化曲線，通過最優(yōu)成像時間選擇，選定作為俯視圖最優(yōu)成像中心時刻，該時刻對應的為；選定作為側(cè)視圖最優(yōu)成像中心時刻，該時刻對應的為。兩個數(shù)據(jù)段長度均選為。

圖3 多基ISAR艦船側(cè)視和俯視成像算法流程圖

圖4 艦船模型

運用本文所述多基ISAR成像算法分別對以上兩個時間段進行成像，得到艦船的俯視及側(cè)視圖，如圖6和圖7所示。圖6(a)和圖6(b)分別為單基ISAR和本文多基成像算法所得艦船俯視圖。圖7(a)和圖7(b)分別為單基ISAR和本文多基成像算法所得艦船側(cè)視圖。對比圖6(a)和圖6(b)可以看出，圖6(b)的艦船俯視圖輪廓明顯比圖6(a)清晰，很容易分辨出船頭和船尾。比較圖7(a)和圖7(b)可發(fā)現(xiàn)，圖7(b)的分辨率高于圖7(a)，船身及桅桿上的散射點清晰可辨。

為了進一步驗證本文多基ISAR成像算法的有效性，圖8分別給出了上述不同數(shù)據(jù)段成像結(jié)果中某散射點所在距離單元的方位向幅度剖面。由圖8(a)和圖8(b)可以明顯看出，運用本文多基ISAR成像算法后，方位向分辨率提高了大約3倍，這與前面的理論分析一致。

上述仿真的成像結(jié)果及某散射點的方位向剖面分析驗證了本文算法的有效性，說明通過合理配置各平臺的位置，并結(jié)合最優(yōu)成像時間選擇技術(shù)，可以得到高分辨率的艦船俯視和側(cè)視圖像。

表1 仿真參數(shù)

參數(shù)取值參數(shù)取值 波長0.032 m艦船速度vS20 節(jié) 帶寬60 MHz 距離向采樣率70 MHz偏航qy 距離向分辨率2.5 m縱搖qp 載機速度120 m/s橫搖qr

圖6 第1個數(shù)據(jù)段成像結(jié)果(中心時刻為)

圖7 第2個數(shù)據(jù)段成像結(jié)果(中心時刻為)

圖8 單基ISAR與本文多基ISAR成像結(jié)果某散射點的方位向剖面比較

5 結(jié)論

艦船是一類非常重要的軍事目標，研究如何獲得高質(zhì)量且有利于識別的艦船圖像是一項極具戰(zhàn)略意義的任務。本文在深入研究艦船運動規(guī)律及已有研究成果的基礎(chǔ)上，給出了一種艦船側(cè)視和俯視多基ISAR成像算法，詳細闡述了該算法提高目標成像方位向分辨率的原理，給出了算法的處理流程及其中關(guān)鍵步驟的分析。艦船仿真數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗證了算法的正確性和有效性。該算法通過融合多個雷達平臺獲取的數(shù)據(jù)，可以同時提高艦船目標的側(cè)視和俯視的方位向分辨率，得到高分辨的艦船側(cè)視及俯視圖像。

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High-resolution Side-view and Top-view Imaging Method of Ship Targets Using Multistatic ISAR

Li Ning Wang Ling Zhang Gong

(College of Electronic Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China)

How to obtain high-resolution images of ship targets is an active research area in radar field due to the complexity of the ship motion. At the same time, multi-platform based surveillance and combat mode is gaining more and more interests in recent years. Based on the above situation, in this paper, a multistatic Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) ship imaging method is presented, the method is capable of increasing the integration time for stationary imaging by deploying the multiple platforms with appropriate altitudes and aspect angles and coherently integrating the echoes received by each platform. Combined with the optimal imaging time selection scheme, this method can obtain side-view or top-view ship images with higher-resolution as compared to the monostatic radar. Simulations are performed to verify the effectiveness of our multistatic ISAR ship imaging method.

Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR); Ship targets; Multistatic; Side-view; Top-view

TN958

A

2095-283X(2012)02-0163-08

10.3724/SP.J.1300.2012.20021

2012-04-05收到，2012-05-22改回；2012-06-08網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國家自然科學基金(61001151)資助課題

汪玲 tulip_wling@nuaa.edu.cn

李寧(1987-)男，碩士，研究方向為逆合成孔徑雷達(ISAR)成像。

汪玲，女，副教授，碩士生導師，研究領(lǐng)域為雷達成像，包括合成孔徑雷達成像、逆合成孔徑雷達(ISAR)成像、分布式孔徑雷達成像、無源雷達成像等。

張弓(1964-)，男，南京航空航天大學教授，博士生導師，南京航空航天大學通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士學位。中國宇航學會電磁信息專業(yè)委員會委員、中國電子學會高級會員、中國航空學會會員、IEEE會員。研究方向為雷達信號處理、目標探測與識別等。

E-mail: gzhang@nuaa.edu.cn