閆海鵬， 于 勇， 張 彬

(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

引 言

由于雷達成像技術(shù)具有全天候、全天時、遠距離等其它光學(xué)成像技術(shù)不具備的優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域，如地形測繪、海洋觀測、目標識別與精確制導(dǎo)等[1]。目前，雷達獲取觀測區(qū)域二維高分辨圖像主要通過合成孔徑雷達(SAR)技術(shù)，其方位向高分辨依靠的是雷達與目標之間相對運動引起的多普勒頻率展寬。但當(dāng)目標區(qū)域位于雷達飛行路線正前方時，即雷達工作在前視成像模式，此時目標區(qū)域回波的多普勒帶寬很窄，且飛行路線兩側(cè)對稱區(qū)域的多普勒信息相同，會形成前視成像盲區(qū)[2]，導(dǎo)致傳統(tǒng)的SAR技術(shù)無法解決前視高分辨成像問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對上述問題提出了多種實現(xiàn)雷達前視高分辨成像的方法，如雙基地SAR[3]、前視SAR[4]以及單脈沖成像技術(shù)[5，6]等。其中，前兩種成像方法由于同步問題和對天線尺寸的要求，系統(tǒng)實現(xiàn)較為復(fù)雜;單脈沖成像利用一次回波的和、差通道信息來定位目標主要散射點的角度，結(jié)合距離向脈沖壓縮處理實現(xiàn)二維成像，可以明顯改善實波束前視成像的質(zhì)量，并且運算量小，有利于工程實現(xiàn)。文獻[2]給出了單脈沖成像的算法流程，并對載機前下方地面場景的實測回波數(shù)據(jù)進行了單脈沖成像，文獻[7]從單脈沖和差比的概率密度出發(fā)，對單脈沖成像的性能進行了分析。

對于艦船等動目標，由于目標的非合作性以及船體自身的搖擺，使得距離徙動的形式更加復(fù)雜。此外，距離對準只是對回波的實包絡(luò)進行了對齊，各次回波復(fù)包絡(luò)中的相位是不同的，如不對其進行校正則會影響單脈沖測角的精度，導(dǎo)致圖像散焦。本文首先介紹了單脈沖成像算法的基本流程，然后提出一種適用于運動目標的單脈沖前視成像算法，該方法利用恒虛警檢測技術(shù)與平均包絡(luò)最小熵法對目標回波的包絡(luò)進行對齊，再對各次回波的初相進行校正，最后進行單脈沖成像。本文重點通過對艦船目標的實測回波數(shù)據(jù)的處理，研究單脈沖前視成像算法對艦船目標的成像能力，并對成像結(jié)果進行分析。

1 單脈沖前視成像原理

1.1 單脈沖測角技術(shù)主要原理

單脈沖技術(shù)利用兩個相互交疊的天線波束接收回波信號，通過對脈沖回波的一次和差處理，就可以確定目標的方位信息。根據(jù)從回波信號中提取目標角度信息的具體方式，可以將單脈沖技術(shù)分為比幅單脈沖與比相單脈沖，比幅單脈沖測角法如圖1(a)所示，該方法通過比較兩波束收到的信號強度來判斷目標偏離等信號軸的方向，并估計出目標偏離等信號軸的大小。比相單脈沖測角法如圖1(b)所示，信號由天線孔徑中心發(fā)射，并由兩個與孔徑中心間隔為d的子孔徑接收，通過比較兩個接收信號的相位，估計出目標的實際位置。

圖1 單脈沖測角技術(shù)示意圖

本文采用的是比幅-和差單脈沖測角方法。假設(shè)兩交疊波束的天線方向圖函數(shù)相同且設(shè)為F(θ)，和、差波束的天線方向圖函數(shù)分別為 FΣ(θ)、FΔ(θ)，如圖 2 所示。根據(jù)差波束在等信號軸線(假設(shè)為0°)周圍近似線性的特點，將差方向圖函數(shù)FΔ(θ)在0°進行泰勒級數(shù)展開并保留一階項，得到

和方向圖函數(shù)FΣ(θ)在0°附近可以近似表示為FΣ(θ)≈FΣ(0)=A。其中，K為差波束天線方向圖在0°的斜率，A為和波束天線增益。令在天線波束指向附近且與波束中心夾角為θ的點目標的和、差通道回波信號為sΣ(t)和sΔ(t)，以和通道信號為參考，對差通道信號進行歸一化處理，得到點目標的角度估計

圖2 和差方向圖

考慮到復(fù)信號及各種噪聲信號，應(yīng)對θ取實部，即

1.2 單脈沖前視成像算法

單脈沖前視成像算法主要利用脈沖壓縮技術(shù)獲取距離向高分辨，在方位向利用單脈沖測角技術(shù)獲取等效散射點的精確位置，從而得到目標的二維圖像。圖3(a)為雷達天線掃描示意圖，各點目標固定不動，雷達平臺以速度v向目標區(qū)域運動，在運動過程中天線勻速掃過目標所在區(qū)域。圖3(b)為實孔徑成像示意圖，由于天線方向圖的調(diào)制作用以及雷達與目標間的相對運動，點目標被擴散為一條“斜直線”。在單脈沖成像之前，需要將“斜線”扳直。由于距離徙動量近似為直線，因此距離徙動校正可以在距離頻域進行，只需在頻率域乘以與補償距離有關(guān)的線性頻率相位因子ej4πvcosθcfrtm即可。其中，θ為目標進入波束時雷達視線與航向的夾角，fr為距離頻率，tm為慢時間，c為光速。距離徙動校正之后的圖像如圖3(c)中的直線所示，然后利用單脈沖測角技術(shù)對同一距離單元內(nèi)的回波進行重定位，聚集出如圖3(c)中“圓點”所示的目標各散射中心。

圖3 單脈沖成像示意圖

2 目標運動補償算法

2.1 包絡(luò)對齊的平均包絡(luò)最小熵法

對艦船目標來說，由于海情的多變以及艦船本身運動的復(fù)雜性，使得目標各次回波會落在不同的距離單元內(nèi)，發(fā)生越距離單元徙動，這時距離函數(shù)已不再表現(xiàn)為圖3(b)中的“斜直線”，徙動校正無法在距離頻域一次完成。這種情況下的徙動校正可采用平均包絡(luò)最小熵距離對準法[8，9]進行對齊，該方法利用全部回波包絡(luò)信息，以距離向包絡(luò)和的熵作為目標函數(shù)，通過對各次回波的包絡(luò)偏移量求偏導(dǎo)，得到需要補償?shù)木嚯x偏移量。

假設(shè)sr(r，n)為回波經(jīng)距離向脈壓之后的幅度值，其中r為距離向采樣，n為回波序號(0≤n≤N-1)，N為脈沖總數(shù)。那么平均距離像可定義為

其中Δr(n)為第n個回波包絡(luò)的偏移量，第二個等號是利用傅里葉變換的時移性質(zhì)得出，Sr(fr，n)為sr(r，n)的傅里葉變換。包絡(luò)對齊后平均距離像的銳化度最大，我們可以用平均距離像的熵來表示這一銳化程度

通過求解一組E關(guān)于Δr(n)的偏導(dǎo)方程

得到使得熵最小的一組偏移矢量Δr，最后對各回波包絡(luò)進行平移校正。將式(4)和式(5)代入式(6)得到

圖4 采用平均包絡(luò)最小熵法進行距離對準

2.2 相位校正

距離對準之后，第r個距離單元和、差通道回波可以寫為

其中，n為回波序號，Lr為第r個距離單元中散射點的個數(shù)，σi和φin分別為第i個散射點的幅度和各次回波的多普勒相位，F(xiàn)Σ(Δ)(θin)為第 i個散射點在第 n 次照射時的和、差方向圖函數(shù)，ξn，Σ(Δ)為和、差通道各次回波的初相值，在非相干的情況下，這兩個值是隨機的。假設(shè)第r個距離單元內(nèi)只有一個散射點，將式(8)代入式(3)化簡后可以得到該散射點的方位信息

其中，θ(n)為第n次測得的角度值，Δξn= ξn，Δ-ξn，Σ為和、差通道的初相差?？梢姡淮螔呙柽^程中，不同的Δξn會使得θ(n)落在不同的方位單元，造成的后果是該點的圖像灰度值散布在不同的方位單元，使得聚焦效果變差，所以需要對這一隨機相位差進行校正。

由式(9)可以看出，對于單點目標而言，單脈沖測角消除了點目標運動過程中的多普勒信息，Δξn可以通過下面的公式求得

最后，用該孤立散射點求得的一組Δξn(0≤n≤N-1)來對各次回波的初相進行補償。實際中，一個距離單元內(nèi)只存在一個單散射點的情況幾乎不存在，但存在一個特強的散射點和多個小散射點的情況還是比較常見的，可以利用這些特顯點的回波數(shù)據(jù)來對整個回波數(shù)據(jù)進行相位校正。特顯點的選取可以使用文獻[10]給出的方法。

引入運動補償與恒虛警檢測技術(shù)的單脈沖前視成像流程如圖5所示。

圖5 艦船目標單脈沖前視成像算法流程

3 艦船目標實測數(shù)據(jù)處理

艦船目標的實測數(shù)據(jù)來源于某X波段雷達對海面進行的掃描探測，雷達系統(tǒng)的部分參數(shù)如表1所示。

表1 艦船目標成像參數(shù)

此時采用的天線和方向圖3dB寬度約為3.17°，差方向圖0點斜率為14.6/度(834/rad)，天線以角速度ω =12.5°/s對海面進行掃描探測。雷達發(fā)射寬帶線性調(diào)頻信號，帶寬200MHz。

圖6(a)為和、差通道圖像以及只進行了距離對準的單脈沖成像結(jié)果。由于寬帶信號能夠分辨出多個等效散射中心，因此可以利用的等效散射點數(shù)目較多。這里和、差通道數(shù)據(jù)是依據(jù)慣導(dǎo)返回的方位角信息提取的，兩組相鄰回波間的角度間隔為30倍的掃描間隔。為了利用更多的掃描信息，對慣導(dǎo)返回的方位角進行插值處理，近似得到實際每次回波時所對應(yīng)的方位角。由于23km處艦船目標(假設(shè)船長100m)所對應(yīng)的張角大約為0.2°，取和通道數(shù)據(jù)中幅值最大處周圍的若干單元進行成像處理，轉(zhuǎn)換到x-y坐標下，如圖6(b)所示。目標在距離向上得到很好的分辨，在方位向上橫跨約600m，能從極坐標圖像看出方位向分辨率較和通道圖像有所改善。由于未經(jīng)相位校正，艦船目標上的主要散射點聚焦效果較差，在方位向上有明顯的展寬。

圖6 寬帶數(shù)據(jù)單脈沖成像

圖7 相位校正后的成像結(jié)果

對于一個較大的艦船目標，在恒虛警檢測、平均包絡(luò)最小熵距離對準以及相位校正之后進行單脈沖前視成像，處理實測數(shù)據(jù)得到的艦船圖像具有多個強散射中心。在發(fā)射寬帶信號條件下，這些強散射中心分布在多個距離分辨單元內(nèi)，這些散射點代表了目標在不同角度處的能量重心，利用這些能量重心進行單脈沖跟蹤，可提高對目標的測角精度，同時具有抗角閃爍能力。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合單脈沖成像算法、運動補償和恒虛警檢測技術(shù)，提出一種適用于艦船等稀疏點目標的單脈沖前視成像方法，該方法首先對目標回波進行恒虛警處理確定目標所在的距離單元，然后對各次回波進行包絡(luò)對齊，再對各次回波的初相進行校正，最后進行單脈沖掃描成像。該方法優(yōu)于傳統(tǒng)實孔徑前視成像方法，能夠提高對艦船目標的跟蹤識別能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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