趙東濤 黃雁飛

(中國飛行試驗研究院,陜西西安 710089)

ISAR成像中包絡(luò)對齊方法研究

趙東濤 黃雁飛

(中國飛行試驗研究院,陜西西安 710089)

包絡(luò)對齊是整個ISAR成像處理中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),為了提高ISAR成像質(zhì)量,必須提高包絡(luò)對齊的精度。本文在包絡(luò)相關(guān)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),利用成像域中的循環(huán)迭代等步驟得到平均距離像,然后利用這一平均距離像和各次回波距離向像作相關(guān)處理。通過飛機(jī)目標(biāo)實測數(shù)據(jù)驗證,該方法在運算量增加不多的情況下能顯著的提高包絡(luò)對齊的精度,為ISAR準(zhǔn)實時處理提供了一種方法。

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR) 包絡(luò)對齊 平均距離像

雷達(dá)成像技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代,它的出現(xiàn)擴(kuò)展了原始雷達(dá)的概念。利用合成孔徑對目標(biāo)成像的雷達(dá)可以分為兩種：如果雷達(dá)固定不動,目標(biāo)移動,稱為逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR);反之則為合成孔徑雷達(dá)(SAR)。逆合成孔徑雷達(dá)對目標(biāo)成像,目標(biāo)和雷達(dá)的相對運動可以分解為目標(biāo)上的參考點相對于雷達(dá)的平動以及目標(biāo)繞參考點的轉(zhuǎn)動。其中轉(zhuǎn)動分量是獲得方位向高分辨基礎(chǔ),平動分量對成像無用而有害。它對ISAR成像的影響有兩個方面：一是使相鄰的一維距離像在距離向錯開;二是引入了附加的相位分量造成方位向散焦,所以ISAR成像中必須進(jìn)行運動補(bǔ)償。運動補(bǔ)償通常分為兩步：包絡(luò)對齊和相位補(bǔ)償,包絡(luò)對齊是消除由于運動目標(biāo)相對于雷達(dá)的平動造成的相鄰回波在距離向上的錯位,將同一個散射點的回波信號置于同一個距離門,相位補(bǔ)償是為了去除平動多普勒相位,以便進(jìn)行方位向分辨。包絡(luò)對齊是進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ),是整個成像信號處理中的一個關(guān)鍵,對齊效果好壞直接影響后續(xù)ISAR成像的質(zhì)量。

常用的包絡(luò)相關(guān)法用相鄰兩次回波作包絡(luò)對齊,如果兩回波的波形差別很小,采用相鄰相關(guān)可獲得好的包絡(luò)對齊效果。實際工作表明,雖然相鄰相關(guān)對齊的誤差很小,但常發(fā)生誤差積累效應(yīng)而產(chǎn)生包絡(luò)漂移,整體上不能很好對齊。因此,基于這點有必要采取措施,消除或減小它們對包絡(luò)對齊精度的影響。積累互相關(guān)對準(zhǔn)就是據(jù)此提出的一種有效的方法,它是在相鄰包絡(luò)相關(guān)法基礎(chǔ)上引入了積累的思想。作相關(guān)處理時不是僅僅用前一個距離像作為基準(zhǔn)而是用前面已對準(zhǔn)的多個距離像的加權(quán)和作為基準(zhǔn)。經(jīng)過分析可以得到這種方法的對準(zhǔn)誤差雖然還是具有積累性質(zhì)。由于上述兩種相關(guān)法的固有局限,回波相關(guān)對準(zhǔn)過程中會產(chǎn)生誤差的積累,從而在處理觀測時間內(nèi)幾百上千次回波數(shù)據(jù)的時候,造成距離像排列的漂移和包絡(luò)突變。

本文在包絡(luò)相關(guān)法的基礎(chǔ)上作了改進(jìn),得到了一種新的包絡(luò)對齊算法,該方法利用成像域中的循環(huán)移位、隔離和迭代等步驟得到平均距離像,然后利用這一平均距離像和各次回波距離像作相關(guān)處理,在運算量增加不多的情況下,顯著地改善了包絡(luò)對齊的效果。

2 單個距離單元的回波特性

以仿真數(shù)據(jù)為例,多散射中心模型仿真數(shù)據(jù)得到的目標(biāo)一維距離像,其中明顯標(biāo)出第1、第2、第10和第256次回波的距離像,從中可以看出,第1和第2次回波,因為目標(biāo)轉(zhuǎn)角很小,兩者十分相似,相關(guān)系數(shù)很高。將第10次與第1次回波相比較,已可看出兩者的區(qū)別;而第256次回波與第1次回波的就有很大差別,兩者間的轉(zhuǎn)角約為3°,由于一維距離像對目標(biāo)姿態(tài)比較敏感,每個脈沖的距離像不便于提取,尋求比較穩(wěn)定的平均一位距離像。

3 平均距離像的回波特性

用與多散射中心模型仿真數(shù)據(jù)得到的目標(biāo)一維距離像相同的數(shù)據(jù),以不同數(shù)目作平均而得到的平均距離,用間隔10個和間隔25個求和取平均得到的距離像。它們基本相同,說明用平均距離像在一定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)是比較穩(wěn)定的,便于后續(xù)包絡(luò)對齊。

4 平均距離像準(zhǔn)則包絡(luò)對齊的迭代算法

平均距離像與各次回波都有一定的相似性,因此與各次回波的相關(guān)性都較強(qiáng)。問題是在包絡(luò)對齊之前,好的平均距離像是得不到的,為此我們采用迭代相關(guān)的方法。首先用相鄰幅度相關(guān)法等方法進(jìn)行包絡(luò)對齊,并將對齊后的距離像得到平均距離像。由于可能存在漂移和突跳誤差,第一次得到的平均距離像比較差。然后我們用這一平均距離像和各次回波距離像作相關(guān)處理,以相關(guān)系數(shù)最大來可進(jìn)一步補(bǔ)償剩余包絡(luò)對齊誤差。由于前面得到的平均距離像本身有較大誤差,我們可進(jìn)一步再對對齊后的距離像求平均,得到一新的平均距離像估計,然后再用此平均距離像來校正各次回波的包絡(luò)對齊誤差。對上述過程作進(jìn)一步迭代,直至收斂。最后對回波數(shù)據(jù)做距離FFT,以得到縱向的高分辨。

5 實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

利用多散射模型得到的雷達(dá)回波仿真數(shù)據(jù)分別采用相鄰相關(guān)法、積累互相關(guān)法、最小熵法、包絡(luò)對齊方式,從對齊質(zhì)量上來看相鄰相關(guān)法和積累互相關(guān)法對齊效果較差,迭代相關(guān)法、最小熵法包絡(luò)對齊方式效果相差不大。但是從運算量來看,相鄰相關(guān)法、積累互相關(guān)法明顯比最小熵法和迭代相關(guān)法對齊結(jié)果小得多,最小熵法是用查找方式計算所需的移位量,計算量較大,迭代相關(guān)法能在運算量增加不多的情況下取得較好的成像效果,對于具有ISAR準(zhǔn)實時處理的雷達(dá)具有明顯的優(yōu)勢。

6 結(jié)語

本文在包絡(luò)相關(guān)法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),利用成像域中的循環(huán)移位、隔離和迭代等步驟得到平均距離像,然后利用這一平均距離像和各次回波距離像作相關(guān)處理。最后,通過對飛機(jī)目標(biāo)實測數(shù)據(jù)對齊結(jié)果表明,該方法能在運算量增加不多的情況下顯著地提高了包絡(luò)對齊的精度,為ISAR的準(zhǔn)實時處理提供了一種方法。

[1]保錚,邢孟道,王彤編著.雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[2]邢孟道,保錚.一種逆合成孔徑雷達(dá)成像包絡(luò)對齊的新方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報,2000,27(1)：93-96.

[3]王根原.保錚逆合成孔徑雷達(dá)運動補(bǔ)償中的包絡(luò)對齊的新方法.電子學(xué)報,1998.26(6).

[4]Bao Zheng, Wang Genyuan, Luo Lin. Inverse Synthetic Aperture Radar Imaging of Maneuvering Targets. Optical Engineering.2005,37(5)：1582-1588.