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        基于極化SAR數(shù)據(jù)的圖像分類識別算法

        2015-04-14 03:05:22郝萬兵郭鵬程
        火控雷達技術(shù) 2015年4期
        關(guān)鍵詞:雜波艦船極化

        張 軍 王 勇 郝萬兵 楊 磊 郭鵬程

        (西安電子工程研究所 710100 西安)

        0 引言

        在傳統(tǒng)的目標(biāo)識別中,雷達發(fā)射和接收電磁波的極化方式是不變的,稱作單極化雷達目標(biāo)識別。單極化方式只能反映出雷達目標(biāo)在固定收發(fā)方式下的極化特性,而目標(biāo)在不同的極化電磁波照射下,電磁散射特性是不同的,通過不同極化方式的接收,就可以得到目標(biāo)更加全面的極化信息,基于此的目標(biāo)識別稱作全極化目標(biāo)識別。

        1950年,學(xué)者George Sinclair 提出著名的“Sinclair 極化散射矩陣”[1],即在特定的姿態(tài)和頻率下,可以用一個2 ×2 的復(fù)散射矩陣來描述雷達目標(biāo)的散射特性,開啟了雷達極化信息處理的研究。早期的極化目標(biāo)識別主要是直接依據(jù)散射矩陣元素進行的,其中Bickel 和Lowebshuss 在對極化散射矩陣變換和目標(biāo)表征的研究基礎(chǔ)上,提出了三參數(shù)軌跡法,并將其應(yīng)用于目標(biāo)識別。1965年,Bickel 提出了不隨目標(biāo)繞雷達視線方向的旋轉(zhuǎn)或者雷達極化基改變的極化不變量,并指出它們是可用于目標(biāo)識別的良好特征[2]。以上極化雷達目標(biāo)識別方法都是對目標(biāo)宏觀散射特性的分析和描述,而對目標(biāo)局部散射特性的描述甚少。其實最有希望解決目標(biāo)識別問題的方向是將高分辨目標(biāo)識別技術(shù)和全極化加以綜合。Kennaugh 和Boerner 等都強調(diào)了高分辨背景下目標(biāo)極化特性研究。Cameron、Huynen、Krogager 等人相繼提出了基于極化散射矩陣分解的目標(biāo)識別方法,即將目標(biāo)分解為若干個子散射體疊加的形式,每一個子散射體對應(yīng)著確定的物理散射機制。之后又出現(xiàn)了Mueller 矩陣、Kennaugh 矩陣等表征方式。這些表征方式極大地推動了極化理論的進一步完善,促進了極化檢測、極化濾波、極化識別等極化技術(shù)的蓬勃發(fā)展。

        在全極化雷達高分辨距離像(HRRP)目標(biāo)識別方面,通常有兩種方法:一種將距離像信息與極化信息按照某種規(guī)則結(jié)合起來提出了距離像-極化多維匹配識別方法。另外一種是使用多數(shù)投票準(zhǔn)則和證據(jù)理論準(zhǔn)則(D-S)對四種極化狀態(tài)下的HRRP 的識別結(jié)果進行融合。

        圖1 雷達自動目標(biāo)識別系統(tǒng)框圖

        1 極化測量體制

        極化雷達測量體制,發(fā)端于早期出現(xiàn)的變極化、雙極化雷達;伴隨著后期技術(shù)的不斷進步,軟硬件水平的不斷提高以及高測量精度的需求,繼續(xù)從變極化雷達體制、雙極化測量體制發(fā)展到全極化雷達體制,從分時極化測量體制發(fā)展到同時極化測量體制。

        1.1 變極化雷達體制

        這種雷達體制只需要一路發(fā)射通道和接收通道,通過極化選擇開關(guān)來實現(xiàn)發(fā)射極化狀態(tài)的改變,接收時采用同極化接收。這種測量模式由于只能利用連續(xù)兩個脈沖測量得到目標(biāo)極化散射矩陣的同極化分量,并且對轉(zhuǎn)換開關(guān)和脈沖重復(fù)周期有嚴格要求,故只有少數(shù)警戒雷達為了特定的目標(biāo)探測和抗干擾需要,在頻率分集時采用這種體制。

        1.2 雙極化測量體制

        在原有單極化雷達基礎(chǔ)上增加一副正交極化天線及對應(yīng)的接收通道就可使其具有部分極化測量能力,稱此種體制雷達為雙極化測量雷達。在這種模式下,每個PRI能得到極化散射矩陣的一列元素。通過對兩路正交極化接收信號的融合處理,用于增強其目標(biāo)檢測和抗干擾性能,可將信噪比提高幾個分貝。比如美國的Millstone Hill 跟蹤雷達、ALTAIR導(dǎo)彈防御雷達。但是,受其極化測量能力的限制,這種體制雷達在提高雷達目標(biāo)分類和識別能力等方面的作用有限。

        1.3 全極化測量雷達體制

        1.3.1 分時極化測量體制

        該體制雷達以PRI為周期輪流發(fā)射正交極化信號,并同時接收H、V 極化信號,利用連續(xù)兩個脈沖測量得到完整的極化散射矩陣。分時極化測量雷達具有一路極化可變的發(fā)射通道、兩路獨立的正交極化接收通道,主要用于戰(zhàn)場偵查與監(jiān)視、防空反導(dǎo)、地理遙感和氣象探測等。

        一般而言,分時極化測量雷達通過對多個脈沖的處理能夠獲得目標(biāo)的完整極化散射矩陣,但該體制雷達存在以下固有缺陷:

        (1)對極化散射特性快起伏、非平穩(wěn)目標(biāo)(包括結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜或運動速度較快的飛機,導(dǎo)彈等),該體制會造成目標(biāo)散射矩陣的兩列元素測量值間產(chǎn)生去相關(guān)效應(yīng);

        (2)由于目標(biāo)運動引起的多普勒效應(yīng)會造成目標(biāo)散射矩陣的兩列元素測量值之間產(chǎn)生相位差,利用相位補償技術(shù)難以達到理想的測量精度;

        (3)發(fā)射通道極化切換器件存在固有的交叉極化耦合干擾,對極化測量精度產(chǎn)生不利影響。

        1.3.2 同時極化測量體制

        同時極化測量體制的核心思想是雷達發(fā)射信號由兩個具有一定帶寬的調(diào)制信號相干疊加得到,兩個正交極化通道的發(fā)射波形盡可能正交,然后對雷達回波信號同時進行兩路正交波形的相關(guān)接收,利用信號調(diào)制的正交性分離出不同發(fā)射極化對應(yīng)的回波,從而利用一個脈沖重復(fù)周期得到目標(biāo)極化散射矩陣4 個元素的估計值。

        同時極化測量體制可以實現(xiàn)對動態(tài)、時變的全極化信息進行獲取,處理和利用,從而極大提高雷達在目標(biāo)檢測、抗干擾、目標(biāo)識別和參數(shù)反演方面的能力。

        1.4 簡縮極化測量體制

        全極化SAR 能夠提供更多的目標(biāo)散射信息,揭示更準(zhǔn)確詳盡的目標(biāo)地物特性。但該系統(tǒng)對存儲空間及采樣頻率要求較高。為了緩解硬件壓力,同時提高數(shù)據(jù)采集速率,擴大場景錄取范圍,簡縮極化SAR 模式從提出以來就備受關(guān)注。

        這種測量體制主要用于空間SAR 探測中。一種是π/4 模式,即發(fā)射45°線極化信號,同時接收H、V 極化信號;另一種是發(fā)射圓極化信號,同時接收H、V 極化信號。這種體制的優(yōu)勢在于制造工藝相對簡單,具有自校準(zhǔn)特性,不易受到噪聲和交叉極化通道影響。表1 從五個方面對5 種極化測量體制進行比較。從表1 可以看出,同時極化測量體制雖然系統(tǒng)復(fù)雜度高,但其信號處理能力和極化測量能力也高。

        表1 極化測量體制比較

        2 基于極化分解的目標(biāo)識別算法

        2.1 極化散射矩陣

        1950年Sinclair 首次提出著名的“Sinclair 極化散射矩陣”的概念。其特定姿態(tài)和輻射源頻率下的極化散射特性可以由一個2 ×2 的復(fù)的二維散射矩陣來表示。如果給定矩陣中所有元素的相位和幅度,S 矩陣能夠?qū)⒛繕?biāo)散射的能量、相位、極化特性統(tǒng)一的表示出來,完整的描述目標(biāo)電磁散射特性。

        在遠場條件下,電磁波可以看作是平面波,在選定散射空間坐標(biāo)系及相應(yīng)的極化基后,整個散射過程就可以看作是一個線性變換過程:

        Es= SEi

        其中的S 矩陣就是所謂的Sinclair 極化散射矩陣,r 表示接收天線和雷達目標(biāo)之間的距離,為電磁波的波數(shù),S 矩陣中元素兩個下標(biāo)分別代表接收電磁波的極化方式和發(fā)送電磁波的極化方式,例如表示以水平極化方式發(fā)送電磁波,以垂直極化方式接收電磁波。

        2.2 相干分解

        相干分解是基于極化散射矩陣S 的分解方法,其主要思想是將任意的S 矩陣分解成若干散射矩陣的和的形式,每一個矩陣對應(yīng)著某種確定的散射機制,即:

        其中si代表標(biāo)準(zhǔn)的極化散射矩陣,并且假設(shè)各矩陣具有獨立性;αi代表si的權(quán)值系數(shù),代表該成分在S 矩陣中所占的比重。

        2.2.1 Pauli 分解

        Pauli 分解的表達式為S=aSa+bSb+cSc

        表2 Pauli 分解的物理意義

        Pauli 分解的優(yōu)點是形式簡單,且Pauli 基為完備正交基。它的缺點是,分解對應(yīng)的物理散射機制只有奇次散射和偶次散射兩種,不能完整描述目標(biāo)的散射特性。a 表示奇次散射機制;b 表示偶次散射機制;c 表示旋轉(zhuǎn)45°偶次散射。直接利用最大值歸一化后的|a|2、|b|2和|c|2作為特征就可以進行識別。

        3 實驗結(jié)果

        本文利用全極化SAR 數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集區(qū)域為美國舊金山海岸,左邊是舊金山的海岸與海灣,右邊是太平洋,近海處停放了四艘較大的艦船,建筑物區(qū)域位于左側(cè)海岸。如圖2所示,該SAR 圖像是四個極化通道合成的偽彩圖為了識別艦船目標(biāo),首先對艦船附近的海面特性進行分析,截取的目標(biāo)區(qū)域選取海雜波區(qū)域,橫坐標(biāo)(550,650)縱坐標(biāo)(750,900),X軸代表樣本數(shù),Y 軸代表強度。

        從圖3 可以看出,同極化通道的信噪比相當(dāng),約為16dB,而交叉極化的信噪比強度比同極化通道信噪比強度大概高10dB。雖然海雜波的強度在不同的極化通道相差較大,但其近似于均勻分布。

        圖2 全線極化通道的SAR 圖像

        圖3 不同極化通道海雜波的HRRP 的強度對比

        圖4 海雜波特性擬合

        通常,在低海情的情況下,韋布爾分布的擬合效果較好,而高海情下對數(shù)正態(tài)分布的擬合較好。從圖3 擬合效果來看,所選區(qū)域的海情較低,這與其靠近海灣的地理位置相符。

        圖5 選取艦船區(qū)域:橫坐標(biāo)(555,,601),縱坐標(biāo)(101,250)進行Pauli 分解

        圖6 選取建筑物區(qū)域:橫坐標(biāo)(50,200),縱坐標(biāo)(200,350)進行Pauli 分解

        圖7 選取海雜波區(qū)域:橫坐標(biāo)(550,750)縱坐標(biāo)(600,800)進行Pauli 分解

        由艦船和建筑物的pauli 分解可知,場景中目標(biāo)的二面角分量較多,因此偶次散射b、c 較強。艦船二面角和45°二面角分量比建筑物對應(yīng)分量多,該特征可用于艦船和建筑物目標(biāo)的分類。海面由于奇次散射,因此a 分量較強。

        4 結(jié)束語

        圖5 艦船區(qū)域的Pauli 分解

        圖6 建筑物區(qū)域的Pauli 分解

        圖7 海雜波區(qū)域的Pauli 分解

        利用公開的舊金山的全極化SAR 數(shù)據(jù),根據(jù)四個線極化通道合成偽彩色圖像,實現(xiàn)對場景進行初步認知。利用四個線極化通道海雜波的HRRP 的強度對比,比較同極化通道和交叉極化通道的信噪比強度。通過對目標(biāo)進行Pauli 分解得到場景中奇次散射和偶次散射分量,從而完成對海雜波、建筑物和艦船的相干分解分量的研究。

        [1]Sinclair G...The transmission and reception of elliptically Polarized radar waves [J].Proc.IRE,1950,38(2):148-151.

        [2]Brichel S.H,Some invariant properties of the polarization scattering matrix[J].Proc.IEEE,1965:1070-1072.

        [3]Krogager,E.,A new decomposition of the radar target scattering matrix[J],Electronics Letter,1990,26(18):1525-1526.

        [4]C.J.C.Burges,A tutorial on support vector machines for pattern recognition[J].Data Mining and Knowledge Discovery,1998,2:121-167.

        [5]J.R.Huynen.A new approach to radar crosssection measurements [J].IRE Internal Conv.,1962.

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