馬俊濤 高梅國(guó) 胡文華 熊 娣 史 林

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空間目標(biāo)多站ISAR優(yōu)化布站與融合成像方法

馬俊濤*①②高梅國(guó)①胡文華②熊 娣①史 林②

①(北京理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 北京 100081)②(中國(guó)人民解放軍軍械工程學(xué)院 石家莊 050003)

對(duì)異址多站雷達(dá)回波相干融合可以將空間觀測(cè)視角的分離轉(zhuǎn)換為目標(biāo)積累時(shí)間的增加，提高ISAR像方位分辨率。該文針對(duì)在軌空間目標(biāo)多站ISAR相干融合成像問(wèn)題，提出一種基于目標(biāo)軌道先驗(yàn)信息的優(yōu)化布站方法，提高了回波融合效率；針對(duì)多站雷達(dá)回波融合處理問(wèn)題，利用軌道運(yùn)動(dòng)模型分析了融合成像平面的空變特性，提出融合回波越距離單元徙動(dòng)、多普勒時(shí)變等問(wèn)題的解決方法，使多視角回波有效相干融合。利用空間站軌道驗(yàn)證了融合成像平面的空變性，從徙動(dòng)校正效果及分辨率改善等方面驗(yàn)證了布站及融合算法的有效性。

ISAR成像；空間目標(biāo)；相干融合；空變特性

1 引言

本文針對(duì)在軌空間目標(biāo)多站ISAR相干融合成像，結(jié)合空間目標(biāo)運(yùn)動(dòng)模型提出了一種優(yōu)化布站的方法，利用目標(biāo)軌道先驗(yàn)信息解決融合回波越斜距分辨單元徙動(dòng)(Slant-MTRC)、越橫距分辨單元徙動(dòng)(Cross-MTRC)以及轉(zhuǎn)角非均勻等問(wèn)題，使多視角回波有效相干融合。利用天宮1真實(shí)軌道，分析了融合成像平面的空變性，從MTRC校正及分辨率改善等方面驗(yàn)證了布站及融合算法的有效性。

2 基于目標(biāo)軌道運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)化布站

2.1 主站觀測(cè)矢量在地心地固系下的精確描述

圖1 軌道目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)及ISAR成像模型

2.2 成像坐標(biāo)系初始3軸矢量

2.3 融合雷達(dá)優(yōu)化布站位置

圖2 視角融合成像原理

(9)

3.4 多站ISAR融合成像處理流程

4 仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 融合成像平面空變特性

本節(jié)從融合成像平面的空變角度出發(fā)，驗(yàn)證相對(duì)于任意布站，本文方法所確定的站址是最優(yōu)的。選擇天宮1號(hào)衛(wèi)星軌道作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證軌道，其軌道6根數(shù)由美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)(Space Surveillance Network, SSN)以兩行軌道根數(shù)形式公布如下：

1 37820U 11053A 16266.35688463 0.00025497 00000-0 24137-3 0 9991

2 37820 042.7662 24.7762 0015742 351.0529 104.2087 15.66280400285808

假設(shè)用于比較的任意站址分布在以主站站址為圓心，基線長(zhǎng)度為半徑的圓上某處。令主站雷達(dá)所在經(jīng)圈與基線(主站雷達(dá)與融合雷達(dá)之間的連線)的北向夾角為，可知基線長(zhǎng)度為的兩部雷達(dá)在主站雷達(dá)所在經(jīng)圈上的投影距離為，由于地球上所有經(jīng)圈長(zhǎng)度相等，同一經(jīng)線上緯度相差1°，距離相差，則可以直接得到融合雷達(dá)的緯度，再由式(25)的反推式(26)計(jì)算兩站之間的經(jīng)度差：

4.2 融合回波的MTRC校正與回波相位重建

4.3 融合成像的分辨率改善

本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多站雷達(dá)回波融合成像對(duì)分辨率的改善。雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，由于載頻差異是影響融合效果的獨(dú)立因素，因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩部雷達(dá)的載頻分別為10 GHz, 8 GHz，單站雷達(dá)帶寬為400 MHz，雷達(dá)的觀測(cè)時(shí)間同為：23:52:14~23:52:17，雷達(dá)重頻設(shè)置為50 Hz，單站雷達(dá)可獲得150個(gè)回波脈沖。通過(guò)計(jì)算，兩部雷達(dá)的積累視角分別為：2.2817o, 2.2814o，計(jì)算分辨率均約為0.37 m。

圖4 融合成像平面空變性分析

圖5 MTRC校正與回波相位重建

設(shè)置9組散射點(diǎn)如圖6(a)所示，每組散射點(diǎn)由兩個(gè)鄰近散射點(diǎn)組成，橫向點(diǎn)距為0.35 m，中心點(diǎn)距0.30 m，均小于單站分辨率。主站和融合站的成像結(jié)果如圖6(b)，圖6(c)所示，兩部雷達(dá)的單站積累時(shí)間相近，因觀測(cè)位置的差異，對(duì)散射點(diǎn)的分辨能力略有差別，但大多數(shù)散射點(diǎn)不能分辨。如果不采用偏移校正，融合成像結(jié)果如圖7(a)所示，由于載頻偏移使回波不能有效融合，圖像出現(xiàn)模糊，驗(yàn)證了本文3.3小節(jié)中給出的結(jié)論，校正后的融合效果如圖7(b)所示，有效融合使所有鄰近散射點(diǎn)都能夠分辨。為了進(jìn)一步考察回波融合的效果，圖7(c)-圖7(e)分別給出了融合后第262, 238, 214斜距單元對(duì)應(yīng)的橫距像與單站橫距像的比較，單站橫距像已經(jīng)過(guò)插值處理，由圖可見(jiàn)，回波相干融合處理后分辨率得到了有效提升。

4.4 最優(yōu)布站融合成像效果

圖6 散射點(diǎn)模型與單站成像效果

圖7 偏移校正與融合成像

設(shè)置空間站模型如圖8(a)所示，主站與最優(yōu)融合站的單站成像結(jié)果如圖8(b)，圖8(c)所示，兩個(gè)ISAR像的距離單元范圍均設(shè)置為180~340，雷達(dá)異址觀測(cè)，兩個(gè)成像結(jié)果顯示出略微不同的目標(biāo)姿態(tài)。由于觀測(cè)視角增加，目標(biāo)出現(xiàn)了明顯的越多普勒單元徙動(dòng)，如圖9(a)所示，校正后的融合成像結(jié)果如圖9(b)所示，顯示了理想布站融合后分辨率的提高。另兩處布站融合成像結(jié)果如圖10所示，兩個(gè)站址的雷達(dá)回波信號(hào)融合后均沒(méi)有改善單站雷達(dá)的成像質(zhì)量，反而由于融合成像平面的3維轉(zhuǎn)動(dòng)使圖像質(zhì)量嚴(yán)重蛻化。

5 結(jié)論

與機(jī)動(dòng)目標(biāo)ISAR成像不同的是，在軌運(yùn)行的空間目標(biāo)的軌道參數(shù)已知，充分利用軌道先驗(yàn)對(duì)回波進(jìn)行處理可以克服低信噪比時(shí)難以找出特顯點(diǎn)使傳統(tǒng)平動(dòng)補(bǔ)償算法失效的問(wèn)題，但由于對(duì)成像段的約束，限制了ISAR像橫向分辨率的提高，利用多站同時(shí)獲取觀測(cè)回波是一種增加積累時(shí)間的可行方法。本文進(jìn)一步利用軌道參數(shù)指導(dǎo)融合布站，提高了融合效率，并通過(guò)天宮1實(shí)際軌道進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)也表明了本文提出的融合方法的有效性。

圖8 空間站仿真模型及單站成像結(jié)果

圖9 最優(yōu)布站融合ISAR成像

圖10 非最優(yōu)布站融合ISAR成像

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馬俊濤： 男，1977年生，博士生，講師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)成像技術(shù).

高梅國(guó)： 男，1965年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔走_(dá)電子對(duì)抗與反對(duì)抗、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理、雷達(dá)成像技術(shù)等.

胡文華： 男，1971年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)對(duì)抗技術(shù).

熊 娣： 女，1989年生，博士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)成像技術(shù).

史 林： 男，1985年生，博士生，講師，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理.

Optimum Distribution of Multiple Location ISAR andMulti-angles Fusion Imaging for Space Target

MA Juntao①②GAO Meiguo①HU Wenhua②XIONG Di①SHI Lin②

①(,,100081,)②(,,050003,)

The spatially separated observation angles from the multiple inverse synthetic aperture radar sensors can be converted to the accumulation time of the same target, which can improve the cross-range resolution of ISAR image by the coherent fusion of raw echo signals collected from different sensors.To solve the issue of multiple radar sensors coherent fusion ISAR imaging of space target moving on orbit, the radar location optimal method based on the orbital prior of the space target is proposed to improve the efficiency of the echoes fusion, the spatial- variant property of the fusion imaging plane of space target is analyzed using orbital motion model to solve the range Migration Through Resolution Cells (MTRC) and time-varying Doppler. The simulation results based on real orbit of space station confirm the effectiveness of the proposed method.

ISAR imaging; Space target; Coherent fusion; Spatial-variant property

TN957.52

A

1009-5896(2017)12-2834-10

10.11999/JEIT170482

2017-05-18；

2017-10-01；

2017-10-27

通信作者：馬俊濤 tm0508@sina.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(61401024)

The National Natural Science Foundation of China (61401024)