陳 冀 吳宏銘 朱永鋒 周劍雄

(1. 國防科技大學電子科學學院, 湖南長沙 410073; 2. 火箭軍61基地96813部隊, 安徽黃山 242700)

1 引言

高分辨一維距離像(High-resolution range profile HRRP)以其能有效降低雜波功率而被廣泛應用于雷達檢測識別領域。在采取高分辨一維距離像為識別手段的問題中,如何準確判斷目標位置,引導完成對于目標要害部位的有效殺傷是關鍵技術問題。由于距離像一維特性,高分辨一維距離像丟失了大部分的目標三維散射結構信息,難以僅通過一維距離像判斷目標要害部位在截取距離窗中的具體位置,而因強度、姿態(tài)角度等因素影響,目標要害部位甚至難以在一維距離像中以高強度散射峰的形式表現出強散射特性,這更是讓基于一維距離像的目標要害部位選擇問題難以解決。針對上述問題,現有文獻大多基于二維成像進行攻擊點的選擇:文獻[1]分析了成像制導系統(tǒng)中的攻擊點選擇,并對不同距離目標的成像特點進行了討論,最后以實例給出攻擊點選擇的具體方法;文獻[2]以打擊港口重點目標為研究背景,已知港口子目標幅度特性,提出了一種實現群體打擊,毀傷最優(yōu)的瞄準點選擇遺傳算法;文獻[3]建立了島礁區(qū)的可選攻擊陣位模型,為雷達和紅外制導協同攻擊島礁區(qū)目標的攻擊陣位提供了方法參考。

可見,上述方法或以二維成像數據為先驗信息,或以群體打擊,毀傷最優(yōu)為研究條件,難以滿足對單目標要害部位打擊的背景需求。本文針對地面靜止目標要害部位打擊的特定場景,擬通過獲取目標三維散射中心結構的先驗信息,以中距離段在線獲取目標SAR(Synthetic Aperture Radar)圖像為前置條件,根據飛行器彈道變化通過二維成像段目標姿態(tài)角預估末段距離像制導時目標姿態(tài)變化,利用二維相對一維像的高姿態(tài)適應性實現SAR輔助下的一維距離像要害部位打擊。具體為:擬通過三維模型確定目標打擊部位在二維圖像中的具體位置,而后經提取散射中心,向一維距離像姿態(tài)角投影相加等步驟獲取目標的一維散射點序列并明確目標要害部位具體位置,最后按照滑動最大匹配原則,認定最優(yōu)匹配時模板部位所對應的距離像位置為目標打擊位置,從而實現三維散射中心模型輔助的一維距離像要害部位選擇。

2 算法描述

圖1給出了要害部位選擇算法的總流程。在此假設獲得目標三維模型及二維SAR圖像先驗信息。下面對幾個關鍵步驟逐一介紹:

圖1 算法流程Fig.1 The algorithm procedure

2.1 三維散射中心模型輔助的SAR圖像要害部位選擇

在打擊重點目標的背景假設中,必然已知目標的型號及具體參數,較易獲取打擊目標的三維模型并可通過偵查、平時獲取等多種手段得到目標SAR圖像的先驗信息。對于部分姿態(tài)角下的目標SAR圖像,打擊部位以強散射特性反映在目標SAR圖像中從而使要害部位的選擇得以在二維圖像中直接確定。這種情況下,我們可以通過SAR圖像輔助的一維距離像要害部位選擇方法直接鎖定打擊部位實現精確打擊,但部分方位角下,目標要害部位難以顯著反映在二維圖像中,需要以三維模型輔助確定要害部位位置。此時,我們可以利用電磁計算等方式建立目標的三維散射結構模型[4]。而SAR圖像是對目標散射結構的二維展示,其不僅能在x-y維反映目標散射中心分布情況,更能反映三維模型向一維直接投影時所無法體現的幅度信息,成為三維投影一維模板的輔助橋梁,得到用以匹配的一維散射點序列模板。

目標的空間散射分布可以等效為由一系列離散分布的孤立散射體組成,這種在目標空間稀疏分布的離散散射體稱為“目標散射中心”[5-7]。而目標SAR圖像、一維距離像可以視為目標散射中心在雷達徑向平面或一維徑向方向上的投影[8]。因此,如果通過三維向二維投影,二維向一維投影,能夠獲得較好的二維及一維匹配模板并確定要害部位在二維像和一維像中的具體位置。同時,值得強調的是,由于散射中心相對于目標特征的穩(wěn)定性,該算法可通過散射中心向各方位角方向的投影實現對目標待匹配像姿態(tài)角的適應性,也因此大大降低了模板庫的數量及獲取難度。

以愛國者雷達車為例。根據目標三維實體模型,解出三維強散射點分布情況[4],如圖2所示。

圖2 目標三維實體模型及三維散射結構模型Fig.2 Three-dimensional solid model and scattering center model of target

選擇愛國者雷達車架設的陣列天線為要害部位,根據其在實體模型中的具體位置,轉化其在三維散射模型中的位置如圖3所示。

圖3 打擊部位(陣列天線)在三維散射模型中的 具體位置(圖中黑框為天線范圍)Fig.3 The specific location of key parts (array antenna) in the three-dimensional scattering center model (The black box in the figure is the antenna position)

圖4 三維坐標空間與二維空間投影關系示意圖Fig.4 The projection diagram of three-dimensional coordinate objecting in two-dimensional image plane

(1)

(2)

實際應用中,考慮轉化后的二維散射中心只是空間的相對關系,而待匹配SAR圖像由大場景中取得,兩者匹配時圖像的原點一般不重合,標有要害部位的散射中心模板無法直接套準SAR圖像目標,確定SAR圖像中重點部位位置。因此,在二維匹配過程中存在平移配準問題。為解決上述問題,我們選定目標SAR圖像為參考的二維像,保持待匹配像位置不變。同時,按照滑動匹配最大相關準則將二維散射中心模板與待匹配像對齊。具體為:

(1)獲取散射中心模板σxy(x,y),設定模板的強度值為1:

σxy(x,y)|x=xi,y=yi=1

(3)

其中,xi,yi為三維投影獲取的強散射中心二維坐標。

(2)將待匹配像的中心固定在原點,令模板沿x-y坐標軸從左至右,從上至下平移,從兩幅像開始相交,直到兩幅圖像不再有交點為止,遍歷二維待匹配像每一個像點。每移動一個單元便計算一次匹配值T(Δx,Δy):

(4)

其中,Δx為x方向平移距離,Δy為y方向平移距離,σ(x,y)為待匹配的目標SAR圖像。

(3)取Tmax(Δxm,Δym)=MAX(T(Δx,Δy))為此次匹配結果,并將此時二維散射中心模型中目標打擊部位對應的SAR圖像部位認定為SAR圖像要害部位。

2.2 三維散射中心模型輔助的一維距離像要害部位選擇

提取出目標SAR圖像散射中心后,得到離散的二維散射中心點陣,參照文獻[9-10],通過將二維點陣向對應方位角投影,得到對應的序列,此時各個點的幅值不變,對投影后的同一距離分辨單元上的重疊的散射點進行幅度相加,再按照距離進行順序排列,得到該目標基于散射中心投影的一維散射點序列。

圖5 二維散射中心匹配效果及要害部位對應SAR 圖像中位置(圖中白框為天線范圍)Fig.5 Matching effect of two-dimensional scattering centers and the position of the position of the key parts in the image (The white box in the figure is the antenna position)

圖6 匹配最優(yōu)時二維散射中心及要害部位對應SAR 圖像中位置(圖中白框為天線范圍)Fig.6 The position of two-dimensional scattering centers and key parts in SAR images with optimal matching (The white box in the figure is the antenna position)

假設SAR圖像二維散射中心投影后的一維散射點序列σm(r)表示為:

(5)

其中,M代表散射點序列數目,ri代表散射點序列投影距離,Ai代表對應散射點強度。

一維距離像要害部位選擇的具體匹配方法如下:

(1)模板確定:將標有要害部位位置的一維散射點序列模板σm(r)通過開平方根增大動態(tài)范圍,得到增大動態(tài)范圍后的散射點的結果σ(r)。將散射點序列σ(r)按式(5)進行系數歸一化,此時得到歸一化后一維散射點序列σ′(r)。

(6)

(2)計算匹配系數:將待匹配的目標一維距離像開平方根增大動態(tài)范圍得到f1(r)。此時進行匹配的分別為f1(r)與σ′(r)。定義待匹配像f1(r)與模板散射點序列σ′(r)的匹配系數為M,其表達式如下:

(7)

實際中,雷達接收回波的長度很長,需要用距離窗將目標所在的數據段從回波中截取出來。當距離窗截取位置不同時,目標信息在距離窗中的實際位置會隨之改變,此為一維距離像的平移敏感性。在匹配中,我們選定待匹配距離像為參考的距離像,保持參考像位置不變。同時,按照滑動最大相關準則將一維散射點模板與待匹配距離像對齊。具體匹配算法為:

(1)將待匹配像f1(r)的中心固定在原點,令模板沿坐標軸從左至右平移,從兩幅距離像開始相交,直到兩幅圖像不再有交點為止。每移動一個單元便計算一次匹配值M:

(8)

(2)取Mmax(Δr)=MAX(M(Δr))為此次匹配結果。而此時模板中標記要害部位的散射點位置所對應的一維距離像位置即為要害部位判定位置。

圖7 要害部位在二維圖像及一維散射點序列中 位置(圓圈短線為要害部位位置)Fig.7 The position of key parts in two-dimensional image and one-dimensional scattering point sequence (Circle short line is the key position)

3 實驗分析

3.1 要害部位在距離像中的實際位置(仿真)

采用愛國者雷達車的電磁計算數據。根據SAR圖像與一維距離像關系,將矩形天線四角坐標所在范圍投影至目標一維距離像不同姿態(tài)角,并將所有方位角下距離像排列,得出要害部位在目標距離像中的實際位置,分布如圖8所示。

圖8 要害部位(陣列天線)在不同方位角距離像中的位置Fig.8 The position of the key part (array antenna) in the distance images with different azimuth angles

可以看到,大角度下由于愛國者雷達車接近正對雷達方向,雷達陣面所造成的強反射區(qū)域對于目標整體成像區(qū)域的覆蓋性很強。而此時,如圖9,投影至要害部位距離單元內的強散射中心不只有雷達陣列天線,為排除其他強散射中心對我們判斷要害部位距離偏差時帶來的影響,我們認為小角度下(30°以內)陣列天線所覆蓋的距離單元皆為攻擊判定有效區(qū)域,大角度下(30°以上)選擇天線中部不存在其他強散射區(qū)域的距離單元作為攻擊判定有效區(qū)域,最終有效判定范圍如圖10(a)。

圖9 要害部位所在位置示意圖Fig.9 Position diagram of key parts

由圖10可知,部分方位角下因結構、姿態(tài)、強度等因素,目標要害部位在一維距離像中不一定以高強度散射峰的形式表現出強散射特性(圖10(b)),使得單純依賴一維距離像進行要害部位選擇十分困難。因此,本文利用三維散射模型的先驗信息,輔助距離像完成要害部位的選擇。

圖10 要害部位在距離像中實際位置(無噪聲)Fig.10 Actual position of the key part in the image (noise-free)

3.2 三維模型輔助的一維距離像要害部位選擇結果(仿真)

將目標待匹配一維距離像與散射點序列模板如2.2中按照滑動最大原則進行匹配,得到目標最大匹配系數下模板與待識別一維距離像相對位置關系,對應模板中的要害部位判定坐標與實際要害部位所在距離像坐標,得出攻擊距離偏差值,得到要害部位判定正確概率。

如圖11,待匹配距離像中虛線部分為要害部位在目標距離像中的實際距離單元,標記為短線圓圈的散射點模板所對應的距離像部分為算法所判定的要害部位所在距離單元。判定具體準則為:如果算法判定的要害部位與實際要害部位所在距離單元重合,則要害部位偏差值為0,如果判定要害部位不在實際距離單元內,則計算要害部位距實際位置最近的偏差距離,計為要害部位偏差值,如圖12所示。

圖11 待識別距離像與散射點序列模板匹配情況(信噪比20 dB)Fig.11 Matching situation of image to be identified with scattering point sequence template (SNR=20 dB)

圖12為俯仰角36°下0°～66°方位角(共計661個角度)要害部位選擇距離偏差值。為驗證算法的普適性,現對俯仰角30°～40°(共計11個角度)的電磁計算數據進行仿真,平均每個俯仰角下各方位角的要害部位判定正確概率。設定允許偏差的攻擊距離為0.5 m,即要害部位偏差0.5 m內的判定都視為正確判定,得到如圖13的不同俯仰角下方位角平均的要害部位判定正確概率。

圖12 要害部位選擇距離偏差(信噪比20 dB)Fig.12 Selection deviation of the key part (SNR=20 dB)

圖13 不同俯仰角下(0°～66°方位角平均)要害部位 判斷正確概率(信噪比20 dB)Fig.13 Crrect pobability of the key part judgment under different pitch angles (0°～66°)(SNR=20 dB)

3.3 考慮角度偏移量的一維距離像要害部位選擇(仿真)

實際應用中,難以精確知道目標朝向、姿態(tài),以SAR圖像投影產生與目標一維距離像方位角完全一致的模板,這就導致因方位角偏差誘發(fā)的匹配失真成為在實際應用過程中無法避免的難題,所以,考察本算法在存在角度偏差時的要害部位判斷性能差異對后續(xù)的實際應用來說至關重要。在此,選取俯仰角36°下姿態(tài)角存在偏差(正負10°以內)的待匹配距離像與一維散射點序列模板進行匹配,對0°～66°方位角進行平均,得到不同角度偏差下要害部位選擇平均正確概率,結果如圖14所示。

圖14 角度偏差下要害部位選擇正確概率(信噪比20 dB)Fig.14 Correct probability of selecting key parts under angle deviation (SNR=20 dB)

由仿真結果可知,雖然在隨著偏差角度的增大,要害部位判斷正確概率呈下降趨勢,但該算法在SNR>20 dB時對于一維距離像要害部位選擇仍具有很高的正確概率,角度偏差正負10°范圍內,要害部位判斷的正確概率>90%,具有較高的實用價值。

3.4 SAR圖像輔助的一維距離像要害部位選擇(實測)

采用福田S3廂貨實測數據(方位角30°～130°,俯仰角0°)對SAR圖像輔助下的一維距離像要害部位選擇部分算法進行驗證。以雷達正對轉臺中央,雷達波直射轉臺上旋轉的廂貨,獲取目標實時的一維距離像數據。通過ISAR成像獲取目標二維圖像,生成一維散射點序列模板,以實測一維距離像進行匹配,驗證一維距離像要害部位選擇算法性能。

圖15 實測場景設置情況Fig.15 Actual scene settings

選擇廂貨車頭為要打擊的要害部位,將車頭坐標所在范圍投影至目標一維距離像(圖17○、+標注范圍),并將所有方位角下距離像排列,得出要害部位在目標距離像中的實際位置,對比不同方位角距離像,結果如圖17所示。

以2.2中方法投影映射得到標有要害部位位置的一維散射點序列模板,按照滑動最大匹配原則與待識別距離像進行匹配,計算匹配位置與要害部位實際位置的距離偏差(圖17中距離像虛線部分為要害部位真實所在位置,圓圈短線一維散射點序列所應對的距離像位置為算法判定的要害部位所在位置),分析SAR輔助下一維距離像要害部位選擇(峰值信噪比20 dB)算法性能,具體結果如圖18所示。

圖16 三通道ISAR圖像及要害部位對應位置(白框標注)Fig.16 Three-channel ISAR image and the corresponding position of key parts (white box labeling)

圖17 要害部位在距離像中實際位置(未添加噪聲)Fig.17 Actual position of the key part in the image (noise-free)

圖18 待識別距離像與散射點序列模板 匹配情況(信噪比20 dB)Fig.18 Matching situation of image to be identified with scattering point sequence template (SNR=20 dB)

實驗研究了實測背景環(huán)境下SAR圖像及要害部位先驗已知,輔助進行一維距離像要害部位選擇的核心部分算法性能,驗證了該算法在額定信噪比下(SNR≥20 dB)具有較好的要害部位選擇能力,說明了算法在實踐中的應用價值。

圖19 要害部位選擇距離偏差(信噪比20 dB)Fig.19 Selection deviation of the key part (SNR=20 dB)

4 結論

本文以三維散射模型為輔助手段提供先驗信息實現一維距離像的要害部位選擇,主要研究分析了三維模型輔助的SAR圖像要害部位選擇方法和SAR圖像輔助的一維距離像要害部位選擇方法,通過實驗仿真的手段對算法的可行性進行驗證,并采用福田卡車實測數據驗證了SAR圖像及要害部位先驗已知,二維圖像輔助一維距離像要害部位選擇的核心部分算法性能。同時,考慮姿態(tài)角不匹配帶來的角度偏移影響時,要害部位判斷的正確概率仍然大于90%。下一步將利用實測數據,驗證分析算法全部流程,考慮強電磁干擾對抗背景下二維圖像有效信息提取等問題并拓展目標類型,使算法更具實用價值。