王海風(fēng)+王浩
摘 要 編隊(duì)目標(biāo)由于各目標(biāo)回波在距離域和多普勒域都有重疊,難以直接利用單目標(biāo)的成像方法對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行成像。本文提出先對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一的距離走動(dòng)校正,然后采用廣義二階keystone變換校正距離彎曲,最后采用基于調(diào)幅-線性調(diào)頻信號(hào)模型的參數(shù)估計(jì)方法得到多目標(biāo)的距離-瞬時(shí)多普勒?qǐng)D像。仿真數(shù)據(jù)的處理表明了所提方法的有效性。
關(guān)鍵詞 距離-瞬時(shí)多普勒?qǐng)D像;多目標(biāo)成像;廣義二階keystone變換
中圖分類號(hào):TN957.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-7597(2014)09-0060-03
逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全天候、全天時(shí)和遠(yuǎn)距離觀測,獲取目標(biāo)的高分辨圖像,從而可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別[1]。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,雷達(dá)需要處理的常常是密集的多目標(biāo)(如飛機(jī)編隊(duì)突防、彈道導(dǎo)彈的多彈頭等),多目標(biāo)具有更強(qiáng)的危險(xiǎn)性和更廣的破壞力,為了確保我們的國家安全,有必要對(duì)多目標(biāo)的情況加以研究。
目前多目標(biāo)ISAR成像主要有多目標(biāo)分離成像和多目標(biāo)直接成像兩種思路[2]。前者主要采用兩種方式,一種是對(duì)多目標(biāo)回波進(jìn)行平動(dòng)補(bǔ)償后進(jìn)行粗成像,根據(jù)多目標(biāo)粗成像的結(jié)果對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分離;另一種是利用多目標(biāo)平動(dòng)不同而導(dǎo)致其多普勒調(diào)頻率或者距離走動(dòng)率不同,對(duì)多目標(biāo)的回波直接進(jìn)行分離。后者要是采用各種基于時(shí)頻變換的距離-瞬時(shí)多普勒成像方法對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行成像[3]。
針對(duì)編隊(duì)飛行目標(biāo)的成像問題,本文提出一種新的編隊(duì)目標(biāo)ISAR成像方法。先對(duì)編隊(duì)目標(biāo)由于速度引起的距離走動(dòng)做統(tǒng)一補(bǔ)償,接著利用廣義二階keystone變換校正目標(biāo)的距離彎曲,最后采用調(diào)幅—線性調(diào)頻信號(hào)模型的參數(shù)估計(jì)方法同時(shí)得到多目標(biāo)的橫向多普勒像。該方法避免了對(duì)編隊(duì)目標(biāo)回波分離的困難,能夠同時(shí)完成多個(gè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和成像處理。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。
1 編隊(duì)目標(biāo)回波信號(hào)分析
雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)
(1)
其中:,是脈寬,是發(fā)射信號(hào)的調(diào)頻率,
是中心頻率,是快時(shí)間,t是全時(shí)間,m是整數(shù),是脈沖重復(fù)時(shí)間,是慢時(shí)間。
當(dāng)同一波束內(nèi)有多個(gè)目標(biāo)時(shí),雷達(dá)接收到的多目標(biāo)基帶回波信號(hào)為
(2)
其中:Ai,j為第j個(gè)目標(biāo)第i個(gè)散射點(diǎn)的散射系數(shù),為該散射點(diǎn)在tm時(shí)刻到雷達(dá)的距離,c為光速,觀測區(qū)內(nèi)共有 N個(gè)目標(biāo),第j個(gè)目標(biāo)共有Mj個(gè)散射點(diǎn)。
利用快速傅里葉變換來進(jìn)行脈沖壓縮,匹配濾波器為,記脈壓以后的信號(hào)為,則
(3)
其中:,B為信號(hào)帶寬。
由式(3)可以看出,各目標(biāo)的包絡(luò)都會(huì)隨著慢時(shí)間的變化而變化,為了消除這種影響,將其變換到距離頻域,有
(4)
對(duì)飛機(jī)一類機(jī)械惰性較大的目標(biāo)成像時(shí),若目標(biāo)做平穩(wěn)飛行,在短時(shí)間內(nèi)可將以二次多項(xiàng)式近似
(5)
其中:和分別為第j個(gè)目標(biāo)第i個(gè)散射點(diǎn)在0時(shí)刻的徑向速度和徑向加速度。將式(5)代入式(4)則有
(6)
速度會(huì)引起目標(biāo)的包絡(luò)走動(dòng),而加速度會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)的包絡(luò)產(chǎn)生彎曲。
2 編隊(duì)目標(biāo)的包絡(luò)校正
由于編隊(duì)目標(biāo)的參數(shù)差異不大,因此可以采用相同的參數(shù)對(duì)其進(jìn)行速度補(bǔ)償。采用最小熵法[4]最大對(duì)比度法[5]目標(biāo)的速度參數(shù)進(jìn)行估計(jì),得到估計(jì)的目標(biāo)速度為,構(gòu)造補(bǔ)償函數(shù):
(7)
補(bǔ)償之后的信號(hào)為
(8)
其中:分別為第j個(gè)目標(biāo)第i個(gè)散射點(diǎn)與估計(jì)的速度的殘差。
上面只是對(duì)距離走動(dòng)進(jìn)行了校正,而對(duì)由于目標(biāo)的加速度產(chǎn)生的包絡(luò)彎曲并沒有進(jìn)行校正。對(duì)于目標(biāo)的包絡(luò)彎曲可以采用廣義二階keystone變換[6]其進(jìn)行校正。令
(9)
則有
(10)
從式(10)可以看出,此時(shí)距離向的彎曲已經(jīng)消除了,而且距離走動(dòng)的斜率也變?yōu)樵瓉淼囊话?。將式?0)變換到距離時(shí)域有
(11)
從式(11)可以看出,包絡(luò)中的距離走動(dòng)與速度估計(jì)的殘差相關(guān),一般成像所需的相干積累時(shí)間較短,因此可以認(rèn)為此時(shí)目標(biāo)的包絡(luò)已經(jīng)校正平了。
3 編隊(duì)目標(biāo)的方位向成像
多目標(biāo)回波的包絡(luò)校正之后,必須考慮對(duì)每一距離單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行初相誤差補(bǔ)償。ISAR初相補(bǔ)償?shù)木纫髽O高,其允許誤差常在亞毫米級(jí),經(jīng)過前面的補(bǔ)償之后,各目標(biāo)散射點(diǎn)子回波的多普勒頻率仍然是時(shí)變的,且可以用線性調(diào)頻信號(hào)模型近似。由于各目標(biāo)加速度分量有所差異,不同目標(biāo)散射點(diǎn)的多普勒調(diào)頻率也是不同的,無法用同一個(gè)相位誤差序列同時(shí)完成對(duì)多個(gè)目標(biāo)的初相校正。由于各目標(biāo)散射點(diǎn)子回波為線性調(diào)頻信號(hào),本文采用基于調(diào)幅-線性調(diào)頻信號(hào)模型的參數(shù)估計(jì)方法,直接完成對(duì)多目標(biāo)回波的橫向成像處理。
設(shè)一個(gè)距離單元的信號(hào)由P個(gè)AM-LFM分量和白噪聲組成
,
(12)
估計(jì)第個(gè)AM-LFM分量的頻率和調(diào)頻率由的二維分布的峰值點(diǎn)確定
(13)
其中:為原始信號(hào)減掉已估計(jì)的個(gè)AM-LFM分量。
(14)
為利用FFT,和的估計(jì)可由下式快速實(shí)現(xiàn)
(15)
初相為峰值點(diǎn)的相位
(16)
時(shí)變幅度通過把過峰值點(diǎn)的頻譜移到零頻,濾出后估計(jì)得到,即由下式獲得,
(17)
這里為第個(gè)分量的頻域窗函數(shù),
其中,,其數(shù)值根據(jù)零頻左右的譜寬度確定。在頻域減掉已估計(jì)的第個(gè)AM-LFM分量后,為
(18)endprint
其中:。
利用式(15-17)可以估計(jì)出第個(gè)散射點(diǎn)的參數(shù),利用式(18)可以得到原始信號(hào)減掉已估計(jì)的個(gè)AM-LFM分量的剩余信號(hào),這個(gè)迭代過程直到剩余信號(hào)的能量小于一定的門限值[7]。
4 仿真數(shù)據(jù)的處理及其說明
對(duì)如圖1(a)所示的飛機(jī)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn),兩架飛機(jī)的飛行軌跡如圖1(b)所示,其速度方向與X軸正方向的夾角為3°,初始觀測時(shí)刻目標(biāo)A與B在直角坐標(biāo)系中的位置分別為(-15 m,-7 m)和(20 m,7 m),目標(biāo)A與B的速度分別為250 m/s和260 m/s,雷達(dá)發(fā)射信號(hào)載頻為10 GHz,信號(hào)帶寬為400 MHz,脈沖重復(fù)時(shí)間為0.0025 s,相干積累時(shí)間為1.28 s,雷達(dá)與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為20 km。
圖2(a)是兩個(gè)編隊(duì)飛行目標(biāo)的距離壓縮圖,可以從中看出兩個(gè)目標(biāo)的距離走動(dòng)率各不相同,因此直接采用傳統(tǒng)的ISAR成像方法得不到清晰的目標(biāo)像,其成像結(jié)果見圖2(b)。圖2(c)是進(jìn)行了包絡(luò)校正之后的圖像,可以看出由于目標(biāo)的徑向運(yùn)動(dòng)引起的距離走動(dòng)已經(jīng)基本得到校正,但是不同目標(biāo)由于加速度的差異引起的距離彎曲并沒有得到校正。圖2(d)是對(duì)圖2(c)的結(jié)果利用瞬時(shí)成像方法進(jìn)行成像的結(jié)果,可以看出各個(gè)目標(biāo)的成像結(jié)果比較清晰,但是部分散射點(diǎn)由于距離彎曲沒有校正,例如:目標(biāo)A的機(jī)尾部分和目標(biāo)B的機(jī)頭部分,其聚焦效果不是很好。圖2(e)是對(duì)速度校正之后的信號(hào)進(jìn)行二階keystone變換的結(jié)果,可以看出目標(biāo)的包絡(luò)校正的更加整齊,這也更加有利于對(duì)目標(biāo)的成像。圖2(f)是對(duì)2(e)的信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)成像的結(jié)果,可以看出散射點(diǎn)的聚焦性能更好,這也說明了本文成像方法的有效性。
5 結(jié)論
本文提出一種編隊(duì)目標(biāo)的成像方法,即先統(tǒng)一校正編隊(duì)目標(biāo)由于速度引起的距離走動(dòng),然后利用廣義二階keystone變換校正目標(biāo)由于加速度引起的距離彎曲,最后利用瞬時(shí)成像方法對(duì)編隊(duì)目標(biāo)進(jìn)行方位成像。該方法不需要對(duì)多目標(biāo)回波進(jìn)行分離,可以同時(shí)給出多目標(biāo)的兩維像。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。
參考文獻(xiàn)
[1]Chen C C, Andrews H C. Target-motion-induced Radar Imaging [J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1980,16(1):2-14.
[2]李亞楠,付耀文,黎湘.多目標(biāo)ISAR成像研究綜述[J].信號(hào)處理,2009,25(7):1092-1096.
[3]陳文馳.一種適用于編隊(duì)目標(biāo)的ISAR成像處理實(shí)現(xiàn)方法[J].電子學(xué)報(bào),2006,34(6):1119-1122.
[4]Wang Gen-yuan,Bao Zheng.The Minimum Entropy Criterion of Range Alignment in ISAR Motion Compensation[C].Proceeding Conference Radar97, 14-16, Edinburgh UK, 1997.
[5]Berizzi F, Corsini G. Autofocusing of inverse synthetic aperture radar images using contrast optimization[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1996, 32(3): 1185-1191.
[6]蘇軍海,邢孟道,保錚.寬帶機(jī)動(dòng)目標(biāo)檢測[J].電子與信息學(xué)報(bào),2009,31(6):1283-1287.
[7]邢孟道,保錚,馮大政.基于瞬時(shí)幅度和調(diào)頻率估計(jì)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)成像方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2001,28(1):22-26.
作者簡介
王海風(fēng)(1980-),男,漢族,河南太康縣人,中國飛行試驗(yàn)研究院,碩士研究生,研究方向:目標(biāo)電磁、紅外散射特性研究。
王浩(1982-),男,漢族,陜西富平縣人,中國飛行試驗(yàn)研究院,碩士研究生,研究方向:目標(biāo)電磁、紅外散射特性
研究。endprint
其中:。
利用式(15-17)可以估計(jì)出第個(gè)散射點(diǎn)的參數(shù),利用式(18)可以得到原始信號(hào)減掉已估計(jì)的個(gè)AM-LFM分量的剩余信號(hào),這個(gè)迭代過程直到剩余信號(hào)的能量小于一定的門限值[7]。
4 仿真數(shù)據(jù)的處理及其說明
對(duì)如圖1(a)所示的飛機(jī)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn),兩架飛機(jī)的飛行軌跡如圖1(b)所示,其速度方向與X軸正方向的夾角為3°,初始觀測時(shí)刻目標(biāo)A與B在直角坐標(biāo)系中的位置分別為(-15 m,-7 m)和(20 m,7 m),目標(biāo)A與B的速度分別為250 m/s和260 m/s,雷達(dá)發(fā)射信號(hào)載頻為10 GHz,信號(hào)帶寬為400 MHz,脈沖重復(fù)時(shí)間為0.0025 s,相干積累時(shí)間為1.28 s,雷達(dá)與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為20 km。
圖2(a)是兩個(gè)編隊(duì)飛行目標(biāo)的距離壓縮圖,可以從中看出兩個(gè)目標(biāo)的距離走動(dòng)率各不相同,因此直接采用傳統(tǒng)的ISAR成像方法得不到清晰的目標(biāo)像,其成像結(jié)果見圖2(b)。圖2(c)是進(jìn)行了包絡(luò)校正之后的圖像,可以看出由于目標(biāo)的徑向運(yùn)動(dòng)引起的距離走動(dòng)已經(jīng)基本得到校正,但是不同目標(biāo)由于加速度的差異引起的距離彎曲并沒有得到校正。圖2(d)是對(duì)圖2(c)的結(jié)果利用瞬時(shí)成像方法進(jìn)行成像的結(jié)果,可以看出各個(gè)目標(biāo)的成像結(jié)果比較清晰,但是部分散射點(diǎn)由于距離彎曲沒有校正,例如:目標(biāo)A的機(jī)尾部分和目標(biāo)B的機(jī)頭部分,其聚焦效果不是很好。圖2(e)是對(duì)速度校正之后的信號(hào)進(jìn)行二階keystone變換的結(jié)果,可以看出目標(biāo)的包絡(luò)校正的更加整齊,這也更加有利于對(duì)目標(biāo)的成像。圖2(f)是對(duì)2(e)的信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)成像的結(jié)果,可以看出散射點(diǎn)的聚焦性能更好,這也說明了本文成像方法的有效性。
5 結(jié)論
本文提出一種編隊(duì)目標(biāo)的成像方法,即先統(tǒng)一校正編隊(duì)目標(biāo)由于速度引起的距離走動(dòng),然后利用廣義二階keystone變換校正目標(biāo)由于加速度引起的距離彎曲,最后利用瞬時(shí)成像方法對(duì)編隊(duì)目標(biāo)進(jìn)行方位成像。該方法不需要對(duì)多目標(biāo)回波進(jìn)行分離,可以同時(shí)給出多目標(biāo)的兩維像。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。
參考文獻(xiàn)
[1]Chen C C, Andrews H C. Target-motion-induced Radar Imaging [J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1980,16(1):2-14.
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[4]Wang Gen-yuan,Bao Zheng.The Minimum Entropy Criterion of Range Alignment in ISAR Motion Compensation[C].Proceeding Conference Radar97, 14-16, Edinburgh UK, 1997.
[5]Berizzi F, Corsini G. Autofocusing of inverse synthetic aperture radar images using contrast optimization[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1996, 32(3): 1185-1191.
[6]蘇軍海,邢孟道,保錚.寬帶機(jī)動(dòng)目標(biāo)檢測[J].電子與信息學(xué)報(bào),2009,31(6):1283-1287.
[7]邢孟道,保錚,馮大政.基于瞬時(shí)幅度和調(diào)頻率估計(jì)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)成像方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2001,28(1):22-26.
作者簡介
王海風(fēng)(1980-),男,漢族,河南太康縣人,中國飛行試驗(yàn)研究院,碩士研究生,研究方向:目標(biāo)電磁、紅外散射特性研究。
王浩(1982-),男,漢族,陜西富平縣人,中國飛行試驗(yàn)研究院,碩士研究生,研究方向:目標(biāo)電磁、紅外散射特性
研究。endprint
其中:。
利用式(15-17)可以估計(jì)出第個(gè)散射點(diǎn)的參數(shù),利用式(18)可以得到原始信號(hào)減掉已估計(jì)的個(gè)AM-LFM分量的剩余信號(hào),這個(gè)迭代過程直到剩余信號(hào)的能量小于一定的門限值[7]。
4 仿真數(shù)據(jù)的處理及其說明
對(duì)如圖1(a)所示的飛機(jī)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn),兩架飛機(jī)的飛行軌跡如圖1(b)所示,其速度方向與X軸正方向的夾角為3°,初始觀測時(shí)刻目標(biāo)A與B在直角坐標(biāo)系中的位置分別為(-15 m,-7 m)和(20 m,7 m),目標(biāo)A與B的速度分別為250 m/s和260 m/s,雷達(dá)發(fā)射信號(hào)載頻為10 GHz,信號(hào)帶寬為400 MHz,脈沖重復(fù)時(shí)間為0.0025 s,相干積累時(shí)間為1.28 s,雷達(dá)與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為20 km。
圖2(a)是兩個(gè)編隊(duì)飛行目標(biāo)的距離壓縮圖,可以從中看出兩個(gè)目標(biāo)的距離走動(dòng)率各不相同,因此直接采用傳統(tǒng)的ISAR成像方法得不到清晰的目標(biāo)像,其成像結(jié)果見圖2(b)。圖2(c)是進(jìn)行了包絡(luò)校正之后的圖像,可以看出由于目標(biāo)的徑向運(yùn)動(dòng)引起的距離走動(dòng)已經(jīng)基本得到校正,但是不同目標(biāo)由于加速度的差異引起的距離彎曲并沒有得到校正。圖2(d)是對(duì)圖2(c)的結(jié)果利用瞬時(shí)成像方法進(jìn)行成像的結(jié)果,可以看出各個(gè)目標(biāo)的成像結(jié)果比較清晰,但是部分散射點(diǎn)由于距離彎曲沒有校正,例如:目標(biāo)A的機(jī)尾部分和目標(biāo)B的機(jī)頭部分,其聚焦效果不是很好。圖2(e)是對(duì)速度校正之后的信號(hào)進(jìn)行二階keystone變換的結(jié)果,可以看出目標(biāo)的包絡(luò)校正的更加整齊,這也更加有利于對(duì)目標(biāo)的成像。圖2(f)是對(duì)2(e)的信號(hào)進(jìn)行瞬時(shí)成像的結(jié)果,可以看出散射點(diǎn)的聚焦性能更好,這也說明了本文成像方法的有效性。
5 結(jié)論
本文提出一種編隊(duì)目標(biāo)的成像方法,即先統(tǒng)一校正編隊(duì)目標(biāo)由于速度引起的距離走動(dòng),然后利用廣義二階keystone變換校正目標(biāo)由于加速度引起的距離彎曲,最后利用瞬時(shí)成像方法對(duì)編隊(duì)目標(biāo)進(jìn)行方位成像。該方法不需要對(duì)多目標(biāo)回波進(jìn)行分離,可以同時(shí)給出多目標(biāo)的兩維像。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的有效性。
參考文獻(xiàn)
[1]Chen C C, Andrews H C. Target-motion-induced Radar Imaging [J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1980,16(1):2-14.
[2]李亞楠,付耀文,黎湘.多目標(biāo)ISAR成像研究綜述[J].信號(hào)處理,2009,25(7):1092-1096.
[3]陳文馳.一種適用于編隊(duì)目標(biāo)的ISAR成像處理實(shí)現(xiàn)方法[J].電子學(xué)報(bào),2006,34(6):1119-1122.
[4]Wang Gen-yuan,Bao Zheng.The Minimum Entropy Criterion of Range Alignment in ISAR Motion Compensation[C].Proceeding Conference Radar97, 14-16, Edinburgh UK, 1997.
[5]Berizzi F, Corsini G. Autofocusing of inverse synthetic aperture radar images using contrast optimization[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1996, 32(3): 1185-1191.
[6]蘇軍海,邢孟道,保錚.寬帶機(jī)動(dòng)目標(biāo)檢測[J].電子與信息學(xué)報(bào),2009,31(6):1283-1287.
[7]邢孟道,保錚,馮大政.基于瞬時(shí)幅度和調(diào)頻率估計(jì)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)成像方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2001,28(1):22-26.
作者簡介
王海風(fēng)(1980-),男,漢族,河南太康縣人,中國飛行試驗(yàn)研究院,碩士研究生,研究方向:目標(biāo)電磁、紅外散射特性研究。
王浩(1982-),男,漢族,陜西富平縣人,中國飛行試驗(yàn)研究院,碩士研究生,研究方向:目標(biāo)電磁、紅外散射特性
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