基于亮點跡線跟蹤的逆合成孔徑成像運動補償技術(shù)

何心怡，鄧建輝，蔣 飚

(1.海軍裝備研究院，北京100161;2.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州310012)

0 引 言

水中目標(biāo)的聲學(xué)成像技術(shù)起源于雷達(dá)成像，而成像雷達(dá)主要有2 種:合成孔徑雷達(dá) (Synthetic Aperture Radar，SAR)和逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR)，其中SAR 以其高分辨率、全天候、穿透性強等優(yōu)點被公認(rèn)為是現(xiàn)代微波遙感領(lǐng)域一項突破性的成就，并被廣泛應(yīng)用到軍事和民用等方面;ISAR 是在SAR的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的又一種高分辨成像雷達(dá)［1－5］。如果讓雷達(dá)不動，而目標(biāo)運動，從獲取回波的多普勒信息的觀點來看，二者等價，ISAR 就是采取后一種工作方式。國際上從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展ISAR，目前已得到廣泛應(yīng)用［6－9］。

與雷達(dá)成像類似，聲吶中對應(yīng)的也有合成孔徑聲吶(Synthetic Aperture Sonar，SAS)和逆合成孔徑聲吶(Inverse Synthetic Aperture Sonar，ISAS)，并且至今已有30 多年的發(fā)展歷史［10］。目前SAS 已在海洋測繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而ISAS 是在SAS 技術(shù)上逐步發(fā)展而來的，雖然它們的原理相似，然而ISAS的技術(shù)難度要大許多，主要因為ISAS 針對的是非合作運動目標(biāo)，很難得到目標(biāo)運動的精確信息，而往往需要從目標(biāo)回波中獲取，這給運動補償帶來了相當(dāng)?shù)碾y度;其次，也很難得到目標(biāo)本身在此期間成像姿態(tài)的變化信息，這些都會導(dǎo)致成像質(zhì)量的下降。為此，ISAS 必須對目標(biāo)運動的非線性成分進(jìn)行估計和補償，才能獲得滿足使用要求的成像效果。因此，運動補償是近年來逆合成孔徑聲吶的研究重點，如文獻(xiàn)［11］研究了旋轉(zhuǎn)運動目標(biāo)的距離－多普勒逆合成孔徑成像方法。

文中針對水下目標(biāo)逆合成孔徑成像的運動補償問題，研究提出了一種基于回波亮點跡線跟蹤的目標(biāo)漂移運動補償技術(shù)，并通過仿真試驗驗證其正確性、有效性和可行性，并具有良好的實用前景。

1 ISAS 原理

1.1 信號模型

圖1為ISAS 成像的幾何示意圖，T/R 分別為聲吶的接收/發(fā)射基陣(即聲吶基陣)。聲吶基陣坐標(biāo)系為(U，V，W)，目標(biāo)坐標(biāo)系為(x，y，z)。為了表示目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，引入?yún)⒖甲鴺?biāo)系(u，v，w)?？紤]聲吶和目標(biāo)在同一平面上，設(shè)t = 0 時刻x 軸與u 軸重合，則在t 時刻發(fā)射基陣T 到目標(biāo)質(zhì)心的距離為R0(t)，目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角速度為Ω(t);目標(biāo)上任一散射點P 點的坐標(biāo)為(x，y)，該點到基陣的距離為R(t)，該點到目標(biāo)坐標(biāo)系原點的距離為d0= (x2+ y2)1/2，則有:

圖1 ISAS 成像幾何示意圖Fig.1 Sketch of ISAS imaging

在t 時刻，若目標(biāo)勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度為Ωt，則(x，y)點到發(fā)射基陣T的距離為:

若距離R0(t)遠(yuǎn)大于目標(biāo)尺度(通常情況下均成立)，則上式可近似為［8］:

若目標(biāo)質(zhì)心O 不在U 軸上，僅需在上式基礎(chǔ)上引入發(fā)射基陣T 到目標(biāo)質(zhì)心的視角即可。

接收基陣R 接收到P 點的回波信號可表示為:

式中:p(t)為發(fā)射脈沖;τP=2R(t)/c;ff(x，y)為P點的反射系數(shù)，逆合成孔徑成像即根據(jù)多脈沖回波信號重構(gòu)出ff(x，y);aP為由傳播和發(fā)射/接收引起的信號幅度變化因子。

P 點回波信號的基帶信號為:

式中:f0為發(fā)射聲脈沖信號的中心頻率;* 表示卷積。

若ISAS 發(fā)射的聲脈沖信號為線性調(diào)頻信號LFM，則脈沖壓縮后的復(fù)信號為:

式中:TP為脈寬;B為帶寬。

由式(5)和式(6)可得回波信號的基帶形式為:

式中，將發(fā)射增益、接收增益、傳播損失、脈沖壓縮波形幅度等因素整合到幅度因子g(t)中，則總的接收信號可表示為:

將式(3)代入式(8)，得:

式(9)等式左邊可以看作是對漂移運動進(jìn)行補償后的信號，以獲得高分辨目標(biāo)圖像。

1.2 ISAS圖像重構(gòu)

若忽略式(9)中幅度因子g(t)的時變性，則式(9)可以通過逆傅里葉變換來重構(gòu)目標(biāo)散射函數(shù)ff(x，y)，也可以通過直接數(shù)值積分的方法來實現(xiàn)逆合成孔徑成像［8］，即轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)域內(nèi)的一維積分運算，橫向漂移運動補償和視角估計誤差分別體現(xiàn)在積分因子的幅度和相位上。

ISAS圖像重構(gòu)還可以采用聲層析的方法［8］，聲層析法可以減小運動補償誤差和目標(biāo)轉(zhuǎn)角不均勻所引起的圖像質(zhì)量下降。

文中考慮基于式(9)，采用反向投影算法進(jìn)行運動目標(biāo)ISAS 成像。所謂反向投影ISAS 成像，是將目標(biāo)在各個運動狀態(tài)上的回波信號在快速時間維進(jìn)行反向追蹤，分離出目標(biāo)散射函數(shù)。 (注:在合成孔徑處理中，由于信號的傳播速度遠(yuǎn)大于基陣或目標(biāo)的運動速度，因此，時間采樣維又稱快速時間維，而基陣或目標(biāo)的運動維空間采樣又稱慢速時間維)。則在式(9)基礎(chǔ)上，反向投影ISAS 成像可表示為:

先對漂移(偏移)進(jìn)行運動補償，通過式(10)才能獲得較好的成像效果。若目標(biāo)轉(zhuǎn)動角速度不穩(wěn)定，還需要對轉(zhuǎn)向角速度進(jìn)行補償，即采用時變角速度Ω(t)，從而式(10)指數(shù)項中的θ 角用時變角θ(t)來代替。由于在實際的對水中目標(biāo)ISAS 成像場景中，目標(biāo)的運動主要體現(xiàn)在漂移上，因此，文中重點針對目標(biāo)的漂移運動進(jìn)行補償。

2 基于亮點跡線跟蹤的漂移運動補償方法

圖2為水中目標(biāo)逆合成孔徑成像中的目標(biāo)運動誤差示意圖。其中，Δθ(t)為轉(zhuǎn)角誤差，R0(t－1)和R0(t)分別為上一時刻和當(dāng)前時刻，基陣到目標(biāo)質(zhì)心的距離。

圖2 運動誤差示意圖Fig.2 Sketch of kinematic error

考慮對目標(biāo)漂移(偏移)運動誤差進(jìn)行補償。通過逆合成孔徑聲吶的多次脈沖回波信號的歷程圖，對目標(biāo)亮點信號進(jìn)行距離跟蹤(亮點跡線)，得到目標(biāo)距離R的變化情況，根據(jù)式(3)所示的亮點到基陣距離的近似公式，可以看出，利用距離跡線中變化區(qū)間較小的亮點，即坐標(biāo)接近目標(biāo)坐標(biāo)系原點的亮點，則式(3)的后2 項與距離相比可忽略，從該亮點跡線的距離估計值減去參考距離r0，即可得到目標(biāo)的漂移運動誤差的近似值。

有鑒于此，文中提出了基于亮點跡線跟蹤的ISAS 運動補償方法，具有簡單易行、工程實用前景良好的特點。

3 仿真試驗

建立水下目標(biāo)多亮點模型如圖3所示，該水下目標(biāo)共由6個亮點組成，各亮點反射強度相同。發(fā)射基陣到目標(biāo)坐標(biāo)系的標(biāo)稱距離為600 m，信號為中心頻率30 kHz、帶寬10 kHz的LFM 信號，脈寬10 ms，ISAS 聲吶對目標(biāo)探測存在漂移運動誤差。一次脈沖發(fā)射周期內(nèi)，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)0.35°。由于ISAS聲吶的發(fā)射波束較寬，因而可忽略由收發(fā)波束圖引起的各亮點間的幅度差異。

對圖3所示的水下目標(biāo)進(jìn)行成像時，由于采用FFT法、聲層析法［8］、波數(shù)域法［12］等會損失小部分角度空間，因此，文中采用式(10)所示的時域反向投影法，以獲得最大的逆合成孔徑(角度范圍π)。圖4為未經(jīng)運動補償?shù)腎SAS 成像結(jié)果，可見由于目標(biāo)漂移運動的存在對成像結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

圖5為由多次回波脈沖匹配濾波后的跡線圖。取第3 號跡線進(jìn)行運動估計后的結(jié)果如圖6所示，運動估計結(jié)果與真實值基本一致。圖7為運動補償后的ISAS 成像結(jié)果，能看出:成像后的亮點結(jié)構(gòu)清晰，與目標(biāo)亮點模型相當(dāng)吻合。仿真試驗證明了所提出的基于亮點跡線跟蹤的運動補償方法的正確性與有效性。

圖3 目標(biāo)亮點模型Fig.3 Target highlight model

圖4 未經(jīng)運動補償?shù)腎SAS 成像結(jié)果Fig.4 Imaging result of ISAS without motion compensation

圖5 回波跡線圖Fig.5 Figure of echo traces

圖6 漂移誤差估計Fig.6 Drift error estimation

圖7 運動補償后的ISAS 成像結(jié)果Fig.7 Imaging result of ISAS with motion compensation

4 結(jié) 語

文中從逆合成孔徑聲吶的多脈沖回波圖像歷程上，選取對目標(biāo)漂移運動補償有益的亮點進(jìn)行跡線跟蹤，根據(jù)亮點到基陣距離的近似關(guān)系，估計出目標(biāo)質(zhì)心的漂移運動，并進(jìn)行補償，仿真試驗結(jié)果驗證了所提方法的正確性、有效性和可行性，能有效提高成像質(zhì)量，并具有良好的工程應(yīng)用前景。

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