海上船只目標多角度成像技術*

周 鵬，陳艷梅，劉希紅，孫偉峰，戴永壽

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

海上船只目標多角度成像技術*

周 鵬，陳艷梅，劉希紅，孫偉峰，戴永壽

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580)

將斜視滑動聚束合成孔徑雷達(SAR)應用于海上船只目標的成像。利用斜視角的變化，斜視滑動聚束SAR可高頻次地得到同一船只在不同斜視角下的多幅高分辨率微波圖像，有利于船只目標的分類與識別。將斜視滑動聚束SAR高效成像算法與船只目標逆合成孔徑雷達(ISAR)重聚焦算法相結合，針對計算機仿真數(shù)據(jù)開展了成像處理實驗，取得了較好的成像效果，驗證了斜視滑動聚束SAR應用于船只目標成像時可高頻次地獲得多幅高分辨率圖像的獨特優(yōu)勢。

斜視滑動聚束SAR； SAR船只成像； 多角度成像

斜視滑動聚束SAR是滑動聚束SAR在斜視條件下的推廣[1]，具有很高的機動靈活性。它能夠通過改變天線斜視角，實現(xiàn)在側后方、正側方、側前方對目標進行連續(xù)成像，從而高頻次地得到同一目標在不同斜視角下的多幅高分辨率微波圖像[2]。將該模式應用于船只目標的成像時，可提供船只目標更為豐富的信息，有利于開展船只目標的分類與識別工作。一方面，研究斜視滑動聚束SAR需要解決斜視條件下新成像算法的設計問題；另一方面，由于SAR系統(tǒng)被設計為針對靜止場景成像，需解決運動的船只目標在SAR圖像中的散焦問題。

在斜視滑動聚束SAR中，多普勒帶寬通常遠大于脈沖重復頻率，故存在方位向頻譜混疊現(xiàn)象。已有多位學者針對該問題提出了解決方法。韓冰等在文獻[3-4]中提出一種基于CS處理的兩步處理算法，首先利用滑動聚束SAR的方位預處理方法解決頻譜混疊問題，然后在傳統(tǒng)CS算法的基礎上對斜視模型進行修正。韓曉磊等在文獻[1]中提出一種基于波數(shù)域的兩步處理算法，首先利用方位向預處理解決斜視角和波束轉動帶來的頻譜混疊，然后采用波數(shù)域算法完成圖像聚焦。Wei Xu等在文獻[5]中提出另一種基于波數(shù)域的改進兩步處理算法。首先通過方位向卷積和數(shù)據(jù)拼接完成預處理解決頻譜混疊，然后采用改進的波數(shù)域算法對回波數(shù)據(jù)進行距離校正，并消除由預處理引起的方位展寬效應。為解決上述方法計算效率不高的問題，筆者在文獻[2]中提出一種基于Chirp-Z變換的改進兩步處理算法。首先利用改進的方位向濾波處理解決頻譜混疊，然后利用基于Chirp-Z變換的改進聚焦處理完成圖像聚焦，避免了其它方法中Stolt插值等帶來的運算負擔，提高了SAR成像效率。

由于海上船只通常處于既包含平動、又包含三軸轉動的運動狀態(tài)，當直接采用SAR的算法進行成像處理時，常出現(xiàn)船只目標的散焦現(xiàn)象。目前，常采用SAR/ISAR聯(lián)合處理的方法對船只目標進行成像。比較有代表性的方法是Martorella M等學者在文獻[6-9]中提出的一系列解決方法。文獻[6]對主要處理流程進行了概括?；镜奶幚砹鞒虨椋合葘夭〝?shù)據(jù)采用傳統(tǒng)的SAR成像算法進行成像，接下來利用船只檢測的方法在SAR圖像中提取出各船只所在區(qū)域的若干子圖像，然后對每幅船只子圖像進行逆變換得到等效ISAR回波，最后對等效ISAR回波進行ISAR處理得到各艘船只的清晰圖像。文獻[7-9]分別介紹了其中的時間窗選取、相位補償?shù)戎匾h(huán)節(jié)的技術要點。筆者在文獻[10]中對上述方法進行了綜合應用，取得了較好的成像效果。

本文將文獻[2,6]中的方法相結合，并通過建立斜視滑動聚束SAR的船只目標回波模型，開展成像處理仿真實驗，以驗證斜視滑動聚束SAR可高頻次地獲得多幅高分辨率船只圖像的獨特優(yōu)勢。

1 基于Chirp-Z變換的斜視滑動聚束SAR成像算法

斜視滑動聚束模式作為一種新穎的SAR工作模式，是滑動聚束SAR推廣至斜視情況下的成像模式。在方位向中心時刻，波束指向虛擬焦點，雷達和虛擬焦點間的連線與平臺飛行方向并不垂直，而是存在一個斜視角。斜視滑動聚束SAR具有很高的靈活性，可以通過改變斜視角度，實現(xiàn)在側后方、正側方、側前方對同一目標進行連續(xù)成像。圖1為該模式不同斜視角下的工作示意圖。

圖1 斜視滑動聚束SAR成像幾何圖Fig.1 Geometry of squinted sliding spotlight SAR

斜視滑動聚束SAR能夠通過調(diào)整天線波束指向，對目標所在區(qū)域進行連續(xù)成像，實現(xiàn)了高頻次地獲得同一目標在不同斜視角下的多幅高分辨率微波圖像。SAR圖像反映的是目標的后向散射信息，通常用雷達散射截面積(Radar Cross Section，RCS)描述，而RCS受目標本身的介電常數(shù)、表面粗糙度和微波的不同頻率、入射角、極化方式等多種因素影響。利用斜視滑動聚束SAR從不同斜視角對目標進行觀測，可獲取目標在不同角度下的散射特性。相比于傳統(tǒng)的工作模式，SAR工作于斜視滑動聚束模式時，可獲得更豐富的目標散射信息，有利于目標的分類與識別。

斜視滑動聚束SAR多普勒帶寬包括波束帶寬、波束旋轉帶寬和由斜視引起的附加帶寬3部分[1]。為避免頻譜混疊，必須使脈沖重復頻率大于任意時刻的多普勒帶寬。但脈沖重復頻率過高時，會引起距離模糊，且加重數(shù)據(jù)負擔。一般情況下，斜視滑動聚束SAR多普勒帶寬遠大于脈沖重復頻率，故存在方位向頻譜混疊現(xiàn)象。為解決已有方法在處理效率方面的不足，筆者在文獻[2]中提出一種基于Chirp-Z變換的改進兩步處理算法。該算法包括兩大處理環(huán)節(jié)，分別是改進的方位向濾波處理和改進的基于Chirp-Z變換的聚焦處理。在這兩大環(huán)節(jié)中，分別在文獻[11]的基礎上都進行了改進，針對斜視情況出現(xiàn)的附加帶寬提出了具體的補償措施。關于該算法的技術細節(jié)，可參閱文獻[2]。

2 船只重聚焦成像算法

圖2給出了SAR/ISAR聯(lián)合處理方法對船只目標進行重聚焦成像的流程。首先，對回波數(shù)據(jù)采用傳統(tǒng)的SAR成像算法進行成像。接下來，利用基于SAR圖像的船只檢測方法，對SAR圖像中含有船只的區(qū)域進行剪裁，形成多幅船只子圖像。之后，對每幅子圖像進行回波反演得到等效的ISAR回波。由于船只在海上運動的復雜性，所得到的ISAR等效回波通常具有明顯的非平穩(wěn)性，需通過時窗選取環(huán)節(jié)選擇回波中多普勒特性較為平穩(wěn)的時間段。在平穩(wěn)時間段的選取過程中，可依據(jù)圖像對比度最優(yōu)等原則或利用時頻分析的方法完成。然后，通過基于圖像對比度最優(yōu)等原則估計出船只目標的速度和加速度，對ISAR回波進行相應的運動補償，將船只目標的成像轉化成轉臺目標成像。最后，通過對運動補償后的回波數(shù)據(jù)進行二維傅里葉變換，可得到重聚焦后的ISAR圖像。關于SAR/ISAR聯(lián)合處理方法的相關技術細節(jié)，可參閱文獻[6-10]。

圖2 SAR/ISAR聯(lián)合處理流程Fig.2 Processing chain of hybrid SAR/ISAR imaging

3 斜視滑動聚束SAR船只回波模擬

斜視滑動聚束SAR是一種新穎的成像模式，目前的實測數(shù)據(jù)較少。本節(jié)利用仿真手段實現(xiàn)該模式下的船只目標回波模擬。圖3給出了斜視滑動聚束SAR的船只回波模擬流程。其中的核心是計算不同方位向時刻雷達與各散射點間的距離。需說明的是，為簡化起見，本文將不考慮船只目標的多次散射現(xiàn)象。

假設雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，其表達式為：

(1)

式中：rect[]為矩形窗函數(shù)；τ為距離向時間；T為脈沖寬度；f0為信號載頻；K為調(diào)頻信號斜率。船只目標的回波信號可表示為：

(2)

式中：t為方位向時間；p為散射點序號；P為散射點個數(shù)；σp為散射點后向散射系數(shù)；Wap和Wrp分別為散射點對應的方位向和距離向天線方向圖；Rop為雷達與散射點間的距離向量；λ為信號波長。

圖3 斜視滑動聚束SAR船只目標回波模擬流程圖Fig.3 Flowchart of ship’s echo simulation in squinted sliding spotlight SAR

圖4 回波模擬過程中用到的坐標系Fig.4 Axes employed in echo simulation

根據(jù)圖4，容易推導得出，Rop可由下式進行計算：

(3)

在計算旋轉矩陣的過程中，涉及到船只橫滾、俯仰、偏航角的變化。研究表明船只的三維轉動近似為余弦函數(shù)的變化規(guī)律[13-14]。因此有：

(4)

4 仿真結果

為驗證斜視滑動聚束模式應用于船只成像時的獨特優(yōu)勢，仿真實驗中設置了不同斜視角對船只目標進行成像處理，分別為：側后方10°、側后方5°、正側方、側前方5°、側前方10°。仿真中設置的船只由單層甲板、3根船舷構成，長、寬、高分別為90、20和20m。船只內(nèi)部設置了53個散射點，散射點的距離間隔為6m。仿真中用到的參數(shù)見表1。

首先，利用第3部分的理論和公式，生成了斜視滑動聚束SAR船只目標的回波。然后，利用第1部分的理論和公式，生成了場景的SAR圖像。圖5～9中的子圖(a)分別顯示了斜視角為側后方10°、側后方5°、正側方、側前方5°、側前方10°情況下的SAR圖像。從這些子圖可以看出，直接利用SAR算法生成的圖像僅能看出船只的大體輪廓，但散射點散焦現(xiàn)象嚴重，無法識別船只內(nèi)部的船舷結構。另外，還可以看出，隨著斜視角變大，SAR圖像的聚焦效果變差。接下來，利用第2部分的理論和公式，對SAR圖像中的船只目標進行了重聚焦處理，圖5～9中的子圖(b)給出了處理后的結果。從這些子圖可以看出，經(jīng)過重聚焦處理后的船只ISAR圖像非常清晰。通過以上仿真實驗驗證了，將斜視滑動聚束SAR應用于船只成像時，并將斜視滑動聚束SAR算法和船只重聚焦算法相結合，可高頻次地得到不同斜視角下的多幅清晰船只圖像。

表1 實驗中的主要仿真參數(shù)

Note:①Parameter; ②Value; ③Unit; ④Carrierfrequency; ⑤Bandwidth; ⑥Azimuthantennasize; ⑦Satellite′sspeed; ⑧Satellite′sheight; ⑨Beamgroundspeed; ⑩Hybridslidingfactor;Pulsewidth;Pulserepetitionfrequency;Squintangle;Viewangle;Ship′sspeed;Ship′sacceleration;Deviationanglebetweensatellite′sheadingangleandship′sheadingangle;Yawangularspeed;Ship′slength,width,height

圖5 側后XZ10°斜視滑動聚束SAR船只成像處理結果Fig.5 Ship imaging result of sliding spotlight SAR at the rear squint angle of 10°

圖6 側后方5°斜視滑動聚束SAR船只成像處理結果Fig.6 Ship imaging result of sliding spotlight SAR at the rear squint angle of 5

圖7 正側方斜視滑動聚束SAR船只成像處理結果

對重聚焦前、后的船只目標成像結果進行了定量分析，計算出了二維分辨率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比等指標。表2和3分別給出了重聚焦前、后圖像質(zhì)量參數(shù)的計算結果。對比表2和3可看出，本文的處理方法得到了較好的聚焦效果。

圖8 側前方5°斜視滑動聚束SAR船只成像處理結果Fig.8 Ship imaging result of sliding spotlight SAR at the front squint angle of 5°

圖9 側前方10°斜視滑動聚束SAR船只成像處理結果Fig.9 Ship imaging result of sliding spotlight SAR at the front squint angle of 10°

參數(shù)指標①側前方10°②側前方5°③正側方0°④側后方5°⑤側后方10°⑥方位向分辨率⑦/m14.2514.2814.1114.3214.31地面距離分辨率⑧/m17.2117.1116.8517.1517.26方位向峰值旁瓣比⑨/dB-3.79-3.91-4.08-3.93-3.76距離向峰值旁瓣比⑩/dB-3.73-3.94-4.02-3.98-3.72方位向積分旁瓣比 /dB-2.59-2.68-2.89-2.65-2.57距離向積分旁瓣比 /dB-2.56-2.65-2.93-2.61-2.54

Note:①Parameter; ②Atthefrontsquintangleof10°; ③Atthefrontsquintangleof5°; ④Attherearsquintangleof0°; ⑤Attherearsquintangleof5°; ⑥Attherearsquintangleof10°; ⑦Azimuthresolution; ⑧Groundrangeresolution; ⑨Peaksideloberatioinazimuth; ⑩Peaksideloberatioinrange;Integrationsideloberatioinazimuth;Integrationsideloberatioinrange

表3 重聚焦后船只目標的圖像質(zhì)量參數(shù)

Note:①Parameter; ②Atthefrontsquintangleof10°; ③Atthefrontsquintangleof5°; ④Attherearsquintangleof0°; ⑤Attherearsquintangleof5°; ⑥Attherearsquintangleof10°; ⑦Azimuthresolution; ⑧Groundrangeresolution; ⑨Peaksideloberatioinazimuth; ⑩Peaksideloberatioinrange;Integrationsideloberatioinazimuth;Integrationsideloberatioinrange

5 結語

斜視滑動聚束SAR能夠通過控制斜視角，從側前方、正側方和側后方對船只目標進行連續(xù)成像。將斜視滑動聚束SAR高效成像算法與船只目標ISAR重聚焦算法相結合，可高頻次地得到同一船只目標在不同斜視角下的多幅高分辨率微波圖像。由此可以獲得船只目標更加豐富的信息，有利于船只分類、檢測與識別等后續(xù)處理工作。

為簡化起見，本文所開展的仿真工作中未考慮船只的多次散射現(xiàn)象。另外，由于目前國內(nèi)外還未開展斜視滑動聚束SAR的海上飛行實驗，因此本文方法還缺乏實測數(shù)據(jù)的驗證。這些都將在本文下一步的工作進行完善。

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責任編輯 陳呈超

Imaging Techniques from Different Squint Angles for Marine Ships

ZHOU Peng，CHEN Yan-Mei，LIU Xi-Hong，SUN Wei-Feng，DAI Yong-Shou

(College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

Squinted sliding spotlight synthetic aperture radars (SAR) are applied in imaging of ship targets sailing the oceans.Squinted sliding spotlight SARs can frequently achieve multiple high-resolution images of a ship using the variation of squint angles of radar beams,which benefits the classification and recognition of ship targets sailing the oceans.An efficient imaging algorithm for squinted sliding spotlight SAR and an inverse synthetic aperture radar (ISAR) refocusing algorithm for ship targets are combined.Imaging experiments were performed on simulated data and satisfied imaging results of ships were achieved,and therefore,it is proved that multiple high-resolution images of a ship can be frequently acquired is a particular advantage of squinted sliding spotlight SARs when the radar is operated in marine scenario.

squinted sliding spotlight SAR；SAR ship imaging；imaging from different squint angles

海洋公益性科研專項(201505002)；國家自然科學基金項目(61501520)資助

Supported by the Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean(201505002)；the National Natural Science Foundation of China (61501520)

2016-09-15;

2016-12-10

周鵬(1976-)，男，副教授。E-mail:zhoupeng@upc.edu.cn

TN958

A

1672-5174(2017)02-062-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160192

周鵬，陳艷梅，劉希紅，等.海上船只目標多角度成像技術[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2017,47(2):62-69.

ZHOU Peng，CHEN Yan-mei，LIU Xi-hong，et al.Imaging techniques from different squint angles for marine ships[J].Periodical of Ocean University of China,2017,47(2):62-69.