ISAR成像中包络对齐方法研究

赵东涛 黄雁飞

(中国飞行试验研究院,陕西西安 710089)

ISAR成像中包络对齐方法研究

赵东涛 黄雁飞

(中国飞行试验研究院,陕西西安 710089)

包络对齐是整个ISAR成像处理中的一个关键环节,为了提高ISAR成像质量,必须提高包络对齐的精度。本文在包络相关的基础上进行了改进,利用成像域中的循环迭代等步骤得到平均距离像,然后利用这一平均距离像和各次回波距离向像作相关处理。通过飞机目标实测数据验证,该方法在运算量增加不多的情况下能显著的提高包络对齐的精度,为ISAR准实时处理提供了一种方法。

逆合成孔径雷达(ISAR) 包络对齐 平均距离像

雷达成像技术产生于20世纪50年代,它的出现扩展了原始雷达的概念。利用合成孔径对目标成像的雷达可以分为两种：如果雷达固定不动,目标移动,称为逆合成孔径雷达(ISAR);反之则为合成孔径雷达(SAR)。逆合成孔径雷达对目标成像,目标和雷达的相对运动可以分解为目标上的参考点相对于雷达的平动以及目标绕参考点的转动。其中转动分量是获得方位向高分辨基础,平动分量对成像无用而有害。它对ISAR成像的影响有两个方面：一是使相邻的一维距离像在距离向错开;二是引入了附加的相位分量造成方位向散焦,所以ISAR成像中必须进行运动补偿。运动补偿通常分为两步：包络对齐和相位补偿,包络对齐是消除由于运动目标相对于雷达的平动造成的相邻回波在距离向上的错位,将同一个散射点的回波信号置于同一个距离门,相位补偿是为了去除平动多普勒相位,以便进行方位向分辨。包络对齐是进行相位补偿的基础,是整个成像信号处理中的一个关键,对齐效果好坏直接影响后续ISAR成像的质量。

常用的包络相关法用相邻两次回波作包络对齐,如果两回波的波形差别很小,采用相邻相关可获得好的包络对齐效果。实际工作表明,虽然相邻相关对齐的误差很小,但常发生误差积累效应而产生包络漂移,整体上不能很好对齐。因此,基于这点有必要采取措施,消除或减小它们对包络对齐精度的影响。积累互相关对准就是据此提出的一种有效的方法,它是在相邻包络相关法基础上引入了积累的思想。作相关处理时不是仅仅用前一个距离像作为基准而是用前面已对准的多个距离像的加权和作为基准。经过分析可以得到这种方法的对准误差虽然还是具有积累性质。由于上述两种相关法的固有局限,回波相关对准过程中会产生误差的积累,从而在处理观测时间内几百上千次回波数据的时候,造成距离像排列的漂移和包络突变。

本文在包络相关法的基础上作了改进,得到了一种新的包络对齐算法,该方法利用成像域中的循环移位、隔离和迭代等步骤得到平均距离像,然后利用这一平均距离像和各次回波距离像作相关处理,在运算量增加不多的情况下,显著地改善了包络对齐的效果。

2 单个距离单元的回波特性

以仿真数据为例,多散射中心模型仿真数据得到的目标一维距离像,其中明显标出第1、第2、第10和第256次回波的距离像,从中可以看出,第1和第2次回波,因为目标转角很小,两者十分相似,相关系数很高。将第10次与第1次回波相比较,已可看出两者的区别;而第256次回波与第1次回波的就有很大差别,两者间的转角约为3°,由于一维距离像对目标姿态比较敏感,每个脉冲的距离像不便于提取,寻求比较稳定的平均一位距离像。

3 平均距离像的回波特性

用与多散射中心模型仿真数据得到的目标一维距离像相同的数据,以不同数目作平均而得到的平均距离,用间隔10个和间隔25个求和取平均得到的距离像。它们基本相同,说明用平均距离像在一定的转角范围内是比较稳定的,便于后续包络对齐。

4 平均距离像准则包络对齐的迭代算法

平均距离像与各次回波都有一定的相似性,因此与各次回波的相关性都较强。问题是在包络对齐之前,好的平均距离像是得不到的,为此我们采用迭代相关的方法。首先用相邻幅度相关法等方法进行包络对齐,并将对齐后的距离像得到平均距离像。由于可能存在漂移和突跳误差,第一次得到的平均距离像比较差。然后我们用这一平均距离像和各次回波距离像作相关处理,以相关系数最大来可进一步补偿剩余包络对齐误差。由于前面得到的平均距离像本身有较大误差,我们可进一步再对对齐后的距离像求平均,得到一新的平均距离像估计,然后再用此平均距离像来校正各次回波的包络对齐误差。对上述过程作进一步迭代,直至收敛。最后对回波数据做距离FFT,以得到纵向的高分辨。

5 实测数据处理结果

利用多散射模型得到的雷达回波仿真数据分别采用相邻相关法、积累互相关法、最小熵法、包络对齐方式,从对齐质量上来看相邻相关法和积累互相关法对齐效果较差,迭代相关法、最小熵法包络对齐方式效果相差不大。但是从运算量来看,相邻相关法、积累互相关法明显比最小熵法和迭代相关法对齐结果小得多,最小熵法是用查找方式计算所需的移位量,计算量较大,迭代相关法能在运算量增加不多的情况下取得较好的成像效果,对于具有ISAR准实时处理的雷达具有明显的优势。

6 结语

本文在包络相关法的基础上进行了改进,利用成像域中的循环移位、隔离和迭代等步骤得到平均距离像,然后利用这一平均距离像和各次回波距离像作相关处理。最后,通过对飞机目标实测数据对齐结果表明,该方法能在运算量增加不多的情况下显著地提高了包络对齐的精度,为ISAR的准实时处理提供了一种方法。

[1]保铮,邢孟道,王彤编著.雷达成像技术[M].北京：电子工业出版社,2005.

[2]邢孟道,保铮.一种逆合成孔径雷达成像包络对齐的新方法[J].西安电子科技大学学报,2000,27(1)：93-96.

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