舰船目标混合式SAR/ISAR成像算法研究

曹 晔，师亚辉，闫海鹏，张剑琦

舰船目标混合式SAR/ISAR成像算法研究

曹 晔，师亚辉，闫海鹏，张剑琦

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

针对高动态平台和大斜视角成像条件下运动舰船成像模糊的问题，从提高成像处理各个环节的精度的角度出发，提出了一种基于加速度模型的混合式SAR/ISAR成像算法，实现了两种算法的有效融合：首先利用运动估计结合距离徙动校正完成回波包络粗对齐，同时在距离多普勒域通过相位滤波去除调频率空变，然后通过相关对准实现包络精对齐，补偿由于运动估计不准、模型失配以及惯导测量等引入的误差，最后结合加权多特显点自聚焦法对剩余非空变相位项进行统一校正。仿真结果表明，所提算法能够有效改善成像效果，得到聚焦良好的目标图像。

混合式SAR/ISAR；舰船目标；平动补偿；高分辨成像

引 言

海上超大型舰船是海洋舰队的重要组成部分，针对超大型舰船目标的高分辨成像在当代海战中具有重要意义。而在实际工程应用当中，由于雷达平台的高速机动和前斜视角的成像条件，针对非合作舰船目标的高分辨成像更加困难。为获取更多的目标信息，需要研究提高成像结果分辨率的算法。

目前针对舰船目标的成像算法主要包括逆合成孔径雷达ISAR（Inverse Synthetic Aperture Radar）成像算法、基于运动补偿的合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）成像算法以及混合式SAR/ISAR成像算法。ISAR成像算法通过平动补偿和转台成像进行成像处理，在雷达平台高速运动和成像斜视角很大的情况下，目标各散射点距离徙动量增大且空变严重，相邻回波相关性下降，包络对齐难以精确对准，而且，基于特显点的针对所有距离单元的统一初相校正忽略了距离和方位空变，也存在误差，导致ISAR图像散焦，成像质量下降。基于运动补偿的SAR成像算法利用回波数据对舰船平动速度进行估计和补偿，但在舰船运动非平稳的情况下，比如目标存在加速和拐弯运动时，现有算法难以精确估计舰船的运动参数，估计误差导致补偿不准确，造成图像散焦，而且，SAR成像算法及回波模型依赖于成像几何模型，在实际应用当中，难以实现对雷达运动轨迹的精确建模，模型误差也会导致成像过程中的补偿不准确，最终影响成像质量。

为了解决舰船成像模糊的问题，早在1989年，Ward K D[1]就首次提出了混合式SAR/ISAR的概念和设想；随后几年，Ward K D、Tough R J A和Porter N J等一同致力于这方面的研究，并于1993年联合发表文章统一了SAR、ISAR、混合式SAR/ISAR在雷达成像中的应用方法[2,3]。混合式SAR/ISAR的实现主要有两种方式[4]，一是在SAR图像中重新聚焦运动目标：首先对SAR的子孔径数据进行ISAR处理，然后将处理后的子孔径数据进行相干组合，得到新的SAR数据，最后用SAR重新处理新的数据便可以得到聚焦的运动目标图像，这种方法属于利用ISAR的优势来重新聚焦SAR中的运动目标；二是结合多个ISAR的数据来等效为SAR的数据：SAR的处理用于组合数据可以得到高的距离横向分辨率，并提取目标三维特性，这种处理方法属于利用SAR的优势来处理ISAR数据。

国内对混合式SAR/ISAR成像技术的研究起步较晚，但近年来也有一些成果，主要利用上述方式一，即利用ISAR来处理SAR的数据[5-7]。典型的如文献[6]中利用SAR粗成像和ISAR成像进行序贯处理。本文在此基础上进行了改进，采用加速度模型下SAR成像结合运动估计，并利用ISAR成像步骤对SAR成像误差进行补偿的混合式成像方法，对成像处理的各个环节进行更精确的补偿处理，最终实现了运动舰船目标的两维高分辨成像。

1 场景建模及回波仿真

图1 成像几何关系

图2 舰船目标模型

表1 仿真参数

2 混合式SAR/ISAR成像过程

2.1 问题分析

若采用单一的ISAR成像算法进行处理，虽然不用考虑成像模型的影响，但由于雷达平台运动速度快，以及成像斜视角大，导致同一散射点在相邻回波中的距离徙动量较大（大于距离分辨单元）且存在空变性，无论采用非参数化的方法还是参数化的方法都难以实现回波包络的精确对齐；同时目前广泛应用的初相校正方法也是通过选择特显点单元进行估计进而对所有距离单元进行统一校正，当存在较严重的空变时必然会产生残留误差，从而影响方位聚焦，导致成像质量下降。

若采用单一的SAR成像算法对运动舰船目标进行成像处理，需要依靠基于回波的多普勒参数估计和复杂的运动补偿，由于雷达平台的高速机动和舰船目标的非合作运动，实际成像几何模型十分复杂。仿真模型与实际情况存在偏差、舰船运动的复杂性及估计不精确、惯性测量误差等因素会导致运动补偿不够精确，最终影响成像效果。

图3 原始回波数据

表2 舰船在5级海况下的各维晃动参数

因此，单一的SAR或者ISAR成像算法均无法满足高分辨成像的要求。基于上述原因，本文提出了一种基于加速度模型的混合式SAR/ISAR成像算法，能够实现回波包络的精确对齐以及回波相位的精确补偿：首先利用更精确的加速度模型和舰船目标运动参数估计，通过距离徙动校正等完成包络粗对齐和空变消除；其次在距离-多普勒域利用高次相位滤波来去除调频率的空变性；最后通过ISAR处理中的相关对准进一步实现回波包络的精确对齐，并结合加权多特显点自聚焦法对剩余非空变项进行统一校正。图4是成像算法流程。

图4 算法流程

2.2 混合式SAR/ISAR成像过程

2.2.1 条件假设

为便于分析，首先进行如下假设：

2.2.2 成像处理过程

下面详细介绍混合式SAR/ISAR成像处理的过程，具体如下：

①距离压缩

首先将回波信号沿距离维做FFT变换，在距离频域完成距离向压缩，对应的压缩函数为

②基于距离徙动校正的包络粗对齐

由于雷达平台的高速运动，同一散射点在相邻回波间的距离徙动量较大，通常大于距离分辨单元，且由于成像斜视角较大，各散射点对应的距离方位空变不能忽略，直接采用相关函数法进行包络对齐必然存在误差，效果不够理想。下面首先通过距离徙动校正对回波包络进行粗对齐，从而将距离徙动量减小到一定范围内，增加相邻回波的相关性，后续通过相关对准能够得到精度更高的包络对齐结果。

其中

③相位滤波

将信号变换到距离-多普勒域，由于成像斜视角较大，回波信号方位调频率空变不能忽略，这意味着无法对方位进行统一的补偿聚焦处理，下面通过相位滤波来去除方位调频率随方位位置的变化。

④包络精对齐

步骤5 返回步骤2对第3次回波进行包络对齐，直至所有回波对齐。

⑤加权多特显点自聚焦

经过上述步骤的处理，已经完成了回波包络的精确对齐，通过步骤③的相位滤波处理，沿方位向回波信号相位中关于方位慢时间的各项系数是非方位空变的，可以进行统一补偿。在SAR成像处理中，可以利用高阶多项式模型统一补偿，由于采用模型的方法会不可避免地引入误差，下面采用基于数据估计的加权多特显点自聚焦法对非方位空变项进行补偿，具体步骤如下：

⑥方位压缩

经过上述处理，实现了回波包络的精确对齐以及回波相位的精确补偿。此外，由于本文选择的是大型舰船作为目标进行成像，其晃动较为平缓，此时回波信号在方位向近似为单频信号，通过FFT即可得到聚焦良好的成像结果。

3 仿真结果及成像效果分析

3.1 仿真结果

下图6（a）、图6（b）分别仿真了基于舰船平动补偿的单一SAR成像算法和单一ISAR成像算法的成像结果。文献6中的混合式SAR/ISAR成像算法是目前应用较为广泛的一种混合式成像算法，其算法流程如图5所示：首先通过距离压缩、方位压缩得到SAR的粗成像结果（忽略了回波的空变），再通过目标提取、方位向反压缩，得到距离向压缩-方位向未压缩的两维时域结果，最后通过平动补偿和转台成像完成ISAR成像部分的处理，得到目标图像。这种算法涉及两个完整成像过程（SAR成像和ISAR成像）的序贯进行，没有从本质上进行算法的融合，其优点是能够从中间步骤获得目标的粗成像结果，能够预先对最终高分辨成像结果有基本掌握，也便于现有成像系统的升级改造，缺点是存在冗余计算，降低了成像效率。图6（c）为针对文献6成像过程的仿真结果。图6（d）为本文算法的仿真结果。仿真具体参数见表1，舰船晃动参数见表2。

图5 文献6算法流程

图6 斜视角70°下不同算法的成像结果

对比图6（a）和图6（b）可以看出，后者的仿真结果总体上优于前者：图中红色方框标出了舰船桅杆的两条轮廓线，两个红色椭圆标出了船头和船侧的部分散射点，从这些位置可以明显看出两种算法在此处成像效果的差异，特别是在船头部分，在SAR成像结果当中，4个散射点存在模糊黏连，而在ISAR成像结果中，4个散射点清晰可辨；对比图6（c）和图6（d）两种混合式SAR/ISAR成像算法的成像结果发现，两种方法的成像效果均较好，大部分的散射点成像均十分清楚，桅杆的四条竖棱清晰可见，图中两个绿色椭圆标出了船尾两个拐角处的部分散射点，对比可以看出本文所提混合式SAR/ISAR成像算法的成像效果更胜一筹。

图7 斜视角80°下不同算法的成像结果

3.2 成像效果分析

为对上述各种算法的成像效果进行定量的分析，下面选取舰船目标的5个边缘点和1个中心点来进行观察分析。以峰值点下降3dB对应的距离为分辨率，依次仿真6个散射点的两维幅度谱，并通过局部插值来提高读取图像分辨率的准确性。表3列出了斜视角70°情况下对应图6各种算法的两维分辨率结果。

表3 斜视角70°时的分辨率结果

从表3可以看出，在70°的大斜视角情况下，各成像算法距离向分辨率差别不大，均达到1.5米以内，方位向分辨率属本文所提的混合式SAR/ISAR成像算法最优，分辨率在3m以内；文献6中的混合式SAR/ISAR成像算法和ISAR成像算法次之，两种算法成像效果差别不大，方位向分辨率在4m以内；基于平动补偿的SAR成像算法最差，方位向分辨率在5m以内。

4 结束语

本文通过分析ISAR成像算法与SAR成像算法对运动舰船目标进行高分辨成像处理时面临的问题，综合考虑雷达平台高速机动、舰船目标非合作，以及成像斜视角大的特点，提出了一种基于加速度模型的混合式SAR/ISAR成像算法。本文从提高成像过程中各个步骤补偿精度的角度出发，将已有的两种算法进行了有效融合，将回波包络对齐分步进行，提高了包络对齐精度，利用SAR处理中的相位滤波去除调频率的空变性，结合ISAR处理中的相位校正方法对剩余相位项统一校正，最终得到了两维高分辨的结果。

[1] WARD K D. Radar imaging of ships at sea[C]. The Royal Signals and Radar Establishment, Gt Malvern, Worcs WR14 3PS, UK, 1989:1–5.

[2] PORTER N J, TOUGH R J A, WARD K D. SAR, ISAR and hybrid SAR/ISAR-a unified treatment of radar imaging[C]. IEEE National Radar Conference, UK, 1993:134–139.

[3] TOUGH R J A, PORTER N J. The hybrid SAR/ISAR imaging of a rocking ship target[C]. Defence Research Agency, Malvern, 1993:4793.

[4] CHEN V C, LIU B. Hybrid SAR/ISAR for distributed ISAR imaging of moving targets[C]. IEEE Radar Conference, 2015:658–663.

[5] 栗君. 基于混合式SAR/ISAR处理的舰船目标聚束SAR成像方法研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.LI Jun. Study on hybrid SAR/ISAR imaging of ship target based on spotlight SAR[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015.

[6] 李增. 机载 SAR/ISAR对舰船成像算法的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016.LI Zeng. Study on airborne SAR/ISAR imaging of ship[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016.

[7] 阚学超. 基于混合式SAR/ISAR的舰船目标成像技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2017.KAN Xuechao. The imaging technology research of the ship target based on the hybrid SAR and ISAR[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2017.

[8] WHENER D R. High resolution radar[J]. Boston: Artech House, 1995:1–6.

[9] 大斜视高海情下舰船目标成像算法研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2016. HU Guangli. Research on imaging algorithms of ship targets in large squint mode and atrocious sea condition[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016.

Research on hybrid SAR/ISAR imaging algorithm of ship target

CAO Ye, SHI Yahui, YAN Haipeng, ZHANG Jianqi

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

Aiming at the problem of fuzzy imaging of moving ship target under high dynamic platform and large squint angle, this paper proposes a hybrid SAR/ISAR imaging algorithm based on acceleration model from the perspective of improving the accuracy of each part of imaging processing. The effective fusion of the two algorithms is achieved. Firstly, the motion estimation is combined with the distance migration correction to complete the roughly alignment of the echo envelopes, and at the same time, the phase modulation is eliminated by phase filtering in Range-Doppler domain. Then the accurate envelope alignment is achieved by correlation alignment to compensate the errors caused by the motion estimation inaccuracy, the model mismatch and the inertial measurement. Finally, the residual non-space-variant phase term is uniformly corrected by the weighted multi-special point autofocus method. The simulation results show that the proposed algorithm can effectively improve the imaging effect and obtain a well-focused target image.

Hybrid SAR/ISAR; Ship target; Translation compensation; High-resolution imaging

TN958

A

CN11-1780(2019)05-0034-08

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-04-15

2019-05-25

曹 晔 1994年生，在读研究生，主要研究方向为雷达信号处理。

师亚辉 1977年生，研究员，主要研究方向为SAR信号处理算法及系统设计仿真。

闫海鹏 1988年生，硕士，主要研究方向为雷达信号处理。

张剑琦 1985年生，高级工程师，主要研究方向为雷达总体技术。