逆合成孔径雷达外场数据成象结果

第11卷第2期1996年6月

数据采集与处理

Jo urnal of Dat a A cquisition&P ro cessing

Vo l.11N o.2

Jun.1996逆合成孔径雷达外场数据成象结果

朱兆达　佘志舜　张兴敢　邱晓晖

(南京航空航天大学电子工程系　南京,210016)

摘要　介绍了逆合成孔径雷达(IS AR)实验系统外场数据的处理结果,简要叙述了IS AR信号处理的两个关键问题,即运动补偿和成象。对三种飞机在一系列飞行试验中的外场数据进行了处理,对大型喷气飞机YK-42、小型喷气飞机“奖状”和大型螺旋桨飞机安-26,在航线的直线段和转弯段,都得到了较好的成象结果。

关键词:雷达;信号处理;合成孔径雷达;逆合成孔径雷达;

成象;运动补偿

中图分类号:TN951;T N959.3;TN957.51

引 言

逆合成孔径雷达[1]能从固定或运动平台对导弹、飞机、舰船、天体等运动目标进行全天候、全天时、远距离成象,在战略防御、反卫星、战术武器以及雷达天文学中都有重要应用价值。60年代美国的西屋、通用电气、航天公司等相继研制对空间轨道目标成象的雷达。70年代初,林肯实验室首先获得近地空间目标高质量的雷达图象。70年代末林肯实验室的远距成象雷达的距离分辨力已达25cm[2]。1980年Chen和Andrew s最早给出飞机的I SA R图象[3]。之后陆续公开报道的飞机ISA R图象,有DC-10和Bo eing727[4],Bo eing727和L ockheed L-1011[5],DC-9[6],Co nvair CV580[7],M o oney231[8],K C135[9]等。1993年,英国T hor n EM I公司给出安装在悬崖顶上的雷达对舰船成象的图片[10]。最近,由法国T hom-so n CSF和德国Deutsche A er ospace联合研制的O-cea n M aster400机载雷达的资料上给出了机载IS-A R对舰船成象的图片。雷达天文学方面,50年代末曾得到月球的雷达图象,70年代还对金星进行了雷达成象[2]。

ISA R与合成孔径雷达(SA R)成象的共同基础是距离多普勒原理[2]。ISA R一般固定在地面上,目标运动;而SAR则装在飞机、卫星等运动平台上,目标是地球表面或地面目标。成象的纵向分辨力靠大带宽信号得到,横向分辨力则基于目标相对于雷达视线的转动而引起的多普勒频率梯度。SA R和IS-A R信号处理的两个关键是运动补偿和成象。运动补偿旨在消除目标和雷达间相对平移运动的影响,是成象的先决条件。由于ISA R的目标是非合作的,比起SA R来,ISAR运动补偿更为困难。

ISA R运动补偿一般分两步,即距离对准(距离运动补偿)和相位补偿(横向距离运动补偿)[1]。距离对准使相邻重复周期的回波信号在距离向对齐。Chen和A ndr ew s[3]介绍了三种方法:散射点基准法,跟踪目标上孤立强散射点的位置,作为距离基准;空域法按相邻周期回波包络最大相关点确定距离偏移量;频域法从相邻周期回波相位谱的差异提取距离偏移量。相位补偿有散射点基准法[1],按孤立强散射点回波相位校正各距离单元信号相位。相位补偿的目标重心跟踪法[1],跟踪目标重心迫使平均多普勒为零,或者说消去按距离单元平均算出的目标重心多普勒。相位补偿的轨道拟合法[11],从回波求出目标平移运动轨道参数的估值,然后进行相位校正。恒定相位差消除法[12]、多普勒中心跟踪法[13]和散射重心对准法[14]本质上同上述目标重心跟踪法是一致的,只是在具体实现的算法上略有差异。恒定相位差消除的结果就是迫使平均多普勒为零。用散射

航空科学基金资助项目。

收稿日期:1996-04-12;修改稿收到日期:1996-04-20

重心对准法进行复包络平移补偿与复相关对准法在统计平均意义上一致,用散射重心对准法进行相位补偿在计算平均多普勒时用各距离单位的回波功率进行加权。用这两种方法作相位补偿都需进行相位解模糊。多普勒中心跟踪法则是对相邻周期各距离单元回波信号相位差的复指数函数按幅度乘积进行加权平均,求出多普勒中心即目标重心相位差的复指数函数,实现相位校正。多普勒中心跟踪法勿需解相位模糊。应当指出,多普勒中心跟踪法得到的目标重心相位差的复指数是各距离单元相位差复指数的加权算术平均值,而恒定相位差消除法和散射重心对准法得到的重心相位差的复指数分别是各距离单元相位差指数的几何平均值或加权几何平均值。改进的多普勒中心跟踪法进一步改善了相位补偿的精度。加权多特显点综合法和改进的散射重心跟踪法分别改进了散射点基准法和目标重心跟踪法,也都给出更好的补偿效果。在距离对准的空域法里,如果用复包络代替包络进行互相关,最大相关点的位置和相位分别给出距离偏移量和多普勒中心的相位差,均可同时进行距离对准和相位补偿。上述补偿方法各具特点。一般而言,散射点基准法运算量低,但易受目标反射闪烁和遮挡影响而失效。与此相反,其他几种方法基于整体目标回波而不是一个散射点,闪烁和遮挡对它们的危害较小,但运算量较大。轨道拟合法对于目标运动比较平滑的情况,可能给出较精确的运动补偿,但此法不适用于目标运动包含剧烈扰动的情况。

主要的I SAR成象算法如下:F FT距离多普勒法[2],把纵向和横向二维处理分开进行,成象处理采用F FT以提高计算效率。此法对目标转角有限制,否则散射点走过分辨单元使成象模糊。此法适用于对分辨力要求不高的场合。大转角高分辨力成象有以下几种:扩展相干处理法[2]通过多幅小转角F FT 距离多普勒子图的相干叠加获得大转角的高分辨力;极坐标格式处理法[15]用极坐标格式纪录频率空间的观测样本,经过二维傅立叶变换一起完成纵、横向二维处理;卷积反投影层析成象法[16]从解投影观点处理微波成象,用卷积反投影重建目标的雷达图象。上述成象方法的分辨力都受经典傅立叶方法的限制。采用超分辨距离多普勒成象方法[17]可提高分辨力2～3倍。

1　实验ISAR外场数据的处理结果本文介绍了作者对ISA R外场数据进行运动补偿和成象处理的结果。对每批数据按照下述步骤处理:(1)预分析　对外场数据进行初步分析,利用窄带信号中的检验码检查数据的正确性,并观察数据信号波形。(2)计算航线　根据记录中窄带信号的目标距离、方位和仰角计算出外场实验中飞机的实际航线,进行分段样条拟合,计算飞机纵轴与雷达视线夹角的近似值。(3)数据段截取和处理　参照横向分辨力的要求,截取相应数据段进行运动补偿和成象处理。

要说明的是,本文中所说的数据段,不是等长度的而是在处理过程中截取的能满足适当成象分辨力要求的数据段。在飞机航线的不同部分,所截取数据段包含的脉冲数可能不同。在转弯段截取的数据段比直线段的短,有时短很多,这取决于飞机自转对成象转角贡献的大小。

1.1　第一批数据的处理结果

目标是安-26螺旋桨飞机,该飞机翼展×机长为29.2m×23.8m,图1为安-26飞机的平面图。实验ISAR同时记录宽带信号和窄带信号。宽带信号用于ISAR成象。由窄带信号计算出的实际航线如图2所示,窄带信号在航线的最后一段发生了丢失。图3,4给出其中两幅有代表性的成象结果。我们发现在某些姿态上螺旋桨飞机的发动机调制比较明显。

图2”第一次外场实验航线

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