海上船只目标多角度成像技术*

周 鹏，陈艳梅，刘希红，孙伟峰，戴永寿

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

海上船只目标多角度成像技术*

周 鹏，陈艳梅，刘希红，孙伟峰，戴永寿

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院，山东 青岛 266580)

将斜视滑动聚束合成孔径雷达(SAR)应用于海上船只目标的成像。利用斜视角的变化，斜视滑动聚束SAR可高频次地得到同一船只在不同斜视角下的多幅高分辨率微波图像，有利于船只目标的分类与识别。将斜视滑动聚束SAR高效成像算法与船只目标逆合成孔径雷达(ISAR)重聚焦算法相结合，针对计算机仿真数据开展了成像处理实验，取得了较好的成像效果，验证了斜视滑动聚束SAR应用于船只目标成像时可高频次地获得多幅高分辨率图像的独特优势。

斜视滑动聚束SAR； SAR船只成像； 多角度成像

斜视滑动聚束SAR是滑动聚束SAR在斜视条件下的推广[1]，具有很高的机动灵活性。它能够通过改变天线斜视角，实现在侧后方、正侧方、侧前方对目标进行连续成像，从而高频次地得到同一目标在不同斜视角下的多幅高分辨率微波图像[2]。将该模式应用于船只目标的成像时，可提供船只目标更为丰富的信息，有利于开展船只目标的分类与识别工作。一方面，研究斜视滑动聚束SAR需要解决斜视条件下新成像算法的设计问题；另一方面，由于SAR系统被设计为针对静止场景成像，需解决运动的船只目标在SAR图像中的散焦问题。

在斜视滑动聚束SAR中，多普勒带宽通常远大于脉冲重复频率，故存在方位向频谱混叠现象。已有多位学者针对该问题提出了解决方法。韩冰等在文献[3-4]中提出一种基于CS处理的两步处理算法，首先利用滑动聚束SAR的方位预处理方法解决频谱混叠问题，然后在传统CS算法的基础上对斜视模型进行修正。韩晓磊等在文献[1]中提出一种基于波数域的两步处理算法，首先利用方位向预处理解决斜视角和波束转动带来的频谱混叠，然后采用波数域算法完成图像聚焦。Wei Xu等在文献[5]中提出另一种基于波数域的改进两步处理算法。首先通过方位向卷积和数据拼接完成预处理解决频谱混叠，然后采用改进的波数域算法对回波数据进行距离校正，并消除由预处理引起的方位展宽效应。为解决上述方法计算效率不高的问题，笔者在文献[2]中提出一种基于Chirp-Z变换的改进两步处理算法。首先利用改进的方位向滤波处理解决频谱混叠，然后利用基于Chirp-Z变换的改进聚焦处理完成图像聚焦，避免了其它方法中Stolt插值等带来的运算负担，提高了SAR成像效率。

由于海上船只通常处于既包含平动、又包含三轴转动的运动状态，当直接采用SAR的算法进行成像处理时，常出现船只目标的散焦现象。目前，常采用SAR/ISAR联合处理的方法对船只目标进行成像。比较有代表性的方法是Martorella M等学者在文献[6-9]中提出的一系列解决方法。文献[6]对主要处理流程进行了概括。基本的处理流程为：先对回波数据采用传统的SAR成像算法进行成像，接下来利用船只检测的方法在SAR图像中提取出各船只所在区域的若干子图像，然后对每幅船只子图像进行逆变换得到等效ISAR回波，最后对等效ISAR回波进行ISAR处理得到各艘船只的清晰图像。文献[7-9]分别介绍了其中的时间窗选取、相位补偿等重要环节的技术要点。笔者在文献[10]中对上述方法进行了综合应用，取得了较好的成像效果。

本文将文献[2,6]中的方法相结合，并通过建立斜视滑动聚束SAR的船只目标回波模型，开展成像处理仿真实验，以验证斜视滑动聚束SAR可高频次地获得多幅高分辨率船只图像的独特优势。

1 基于Chirp-Z变换的斜视滑动聚束SAR成像算法

斜视滑动聚束模式作为一种新颖的SAR工作模式，是滑动聚束SAR推广至斜视情况下的成像模式。在方位向中心时刻，波束指向虚拟焦点，雷达和虚拟焦点间的连线与平台飞行方向并不垂直，而是存在一个斜视角。斜视滑动聚束SAR具有很高的灵活性，可以通过改变斜视角度，实现在侧后方、正侧方、侧前方对同一目标进行连续成像。图1为该模式不同斜视角下的工作示意图。

图1 斜视滑动聚束SAR成像几何图Fig.1 Geometry of squinted sliding spotlight SAR

斜视滑动聚束SAR能够通过调整天线波束指向，对目标所在区域进行连续成像，实现了高频次地获得同一目标在不同斜视角下的多幅高分辨率微波图像。SAR图像反映的是目标的后向散射信息，通常用雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)描述，而RCS受目标本身的介电常数、表面粗糙度和微波的不同频率、入射角、极化方式等多种因素影响。利用斜视滑动聚束SAR从不同斜视角对目标进行观测，可获取目标在不同角度下的散射特性。相比于传统的工作模式，SAR工作于斜视滑动聚束模式时，可获得更丰富的目标散射信息，有利于目标的分类与识别。

斜视滑动聚束SAR多普勒带宽包括波束带宽、波束旋转带宽和由斜视引起的附加带宽3部分[1]。为避免频谱混叠，必须使脉冲重复频率大于任意时刻的多普勒带宽。但脉冲重复频率过高时，会引起距离模糊，且加重数据负担。一般情况下，斜视滑动聚束SAR多普勒带宽远大于脉冲重复频率，故存在方位向频谱混叠现象。为解决已有方法在处理效率方面的不足，笔者在文献[2]中提出一种基于Chirp-Z变换的改进两步处理算法。该算法包括两大处理环节，分别是改进的方位向滤波处理和改进的基于Chirp-Z变换的聚焦处理。在这两大环节中，分别在文献[11]的基础上都进行了改进，针对斜视情况出现的附加带宽提出了具体的补偿措施。关于该算法的技术细节，可参阅文献[2]。

2 船只重聚焦成像算法

图2给出了SAR/ISAR联合处理方法对船只目标进行重聚焦成像的流程。首先，对回波数据采用传统的SAR成像算法进行成像。接下来，利用基于SAR图像的船只检测方法，对SAR图像中含有船只的区域进行剪裁，形成多幅船只子图像。之后，对每幅子图像进行回波反演得到等效的ISAR回波。由于船只在海上运动的复杂性，所得到的ISAR等效回波通常具有明显的非平稳性，需通过时窗选取环节选择回波中多普勒特性较为平稳的时间段。在平稳时间段的选取过程中，可依据图像对比度最优等原则或利用时频分析的方法完成。然后，通过基于图像对比度最优等原则估计出船只目标的速度和加速度，对ISAR回波进行相应的运动补偿，将船只目标的成像转化成转台目标成像。最后，通过对运动补偿后的回波数据进行二维傅里叶变换，可得到重聚焦后的ISAR图像。关于SAR/ISAR联合处理方法的相关技术细节，可参阅文献[6-10]。

图2 SAR/ISAR联合处理流程Fig.2 Processing chain of hybrid SAR/ISAR imaging

3 斜视滑动聚束SAR船只回波模拟

斜视滑动聚束SAR是一种新颖的成像模式，目前的实测数据较少。本节利用仿真手段实现该模式下的船只目标回波模拟。图3给出了斜视滑动聚束SAR的船只回波模拟流程。其中的核心是计算不同方位向时刻雷达与各散射点间的距离。需说明的是，为简化起见，本文将不考虑船只目标的多次散射现象。

假设雷达发射线性调频信号，其表达式为：

(1)

式中：rect[]为矩形窗函数；τ为距离向时间；T为脉冲宽度；f0为信号载频；K为调频信号斜率。船只目标的回波信号可表示为：

(2)

式中：t为方位向时间；p为散射点序号；P为散射点个数；σp为散射点后向散射系数；Wap和Wrp分别为散射点对应的方位向和距离向天线方向图；Rop为雷达与散射点间的距离向量；λ为信号波长。

图3 斜视滑动聚束SAR船只目标回波模拟流程图Fig.3 Flowchart of ship’s echo simulation in squinted sliding spotlight SAR

图4 回波模拟过程中用到的坐标系Fig.4 Axes employed in echo simulation

根据图4，容易推导得出，Rop可由下式进行计算：

(3)

在计算旋转矩阵的过程中，涉及到船只横滚、俯仰、偏航角的变化。研究表明船只的三维转动近似为余弦函数的变化规律[13-14]。因此有：

(4)

4 仿真结果

为验证斜视滑动聚束模式应用于船只成像时的独特优势，仿真实验中设置了不同斜视角对船只目标进行成像处理，分别为：侧后方10°、侧后方5°、正侧方、侧前方5°、侧前方10°。仿真中设置的船只由单层甲板、3根船舷构成，长、宽、高分别为90、20和20m。船只内部设置了53个散射点，散射点的距离间隔为6m。仿真中用到的参数见表1。

首先，利用第3部分的理论和公式，生成了斜视滑动聚束SAR船只目标的回波。然后，利用第1部分的理论和公式，生成了场景的SAR图像。图5～9中的子图(a)分别显示了斜视角为侧后方10°、侧后方5°、正侧方、侧前方5°、侧前方10°情况下的SAR图像。从这些子图可以看出，直接利用SAR算法生成的图像仅能看出船只的大体轮廓，但散射点散焦现象严重，无法识别船只内部的船舷结构。另外，还可以看出，随着斜视角变大，SAR图像的聚焦效果变差。接下来，利用第2部分的理论和公式，对SAR图像中的船只目标进行了重聚焦处理，图5～9中的子图(b)给出了处理后的结果。从这些子图可以看出，经过重聚焦处理后的船只ISAR图像非常清晰。通过以上仿真实验验证了，将斜视滑动聚束SAR应用于船只成像时，并将斜视滑动聚束SAR算法和船只重聚焦算法相结合，可高频次地得到不同斜视角下的多幅清晰船只图像。

表1 实验中的主要仿真参数

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

图5 侧后XZ10°斜视滑动聚束SAR船只成像处理结果Fig.5 Ship imaging result of sliding spotlight SAR at the rear squint angle of 10°

图6 侧后方5°斜视滑动聚束SAR船只成像处理结果Fig.6 Ship imaging result of sliding spotlight SAR at the rear squint angle of 5

图7 正侧方斜视滑动聚束SAR船只成像处理结果

对重聚焦前、后的船只目标成像结果进行了定量分析，计算出了二维分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比等指标。表2和3分别给出了重聚焦前、后图像质量参数的计算结果。对比表2和3可看出，本文的处理方法得到了较好的聚焦效果。

图8 侧前方5°斜视滑动聚束SAR船只成像处理结果Fig.8 Ship imaging result of sliding spotlight SAR at the front squint angle of 5°

图9 侧前方10°斜视滑动聚束SAR船只成像处理结果Fig.9 Ship imaging result of sliding spotlight SAR at the front squint angle of 10°

参数指标①侧前方10°②侧前方5°③正侧方0°④侧后方5°⑤侧后方10°⑥方位向分辨率⑦/m14.2514.2814.1114.3214.31地面距离分辨率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距离向峰值旁瓣比⑩/dB-3.73-3.94-4.02-3.98-3.72方位向积分旁瓣比 /dB-2.59-2.68-2.89-2.65-2.57距离向积分旁瓣比 /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 重聚焦后船只目标的图像质量参数

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

5 结语

斜视滑动聚束SAR能够通过控制斜视角，从侧前方、正侧方和侧后方对船只目标进行连续成像。将斜视滑动聚束SAR高效成像算法与船只目标ISAR重聚焦算法相结合，可高频次地得到同一船只目标在不同斜视角下的多幅高分辨率微波图像。由此可以获得船只目标更加丰富的信息，有利于船只分类、检测与识别等后续处理工作。

为简化起见，本文所开展的仿真工作中未考虑船只的多次散射现象。另外，由于目前国内外还未开展斜视滑动聚束SAR的海上飞行实验，因此本文方法还缺乏实测数据的验证。这些都将在本文下一步的工作进行完善。

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责任编辑 陈呈超

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

海洋公益性科研专项(201505002)；国家自然科学基金项目(61501520)资助

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

周鹏(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

周鹏，陈艳梅，刘希红，等.海上船只目标多角度成像技术[J].中国海洋大学学报(自然科学版),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.