基于圆迹SAR的目标方位散射特征提取研究

作者:赵月;林赟;王彦平;洪文; 刊名:信号处理 上传者:程金明

【摘要】人造目标多数具有各向异性,即目标在不同的方位向角响应不同,此特性可用于人造目标的识别与分类等,而圆迹合成孔径雷达能够获得目标的全方位信息,因此本文基于圆迹合成孔径雷达提出回波反演的方法,提取目标点的回波信号强度与相位随方位向的变化曲线,并定义方位向特征:散射持续角、回波信号响应峰值与峰值散射方位角.依据方位向特征可实现人造目标识别与自适应成像,文中已通过微波暗室实验与机载实验数据定性的证明了方法的有效性与应用的可行性.

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3.中国科学院电子学研究所,微波成像技术国家级重点实验室,北京100190)1引言合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)是20世纪50年代提出并研制成功的一种主动微波遥感设备。与光学成像技术相比,SAR能够不受光照和气候条件的限制实现全天时、全天候的对地观测,并具有很强的穿透性[10]。这些特点使得SAR技术在农业、林业、地表测绘及国防领域具有独特的优势[5]。随着合成孔径雷达的类型逐渐丰富以及应用逐渐展开,如何最大发挥不同类型合成孔径雷达的优势以及从合成孔径雷达的图像中获取更多的有效信息并加以利用是目前亟待解决的问题。圆迹合成孔径雷达(Circular-SAR),作为一种三维成像模式于20世纪90年代中期被提出,该模式下,雷达平台在空中做360的圆周运动,从而形成一个圆形的二维孔径,通过时域信号的相干累加得到成像区域SAR图像。与传统条带SAR方式相比,圆迹合成孔径雷达能够对场景区进行360全方位观测,不仅能大大消除由于目标遮挡引起的阴影问题,而且能够获得点目标360全方位的信息[3]。能够获得目标360全方位的信息使得对于目标各向异性的特性的研究成为可能,多数目标的散射特性具有方向性,即只在一定的散射持续角范围内具有高信噪比回波[2]。由于不同目标由不同几何子结构及不同的材质构成,如二面角、三面角、柱体以及腔体等,不同的材质以及子结构具有不同的散射特性[4]。因此目标方位向散射特性能够为解析目标以及成像提供更多信息。CSAR图像能够获得目标多方位信息,目标的各向异性也已经逐渐被意识到并加以研究,比如目标的三维成像,Moses提出的GLRT(GeneralisedLikelihoodRatioTest)[7]成像算法,以及利用子孔径图像之间的相关进行目标识别等方法。现有算法只是对子孔径图像能够提供的目标在方位向的各向异性特点加以利用,但是子孔径方法具有很大局限性。子孔径选择过小,导致较低的信噪比,获取信息包含较大的噪声;子孔径选择过大,获取的信息只是在该子孔径范围内的平均,并且于方位向无法获得点目标随方位向变化的更细腻的结果。子孔径大小以及子孔径中心的不同选择会导致差异较大的结果,非常依赖于科研人员的经验。基于以上问题,本文提出基于圆迹SAR的点目标方位向特性提取方法,利用回波反演的方法提取点目标信号强度与相位随方位向角度的变化曲线,并将目标方位特性应用于人造目标在自然环境下的识别与自适应成像算法[8],自适应成像算法是针对各向异性目标的圆迹成像算法的优化,依据得到的点目标的信号强度随方位向曲线的变化,自适应的只在有效散射持续角上进行相干叠加,效果优于GLRT成像算法。2特征提取算法描述2.1回波反演算法基本原理回波反演方法是通过已获得目标360全方位信息的CSAR图像进行一个反推回去的过程。首先通过BP(BackProjection)算法获得目标全孔径相干累加复数图像。设g(x,y)为场景区域包含目标360全方位信息的复数图像,以像素点(xc,yc)为中心用矩形窗函数提取kk大小的区域(以像素点为单位),每个点像素均包含该点像素的目标360的观测信息。如公式(1)所示,将提取出来的数据与每个方向上该点点像素的距离历程相位函数相乘,使其经历一个回波生成的过程,得到中心波数处的单频回波信号,实现方位向上的滤波。Sr()=xc+k/2xc-k/2yc+k/2yc-k/2g(x,y)exp(-j2KcRxy())dxdy(1)式(1)中Kc=2!fc/c为波数中心,Rxy()为雷达飞行平台与像素点(x,y,z)(z为场景区域的高

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