基于波束空間的ＭＵＳＩＣ超分辨ＩＳＡＲ成像

摘要：研究ISAR成像模型，針對MUSIC（多信號分類）成像算法中運(yùn)算量大、分辨門限高，且散射點(diǎn)數(shù)目難以確定等局限性，提出基于波束空間的MUSIC（BMUSIC）超分辨成像算法。利用新的蓋世圓盤方法準(zhǔn)確判定散射點(diǎn)數(shù)目，通過波束空間處理，有效地降低了計算復(fù)雜度，同時抑制了噪聲影響。理論分析和仿真結(jié)果表明，該方法在提高計算效率的同時，減小了算法對噪聲的敏感度，改善了成像質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：逆合成孔徑雷達(dá); 波束空間多信號分類; 超分辨成像

中圖分類號：TP317文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)12-0361-03

隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對兵器的隱身性能提出了更高的要求。圍繞這個實(shí)際，世界各軍事強(qiáng)國紛紛展開了武器隱身性能方面的研究工作。其中，通過ISAR成像對隱身目標(biāo)進(jìn)行散射中心診斷，以進(jìn)行RCS縮減是一種研究隱身性能的有效方式。因而如何提高成像分辨率，提供準(zhǔn)確的目標(biāo)二維結(jié)構(gòu)特征就成為ISAR成像研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)問題。

傳統(tǒng)的FFT算法運(yùn)算速度快，在早期研究中得到普遍應(yīng)用；但這種算法屬于經(jīng)典的非參數(shù)化譜估計方法，分辨率較低。為了提高分辨率，許多學(xué)者提出了一些利用現(xiàn)代譜估計的新方法，對ISAR進(jìn)行了高分辨率成像方面的研究^[1，2]；文獻(xiàn)[3]提出MUSIC算法并應(yīng)用陣列波達(dá)方向（DOA）估計；文獻(xiàn)[4，5]研究MUSIC算法具有非常好的分辨性能。文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)地分析MUSIC算法和ISAR成像模型，將MUSIC算法與ISAR成像原理相結(jié)合，提出MUSIC超分辨ISAR成像算法。仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了該算法的有效性。然而，該文獻(xiàn)中還有可進(jìn)一步改進(jìn)之處。首先，文獻(xiàn)假設(shè)散射點(diǎn)數(shù)D已知，從而才確定信號子空間和噪聲子空間的維數(shù)；其次，該算法運(yùn)算量大、分辨門限高。

針對上述問題，本文提出了一種新的波束域MUSIC超分辨ISAR成像算法。該算法可將高維空間降為低維空間，從而有效地提高了算法的運(yùn)算速度。其次，新算法通過波束空間處理方式的引入減少了算法對誤差的敏感度，改善了分辨門限和估計性能。另外，本文通過蓋氏圓盤準(zhǔn)確地估計出了散射點(diǎn)數(shù)目，提高了算法的精度和實(shí)用性。

數(shù)據(jù)長度100，信噪比為5 dB，陣元數(shù)M=30，波束數(shù)K=15。仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1（a）為FFT算法進(jìn)行譜估計的結(jié)果。可見主瓣寬度較窄，但旁瓣干擾嚴(yán)重，影響散射強(qiáng)度的估計，且可能會出現(xiàn)偽散射點(diǎn)。為減小副瓣影響，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理。圖1（b）為加Hamming窗后處理效果，基本消除了副瓣干擾，但由于加窗后主瓣寬度變寬，造成分辨率下降。圖1（c）為MUSIC超分辨方法處理結(jié)果，顯著提高了估計性能，但運(yùn)算量較大。圖1（d）為經(jīng)空間濾波后MUSIC超分辨處理結(jié)果，有效地降低了矩陣維數(shù)，減小了運(yùn)算復(fù)雜度，同時進(jìn)一步改善了估計性能。為定量比較MUSIC算法與波束空間MUSIC的性能，在不同信噪比下進(jìn)行200次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)，給出兩種算法的估計偏差。

由圖2可知，經(jīng)空間濾波后的MUSIC超分辨處理，不僅有效地降低了矩陣維數(shù)，減小了運(yùn)算復(fù)雜度；同時由于帶外噪聲被抑制，在低信噪比下可以獲得較好的估計效果。

4．2成像效果仿真

假設(shè)某飛行器目標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖3所示。雷達(dá)發(fā)射頻率步進(jìn)信號，掃頻帶寬為8~10 Gbps，成像角度-2°~2°，信噪比5 dB，距離向仍采用FFT算法，方位向分別采用FFT、MUSIC、BMUSIC，仿真結(jié)果如圖4所示。不難看出，與傳統(tǒng)的FFT算法相比，超分辨成像方法分辨率明顯提高。由于BMUSIC算法波束空間處理把M維陣元空間變換到K維波束空間，其波束所覆蓋的空間相當(dāng)于濾波器通帶，不僅減小了計算復(fù)雜度，而且抑制帶外噪聲干擾，使成像更為清晰。

5結(jié)束語

經(jīng)過運(yùn)動補(bǔ)償后的ISAR成像，其實(shí)質(zhì)就是空間譜估計的問題。本文詳細(xì)分析了ISAR成像原理，采用BMUSIC算法進(jìn)行超分辨率ISAR成像。理論分析和仿真結(jié)果表明，基于波束空間的MUSIC超分辨成像算法具有較高的計算效率和抗噪聲性能，使算法具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性，降低分辨門限，從而改善了成像質(zhì)量，在工程應(yīng)用中具有重要意義。

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