一種機(jī)載火控雷達(dá)空地成像算法

文/佴俊 王波

一種機(jī)載火控雷達(dá)空地成像算法

文/佴俊 王波

隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)際上殲擊機(jī)的航空電子系統(tǒng)具有越來(lái)越強(qiáng)的功能，在火控雷達(dá)的空地模式中，成像范圍更大、分辨率更高、定位更準(zhǔn)確的圖像顯得越來(lái)越重要。本文介紹了一種基于天線掃描的、高分辨率的、并在地理坐標(biāo)下成像的算法，該算法在載機(jī)平臺(tái)大機(jī)動(dòng)時(shí)仍然能提供了更高的圖像分辨率和更精確的目標(biāo)地位，為火控系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別提供有力條件。

機(jī)載火控雷達(dá) 成像 拼接

1 引言

目前國(guó)際上機(jī)載火控雷達(dá)“地圖方式”下有“RBM”、“DBS”及“SAR”等方式，其中“RBM”和“DBS”及相應(yīng)的擴(kuò)展方式在成像過(guò)程中，天線處于掃描狀態(tài)，能提供大范圍的地面圖像，但是這幾種成像算法不能提供高分辨率的圖像；“SAR”模式能提供高分辨率的圖像，但是在成像過(guò)程中，天線與載機(jī)航向處于一個(gè)固定的夾角，不能在方位向上大范圍成像。并且這幾種成像方式都是基于成像平面的成像，與實(shí)際的地面目標(biāo)和地形存在幾何失真，不利于目標(biāo)識(shí)別和精確打擊。所以，在火控雷達(dá)的空地成像的模式中，特別是近距離空地成像模式中，迫切需要一種算法，能在掃描方式下，提供基于地理坐標(biāo)系下大范圍的高分辨率圖像。

本文將文獻(xiàn)[1][2][3]的環(huán)視“SAR”算法應(yīng)于機(jī)載火控雷達(dá)的空地成像中，該方法在近距離、載機(jī)平臺(tái)大機(jī)動(dòng)條件下、大范圍成像時(shí)有利于提高成像的分辨率，并同時(shí)校正成像過(guò)程中存在的幾何失真。本文描述了該算法的流程，并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了成像處理的驗(yàn)證。

圖1：成像信號(hào)處理流程圖

圖2：?jiǎn)蝹€(gè)子塊圖形成像信號(hào)處理流程

圖3：?jiǎn)蝹€(gè)子圖幾何失真校正中的地面校正網(wǎng)格點(diǎn)分布

2 成像算法流程及其特點(diǎn)

與目前國(guó)際通用的火控雷達(dá)的高分辨率“SAR”成像模式相比，天線掃描模式成高分辨率圖像有其自身特點(diǎn)。雷達(dá)波束勻速旋轉(zhuǎn)掃描的過(guò)程中，信號(hào)的多普勒中心值變化非常快，給直接大區(qū)域成像帶來(lái)了很大困難。文獻(xiàn)[1][2][3]提出了基于子塊成像拼接的處理方法完成最后掃描成像處理，并做了仿真和實(shí)際驗(yàn)證，結(jié)果表明，該成像處理算法在掃面模式下成高分辨率圖像是有效的。該算法是一個(gè)基于子塊成像和圖像拼接的處理流程，處理流程如圖1所示。

從圖1中可以看出，整個(gè)信號(hào)處理流程主要分三個(gè)主要部分：子圖成像處理，幾何失真校正，圖像的拼接。下面對(duì)成像的步驟進(jìn)行逐步分析。

圖4：正前視方向子圖與校正圖對(duì)照

圖5：45度斜視方向子圖與校正圖對(duì)照

圖6：大側(cè)視方向的子圖校正前后的對(duì)照

2.1 子塊成像

單個(gè)子圖的成像采用基于轉(zhuǎn)臺(tái)成像的線形RD算法。該算法計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，簡(jiǎn)單有效等特點(diǎn)，適合工程實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)信號(hào)處理流程由距離壓縮、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和方位向聚焦三個(gè)步驟構(gòu)成，如圖2所示。該算法的關(guān)鍵步驟是運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，包括距離對(duì)準(zhǔn)和相位補(bǔ)償。距離對(duì)準(zhǔn)是以給定的參考距離為參考，并按照天線相位中心(APC)距離進(jìn)行逐個(gè)脈沖補(bǔ)償。這種以固定點(diǎn)為參考的空不變運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償使得線性RD算法具有一定局限性。

（1）成像區(qū)內(nèi)除中心點(diǎn)外各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償存在剩余誤差，該剩余誤差具有空變性，且成像區(qū)尺寸越大，或斜視角越大，空變效應(yīng)越嚴(yán)重；

（2）線性RD算法對(duì)成像區(qū)域大小有限制，對(duì)成像區(qū)域直徑d0的限制為

（3）成像結(jié)果存在幾何失真，失真程度隨斜視角和成像區(qū)尺寸增大而惡化。

2.2 圖像幾何失真校正

由于單個(gè)子圖存在嚴(yán)重的幾何失真，所以在進(jìn)行圖像拼接前必須做幾何失真校正。由于圖像幾何變形程度受雷達(dá)波束視角、平臺(tái)飛行高度及斜視角等諸多因素影響，對(duì)線性RD成像結(jié)果的幾何失真校正必須建立在逐點(diǎn)校正的基礎(chǔ)上。天線掃描如圖所示，校正步驟如下：

第一步：在成像區(qū)范圍內(nèi)人為設(shè)置等間隔分布的散射點(diǎn)，稱為地面校正網(wǎng)格點(diǎn)，見(jiàn)圖3。網(wǎng)格分布平行于 x-y坐標(biāo)系，相鄰點(diǎn)間隔按照?qǐng)D像分辨率要求設(shè)置，即△x=ρα、△y=ργ。

第二步：首先應(yīng)根據(jù)載機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)的幾何參數(shù)，確定波束在地面的投影區(qū)域，得到子塊的取值范圍，在該范圍內(nèi)逐點(diǎn)計(jì)算散射點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的成像結(jié)果中的位置。

第三步：通過(guò)插值操作將信號(hào)取出，放入以x-y坐標(biāo)系為圖像坐標(biāo)系中的二維數(shù)組中，完成幾何失真校正。

設(shè)任意地面校正網(wǎng)格P點(diǎn)的x-y坐標(biāo)p(xp,yp,0)，孔徑中心雷達(dá)APC的坐標(biāo)為c(xc,xy,0)，則APC到成像區(qū)中心O(xof,yof,0)點(diǎn)的距離|OC|和APC到P點(diǎn)的距離|CP|分別為

P點(diǎn)在線性RD成像結(jié)果中的距離向坐標(biāo)Nγp為：

P點(diǎn)的多普勒頻率fdp取決于該點(diǎn)相對(duì)于孔徑中心APC的距離變化率。即

為P點(diǎn)空間斜視角，見(jiàn)圖3。同理，成像中心點(diǎn)O點(diǎn)的多普勒頻率fdo為

因此，P點(diǎn)在線性RD成像結(jié)果中的方位向坐標(biāo)Nfdp為

如上的散射點(diǎn)坐標(biāo)定位換算要在每幅線性RD成像結(jié)果中逐點(diǎn)地進(jìn)行，直到獲得成像區(qū)內(nèi)全部分辨率單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在理論上，得到地面校正P點(diǎn)在各幅圖像中的對(duì)應(yīng)位置后，就可以將其值取出來(lái)。由于通常得到的在絕大部分情況下不是整數(shù)，需要通過(guò)插值得到。

2.3 圖像拼接

在天線掃描過(guò)程中，隨著天線掃描過(guò)程中，對(duì)前面的圖像要進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出，滿足大區(qū)域成像要求。方法如下：

（1）根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)預(yù)先計(jì)算出波束掃描每個(gè)波束所能覆蓋的地面范圍，確定最終輸出圖像的大小和像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)值，在校正圖像幾何失真的同時(shí)，逐點(diǎn)將校正后的圖像放入對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)中，輸出結(jié)果；

（2）設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，定義成像區(qū)圓心轉(zhuǎn)角大小恰為波束地面投影寬度的一半，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成像中，要消除子塊之間的接縫，相鄰子塊間存在一定的復(fù)用；

隨著相鄰的單個(gè)扇形成像得到校正、存儲(chǔ)與輸出，最終可以在任何時(shí)刻成像過(guò)程的中間結(jié)果都可實(shí)時(shí)輸出；

3 成像實(shí)例

根據(jù)上述算法分別進(jìn)行子塊成像和校正后的子塊成像。首先進(jìn)行子塊成像和校正后的子塊成像對(duì)比，具體如下：

（1）天線掃描至正前視方向子圖與校正圖對(duì)照，如圖4所示。

（2）天線掃描至斜視方向子圖與校正圖對(duì)照，如圖5所示。

（3）天線掃描至側(cè)視方向子圖與校正圖對(duì)照，如圖6所示。

5 總結(jié)

本文將環(huán)視“SAR”算法應(yīng)于機(jī)載火控雷達(dá)的空地成像中，由于該方法是基于子塊的成像拼接處理，所以在近距離、載機(jī)平臺(tái)大機(jī)動(dòng)條件下、大范圍成像時(shí)有利于提高成像的分辨率，并同時(shí)校正成像過(guò)程中存在的幾何失真，有利于進(jìn)行目標(biāo)的精確定位和識(shí)別。

[1]Yong Li,Daiyin Zhu.The Geometric-Distortion Algorithm for Circular-SAR Imaging,IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENCING letters,VOL 7,NO.2,APRIL 2010：376-380.

[2]李勇.基于子孔徑處理的機(jī)載與彈載的合成孔徑雷達(dá)成像算法的研究[D].南京航空航天大學(xué),2005.

[3]熊紅林.機(jī)載雙模SAR成像處理及硬件實(shí)現(xiàn) [D].南京航空航天大學(xué),2007.

[4]毛新華,朱岱寅,李勇,朱兆達(dá).環(huán)視SAR幾何失真校正誤差分析及補(bǔ)償技術(shù)研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2008(11)：2706-2709.

作者單位 南京電子技術(shù)研究所 江蘇省南京市 210039

佴俊（1979-），男，江蘇省揚(yáng)州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。工程師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)載雷達(dá)總體技術(shù)和機(jī)載雷達(dá)售后服務(wù)綜合管理。

王波（1983-），男，湖北省武漢市人。工學(xué)碩士。工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)技術(shù)。