空間目標多站ISAR優化布站與融合成像方法

馬俊濤 高梅國 胡文華 熊 娣 史 林

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空間目標多站ISAR優化布站與融合成像方法

馬俊濤*①②高梅國①胡文華②熊 娣①史 林②

①(北京理工大學電子與信息學院 北京 100081)②(中國人民解放軍軍械工程學院 石家莊 050003)

對異址多站雷達回波相干融合可以將空間觀測視角的分離轉換為目標積累時間的增加，提高ISAR像方位分辨率。該文針對在軌空間目標多站ISAR相干融合成像問題，提出一種基于目標軌道先驗信息的優化布站方法，提高了回波融合效率；針對多站雷達回波融合處理問題，利用軌道運動模型分析了融合成像平面的空變特性，提出融合回波越距離單元徙動、多普勒時變等問題的解決方法，使多視角回波有效相干融合。利用空間站軌道驗證了融合成像平面的空變性，從徙動校正效果及分辨率改善等方面驗證了布站及融合算法的有效性。

ISAR成像；空間目標；相干融合；空變特性

1 引言

本文針對在軌空間目標多站ISAR相干融合成像，結合空間目標運動模型提出了一種優化布站的方法，利用目標軌道先驗信息解決融合回波越斜距分辨單元徙動(Slant-MTRC)、越橫距分辨單元徙動(Cross-MTRC)以及轉角非均勻等問題，使多視角回波有效相干融合。利用天宮1真實軌道，分析了融合成像平面的空變性，從MTRC校正及分辨率改善等方面驗證了布站及融合算法的有效性。

2 基于目標軌道運動模型的優化布站

2.1 主站觀測矢量在地心地固系下的精確描述

圖1 軌道目標坐標系統及ISAR成像模型

2.2 成像坐標系初始3軸矢量

2.3 融合雷達優化布站位置

圖2 視角融合成像原理

(9)

3.4 多站ISAR融合成像處理流程

4 仿真實驗

4.1 融合成像平面空變特性

本節從融合成像平面的空變角度出發，驗證相對于任意布站，本文方法所確定的站址是最優的。選擇天宮1號衛星軌道作為實驗驗證軌道，其軌道6根數由美國空間監視網(Space Surveillance Network, SSN)以兩行軌道根數形式公布如下：

1 37820U 11053A 16266.35688463 0.00025497 00000-0 24137-3 0 9991

2 37820 042.7662 24.7762 0015742 351.0529 104.2087 15.66280400285808

假設用于比較的任意站址分布在以主站站址為圓心，基線長度為半徑的圓上某處。令主站雷達所在經圈與基線(主站雷達與融合雷達之間的連線)的北向夾角為，可知基線長度為的兩部雷達在主站雷達所在經圈上的投影距離為，由于地球上所有經圈長度相等，同一經線上緯度相差1°，距離相差，則可以直接得到融合雷達的緯度，再由式(25)的反推式(26)計算兩站之間的經度差：

4.2 融合回波的MTRC校正與回波相位重建

4.3 融合成像的分辨率改善

本實驗驗證多站雷達回波融合成像對分辨率的改善。雷達發射線性調頻信號，由于載頻差異是影響融合效果的獨立因素，因此本實驗設置兩部雷達的載頻分別為10 GHz, 8 GHz，單站雷達帶寬為400 MHz，雷達的觀測時間同為：23:52:14~23:52:17，雷達重頻設置為50 Hz，單站雷達可獲得150個回波脈沖。通過計算，兩部雷達的積累視角分別為：2.2817o, 2.2814o，計算分辨率均約為0.37 m。

圖4 融合成像平面空變性分析

圖5 MTRC校正與回波相位重建

設置9組散射點如圖6(a)所示，每組散射點由兩個鄰近散射點組成，橫向點距為0.35 m，中心點距0.30 m，均小于單站分辨率。主站和融合站的成像結果如圖6(b)，圖6(c)所示，兩部雷達的單站積累時間相近，因觀測位置的差異，對散射點的分辨能力略有差別，但大多數散射點不能分辨。如果不采用偏移校正，融合成像結果如圖7(a)所示，由于載頻偏移使回波不能有效融合，圖像出現模糊，驗證了本文3.3小節中給出的結論，校正后的融合效果如圖7(b)所示，有效融合使所有鄰近散射點都能夠分辨。為了進一步考察回波融合的效果，圖7(c)-圖7(e)分別給出了融合后第262, 238, 214斜距單元對應的橫距像與單站橫距像的比較，單站橫距像已經過插值處理，由圖可見，回波相干融合處理后分辨率得到了有效提升。

4.4 最優布站融合成像效果

圖6 散射點模型與單站成像效果

圖7 偏移校正與融合成像

設置空間站模型如圖8(a)所示，主站與最優融合站的單站成像結果如圖8(b)，圖8(c)所示，兩個ISAR像的距離單元范圍均設置為180~340，雷達異址觀測，兩個成像結果顯示出略微不同的目標姿態。由于觀測視角增加，目標出現了明顯的越多普勒單元徙動，如圖9(a)所示，校正后的融合成像結果如圖9(b)所示，顯示了理想布站融合后分辨率的提高。另兩處布站融合成像結果如圖10所示，兩個站址的雷達回波信號融合后均沒有改善單站雷達的成像質量，反而由于融合成像平面的3維轉動使圖像質量嚴重蛻化。

5 結論

與機動目標ISAR成像不同的是，在軌運行的空間目標的軌道參數已知，充分利用軌道先驗對回波進行處理可以克服低信噪比時難以找出特顯點使傳統平動補償算法失效的問題，但由于對成像段的約束，限制了ISAR像橫向分辨率的提高，利用多站同時獲取觀測回波是一種增加積累時間的可行方法。本文進一步利用軌道參數指導融合布站，提高了融合效率，并通過天宮1實際軌道進行了驗證，同時仿真實驗也表明了本文提出的融合方法的有效性。

圖8 空間站仿真模型及單站成像結果

圖9 最優布站融合ISAR成像

圖10 非最優布站融合ISAR成像

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馬俊濤： 男，1977年生，博士生，講師，研究方向為雷達信號處理、雷達成像技術.

高梅國： 男，1965年生，教授，博士生導師，研究方向為雷達電子對抗與反對抗、高速實時信號處理、雷達成像技術等.

胡文華： 男，1971年生，副教授，碩士生導師，研究方向為雷達信號處理、雷達對抗技術.

熊 娣： 女，1989年生，博士生，研究方向為雷達信號處理、雷達成像技術.

史 林： 男，1985年生，博士生，講師，研究方向為雷達信號處理、高速實時信號處理.

Optimum Distribution of Multiple Location ISAR andMulti-angles Fusion Imaging for Space Target

MA Juntao①②GAO Meiguo①HU Wenhua②XIONG Di①SHI Lin②

①(,,100081,)②(,,050003,)

The spatially separated observation angles from the multiple inverse synthetic aperture radar sensors can be converted to the accumulation time of the same target, which can improve the cross-range resolution of ISAR image by the coherent fusion of raw echo signals collected from different sensors.To solve the issue of multiple radar sensors coherent fusion ISAR imaging of space target moving on orbit, the radar location optimal method based on the orbital prior of the space target is proposed to improve the efficiency of the echoes fusion, the spatial- variant property of the fusion imaging plane of space target is analyzed using orbital motion model to solve the range Migration Through Resolution Cells (MTRC) and time-varying Doppler. The simulation results based on real orbit of space station confirm the effectiveness of the proposed method.

ISAR imaging; Space target; Coherent fusion; Spatial-variant property

TN957.52

A

1009-5896(2017)12-2834-10

10.11999/JEIT170482

2017-05-18；

2017-10-01；

2017-10-27

通信作者：馬俊濤 tm0508@sina.com

國家自然科學基金(61401024)

The National Natural Science Foundation of China (61401024)