基于雙基地雷達數(shù)據的艦船目標運動分析

基于雙基地雷達數(shù)據的艦船目標運動分析

0船舶目標回波信號仿真的必要性在兩個基地的asar系統(tǒng)中，如果傳輸連續(xù)目標，并接收基地連續(xù)接收目標的回波，那么兩個基地的asar可以生成高度分布運動目標的圖像。與單基地ISAR相比,雙基地ISAR有許多優(yōu)勢:收發(fā)分置的構架使雙基地ISAR能獲得更多的目標信息,克服盲速以及對低RCS目標的探測;具有較高的信雜比,較強的抗干擾能力。因此雙多基地ISAR在空間監(jiān)測、導航制導、國土防空等方面有著廣闊的應用前景。與其他運動目標(如飛機)成像相比,岸基雷達對艦船成像主要取決于艦船目標的狀態(tài)和海況,海浪起伏引起的艦船搖擺可作為成像的主要來源,但必須進行運動分析和成像時間的選擇。若正確選擇成像時間,利用艦船的自身搖擺可在較短的合成孔徑時間內得到有利于艦船目標識別的高質量圖像,尤其是艦船目標所特有的側視圖和俯視圖。岸基雙基地ISAR由于收發(fā)分置,海況引起艦船目標的搖擺,艦船目標與收發(fā)雙基地之間的相對運動更為復雜。作為雙基地ISAR成像的另一個來源,艦船目標的自身運動引起的等效雷達視線的轉動,也會影響成像時有效轉動矢量的合成,改變圖像投影平面的指向和合成有效轉動矢量的大小。因此要獲得高質量的雙基地ISAR艦船圖像,必須獲知成像時的海況及艦船運動狀態(tài),充分利用艦船的自身搖擺以及雙基地雷達等效雷達視線的轉動來實現(xiàn)艦船目標的成像。本文在建立岸基雙基地雷達觀測幾何構架的基礎上,給出在該幾何條件下海面艦船目標的回波信號模型,進行了岸基雙基地ISAR艦船目標的回波數(shù)據仿真;通過對艦船目標轉動矢量的估計,給出了基于轉動矢量估計的岸基雙基地艦船側視圖和俯視圖成像時間選擇方法,據此得到了艦船目標的側視圖和俯視圖;最后用仿真數(shù)據進行了驗證。1等效雷達視角的固定岸基雙基地雷達是雙基地雷達系統(tǒng)的基本配置形式,固定發(fā)射平臺可采用大功率對海監(jiān)視雷達或氣球載雷達發(fā)射寬帶脈沖波形,接收平臺可采用岸基或氣球載無源雷達進行無源接收以實現(xiàn)對海面艦船目標的監(jiān)視和成像。岸基雙基地ISAR艦船觀測模型如圖1所示,包括固定坐標系XOYZ以及運動坐標系XsOYsZs。運動坐標系XsOYsZs固定于艦船目標的轉動中心O;定義xs軸與艦船的長平行,xs軸正半軸的方向為船頭方向;ys軸與艦船的寬平行;zs軸正方向為艦船的高度方向。在成像起始時刻,艦船轉動中心位于固定坐標系原點。艦船以速度vs沿與X軸成α的角度航行。發(fā)射站到接收站的距離為L,φ為雙基地夾角;發(fā)射站Tx到目標的距離矢量為RT,發(fā)射下視角和方位角分別為αT和βT;接收站Rx到目標的距離矢量為RR,接收下視角和方位角分別為αR和βR。對于雙基地ISAR而言,雙基地ISAR的成像姿態(tài)為沿雙基地夾角的角平分線觀測的目標航行姿態(tài),雙基地夾角的角平分線可表示為等效雷達視線方向,如圖1所示。等效雷達TR到目標的距離矢量為RTR,等效雷達的擦地角為ξTR,方位角為βTR。坐標系RHV是從等效雷達視角定義的固定在艦船上的坐標系,原點固定在艦船目標轉動中心。R軸代表等效雷達的視線方向,H軸垂直于R軸并屬于xs-ys平面,V垂直于R-H平面。2基礎2基地的asar船成像方法2.1船舶初始轉動角t雙基地雷達可以用等效雷達來描述,只是當目標運動時,等效雷達的RTR,ξTR以及βTR都是隨時間變化的。假設艦船目標由N個散射點組成,(xnsns,ynsns,znsns)為艦船目標的第n個散射點在運動坐標系中的坐標。對于等效雷達TR來說,t時刻,散射點n的回波信號可表示為sΤR_r?n(t)=Aexp[-j4πfcRn(t)](1)式中:Rn(t)為該散射點與等效雷達之間的距離;f為雷達工作頻率;A為回波強度;c為電磁波傳播速度。通常艦船被視為剛體目標,它與雷達之間的相對運動可被分解為船上某一參考點沿RLOS方向的平動和船上所有其他散射點繞該參考點的轉動。則Rn(t)可表示為Rn(t)=rs,n(t)-[-RTR(t)](2)其中:RΤR(t)=(|RΤ|+|RR|)/2,代表等效雷達與艦船之間的平動分量;rs,n(t)為該散射點在RHV坐標系中的R坐標,代表由于艦船自身的轉動引起的散射點與等效雷達之間的距離變化,這是成像的來源。假設已經補償平動分量,式(2)僅保留rs,n(t)。rs,n(t)可通過艦船的三維轉動矩陣求得。觀測起始時刻t0,假設散射點繞目標坐標系各軸旋轉的初始角度為0,則散射點n在坐標系RHV中的坐標可表示為[rns(t0)hns(t0)vns(t0)]′=Rrotation(ξTR0,βTR0)·[xnsynszns](3)其中:Rrotation(ξTR0,βTR0)為坐標系xsoyszs到坐標系RHV的旋轉矩陣;ξTR0和βTR0分別為t0時刻等效雷達的擦地角和方位角。則t時刻散射點n在坐標系RHV中的瞬時坐標可以用此散射點分別繞R,H和V軸旋轉的旋轉矩陣R(θR,θV,θH)表示,即:[rn(t)hn(t)vn(t)]′=R(θR,θV,θH)·[rns(t0)hns(t0)vns(t0)]′(4)其中:θR、θV、θH分別為艦船滾動、俯仰和偏航的合成轉動在RHV中沿R、V和H軸的分解。根據文獻,運動補償后散射點n的相位和多普勒頻率分別為φn(t)=-4πλ{rn0+(vn0ωΗ0-hn0ωV0)(t-t0)+12?[vn0˙ωΗ0-hn0˙ωV0-rn0(ω2Η0+ω2V0)](t-t0)2}(5)fd?n(t)?-2λ{vn0ωΗ0-hn0ωV0+[vn0˙ωΗ0-hn0˙ωV0-rn0(ω2Η0+ω2V0)](t-t0)}(6)其中:ωH0、ωV0和˙ωH0、˙ωV0分別為艦船目標繞H和V軸轉動的初始轉動角速度和初始角加速度。對于艦船目標來說,可以首先對采集的回波數(shù)據進行分段處理,然后選取多普勒相位的線性段進行距離-多普勒成像。2.2船舶目標可視化和側面視圖2.2.1船尾、主采用的mdeckv07e、mmoast的估計采用2.1節(jié)的方法得到的成像結果多為艦船的混合視圖,不能較為全面地反映艦船目標的特征。在實際應用中,艦船目標的側視圖和俯視圖則更具實用和參考價值。根據式(5)、式(6),船體上散射點的多普勒頻率主要由ωV0決定,而艦船上層建筑上的散射點的多普勒頻率主要由ωH0決定。當ωV0→0,得到艦船的側視圖;當ωH0→0,得到艦船的俯視圖。設甲板上船頭和船尾的高度相同,它們在目標坐標系中的坐標分別為(xd_bs,0,zds)和(xd_ss,0,zds),Δxd_b_ss=xd_bs-xd_ss;主桅桿的頂部和底部的坐標分別為(xms,yms,zm_as)和(xms,yms,zm_fs),Δzm_a_fs=zm_as-zm_fs。根據式(3)和式(5),船頭和船尾、主桅桿頂部和底部的多普勒頻率的差別為Δfb_sd=fbd(t0)-fsd(t0)?-2λ(Δvb_s0ωΗ0-Δhb_s0ωV0)(7)Δfa_fd=fad(t0)-ffd(t0)?-2λ(Δva_f0ωΗ0-Δha_f0ωV0)(8)其中:Δvb_s0=sin(ξTR0)cos(βTR0)Δxd_b_ss;Δhb_s0=-sin(βTR0)·Δxd_b_ss;Δrb_s0=cos(ξTR0)cos(βTR0)Δxd_b_ss;Δva_f0=-cos(ξTR0)Δzm_a_fs;Δha_f0=0;Δra_f0=sin(ξTR0)Δzm_a_fs。定義:mdeck=Δfb_sdΔrb_s0=-2λ[tan(ξΤR0)ωΗ0+tan(βΤR0)cos(ξΤR0)ωV0]?mmainmast=Δfa_fdΔra_f0=2λ[ωΗ0tan(ξΤR0)](9)mdeck,mmainmast分別代表艦船距離多普勒圖像中的船體中心線的斜率和主桅桿所在直線的斜率。分別估計mdeck和mmainmast,就可得到ωH0和ωV0的變化規(guī)律,即:?ωΗ0(ti)=λ2tan(ξΤR0)?mmainmast(ti)??ωV0(ti)=-λ21cos(ξΤR0)tan[βΤR(ti)][cos2(ξΤR0)??mdeck(ti)+sin2(ξΤR0)?mmainmast(ti)](10)其中:ti為分段成像的時間段。對于遠距離的艦船目標,擦地角可忽略不計,則式(10)可表示為?ωΗ0(ti)=λ2tan(ξΤR0)?mmainmast(ti)??ωV0(ti)=-λ2cos(ξΤR0)tan[βΤR(ti)]?mdeck(ti)(11)對mdeck和mmainmast的估計可先將觀測數(shù)據分段成像,借助Radon變換就可得到每幅子圖的?mdeck和?mmainmast,進而得到ωV0和ωH0的估計。形狀狹長的艦船目標,艦船的長度一般要比艦船的高度大許多,用上述方法估計?mdeck是可行而且有效的。但對于?mmainmast的估計,在實際情況中,定位和跟蹤具有相同的甲板位置、高度不同的散射點是十分困難的。由于多普勒展寬隨時間的變化能有效反映合成有效轉動角速率的變化趨勢,因此可利用艦船目標的多普勒展寬來衡量艦船的ωH0分量以得到艦船目標的側視圖。2.2.2根據特征選取的可成像性檢測1)對成像觀測時間進行分段,得到一組艦船ISAR圖。2)對每一幅艦船圖像進行數(shù)學形態(tài)學圖像處理,利用邊緣檢測算法得到各幅艦船目標的輪廓圖。3)對每幅艦船目標的輪廓圖進行Radon變換,得到每幅輪廓圖的?mdeck,進而得到ωV0的變化規(guī)律。4)確定每幅艦船目標圖像的多普勒展寬,得到在整個成像觀測時間內艦船目標多普勒展寬規(guī)律。5)根據多普勒展寬規(guī)律以及ωV0隨慢時間的變化規(guī)律選擇艦船目標俯視、側視成像時間段,進而得到艦船目標的俯視圖和側視圖:選取當多普勒展寬和|ωV0|同時達到最大時的成像時間點可得到艦船目標的俯視圖;選取多普勒展寬達到最大而|ωV0|達到最小時的成像時間點可得到艦船目標的側視圖。3船舶的使用能力建立如圖2所示的目標散射點模型。整個目標散射點模型共238個散射點。雷達工作頻率fc為10GHz,信號帶寬B為100MHz,脈沖寬度Tp為2μs,重復頻率PRF為1kHz,觀測時間為4.5s。發(fā)射基地距目標轉動中心的初始距離為20km,高度1000m;接收基地距目標轉動中心的初始距離為30km,高度3000m;發(fā)射基地和接收基地的基線距離為20km;艦船速度vs=10m/s,約20kn,航向與X軸夾角為π/4。艦船的三維轉動參數(shù):俯仰雙振幅幅度Ap=3°,轉動周期1/0.286s;滾動雙振幅幅度Ar=12°,轉動周期1/0.143s;偏航雙振幅幅度Ay=6°,轉動周期1/0.303s;各轉動初始相位均為0。3.1加權綜合確定按照2.1節(jié)的論述對建立的艦船散射點模型進行回波仿真?；夭〝?shù)據矩陣在完成運動補償后,其幅度變化已基本正確,用歸一化幅度方差來挑選幅度變化起伏小的距離單元作為參考點單元,同時為了減少利用單個參考距離單元引入的異常起伏,選取符合條件的多個參考距離單元,進行加權綜合得到一個變化相對穩(wěn)定的參考曲線,如圖3所示。從如圖3所示的參考曲線上在方位向取200個脈沖線性段部分成像,即觀測時間為0.2s,其成像結果如圖4所示。3.2船舶目標弱制率成像按照2.2節(jié),選取成像時間段為0.15s,每個成像時間段有50%的重疊。圖5為估計得到的船體中心線斜率、多普勒展寬以及垂直轉動角速度ωV0。在圖5中選取t1=1.651s為成像起始時刻,此時多普勒展寬和|ωV0|均達到局部最大值,得到如圖6所示的艦船目標俯視圖;選取t2=4.051s為成像起始時刻,此時多普勒展寬達到局部最大值且|ωV0|最小,此時得到如圖7所示的艦船目標側視圖。4岸基雙基地isar船舶目標運動分析及時段選擇本文對岸基雙基地ISAR艦船目標