逆合成孔径雷达成像包络对齐性能评估方法研究

黄 璐，王 洋，金 胜

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

逆合成孔径雷达成像包络对齐性能评估方法研究

黄 璐，王 洋，金 胜

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

包络对齐的性能直接影响逆合成孔径雷达(ISAR)成像的质量。针对目前包络对齐性能难以客观定量评估的问题，提出一个包络对齐性能定量评估模型。根据目前常用的几种包络对齐算法，以其代价函数作为相应的客观评估参数，并分析其对于包络漂移、包络突跳及信噪比的敏感度。综合各评估参数的敏感度，以此作为在评估模型中所占权值的依据，建立定量评估模型，可避免单一评估参数引起的片面性。实测数据证明了该模型的有效性。

逆合成孔径雷达；包络对齐；性能评估；评估模型

0 引言

平动补偿是逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)成像的关键技术，包括包络误差补偿和相位误差补偿，包络误差补偿通常用包络对齐方法实现。因此，包络对齐的性能可直接影响ISAR成像的质量，进行包络对齐性能评估方法研究具有实际意义。一方面，针对不同应用环境的实测数据，在主观视觉无法给出评估结果的情况下，对包络对齐的性能进行客观定量评估，能够快速选择性能较好的包络对齐方法，从而获得更高质量的ISAR图像。另一方面，与SAR图像的质量评估相同，ISAR图像的质量评估一直是一个难点[1-2]，而对包络对齐的性能评估对于ISAR图像的质量评估具有重要的借鉴意义。此外，评估方法还可作为以后出现的包络对齐新方法的性能验证准则。

自1980年代初期Chen等提出包络对齐的互相关法[1]以来，国内外学者又相继提出了多种包络对齐方法[3-9]，却无较完善的性能评估机制。这些方法大多基于回波数据的相关性进行处理[1]，以不同的代价函数为准则，如相关系数[6]、欧氏距离[7]、熵[8]和对比度[9]等。在实际处理过程中，由于ISAR成像通常需要利用至少上百次回波，所以强噪声的存在会产生较大的包络误差积累，造成包络漂移，有时还会产生回波突跳现象，即突然有个别回波的距离像相对之前的回波有明显变化，造成包络突跳[9]。强噪声的影响和回波信号突跳都会影响包络对齐性能，从而影响ISAR成像的质量。

为客观描述ISAR成像包络对齐性能评估方法的规律性，应考虑多种代价函数，并权衡各方面因素影响，最终给出综合评估方法。本文从各种包络对齐方法依据的代价函数出发，分析其对于包络漂移、包络突跳和信噪比的敏感度，在此基础上确定各参数在整个模型中所占权值，建立ISAR成像包络对齐性能的客观定量评估模型，实测数据验证了其合理性。

1 评估参数及其敏感度分析

根据各种包络对齐方法依据的代价函数可确定相应的评估参数，即全局包络相关系数、归一包络均方差、和包络熵及和包络对比度。当存在包络漂移[10]、包络突跳及强噪声背景[10]时，各评估参数表现出不同的敏感度。

1.1 包络对齐性能客观评估参数

1.1.1 全局包络相关系数

包络对齐的互相关法以相邻距离像的相关系数峰值作为包络徙动量，进行包络对齐处理。为避免出现包络漂移现象，采用改进的累积互相关法，即以已对齐的所有包络和为基准作相关，可改善对齐效果[11]。全局包络相关系数(Global Envelope Correlation,GEC)[12]可作为评估参数，以p(m,n)表示第m个距离单元第n次回波的包络值，下文同，则

(1)

式中，M为总的距离单元数；N为总的回波次数；X(n,l)为第n次和第l次回波的相关系数，即

(2)

1.1.2 归一包络均方差

包络对齐的模2距离法将距离像视为向量，则包络对齐可以用信号空间两信号端点最接近来衡量，即以向量长度归一化后的欧式距离为准则[7]。包络对齐后，遍历任意两包络的均方差并求和，其值越接近于零则对齐效果越好。因此，归一包络均方差(Normalized Mean Square Envelope Difference,NMSED)可作为包络对齐性能的评估参数，即

(3)

式中，D(n,l)表示两向量的欧式距离，即

(4)

p′(m,n)和p′(m,l)分别为对其所在距离像取归一化后的值。

1.1.3 和包络熵

最小熵准则是包络对齐的一种常用准则[8]。将相邻2次回波的距离像向量相加得到合成向量，未对齐时的合成向量，因波形的“峰”和“谷”错开相加，其结果是使合成波形“钝化”。因此，以统计学中的“信息熵”来作为合成向量波形“锐化度”的度量，是一种有效的包络对齐准则，而利用和包络熵(SumEnvelopeEntropy,SEE)可以作为对齐性能的评估参数，即

(5)

式中，P(m)为所有包络之和，即

(6)

1.1.4 和包络对比度

除最小熵准则外，最大对比度准则也是一种包络对齐的整体最优度准则[9]。Wang[12]将和包络对比度(Sum Envelope Contrast，SEC)定义为：

(7)

式中，P(m)为所有包络之和；σ[P(m)]和E[P(m)]分别为其标准差和方差，即

(8)

(9)

将式(8)和式(9)代入式(7)，令

(10)

则

(11)

1.2 各评估参数对于包络漂移、包络突跳及信噪比的敏感度分析

为进行敏感度分析，仿真产生一个飞机回波，飞机模型由31个点组成，雷达中心频率为3 GHz，带宽200 MHz，飞机无平动。分别对距离压缩后的实包络进行包络漂移、包络突跳及增加高斯白噪声处理，计算各评估参数值，得到的变化曲线分别如图1、图2和图3所示。

图1 各评估参数随包络漂移量的变化曲线

图2 各评估参数随包络突跳量的变化曲线

图3 各评估参数随信噪比的变化曲线

由图1可以看出，当包络漂移量小于0.4个距离单元时，各评估参数变化明显，其中SEC变化幅度最大，敏感度最高，SEE敏感度最低，GEC和NMSED介于二者之间。当包络漂移量继续增大时，各参数值均趋于平稳。同样，可从图2和图3中看出各参数对于包络突跳量及信噪比的敏感度，将排名结果列于表1，敏感度越高，排名越靠前。

表1 各评估参数敏感度排名

2 包络对齐性能评估模型

根据各种包络对齐方法依据的代价函数及其对于包络漂移、包络突跳和信噪比体现出的敏感度，本文设计的包络对齐性能评估模型如下：

G=f1G1+f2G2+f3G3+f4G4。

(12)

式中，G为包络对齐性能评估值；G1、G2、G3、G4分别为4个评估参数GEC、NMSED、SEE、SEC的评估值；f1、f2、f3、f4分别为各评估参数对应的权值。

当第k个评估参数评估值小代表包络对齐性能好时，

(13)

当第k个评估参数评估值大代表包络对齐性能好时，

(14)

对于包络漂移、包络突跳及信噪比的敏感度越高的评估参数，其评估值的准确度越高，因而在整个评估模型中所占比重应越大，同时需满足f1+f2+f3+f4=1。根据表1各评估参数敏感度排名列表，敏感度因素共3个，设定敏感度排名为1、2、3、4的比例因子分别为S1=0.4，S2=0.3，S3=0.2，S4=0.1，则4个评估参数GEC、NMSED、SEE、SEC的权值分别为：

f1=(S2+S3+S2)/3=0.266 7；

f2=(S3+S1+S3)/3=0.266 7；

f3=(S4+S4+S4)/3=0.1；

f4=(S1+S2+S1)/3=0.366 7。

最终，基于上述模型，可对包络对齐性能进行评估，评估值G为0～1，数值越大，表面包络对齐性能越好，反之越差。

3 实测数据处理结果及分析

利用某空间目标的实测数据对本文方法进行验证，包络对齐前的一维距离像序列如图4所示，目标的不规律运动导致了包络序列的随机变化。分别采用互相关法[5]、累积互相关法[11]和累积模2距离法[7]进行包络对齐处理，结果如图5所示。同样可以看出，图5(b)包络对齐性能较好，图5(a)的包络对齐结果中，中间序列部分产生了轻微的包络漂移现象，但随即恢复，整体对齐性能适中，图5(c)所示结果中，有一处产生了较明显的包络突跳现象，且并未恢复，使整体的对齐性能下降。

利用本文提出的模型对3种包络对齐结果进行性能评估，评估结果如表2所示，互相关法、累积互相关法和累积模2距离法得到的包络对齐结果评估值分别为0.551 5、0.870 6和0.475 3，同样也证明了评估模型的合理性和有效性。

图4 实测目标未对齐实包络

图5 实测目标各种包络对齐方法处理结果

评估参数权值互相关法累积互相关法累积模2距离法GEC0.26670.47520.93180.5025NMSED0.26670.685210.3329SEE0.10.61240.96370.6137SEC0.36670.49310.93520.5213评估值10.55150.87060.4753

4 结束语

针对目前ISAR成像包络对齐性能难以客观定量评估的问题，本文提出一个包络对齐性能的客观定量评估模型。该模型综合了多种评估参数，并详细分析了各参数对于包络漂移、包络突跳及信噪比的敏感度，体现在评估模型的权值中。通过采用多种包络对齐方法进行实测数据处理，并利用本文所提模型进行性能评估，验证了评估模型的合理性和有效性。

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黄 璐 女，(1987—)，助理研究员。主要研究方向：雷达信号处理。

王 洋 女，(1980—)，工程师。主要研究方向：雷达工程总体与雷达信号处理。

Research on Envelope Alignment Performance Assessment for Inverse Synthetic Aperture Radar Imaging

HUANG Lu,WANG Yang,JIN Sheng

(BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationsTechnology,Beijing100094,China)

Envelope alignment performance directly influences Inverse Synthetic Aperture Radar (ISAR) image quality.In order to resolve the problem on objective quantitative assessment of envelope alignment performance at present,this paper proposes a quantitative assessment model for envelope alignment performance.First,based on present common envelope alignment methods,the cost functions are taken as objective assessment parameters.The sensitivity to envelope drift,envelope kick and Signal-to-Noise Ratio is analyzed.Second,the weight of each assessment parameter is determined by synthesizing the sensitivity.Then the assessment model is built.The one-sidedness caused by single assessment parameter is avoided.Finally,the validity of the proposed approach is demonstrated by processing the real data.

inverse synthetic aperture radar;envelope alignment;performance assessment;assessment model

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.06

黄 璐,王 洋,金 胜.逆合成孔径雷达成像包络对齐性能评估方法研究[J].无线电工程,2017,47(3):23-26.

2016-12-17

TN957

A

1003-3106(2017)03-0023-04