空间目标多站ISAR优化布站与融合成像方法

马俊涛 高梅国 胡文华 熊 娣 史 林



空间目标多站ISAR优化布站与融合成像方法

马俊涛*①②高梅国①胡文华②熊 娣①史 林②

①(北京理工大学电子与信息学院 北京 100081)②(中国人民解放军军械工程学院 石家庄 050003)

对异址多站雷达回波相干融合可以将空间观测视角的分离转换为目标积累时间的增加，提高ISAR像方位分辨率。该文针对在轨空间目标多站ISAR相干融合成像问题，提出一种基于目标轨道先验信息的优化布站方法，提高了回波融合效率；针对多站雷达回波融合处理问题，利用轨道运动模型分析了融合成像平面的空变特性，提出融合回波越距离单元徙动、多普勒时变等问题的解决方法，使多视角回波有效相干融合。利用空间站轨道验证了融合成像平面的空变性，从徙动校正效果及分辨率改善等方面验证了布站及融合算法的有效性。

ISAR成像；空间目标；相干融合；空变特性

1 引言

本文针对在轨空间目标多站ISAR相干融合成像，结合空间目标运动模型提出了一种优化布站的方法，利用目标轨道先验信息解决融合回波越斜距分辨单元徙动(Slant-MTRC)、越横距分辨单元徙动(Cross-MTRC)以及转角非均匀等问题，使多视角回波有效相干融合。利用天宫1真实轨道，分析了融合成像平面的空变性，从MTRC校正及分辨率改善等方面验证了布站及融合算法的有效性。

2 基于目标轨道运动模型的优化布站

2.1 主站观测矢量在地心地固系下的精确描述

图1 轨道目标坐标系统及ISAR成像模型

2.2 成像坐标系初始3轴矢量

2.3 融合雷达优化布站位置

图2 视角融合成像原理

(9)

3.4 多站ISAR融合成像处理流程

4 仿真实验

4.1 融合成像平面空变特性

本节从融合成像平面的空变角度出发，验证相对于任意布站，本文方法所确定的站址是最优的。选择天宫1号卫星轨道作为实验验证轨道，其轨道6根数由美国空间监视网(Space Surveillance Network, SSN)以两行轨道根数形式公布如下：

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

假设用于比较的任意站址分布在以主站站址为圆心，基线长度为半径的圆上某处。令主站雷达所在经圈与基线(主站雷达与融合雷达之间的连线)的北向夹角为，可知基线长度为的两部雷达在主站雷达所在经圈上的投影距离为，由于地球上所有经圈长度相等，同一经线上纬度相差1°，距离相差，则可以直接得到融合雷达的纬度，再由式(25)的反推式(26)计算两站之间的经度差：

4.2 融合回波的MTRC校正与回波相位重建

4.3 融合成像的分辨率改善

本实验验证多站雷达回波融合成像对分辨率的改善。雷达发射线性调频信号，由于载频差异是影响融合效果的独立因素，因此本实验设置两部雷达的载频分别为10 GHz, 8 GHz，单站雷达带宽为400 MHz，雷达的观测时间同为：23:52:14~23:52:17，雷达重频设置为50 Hz，单站雷达可获得150个回波脉冲。通过计算，两部雷达的积累视角分别为：2.2817o, 2.2814o，计算分辨率均约为0.37 m。

图4 融合成像平面空变性分析

图5 MTRC校正与回波相位重建

设置9组散射点如图6(a)所示，每组散射点由两个邻近散射点组成，横向点距为0.35 m，中心点距0.30 m，均小于单站分辨率。主站和融合站的成像结果如图6(b)，图6(c)所示，两部雷达的单站积累时间相近，因观测位置的差异，对散射点的分辨能力略有差别，但大多数散射点不能分辨。如果不采用偏移校正，融合成像结果如图7(a)所示，由于载频偏移使回波不能有效融合，图像出现模糊，验证了本文3.3小节中给出的结论，校正后的融合效果如图7(b)所示，有效融合使所有邻近散射点都能够分辨。为了进一步考察回波融合的效果，图7(c)-图7(e)分别给出了融合后第262, 238, 214斜距单元对应的横距像与单站横距像的比较，单站横距像已经过插值处理，由图可见，回波相干融合处理后分辨率得到了有效提升。

4.4 最优布站融合成像效果

图6 散射点模型与单站成像效果

图7 偏移校正与融合成像

设置空间站模型如图8(a)所示，主站与最优融合站的单站成像结果如图8(b)，图8(c)所示，两个ISAR像的距离单元范围均设置为180~340，雷达异址观测，两个成像结果显示出略微不同的目标姿态。由于观测视角增加，目标出现了明显的越多普勒单元徙动，如图9(a)所示，校正后的融合成像结果如图9(b)所示，显示了理想布站融合后分辨率的提高。另两处布站融合成像结果如图10所示，两个站址的雷达回波信号融合后均没有改善单站雷达的成像质量，反而由于融合成像平面的3维转动使图像质量严重蜕化。

5 结论

与机动目标ISAR成像不同的是，在轨运行的空间目标的轨道参数已知，充分利用轨道先验对回波进行处理可以克服低信噪比时难以找出特显点使传统平动补偿算法失效的问题，但由于对成像段的约束，限制了ISAR像横向分辨率的提高，利用多站同时获取观测回波是一种增加积累时间的可行方法。本文进一步利用轨道参数指导融合布站，提高了融合效率，并通过天宫1实际轨道进行了验证，同时仿真实验也表明了本文提出的融合方法的有效性。

图8 空间站仿真模型及单站成像结果

图9 最优布站融合ISAR成像

图10 非最优布站融合ISAR成像

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马俊涛： 男，1977年生，博士生，讲师，研究方向为雷达信号处理、雷达成像技术.

高梅国： 男，1965年生，教授，博士生导师，研究方向为雷达电子对抗与反对抗、高速实时信号处理、雷达成像技术等.

胡文华： 男，1971年生，副教授，硕士生导师，研究方向为雷达信号处理、雷达对抗技术.

熊 娣： 女，1989年生，博士生，研究方向为雷达信号处理、雷达成像技术.

史 林： 男，1985年生，博士生，讲师，研究方向为雷达信号处理、高速实时信号处理.

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：马俊涛 tm0508@sina.com

国家自然科学基金(61401024)

The National Natural Science Foundation of China (61401024)