周劍雄, 朱永鋒,*, 陳 冀, 吳宏銘, 吳 堃, 張永杰

(1. 國防科技大學電子科學學院, 湖南 長沙 410073;2. 火箭軍61基地96813部隊, 安徽 黃山 242700; 3. 北京遙感設備研究所, 北京 100854)

0 引 言

雷達發(fā)射寬帶信號獲得目標的強散射源在雷達視線方向的投影分布,也稱為目標的高分辨距離像(high range resolution profile, HRRP)。對于艦船、飛機、車輛等良導體目標,強散射源的位置分布和散射強度與目標的形狀結構有關,為雷達傳感器檢測和識別目標提供了依據[1-2]。距離像的形成不依賴于目標與雷達的相對運動,廣泛適用于各種雷達觀測幾何。例如在精確打擊應用中,雷達平臺朝向目標飛行,不能形成方位孔徑,只能獲得目標的距離像;又如在高機動平臺或高機動目標的場景中,目標與雷達的相對運動關系復雜,距離成像不需要長時間的積累和復雜的運動補償,大大提高了成像幀率。HRRP具有容易獲取、實時性高、適用性廣的特點,是雷達傳感器獲取目標特征信息的重要手段。

目標的強散射源在三維空間中分布,而距離像反映的只是它們在雷達視線方向的一維投影,投影引起的信息丟失使得距離像的可解譯性低于二維雷達圖像。另外,位于同一距離單元內的散射源在距離像中相干疊加,參與相干合成的散射源數量受到分辨單元劃分的影響,它們的相位關系敏感于姿態(tài)的微小變化,這些因素使得距離像有較強的姿態(tài)敏感性、平移敏感性以及分辨力敏感性?；诰嚯x像的檢測和識別在先驗信息的獲取和表達、穩(wěn)健特征的提取以及檢測/分類性能提升等各個方面,都比基于合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)圖像的檢測和識別更為困難。

在距離像檢測方面,雖然早在1983年,Hughes就證明了利用目標距離像先驗信息可以大大提高檢測性能,進而提出了“匹配發(fā)射”的概念[3],但由于距離像的敏感性強,難以獲得可靠的模板,工程中實際使用的檢測方法仍是不依賴先驗信息的能量檢測器或雙門限檢測器[4-5]。在距離像識別方面,大量研究采用了全姿態(tài)的距離像模板庫作為訓練數據,通過訓練神經網絡、支持矢量機等高維的分類器實現各個姿態(tài)下的距離像識別,并在訓練數據分布的整個姿態(tài)范圍內統(tǒng)計分類性能[1-2,6]。統(tǒng)計分類器具有較高的平均識別率,但在特定目標姿態(tài)下識別性能可能并不理想。另外,研究中采用的訓練樣本與待識別樣本通常都是同源樣本,即目標狀態(tài)、環(huán)境背景、雷達頻段與分辨力等參數在訓練與測試數據中完全一致,而在實際應用中,工作條件往往會發(fā)生變化,性能難以保證。

課題組針對距離像檢測識別中先驗信息的獲取和利用這一關鍵問題開展了長期研究,提出將離線或在線的SAR圖像作為先驗信息來源,通過散射中心特征提取和投影變換,形成距離像檢測識別可用的先驗信息,設計了相應的距離像檢測識別方法,并進一步利用散射中心模型中含有的目標結構信息實現了基于距離像的目標要害部位選擇。本文介紹了SAR圖像輔助的距離像檢測、識別以及要害部位選擇方法,對頻段、分辨力和姿態(tài)適應性進行了討論,采用電磁計算數據和外場實測數據驗證了方法的有效性,為寬帶雷達目標檢測識別提供了新的途徑。

1 一維散射中心特征建模

獲取目標在特定工作條件下的距離像先驗信息,是提高距離像檢測識別性能的關鍵。但由于距離像敏感于目標形狀材質、部件配置、姿態(tài)以及環(huán)境背景等條件,難以獲取準確的距離像模板。SAR圖像可以通過偵查手段獲得,它反映了目標的強散射源在成像面的投影分布,是比幾何模型更可靠的散射特性先驗模型。對于精確制導等應用,可以在飛行中段通過特殊的航路設計獲得目標的SAR圖像[7],這種在線獲取的先驗模型在目標狀態(tài)、環(huán)境條件等方面保真度高,可以為末段基于距離像的檢測識別提供可靠的目標信息。要利用這樣的先驗信息,首先要解決的問題是:如何基于SAR圖像生成可用于距離像檢測識別的先驗模板。

對SAR復圖像沿方位向進行逆傅里葉變換,可以獲得目標在成像孔徑內的距離像序列。但該方法存在兩個問題:一是需要保留SAR圖像的相位信息,并且方位成像的參考點應為目標中心,對SAR成像算法要求較高;二是距離像中同距離單元的散射點已經相干合成,只能反映與SAR成像同頻段同分辨力同姿態(tài)下的距離像特性,適用范圍受限。為此,本文提出以穩(wěn)定性較高的散射中心特征作為SAR圖像與距離像轉換的橋梁,提高SAR圖像先驗信息的適用性。

根據電磁散射的局部性原理,當雷達波長遠小于目標尺寸時,目標的電磁散射可以認為主要來源于目標上局部的強散射源,如目標幾何結構形成的鏡面、邊緣、尖端等,這些局部的散射源也稱為散射中心[8-9]。由散射中心的形成機理可知,散射中心的位置分布主要由目標的形狀結構決定,在電磁散射的光學區(qū)具有較好的普適性;對于邊緣、尖端等散射結構,在較大的姿態(tài)范圍內都能形成較強的后向散射,姿態(tài)敏感性較低。散射中心模型對目標的眾多散射源進行了分解,避免了相干合成引起的幅度變化,具有較高的姿態(tài)、頻率穩(wěn)定性。已有研究結果表明,基于目標的三維散射中心模型,可以以較高的保真度恢復不同頻段、不同分辨力、不同姿態(tài)下的雷達圖像[10]。

SAR圖像和距離像中的眾多局部極值點都是由散射中心在成像面/線上的投影引起。SAR圖像反映了三維散射中心在成像面上的投影,不同散射中心投影重疊的概率較低,圖像與目標形狀結構的對應關系較明顯。從SAR圖像中提取目標的二維散射中心特征,并根據SAR成像與距離成像的視角變化關系,將它向距離成像的雷達視線方向投影,可以獲得較為穩(wěn)定的距離像先驗信息,并進一步生成檢測識別所需的距離像模板。

基于SAR圖像生成一維散射中心特征模型的流程如圖1所示。

圖1 基于SAR圖像生成一維散射中心特征模型

將提取的二維散射中心模型記為集合

D={(xk,yk,Ak)|k=1,2,…,K}

(1)

式中:K為提取的二維散射中心數目;(xk,yk)為第k個散射中心在SAR圖像中的位置;Ak為該散射中心在SAR圖像中的幅度,以上特征可以僅從SAR幅度圖像中提取。

設距離成像相對于SAR成像視角改變量為θ,即距離成像的雷達視線方向在SAR成像坐標系中的角度為θ,如圖2所示,則由二維散射中心投影得到的一維散射中心模型為

圖2 二維散射中心與一維散射中心投影關系

P={(rk,Ak)|k=1,2,…,K}

(2)

式中:rk=xkcosθ+yksinθ為第k個散射中心在距離像中的投影距離。從D到P的轉換基于以下近似:① 散射中心的二維位置和散射強度在相差θ的兩個視線方向上保持不變。由于散射中心模型具有較好的姿態(tài)穩(wěn)定性,這一假設在θ不大時近似成立,第3節(jié)將通過電磁計算和外場實測數據檢驗其適應性。② 距離成像與SAR成像的視線差異用成像平面內的轉角θ描述。由于SAR成像獲得的是目標三維散射中心在二維成像面內的投影,基于它可以恢復該成像面內其他方向上的一維投影,當距離成像的視線方向不在SAR成像面內時,只能采用它在成像平面內的視線投影作為近似。對于車輛、飛機等水平面內結構特征豐富的目標,俯仰角變化對目標特性的影響較小,可以采用這一近似。

式(2)給出的一維散射中心模型概括描述了距離像上可能出現的峰值位置和強度,由此可以進一步獲得距離像檢測識別的特征模板。在距離像檢測中,將根據該模型進一步生成距離像模板,作為檢測器的參考信號。在距離像識別和要害部位選擇中,將對不同目標的一維散射中心模型進行冪變換和歸一化,通過距離像與一維散射中心的直接匹配完成識別任務。

2 距離像檢測識別算法

2.1 距離像檢測

距離像檢測可以表述為以下二元假設檢驗問題:

(3)

式中:x[n],n=0,1,…,N-1為距離門內的復圖像,門寬N一般根據目標可能的分布范圍進行設置;s[n],n=-M,…,M為不含噪聲的目標距離像,由于圖2中采用了以目標中心為原點的坐標系,因此將距離像模板的坐標設置為關于原點對稱,目標距離像長度2M+1一般小于距離門長度N,n0為目標中心在距離門內的距離單元序號。在檢測之前,目標在距離門內的位置是未知的,因此n0也是待估計量。

在沒有距離像先驗信息的情況下,式(3)是一個含有未知參數的未知信號檢測問題,根據統(tǒng)計信號處理理論,在復高斯白噪聲下,它的廣義似然比檢驗具有能量檢測器的形式[6-11]:

(4)

式中:γ為根據虛警率確定的檢測門限。

基于式(2)中的一維散射中心模型,可以獲得s[n]的估計:

(5)

(6)

基于一維散射中心模型的HRRP檢測算法流程如圖3所示。

圖3 基于一維散射中心模型的HRRP檢測流程圖

由于式(6)采用了特定目標的先驗信息,只能在檢測特定目標的應用中達到較好的性能。如果場景中存在多種目標,則需要對所關注的目標分別采用式(6)進行檢測。當目標類型與先驗類型失配時,在高信噪比情形下,檢驗統(tǒng)計量仍可能超過檢測門限,因此需要通過距離像識別重新確認目標的類型。

2.2 距離像識別

距離像識別可以表述為一個多元假設檢驗問題:

(7)

式中:x[m],m=0,2,…,M-1為通過檢測門限的目標距離像片段;Q為場景中可能存在的目標類型數目;sq[m],m=-Mq,…,Mq為第q類目標的距離像;aq是未知的幅度增益;m0q是目標中心在距離像切片中的位置。由于檢測后截取的距離像長度一般留有余量,而距離像有較強的平移敏感性,因此m0q需要通過精匹配重新估計。

距離像檢測的主要依據是回波強弱,而距離像識別更依賴于模板的形狀細節(jié)特征,因此對模板的精細程度要求更高。式(5)雖然提供了從一維散射中心模型生成距離像模板的方法,但應用于距離像識別存在一定的局限,主要表現在:① 距離單元的劃分影響模板的形狀;② 同距離單元內的散射中心非相參合成后丟失了散射特性的細節(jié)信息。為此,需要實現一維散射中心模型與待識別距離像的直接匹配。

為推導方便,采用連續(xù)的距離參數r,將待識別的距離像改寫為

x(r)=a·s(r-r0)+w(r)

(8)

式中:a和r0為未知的幅度增益和平移參數,不失一般性,此處省略了表示目標類型的下標q。距離像模板的幅度|s(r)|可以根據一維散射中心模型進行估計:

(9)

特定平移參數下的匹配系數可以按式(10)計算:

(10)

最佳平移參數下的匹配系數為

(11)

需要說明的是,由于相位對頻段、姿態(tài)、距離的敏感性非常強,本文在提取散射中心模型和匹配距離像時都只利用了幅度信息,它會受到同一分辨單元中多散射源干涉的影響。一般而言,SAR圖像由于具有二維分辨能力,目標上多個散射中心位于同一分辨單元的概率低于一維像。提高圖像的分辨力能進一步降低多散射中心干涉的發(fā)生概率。另外,對于運動平臺或運動目標,對距離像序列進行非相干平均,也能抑制多散射中心干涉引起的幅度變化,使距離像幅度趨于式(5)給出的多散射中心非相干合成結果[1-2]。

由于距離像具有幅度敏感性,在匹配前需要進行冪變換和歸一化兩個預處理操作[1,12]。冪變換通常對幅度距離像做冪次小于1的運算,壓縮距離像的動態(tài)范圍,提高弱散射源在匹配中的貢獻。研究表明,1/2冪次能較穩(wěn)健地提升識別性能[12],即

(12)

(13)

(14)

(15)

式中:

(16)

(17)

通過比較待識別距離像與各個可能的目標模板的匹配程度,可以完成目標類型的判決。

(18)

基于一維散射中心模型的距離像識別流程圖如圖4所示。

圖4 基于一維散射中心模型的HRRP識別流程圖

2.3 距離像要害部位選擇

對寬帶雷達,艦船、車輛等都是擴展目標,占據若干距離單元。判定目標的要害部位在距離像中的位置,可以為跟蹤和打擊提供更精確的信息,實現碰撞式殺傷。直接從距離像完成要害部位判定難度非常大,主要原因有二:由于降維投影,距離像與目標形狀結構的對應關系不直觀,要害部位選擇的依據不足;在某些姿態(tài)下,目標要害部位不一定能形成強的后向散射,距離像特征不明顯。而SAR圖像可解譯性較好,從SAR圖像中辨識要害部位的成功率較高。因此,基于二維散射中心模型與一維散射中心模型的投影關系,還可以實現SAR圖像輔助的距離像要害部位選擇。

記SAR圖像中要害部位所在區(qū)域的中心點坐標為(xc,yc),半徑為Rc,此處采用圓形區(qū)域描述要害部位,所用的坐標系與描述二維散射中心模型的坐標系相同(參見式(1)和圖2)。由于要害部位不一定表現為強散射源,(xc,yc)不一定屬于集合D。根據距離成像與SAR成像的視角變化,要害部位在以目標為中心的坐標系中的投影距離可以預測為

rc=xccosθ+ycsinθ

(19)

但由于距離像的平移敏感性,要害部位在距離像切片中的位置需要根據距離像識別提供的精匹配結果推算。

距離像識別不但完成了目標類型判定,還完成了一維散射中心模型與距離像的配準,即根據式(17)和式(18)可以得到目標在距離像切片中的中心位置。

(20)

由此可以計算要害部位在距離像中的距離范圍:

rc+rs0-Rc

(21)

從而實現距離像中要害部位的判定。要害部位選擇的流程圖如圖5所示。

圖5 SAR圖像輔助的HRRP要害部位選擇流程圖

3 試驗驗證

本部分采用電磁計算數據和外場轉臺測量數據對SAR圖像輔助的距離像檢測識別方法進行性能驗證。由于需要SAR圖像先驗信息,本文方法主要適用于地面、海面時敏目標或慢速運動目標的檢測識別,因此本節(jié)采用地面目標作為測試對象。

電磁計算數據基于3種典型陣地目標的CAD模型,采用高頻電磁計算軟件得到目標在C和X兩個頻段、30°～40°俯仰角、0°～66°方位角下的掃頻回波,由此可以生成目標在該姿態(tài)范圍內不同分辨力的一維和二維雷達圖像。此處采用轉臺成像獲得的二維圖像來模擬目標的SAR圖像切片。圖6給出了電磁計算所用的3種陣地目標,圖7給出了基于電磁計算數據生成的SAR圖像切片,成像俯仰角30°,方位角25°,頻段為C波段,縱橫分辨力均為0.3 m,圖像保留30 dB動態(tài)范圍。

圖6 電磁計算所用的3種陣地目標

圖7 3種陣地目標的SAR圖像切片

外場測試數據采用廂式貨車、轎車和中型客車3種地面目標,分別置于地面大型轉臺上,采用帶寬1 GHz的W波段雷達錄取目標在0°俯仰角,0°～360°方位角下的回波,由此可以生成目標在該姿態(tài)范圍內不同分辨力的一維和二維像。圖8給出了卡車目標在方位中心角30°下0.3 m分辨力的SAR圖像切片,以及由此提取的二維散射中心;圖9給出了二維散射中心模型向方位角30°和35°投影的一維散射中心模型,作為對比,圖9中同時給出了這兩個角度下0.15 m分辨力的距離像?？梢钥吹?在姿態(tài)和分辨力發(fā)生變化的情況下,一維散射中心模型與距離像仍然具有較好的對應關系。

圖8 卡車目標30°方位角SAR圖像及二維散射中心

圖9 卡車目標HRRP及投影后的一維散射中心模型

3.1 SAR圖像輔助的距離像檢測性能

采用圖6中目標1在俯仰角30°,方位角5°～60°內的C波段0.3 m分辨力距離像測試標準工作條件下(SAR成像與距離成像的頻段、分辨力、姿態(tài)均相同)的檢測性能。通過對電磁計算原始數據添加復高斯白噪聲調整距離像信噪比。SAR圖像峰值信噪比設置為25 dB,圖10給出了檢測率隨距離像能噪比的變化曲線。對式(3)所示的檢測模型,能噪比定義為

圖10 不同檢測器性能比較(虛警率10-6)

(22)

為了驗證散射中心模型對角度、頻率、分辨力變化的有效性,采用30°俯仰角,6°～60°方位角的C波段0.25 m分辨力SAR圖像作為先驗信息,分別對C波段0.25 m分辨力、C波段0.15 m分辨力、X波段0.25 m分辨力的距離像進行檢測。待檢測距離像能噪比設置為18 dB,對方位角為α的距離像,其一維散射中心模板從方位中心角為α-θ的SAR圖像獲得,對所有參與測試的方位角進行平均得到檢測率。圖11給出了檢測率隨偏角(的變化曲線。結果表明,距離像分辨力變化對檢測性能的影響很小;頻段變化對檢測性能的影響大于分辨力變化。姿態(tài)偏差會造成檢測性能下降,適應性的具體結果會因為目標形狀、頻段、分辨力而不同?？傮w而言,本方法的檢測性能對姿態(tài)變化的適應性較好。

圖11 HRRP檢測性能對姿態(tài)、頻段、分辨力的適應性

3.2 SAR圖像輔助的距離像識別性能

采用外場實測數據測試本文提出的距離像識別方法對姿態(tài)、分辨力的適應性,采用電磁計算數據驗證對頻段變化的適應性。

首先驗證姿態(tài)適應性。對外場實測3類目標,采用方位中心角α=0∶1∶360、分辨力0.15 m的SAR圖像作為先驗信息,按圖1和圖4所示流程對方位角為α+θ,分辨力0.15 m的距離像進行識別,對所有方位角進行平均得到識別率。圖12給出了3類目標正確識別率隨偏角θ的變化曲線。結果表明,在距離像與SAR圖像角度相同的情況下,3類目標平均正確識別率為91.6%;當距離像與SAR圖像中心角存在偏差時,正確識別率下降,在-3°～2°偏差范圍內平均正確識別率>80%。本組試驗結果的角度偏差適應性小于圖11中的檢測算法,一方面是由于識別對模板精度的要求更高,另個一原因是本組試驗為W波段,比檢測試驗的C波段姿態(tài)敏感性更高。

圖12 3類目標的正確識別率隨角度偏差的變化

接下來測試識別方法對分辨力變化的適應性。改變SAR圖像模板和待識別距離像的分辨力,并統(tǒng)計各種分辨力設置下3類目標的平均識別率,統(tǒng)計方法與圖12相同,實驗結果如圖13所示?？傮w而言,SAR圖像或距離像分辨力的變化對識別性能影響不大,本方法在SAR圖像與距離像分辨力失配的情況下也具有較好的識別性能。對圖13中的各條曲線進行分組比較可以發(fā)現:SAR圖像和距離像的分辨力變化對識別性能的角度適應性影響不同。提高SAR圖像模板的分辨力有利于提高識別算法的角度適應性,其原因在于分辨單元減小后,散射中心干涉的概率降低,提取的二維散射中心模型具有更好的姿態(tài)穩(wěn)健性。而待識別距離像的分辨力從0.3 m提高到0.15 m,識別算法的角度適應性反而略有下降,這可能是由于分辨力高的距離像更敏感于角度變化引起的一維投影位置變化。

圖13 不同分辨力條件下平均識別率隨角度偏差的變化

由于外場實測數據頻段固定,以下采用仿真數據測試識別性能對頻段的適應性。采用圖6所示的3類目標,以俯仰角30°,方位中心角α=0°∶1°∶60°、分辨力0.25 m的C波段SAR圖像作為先驗信息,分別對C波段和X波段方位角為α+θ,分辨力0.25 m的距離像進行識別,待識別距離像的能噪比設置為20 dB。兩種不同頻段的距離像識別結果如圖14所示。結果表明算法對頻段變化具有較高的適應性。從圖14可以同時觀察識別算法在C波段對于姿態(tài)變化的敏感性,與圖11相比,識別算法的姿態(tài)敏感性高于檢測算法,與圖12相比,C波段的姿態(tài)敏感性低于W波段。

圖14 C波段模板對不同頻段HRRP的識別率

3.3 SAR圖像輔助的距離像要害部位選擇

采用電磁計算數據中的目標1驗證SAR圖像輔助距離像要害部位選擇的性能。圖5表明,在SAR圖像中標記要害部位是識別距離像要害部位的前提,本試驗中采用基于三維散射中心投影的方法完成SAR圖像要害部位識別[13-14],并將其作為輸入,按照圖5的流程完成SAR圖像輔助的要害部位選擇。

選取天線陣列作為要害部位,如圖6(a)中虛線框標示。圖15(a)給出了天線陣列在36°俯仰角,0°～66°方位角距離像中的投影位置區(qū)間,它根據天線陣列的空間位置投影得到,用黑色虛線標出。圖15(b)和圖15(c)子圖分別給出了兩個不同方位角下的具體結果,紅框標出了要害部位區(qū)間。從圖中可以看出,要害部位并不總能在距離像中形成強散射源,因此第3.3節(jié)中根據目標的所有一維投影點判斷要害部位位置。

圖15 天線陣列在目標1 HRRP中的實際位置區(qū)間

圖16給出了SAR圖像模板中心角與距離像視角相同的情況下,按圖5流程判定的要害部位中心位置與實際要害部位中心位置的距離誤差,距離像能噪比設定為20 dB。從圖16中可以看出,當雷達視線轉到目標側面時(方位角大于50°),要害部位判定的誤差增大。以距離誤差小于0.5 m為要害部位選擇正確的門限,則本組數據的選擇正確率為99%。

圖16 不同方位角下要害部位選擇的距離誤差

圖17給出了SAR圖像模板中心角與距離像視角偏差對要害部位選擇正確率的影響,要害部位選擇正確率采用與圖16相同的方法統(tǒng)計。從圖17中可以看出,要害部位選擇正確率隨角度偏差增大而降低,但在±10°角度偏差內正確率都優(yōu)于90%。

圖17 天線陣列選擇正確率隨角度偏差的變化

4 結 論

本文提出以SAR圖像作為目標先驗信息來源,通過從SAR圖像中提取目標的二維散射中心模型并向一維成像視線方向投影獲得目標的一維散射中心特征模板,并由此實現基于一維距離像的目標檢測、識別與要害部位選擇。電磁仿真與外場實測結果表明:SAR圖像輔助的距離像檢測識別算法不僅具有較高的檢測和識別率,同時對姿態(tài)、頻段、分辨力等觀測條件的變化具有較好的適應性,為提升寬帶雷達的智能化水平提供了新的技術途徑。

本文主要關注目標先驗信息的獲取和利用,由于SAR成像一般具有較大的視場范圍,還可以獲得豐富的環(huán)境信息,下一步的研究重點是基于SAR圖像提取環(huán)境回波模型并運用于距離像檢測識別,提升寬帶雷達在復雜背景下的探測識別能力。