周劍雄, 朱永鋒,*, 陳 冀, 吳宏銘, 吳 堃, 張永杰

(1. 國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073;2. 火箭軍61基地96813部隊(duì), 安徽 黃山 242700; 3. 北京遙感設(shè)備研究所, 北京 100854)

0 引 言

雷達(dá)發(fā)射寬帶信號(hào)獲得目標(biāo)的強(qiáng)散射源在雷達(dá)視線方向的投影分布,也稱為目標(biāo)的高分辨距離像(high range resolution profile, HRRP)。對(duì)于艦船、飛機(jī)、車輛等良導(dǎo)體目標(biāo),強(qiáng)散射源的位置分布和散射強(qiáng)度與目標(biāo)的形狀結(jié)構(gòu)有關(guān),為雷達(dá)傳感器檢測(cè)和識(shí)別目標(biāo)提供了依據(jù)[1-2]。距離像的形成不依賴于目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),廣泛適用于各種雷達(dá)觀測(cè)幾何。例如在精確打擊應(yīng)用中,雷達(dá)平臺(tái)朝向目標(biāo)飛行,不能形成方位孔徑,只能獲得目標(biāo)的距離像;又如在高機(jī)動(dòng)平臺(tái)或高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的場(chǎng)景中,目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜,距離成像不需要長(zhǎng)時(shí)間的積累和復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,大大提高了成像幀率。HRRP具有容易獲取、實(shí)時(shí)性高、適用性廣的特點(diǎn),是雷達(dá)傳感器獲取目標(biāo)特征信息的重要手段。

目標(biāo)的強(qiáng)散射源在三維空間中分布,而距離像反映的只是它們?cè)诶走_(dá)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(dá)圖像。另外,位于同一距離單元內(nèi)的散射源在距離像中相干疊加,參與相干合成的散射源數(shù)量受到分辨單元?jiǎng)澐值挠绊?它們的相位關(guān)系敏感于姿態(tài)的微小變化,這些因素使得距離像有較強(qiáng)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(cè)和識(shí)別在先驗(yàn)信息的獲取和表達(dá)、穩(wěn)健特征的提取以及檢測(cè)/分類性能提升等各個(gè)方面,都比基于合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)圖像的檢測(cè)和識(shí)別更為困難。

在距離像檢測(cè)方面,雖然早在1983年,Hughes就證明了利用目標(biāo)距離像先驗(yàn)信息可以大大提高檢測(cè)性能,進(jìn)而提出了“匹配發(fā)射”的概念[3],但由于距離像的敏感性強(qiáng),難以獲得可靠的模板,工程中實(shí)際使用的檢測(cè)方法仍是不依賴先驗(yàn)信息的能量檢測(cè)器或雙門限檢測(cè)器[4-5]。在距離像識(shí)別方面,大量研究采用了全姿態(tài)的距離像模板庫(kù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持矢量機(jī)等高維的分類器實(shí)現(xiàn)各個(gè)姿態(tài)下的距離像識(shí)別,并在訓(xùn)練數(shù)據(jù)分布的整個(gè)姿態(tài)范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)分類性能[1-2,6]。統(tǒng)計(jì)分類器具有較高的平均識(shí)別率,但在特定目標(biāo)姿態(tài)下識(shí)別性能可能并不理想。另外,研究中采用的訓(xùn)練樣本與待識(shí)別樣本通常都是同源樣本,即目標(biāo)狀態(tài)、環(huán)境背景、雷達(dá)頻段與分辨力等參數(shù)在訓(xùn)練與測(cè)試數(shù)據(jù)中完全一致,而在實(shí)際應(yīng)用中,工作條件往往會(huì)發(fā)生變化,性能難以保證。

課題組針對(duì)距離像檢測(cè)識(shí)別中先驗(yàn)信息的獲取和利用這一關(guān)鍵問題開展了長(zhǎng)期研究,提出將離線或在線的SAR圖像作為先驗(yàn)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(cè)識(shí)別可用的先驗(yàn)信息,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的距離像檢測(cè)識(shí)別方法,并進(jìn)一步利用散射中心模型中含有的目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息實(shí)現(xiàn)了基于距離像的目標(biāo)要害部位選擇。本文介紹了SAR圖像輔助的距離像檢測(cè)、識(shí)別以及要害部位選擇方法,對(duì)頻段、分辨力和姿態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行了討論,采用電磁計(jì)算數(shù)據(jù)和外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的有效性,為寬帶雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別提供了新的途徑。

1 一維散射中心特征建模

獲取目標(biāo)在特定工作條件下的距離像先驗(yàn)信息,是提高距離像檢測(cè)識(shí)別性能的關(guān)鍵。但由于距離像敏感于目標(biāo)形狀材質(zhì)、部件配置、姿態(tài)以及環(huán)境背景等條件,難以獲取準(zhǔn)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(biāo)的強(qiáng)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(yàn)?zāi)Ｐ?。?duì)于精確制導(dǎo)等應(yīng)用,可以在飛行中段通過特殊的航路設(shè)計(jì)獲得目標(biāo)的SAR圖像[7],這種在線獲取的先驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谀繕?biāo)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(cè)識(shí)別提供可靠的目標(biāo)信息。要利用這樣的先驗(yàn)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(cè)識(shí)別的先驗(yàn)?zāi)０濉?/p>

對(duì)SAR復(fù)圖像沿方位向進(jìn)行逆傅里葉變換,可以獲得目標(biāo)在成像孔徑內(nèi)的距離像序列。但該方法存在兩個(gè)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(diǎn)應(yīng)為目標(biāo)中心,對(duì)SAR成像算法要求較高;二是距離像中同距離單元的散射點(diǎn)已經(jīng)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(zhuǎn)換的橋梁,提高SAR圖像先驗(yàn)信息的適用性。

根據(jù)電磁散射的局部性原理,當(dāng)雷達(dá)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸時(shí),目標(biāo)的電磁散射可以認(rèn)為主要來源于目標(biāo)上局部的強(qiáng)散射源,如目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)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(jī)理可知,散射中心的位置分布主要由目標(biāo)的形狀結(jié)構(gòu)決定,在電磁散射的光學(xué)區(qū)具有較好的普適性;對(duì)于邊緣、尖端等散射結(jié)構(gòu),在較大的姿態(tài)范圍內(nèi)都能形成較強(qiáng)的后向散射,姿態(tài)敏感性較低。散射中心模型對(duì)目標(biāo)的眾多散射源進(jìn)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(jié)果表明,基于目標(biāo)的三維散射中心模型,可以以較高的保真度恢復(fù)不同頻段、不同分辨力、不同姿態(tài)下的雷達(dá)圖像[10]。

SAR圖像和距離像中的眾多局部極值點(diǎn)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(biāo)形狀結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系較明顯。從SAR圖像中提取目標(biāo)的二維散射中心特征,并根據(jù)SAR成像與距離成像的視角變化關(guān)系,將它向距離成像的雷達(dá)視線方向投影,可以獲得較為穩(wěn)定的距離像先驗(yàn)信息,并進(jìn)一步生成檢測(cè)識(shí)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(shù)目;(xk,yk)為第k個(gè)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(shè)距離成像相對(duì)于SAR成像視角改變量為θ,即距離成像的雷達(dá)視線方向在SAR成像坐標(biāo)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(guān)系

P={(rk,Ak)|k=1,2,…,K}

(2)

式中:rk=xkcosθ+yksinθ為第k個(gè)散射中心在距離像中的投影距離。從D到P的轉(zhuǎn)換基于以下近似:① 散射中心的二維位置和散射強(qiáng)度在相差θ的兩個(gè)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(shè)在θ不大時(shí)近似成立,第3節(jié)將通過電磁計(jì)算和外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)其適應(yīng)性。② 距離成像與SAR成像的視線差異用成像平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角θ描述。由于SAR成像獲得的是目標(biāo)三維散射中心在二維成像面內(nèi)的投影,基于它可以恢復(fù)該成像面內(nèi)其他方向上的一維投影,當(dāng)距離成像的視線方向不在SAR成像面內(nèi)時(shí),只能采用它在成像平面內(nèi)的視線投影作為近似。對(duì)于車輛、飛機(jī)等水平面內(nèi)結(jié)構(gòu)特征豐富的目標(biāo),俯仰角變化對(duì)目標(biāo)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(xiàn)的峰值位置和強(qiáng)度,由此可以進(jìn)一步獲得距離像檢測(cè)識(shí)別的特征模板。在距離像檢測(cè)中,將根據(jù)該模型進(jìn)一步生成距離像模板,作為檢測(cè)器的參考信號(hào)。在距離像識(shí)別和要害部位選擇中,將對(duì)不同目標(biāo)的一維散射中心模型進(jìn)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(shí)別任務(wù)。

2 距離像檢測(cè)識(shí)別算法

2.1 距離像檢測(cè)

距離像檢測(cè)可以表述為以下二元假設(shè)檢驗(yàn)問題:

(3)

式中:x[n],n=0,1,…,N-1為距離門內(nèi)的復(fù)圖像,門寬N一般根據(jù)目標(biāo)可能的分布范圍進(jìn)行設(shè)置;s[n],n=-M,…,M為不含噪聲的目標(biāo)距離像,由于圖2中采用了以目標(biāo)中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系,因此將距離像模板的坐標(biāo)設(shè)置為關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱,目標(biāo)距離像長(zhǎng)度2M+1一般小于距離門長(zhǎng)度N,n0為目標(biāo)中心在距離門內(nèi)的距離單元序號(hào)。在檢測(cè)之前,目標(biāo)在距離門內(nèi)的位置是未知的,因此n0也是待估計(jì)量。

在沒有距離像先驗(yàn)信息的情況下,式(3)是一個(gè)含有未知參數(shù)的未知信號(hào)檢測(cè)問題,根據(jù)統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理理論,在復(fù)高斯白噪聲下,它的廣義似然比檢驗(yàn)具有能量檢測(cè)器的形式[6-11]:

(4)

式中:γ為根據(jù)虛警率確定的檢測(cè)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(jì):

(5)

(6)

基于一維散射中心模型的HRRP檢測(cè)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(cè)流程圖

由于式(6)采用了特定目標(biāo)的先驗(yàn)信息,只能在檢測(cè)特定目標(biāo)的應(yīng)用中達(dá)到較好的性能。如果場(chǎng)景中存在多種目標(biāo),則需要對(duì)所關(guān)注的目標(biāo)分別采用式(6)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)目標(biāo)類型與先驗(yàn)類型失配時(shí),在高信噪比情形下,檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量仍可能超過檢測(cè)門限,因此需要通過距離像識(shí)別重新確認(rèn)目標(biāo)的類型。

2.2 距離像識(shí)別

距離像識(shí)別可以表述為一個(gè)多元假設(shè)檢驗(yàn)問題:

(7)

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

距離像檢測(cè)的主要依據(jù)是回波強(qiáng)弱,而距離像識(shí)別更依賴于模板的形狀細(xì)節(jié)特征,因此對(duì)模板的精細(xì)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(yīng)用于距離像識(shí)別存在一定的局限,主要表現(xiàn)在:① 距離單元的劃分影響模板的形狀;② 同距離單元內(nèi)的散射中心非相參合成后丟失了散射特性的細(xì)節(jié)信息。為此,需要實(shí)現(xiàn)一維散射中心模型與待識(shí)別距離像的直接匹配。

為推導(dǎo)方便,采用連續(xù)的距離參數(shù)r,將待識(shí)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(shù),不失一般性,此處省略了表示目標(biāo)類型的下標(biāo)q。距離像模板的幅度|s(r)|可以根據(jù)一維散射中心模型進(jìn)行估計(jì):

(9)

特定平移參數(shù)下的匹配系數(shù)可以按式(10)計(jì)算:

(10)

最佳平移參數(shù)下的匹配系數(shù)為

(11)

需要說明的是,由于相位對(duì)頻段、姿態(tài)、距離的敏感性非常強(qiáng),本文在提取散射中心模型和匹配距離像時(shí)都只利用了幅度信息,它會(huì)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(biāo)上多個(gè)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(jìn)一步降低多散射中心干涉的發(fā)生概率。另外,對(duì)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或運(yùn)動(dòng)目標(biāo),對(duì)距離像序列進(jìn)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(jié)果[1-2]。

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

(12)

(13)

(14)

(15)

式中:

(16)

(17)

通過比較待識(shí)別距離像與各個(gè)可能的目標(biāo)模板的匹配程度,可以完成目標(biāo)類型的判決。

(18)

基于一維散射中心模型的距離像識(shí)別流程圖如圖4所示。

圖4 基于一維散射中心模型的HRRP識(shí)別流程圖

2.3 距離像要害部位選擇

對(duì)寬帶雷達(dá),艦船、車輛等都是擴(kuò)展目標(biāo),占據(jù)若干距離單元。判定目標(biāo)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(shí)現(xiàn)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(biāo)形狀結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系不直觀,要害部位選擇的依據(jù)不足;在某些姿態(tài)下,目標(biāo)要害部位不一定能形成強(qiáng)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(shí)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(guān)系,還可以實(shí)現(xiàn)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(diǎn)坐標(biāo)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(biāo)系與描述二維散射中心模型的坐標(biāo)系相同(參見式(1)和圖2)。由于要害部位不一定表現(xiàn)為強(qiáng)散射源,(xc,yc)不一定屬于集合D。根據(jù)距離成像與SAR成像的視角變化,要害部位在以目標(biāo)為中心的坐標(biāo)系中的投影距離可以預(yù)測(cè)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(jù)距離像識(shí)別提供的精匹配結(jié)果推算。

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

(20)

由此可以計(jì)算要害部位在距離像中的距離范圍:

rc+rs0-Rc

(21)

從而實(shí)現(xiàn)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(yàn)驗(yàn)證

本部分采用電磁計(jì)算數(shù)據(jù)和外場(chǎng)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)SAR圖像輔助的距離像檢測(cè)識(shí)別方法進(jìn)行性能驗(yàn)證。由于需要SAR圖像先驗(yàn)信息,本文方法主要適用于地面、海面時(shí)敏目標(biāo)或慢速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別,因此本節(jié)采用地面目標(biāo)作為測(cè)試對(duì)象。

電磁計(jì)算數(shù)據(jù)基于3種典型陣地目標(biāo)的CAD模型,采用高頻電磁計(jì)算軟件得到目標(biāo)在C和X兩個(gè)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(biāo)在該姿態(tài)范圍內(nèi)不同分辨力的一維和二維雷達(dá)圖像。此處采用轉(zhuǎn)臺(tái)成像獲得的二維圖像來模擬目標(biāo)的SAR圖像切片。圖6給出了電磁計(jì)算所用的3種陣地目標(biāo),圖7給出了基于電磁計(jì)算數(shù)據(jù)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(dòng)態(tài)范圍。

圖6 電磁計(jì)算所用的3種陣地目標(biāo)

圖7 3種陣地目標(biāo)的SAR圖像切片

外場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)采用廂式貨車、轎車和中型客車3種地面目標(biāo),分別置于地面大型轉(zhuǎn)臺(tái)上,采用帶寬1 GHz的W波段雷達(dá)錄取目標(biāo)在0°俯仰角,0°～360°方位角下的回波,由此可以生成目標(biāo)在該姿態(tài)范圍內(nèi)不同分辨力的一維和二維像。圖8給出了卡車目標(biāo)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(duì)比,圖9中同時(shí)給出了這兩個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 卡車目標(biāo)30°方位角SAR圖像及二維散射中心

圖9 卡車目標(biāo)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(cè)性能

采用圖6中目標(biāo)1在俯仰角30°,方位角5°～60°內(nèi)的C波段0.3 m分辨力距離像測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(cè)性能。通過對(duì)電磁計(jì)算原始數(shù)據(jù)添加復(fù)高斯白噪聲調(diào)整距離像信噪比。SAR圖像峰值信噪比設(shè)置為25 dB,圖10給出了檢測(cè)率隨距離像能噪比的變化曲線。對(duì)式(3)所示的檢測(cè)模型,能噪比定義為

圖10 不同檢測(cè)器性能比較(虛警率10-6)

(22)

為了驗(yàn)證散射中心模型對(duì)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(yàn)信息,分別對(duì)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(jìn)行檢測(cè)。待檢測(cè)距離像能噪比設(shè)置為18 dB,對(duì)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(duì)所有參與測(cè)試的方位角進(jìn)行平均得到檢測(cè)率。圖11給出了檢測(cè)率隨偏角(的變化曲線。結(jié)果表明,距離像分辨力變化對(duì)檢測(cè)性能的影響很小;頻段變化對(duì)檢測(cè)性能的影響大于分辨力變化。姿態(tài)偏差會(huì)造成檢測(cè)性能下降,適應(yīng)性的具體結(jié)果會(huì)因?yàn)槟繕?biāo)形狀、頻段、分辨力而不同?？傮w而言,本方法的檢測(cè)性能對(duì)姿態(tài)變化的適應(yīng)性較好。

圖11 HRRP檢測(cè)性能對(duì)姿態(tài)、頻段、分辨力的適應(yīng)性

3.2 SAR圖像輔助的距離像識(shí)別性能

采用外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試本文提出的距離像識(shí)別方法對(duì)姿態(tài)、分辨力的適應(yīng)性,采用電磁計(jì)算數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)頻段變化的適應(yīng)性。

首先驗(yàn)證姿態(tài)適應(yīng)性。對(duì)外場(chǎng)實(shí)測(cè)3類目標(biāo),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(yàn)信息,按圖1和圖4所示流程對(duì)方位角為α+θ,分辨力0.15 m的距離像進(jìn)行識(shí)別,對(duì)所有方位角進(jìn)行平均得到識(shí)別率。圖12給出了3類目標(biāo)正確識(shí)別率隨偏角θ的變化曲線。結(jié)果表明,在距離像與SAR圖像角度相同的情況下,3類目標(biāo)平均正確識(shí)別率為91.6%;當(dāng)距離像與SAR圖像中心角存在偏差時(shí),正確識(shí)別率下降,在-3°～2°偏差范圍內(nèi)平均正確識(shí)別率>80%。本組試驗(yàn)結(jié)果的角度偏差適應(yīng)性小于圖11中的檢測(cè)算法,一方面是由于識(shí)別對(duì)模板精度的要求更高,另個(gè)一原因是本組試驗(yàn)為W波段,比檢測(cè)試驗(yàn)的C波段姿態(tài)敏感性更高。

圖12 3類目標(biāo)的正確識(shí)別率隨角度偏差的變化

接下來測(cè)試識(shí)別方法對(duì)分辨力變化的適應(yīng)性。改變SAR圖像模板和待識(shí)別距離像的分辨力,并統(tǒng)計(jì)各種分辨力設(shè)置下3類目標(biāo)的平均識(shí)別率,統(tǒng)計(jì)方法與圖12相同,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示?？傮w而言,SAR圖像或距離像分辨力的變化對(duì)識(shí)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(shí)別性能。對(duì)圖13中的各條曲線進(jìn)行分組比較可以發(fā)現(xiàn):SAR圖像和距離像的分辨力變化對(duì)識(shí)別性能的角度適應(yīng)性影響不同。提高SAR圖像模板的分辨力有利于提高識(shí)別算法的角度適應(yīng)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(shí)別距離像的分辨力從0.3 m提高到0.15 m,識(shí)別算法的角度適應(yīng)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(shí)別率隨角度偏差的變化

由于外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)頻段固定,以下采用仿真數(shù)據(jù)測(cè)試識(shí)別性能對(duì)頻段的適應(yīng)性。采用圖6所示的3類目標(biāo),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(yàn)信息,分別對(duì)C波段和X波段方位角為α+θ,分辨力0.25 m的距離像進(jìn)行識(shí)別,待識(shí)別距離像的能噪比設(shè)置為20 dB。兩種不同頻段的距離像識(shí)別結(jié)果如圖14所示。結(jié)果表明算法對(duì)頻段變化具有較高的適應(yīng)性。從圖14可以同時(shí)觀察識(shí)別算法在C波段對(duì)于姿態(tài)變化的敏感性,與圖11相比,識(shí)別算法的姿態(tài)敏感性高于檢測(cè)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(duì)不同頻段HRRP的識(shí)別率

3.3 SAR圖像輔助的距離像要害部位選擇

采用電磁計(jì)算數(shù)據(jù)中的目標(biāo)1驗(yàn)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(biāo)記要害部位是識(shí)別距離像要害部位的前提,本試驗(yàn)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(shí)別[13-14],并將其作為輸入,按照?qǐng)D5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(biāo)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(jù)天線陣列的空間位置投影得到,用黑色虛線標(biāo)出。圖15(b)和圖15(c)子圖分別給出了兩個(gè)不同方位角下的具體結(jié)果,紅框標(biāo)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(qiáng)散射源,因此第3.3節(jié)中根據(jù)目標(biāo)的所有一維投影點(diǎn)判斷要害部位位置。

圖15 天線陣列在目標(biāo)1 HRRP中的實(shí)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(shí)際要害部位中心位置的距離誤差,距離像能噪比設(shè)定為20 dB。從圖16中可以看出,當(dāng)雷達(dá)視線轉(zhuǎn)到目標(biāo)側(cè)面時(shí)(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(shù)據(jù)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(duì)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(jì)。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(nèi)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(jié) 論

本文提出以SAR圖像作為目標(biāo)先驗(yàn)信息來源,通過從SAR圖像中提取目標(biāo)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(biāo)的一維散射中心特征模板,并由此實(shí)現(xiàn)基于一維距離像的目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別與要害部位選擇。電磁仿真與外場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明:SAR圖像輔助的距離像檢測(cè)識(shí)別算法不僅具有較高的檢測(cè)和識(shí)別率,同時(shí)對(duì)姿態(tài)、頻段、分辨力等觀測(cè)條件的變化具有較好的適應(yīng)性,為提升寬帶雷達(dá)的智能化水平提供了新的技術(shù)途徑。

本文主要關(guān)注目標(biāo)先驗(yàn)信息的獲取和利用,由于SAR成像一般具有較大的視場(chǎng)范圍,還可以獲得豐富的環(huán)境信息,下一步的研究重點(diǎn)是基于SAR圖像提取環(huán)境回波模型并運(yùn)用于距離像檢測(cè)識(shí)別,提升寬帶雷達(dá)在復(fù)雜背景下的探測(cè)識(shí)別能力。