一種機載火控雷達空地成像算法

文/佴俊 王波

一種機載火控雷達空地成像算法

文/佴俊 王波

隨著硬件技術的發展，現在國際上殲擊機的航空電子系統具有越來越強的功能，在火控雷達的空地模式中，成像范圍更大、分辨率更高、定位更準確的圖像顯得越來越重要。本文介紹了一種基于天線掃描的、高分辨率的、并在地理坐標下成像的算法，該算法在載機平臺大機動時仍然能提供了更高的圖像分辨率和更精確的目標地位，為火控系統進行目標識別提供有力條件。

機載火控雷達 成像 拼接

1 引言

目前國際上機載火控雷達“地圖方式”下有“RBM”、“DBS”及“SAR”等方式，其中“RBM”和“DBS”及相應的擴展方式在成像過程中，天線處于掃描狀態，能提供大范圍的地面圖像，但是這幾種成像算法不能提供高分辨率的圖像；“SAR”模式能提供高分辨率的圖像，但是在成像過程中，天線與載機航向處于一個固定的夾角，不能在方位向上大范圍成像。并且這幾種成像方式都是基于成像平面的成像，與實際的地面目標和地形存在幾何失真，不利于目標識別和精確打擊。所以，在火控雷達的空地成像的模式中，特別是近距離空地成像模式中，迫切需要一種算法，能在掃描方式下，提供基于地理坐標系下大范圍的高分辨率圖像。

本文將文獻[1][2][3]的環視“SAR”算法應于機載火控雷達的空地成像中，該方法在近距離、載機平臺大機動條件下、大范圍成像時有利于提高成像的分辨率，并同時校正成像過程中存在的幾何失真。本文描述了該算法的流程，并用實測數據進行了成像處理的驗證。

圖1：成像信號處理流程圖

圖2：單個子塊圖形成像信號處理流程

圖3：單個子圖幾何失真校正中的地面校正網格點分布

2 成像算法流程及其特點

與目前國際通用的火控雷達的高分辨率“SAR”成像模式相比，天線掃描模式成高分辨率圖像有其自身特點。雷達波束勻速旋轉掃描的過程中，信號的多普勒中心值變化非常快，給直接大區域成像帶來了很大困難。文獻[1][2][3]提出了基于子塊成像拼接的處理方法完成最后掃描成像處理，并做了仿真和實際驗證，結果表明，該成像處理算法在掃面模式下成高分辨率圖像是有效的。該算法是一個基于子塊成像和圖像拼接的處理流程，處理流程如圖1所示。

從圖1中可以看出，整個信號處理流程主要分三個主要部分：子圖成像處理，幾何失真校正，圖像的拼接。下面對成像的步驟進行逐步分析。

圖4：正前視方向子圖與校正圖對照

圖5：45度斜視方向子圖與校正圖對照

圖6：大側視方向的子圖校正前后的對照

2.1 子塊成像

單個子圖的成像采用基于轉臺成像的線形RD算法。該算法計算量小，實時性好，簡單有效等特點，適合工程實現。

整個信號處理流程由距離壓縮、運動補償和方位向聚焦三個步驟構成，如圖2所示。該算法的關鍵步驟是運動補償，包括距離對準和相位補償。距離對準是以給定的參考距離為參考，并按照天線相位中心(APC)距離進行逐個脈沖補償。這種以固定點為參考的空不變運動補償使得線性RD算法具有一定局限性。

（1）成像區內除中心點外各點的運動補償存在剩余誤差，該剩余誤差具有空變性，且成像區尺寸越大，或斜視角越大，空變效應越嚴重；

（2）線性RD算法對成像區域大小有限制，對成像區域直徑d0的限制為

（3）成像結果存在幾何失真，失真程度隨斜視角和成像區尺寸增大而惡化。

2.2 圖像幾何失真校正

由于單個子圖存在嚴重的幾何失真，所以在進行圖像拼接前必須做幾何失真校正。由于圖像幾何變形程度受雷達波束視角、平臺飛行高度及斜視角等諸多因素影響，對線性RD成像結果的幾何失真校正必須建立在逐點校正的基礎上。天線掃描如圖所示，校正步驟如下：

第一步：在成像區范圍內人為設置等間隔分布的散射點，稱為地面校正網格點，見圖3。網格分布平行于 x-y坐標系，相鄰點間隔按照圖像分辨率要求設置，即△x=ρα、△y=ργ。

第二步：首先應根據載機雷達系統的幾何參數，確定波束在地面的投影區域，得到子塊的取值范圍，在該范圍內逐點計算散射點在對應的成像結果中的位置。

第三步：通過插值操作將信號取出，放入以x-y坐標系為圖像坐標系中的二維數組中，完成幾何失真校正。

設任意地面校正網格P點的x-y坐標p(xp,yp,0)，孔徑中心雷達APC的坐標為c(xc,xy,0)，則APC到成像區中心O(xof,yof,0)點的距離|OC|和APC到P點的距離|CP|分別為

P點在線性RD成像結果中的距離向坐標Nγp為：

P點的多普勒頻率fdp取決于該點相對于孔徑中心APC的距離變化率。即

為P點空間斜視角，見圖3。同理，成像中心點O點的多普勒頻率fdo為

因此，P點在線性RD成像結果中的方位向坐標Nfdp為

如上的散射點坐標定位換算要在每幅線性RD成像結果中逐點地進行，直到獲得成像區內全部分辨率單元的對應關系。在理論上，得到地面校正P點在各幅圖像中的對應位置后，就可以將其值取出來。由于通常得到的在絕大部分情況下不是整數，需要通過插值得到。

2.3 圖像拼接

在天線掃描過程中，隨著天線掃描過程中，對前面的圖像要進行實時輸出，滿足大區域成像要求。方法如下：

（1）根據系統參數預先計算出波束掃描每個波束所能覆蓋的地面范圍，確定最終輸出圖像的大小和像素點對應的地理坐標值，在校正圖像幾何失真的同時，逐點將校正后的圖像放入對應的坐標中，輸出結果；

（2）設計系統時，定義成像區圓心轉角大小恰為波束地面投影寬度的一半，在實測數據成像中，要消除子塊之間的接縫，相鄰子塊間存在一定的復用；

隨著相鄰的單個扇形成像得到校正、存儲與輸出，最終可以在任何時刻成像過程的中間結果都可實時輸出；

3 成像實例

根據上述算法分別進行子塊成像和校正后的子塊成像。首先進行子塊成像和校正后的子塊成像對比，具體如下：

（1）天線掃描至正前視方向子圖與校正圖對照，如圖4所示。

（2）天線掃描至斜視方向子圖與校正圖對照，如圖5所示。

（3）天線掃描至側視方向子圖與校正圖對照，如圖6所示。

5 總結

本文將環視“SAR”算法應于機載火控雷達的空地成像中，由于該方法是基于子塊的成像拼接處理，所以在近距離、載機平臺大機動條件下、大范圍成像時有利于提高成像的分辨率，并同時校正成像過程中存在的幾何失真，有利于進行目標的精確定位和識別。

[1]Yong Li,Daiyin Zhu.The Geometric-Distortion Algorithm for Circular-SAR Imaging,IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENCING letters,VOL 7,NO.2,APRIL 2010：376-380.

[2]李勇.基于子孔徑處理的機載與彈載的合成孔徑雷達成像算法的研究[D].南京航空航天大學,2005.

[3]熊紅林.機載雙模SAR成像處理及硬件實現 [D].南京航空航天大學,2007.

[4]毛新華,朱岱寅,李勇,朱兆達.環視SAR幾何失真校正誤差分析及補償技術研究[J].電子與信息學報,2008(11)：2706-2709.

作者單位 南京電子技術研究所 江蘇省南京市 210039

佴俊（1979-），男，江蘇省揚州市人。大學本科學歷。工程師。主要研究方向為機載雷達總體技術和機載雷達售后服務綜合管理。

王波（1983-），男，湖北省武漢市人。工學碩士。工程師。主要研究方向為雷達系統技術。