CN108051789A - 一种海背景下动目标sar成像模拟测试系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海背景下动目标SAR成像模拟测试系统及方法。通过造波水池，为放置于其中的船模模拟海环境；目标直线运动模拟装置带动作为目标的船模匀速直线运动；姿态测量传感器实时获取并记录运动过程中的目标姿态信息；射频分系统，进行射频信号发射及目标回波信号接收；扫描架分系统，放置并带动所述射频分系统进行等间隔步进运动，每步进一个间隔使用所述射频分系统对目标进行一次宽带扫频测量。本发明基于聚束式SAR成像原理，在造波池内实现海面舰船复合散射特性和运动特性协同模拟测试，解决了在实验室条件下同步、可控地模拟测量海面动目标复合散射特性和运动特性的问题，可为海面动目标成像探测与识别技术研究提供基础数据和验证手段。
Description
技术领域
本发明属于雷达目标特性测试技术领域，具体涉及一种海背景下动目标SAR成像模拟测试系统与方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)成像是海面舰船目标探测、监视与识别的重要手段。但是，海面舰船为非合作目标，特别是受海浪驱动舰船目标运动极具非平稳性，这会在雷达回波中引入复杂的幅相调制，造成SAR成像散焦，并且随着信号积累时间的增加，目标运动对SAR成像聚焦的影响越明显。因此，亟需研究海面目标运动特性对SAR成像散焦的影响机理，为海面动目标精聚焦成像探测与识别技术研究提供依据和支持。
基于缩比船模的模拟测试试验是研究海面目标特性的重要手段，较海上实测试验成本低、可控性好，且测试结果较理论建模具有更高的置信度。对相关技术的国内外研究情况进行了检索，在专利方面，中国船舶研究设计中心的吴楠等于2014年申请的专利《船舶RCS的缩尺模型湖面试验方法与系统》(公开号：CN104407331A)中，提出了一种在内陆湖泊中开展水面舰船复合散射特性测试的试验方法与系统，通过向湖泊水面环境中的缩比船模发射一系列的窄带脉冲簇、采集回波信号、信号频域-时域变换、背景杂波抑制预处理、相对定标以及缩比等效变换等处理过程，模拟获取水面舰船的复合RCS特性，可为定量分析和验证水面对舰船RCS的影响提供手段。但是，该发明未考虑水面波浪驱动下舰船运动对复合RCS的影响，未实现SAR成像测量，仅可获取一维距离像，并且在自然湖泊中的水面波高不可控，无法定量模拟分析不同浪高对舰船RCS的影响。
北京环境特性研究所的鲁青等于2017年申请的专利《一种高分辨率微动目标成像系统综合测试平台》(公开号：CN107064889A)中，提出一种在微波暗室中开展移动/转动目标高分辨ISAR成像的综合测试平台，利用位于微波暗室中平台基座上的目标运动平台，带动目标模型移动及转动；利用天线系统、微波组件和控制器实现微动目标高分辨率ISAR成像测量，可为空间运动目标成像验证提供手段。但是，该发明中的目标运动平台仅考虑了目标移动和转动，而海面舰船除沿航向的前向运动外，受海浪驱动还存在6自由度摇摆晃动，因此难以满足海面舰船运动特性模拟的需求；此外，在微波暗室内无法逼真地模拟测试近舰水面与舰船复合散射特性。
在论文方面，哈尔滨工程大学的魏纳新在其2006年的博士毕业论文《水面舰艇在高海情下的横摇运动姿态控制技术研究》中，开展了水池内缩比船模晃动特性测试。哈尔滨工程大学的焦甲龙等在其2016年发表的论文《实际海浪环境中大尺度模型波浪载荷试验技术研究》中，研究了在近岸海域开展缩比船模运动特性测试的系统与方法；但是，这两种方法仅模拟测试了海面舰船的运动特性，未考虑海面舰船的复合散射特性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种海背景下动目标SAR成像模拟测试系统与方法，基于聚束式SAR成像原理，在造波池内实现海面舰船复合散射特性和运动特性协同模拟测试。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案在于提供一种海背景下动目标SAR成像模拟测试系统，其包含：
造波水池，为放置于其中的船模模拟海环境；
目标直线运动模拟装置，带动作为目标的船模匀速直线运动；
姿态测量传感器，实时获取并记录运动过程中的目标姿态信息；
射频分系统，进行射频信号发射及目标回波信号接收；
扫描架分系统，放置并带动所述射频分系统进行等间隔步进运动，每步进一个间隔使用所述射频分系统对目标进行一次宽带扫频测量。
本发明的另一个技术方案在于提供一种海背景下动目标SAR成像模拟测试方法：
目标直线运动模拟装置带动船模在造波水池内按照预定轨迹、预定速度vt匀速运动；待船模直线运动平稳后，通过造波水池形成预定谱型、海情的波浪，波浪驱动船模随机晃动，船模经过缓冲后进入稳定的运动状态；
利用船模上的姿态测量传感器获取并记录船模前行过程中的运动姿态信息；根据船模运动特性缩比测量原理，按照船模与实船各物理量之间的换算关系，推得相应的实船运动特性；
利用扫描架分系统带动射频分系统以速度va进行匀速直线运动，每步进一次使用射频分系统对船模进行一次宽带扫频测量，并且测试天线在运动过程中不断调整对目标照射角度，以确保目标全照射，直到完成预定扫描范围，获得数据为二维回波信号V(k,y)，一维随频率k变化，一维随天线横向位置y变化；
采用相对定标法对水面船模散射回波信号进行定标、时域滤波处理，获取水面船模二维复合散射矢量为
式中，为标准体标量RCS；V(k,y)为目标与海面复合散射回波信号；
V0(k)和VB(k)分别为标准体回波信号及标准体背景回波信号；
采用近场校正成像处理技术，对造波池内水面船模复合聚束式SAR测试数据进行成像处理：通过拟合天线运动轨迹，修正近场成像测量中球面波前引入的相位误差；通过引入天线方向图函数G，修正天线对目标各散射中心照射强度不同引入的误差；通过引入空间距离因子R，修正各散射中心近场空间衰减不同引入的差别，从而获取近场聚束式SAR成像结果，对应的成像处理公式为
式中，(xt,yt,zt)为目标散射中心坐标估计值；R0为合成孔径中心时刻测试天线与目标中心之间的斜距；(R0,ya,h)为天线中心坐标值；h为天线高度；c为电磁传播速度；B为扫频带宽；kB为宽带扫频信号对应波数；ls为天线与目标运动轨迹；F(k+kmin,yt)为目标频域回波信号，kmin＝2fmin/c表示宽带扫频测量信号中最低频率fmin对应的波数，c为电磁波速度；为散射中心散射矢量，le表示天线有效行程，dl为天线步进间隔。
综上所述，本发明提出一种海背景下动目标SAR成像模拟测试系统与方法。系统包含：舰船模型、海环境模拟设施、射频分系统、扫描架分系统、目标直线运动模拟装置、姿态测量传感器、计算机与软件分系统。
在测量时，通过岸基目标直线运动模拟装置带动船模平动以及水池波浪驱动船模随机摇摆，实现舰船运动模拟，并利用姿态测量传感器实时获取目标多自由度摇摆参数；同时，利用射频分系统发射宽带扫频信号，实现距离向高分辨；通过天线沿扫描架的步进匀速运动及不断调整其对目标照射角度以确保目标全照射，形成较长的合成孔径，实现方位向高分辨，从而获取水面动目标二维散射数据；最后，通过相对定标和近场成像处理获得海面动目标模拟测试SAR图像。
本发明技术方案带来的有益效果为：提出一种海背景下动目标SAR成像模拟测试系统与方法，解决了在实验室条件下同步、可控地模拟测量海面动目标复合散射特性和运动特性的问题，可为海面动目标成像探测与识别技术研究提供基础数据和验证手段。
附图说明
图1是造波池内水面动目标SAR成像模拟测试系统原理图；
图2是射频分系统示意图；
图3是海背景下动目标SAR成像模拟测试示意图；
图4是近场条件说明，点目标P的回波信号沿弧线S等相位，而实际测量时天线沿直线L运动。
具体实施方式
本发明提供了一种海背景下动目标SAR成像模拟测试系统与方法。图1为该模拟测试系统的原理图，包括：
(1)舰船模型：为与实船保持几何相似、质量分布相似、动力相似的舰船缩比模型，且模型表层为金属材质，满足目标运动特性和电磁特性缩比测量原理的要求。
(2)海环境模拟设施：包含一造波水池，其设置有水池7、造波机8、消波器(标记9示出为消波岸)等，可模拟0～3级海情(低、中、高缩比海情)，规则波、PM谱、JP谱粗糙海面。
(3)射频分系统12：如图2所示，设置有高性能矢量网络分析仪19、微波放大器20、定向耦合器21、收发天线14(含发射天线141、接收天线142，标记13为天线工装)，用于射频信号发射及目标回波信号接收。
(4)扫描架分系统11：设置有扫描架基座、导轨及扫描牵引动力装置，用于放置并带动射频分系统进行等间隔步进运动，每步进一个间隔对目标进行一次宽带扫频测量。
(5)目标直线运动模拟装置：设置有牵引动力装置6、牵引工装5、制动工装4、拖曳绳索3、接口工装，用于带动目标匀速直线运动，并保证目标运动过程中不偏迹，且采用转动灵活的接口连接拖曳绳索3和船模1以降低牵引对船模1随波浪晃动的约束。
(6)姿态测量传感器2：为防水的、微型的基于动态卡尔曼滤波的多轴姿态角测量装置，用于实时获取并记录目标运动过程中的姿态信息，为动目标精聚焦成像提供目标运动状态信息。
(7)计算机与软件分系统：设置有计算机17、测试及处理软件、路由器18，实现对测试设备的自动化控制、数据采集、保存与处理(标记10为控制室与数据采集区)。
本发明提供的海背景下动目标SAR成像模拟测试方法是根据聚束式SAR成像原理，实现海面动目标SAR成像模拟测试，其成像测试示意图如图3所示，具体包括以下步骤：
步骤1：船模准备
船模1除满足几何相似性、物理介电特性相似性外，为了满足动力相似性的要求，还需要利用轻质材料和配重砝码对船模1进行浮力、重心高度、质量分布调整，并将姿态测量传感器2固定在近船模1重心的位置，将船模1的首尾两端与拖曳绳索3连接。
步骤2：测试设备准备
根据试验测试要求，调整造波参数、扫描架分系统11的高度、平台运动及控制参数、射频分系统测试参数、船模运动牵引参数及姿态数据采集参数。
步骤3：舰船目标平动模拟
如图3所示，利用目标直线运动模拟装置带动船模1按照预定轨迹、预定速度vt匀速运动。
步骤4：舰船目标随波浪晃动模拟
启动造波机8造预定谱型、海情的波浪，波浪驱动船模1随机晃动，并且在缓冲一段时间后，船模1进入稳定的运动状态。
步骤5：海面舰船运动姿态模拟测量
在船模1进入稳定的运动状态后，利用姿态测量传感器2获取并记录船模1前行过程中的运动姿态信息。根据船模运动特性缩比测量原理，可按照表1所示船模1与实船各物理量之间的换算关系，推得相应的实船的运动特性。
表1船模与实船各物理量之间的换算关系
注：下标“s”表示实船，“m”表示船模；线性运动(航速、横荡、纵荡和升沉)满足线速度/加速度缩比关系；转动(横摇、纵摇、偏航)满足角度/加速度缩比关系；其他物理量之间的换算关系，可以利用质量、长度及时间等的关系推算。
步骤6：海面舰船复合散射特性模拟测量
如图3所示，利用扫描架分系统11带动射频分系统12，以速度为va进行匀速直线运动，每步进一次对船模1进行一次宽带扫频测量，并且测试天线14在运动过程中不断调整对目标照射角度，以确保目标全照射，直到完成预定扫描范围，获得数据为二维回波信号V(k,y)，一维随波数k变化，一维随天线横向位置y变化。
步骤7：复合散射数据相对定标
采用相对定标法对水面船模散射回波信号进行定标、时域滤波处理，获取水面船模二维复合散射矢量为
式中，为标准体标量RCS；V(k,y)为目标与海面复合散射回波信号；V0(k)和VB(k)分别为标准体回波信号及标准体背景回波信号，可在微波暗室内或造波水池上测量获取，且系统参数设置和测试状态应与试验测量状态相同。
步骤8：近场聚束式SAR成像处理
采用近场校正成像处理技术，对造波池内水面船模复合聚束式SAR测试数据进行成像处理，具体结合图4：通过拟合天线运动轨迹，修正近场成像测量中球面波前引入的相位误差；通过引入天线方向图函数G，修正天线对目标各散射中心照射强度不同引入的误差；通过引入空间距离因子R，修正各散射中心近场空间衰减不同引入的差别，从而获取近场聚束式SAR成像结果，对应的成像处理公式为
式中，(xt,yt,zt)为目标散射中心坐标估计值；R0为合成孔径中心时刻测试天线与目标中心之间的斜距；(R0,ya,h)为天线中心坐标值；h为天线高度；c为电磁传播速度；B为扫频带宽；kB为宽带扫频信号对应波数；ls为天线与目标运动轨迹；F(k+kmin，yt)为目标频域回波信号，kmin＝2fmin/c表示宽带扫频测量信号中最低频率fmin对应的波数，c为电磁波速度；为散射中心散射矢量，le表示天线有效行程，dl为天线步进间隔。
一个具体的示例中，本发明实施海面动目标SAR成像模拟试验的测试系统，包括：
(1)舰船模型：缩比系数为1∶150的某船模，模型尺寸为1.03m×0.13m，吃水6.3cm，金属材质制作。
(2)海环境模拟设施：造波水池，可模拟0～3级海情，规则波、PM谱、JP谱粗糙海面；为了避免波束照射到池岸和造波/消波设施，以及降低水池波浪的池壁效应对船模运动的影响，在水池四周分别设定了2.5m～4m宽度的测试缓冲区。
(3)射频分系统：如图2所示，设置8362B PNA矢量网络分析仪、微波放大器、定向耦合器、低副瓣对角喇叭收发天线，用于射频信号发射及目标回波信号接收，可实现2GHz～67GHz频段的幅相测试，天线波束宽度30°，系统动态范围120dB，接收机灵敏度-100dBm，矢量幅度稳定度<0.06dB，扫频速度26μs/点。
(4)扫描架分系统：设置扫描架基座、导轨及扫描牵引动力装置，用于放置并带动射频分系统进行等间隔步进运动，每步进一个间隔对目标进行一次宽带扫频测量；扫描架导轨有效运动长度3m，最小步进间隔1cm，定位精度0.2mm，运动速度(5～20)mm/s。
(5)目标直线运动模拟装置：设置牵引动力装置(如卷扬机)、牵引工装(如滑轮组)、制动工装(如滑轮组)、绳索、接口工装，用于带动目标匀速直线运动，并保证目标运动过程中不偏迹，且采用转动灵活的接口连接拖曳绳索和船模以降低牵引对船模随波浪晃动的约束。
(6)姿态测量传感器：为带防水外壳、可无线连接、微型的姿态角测量装置，用于实时获取并记录运动过程中目标姿态信息，可测量三轴速度、加速度及角度、角速度，动态测角精度0.05°。
(7)计算机与软件分系统：设置计算机、测试及处理软件、路由器，实现对测试设备的自动化控制、数据采集、保存与处理。
本例中实施海面动目标SAR成像模拟试验的测试方法，包括以下步骤：
步骤1：船模准备
首先利用厚泡沫板和配重砝码对船模进行浮力、重心高度、质量分布调整，并将姿态测量传感器固定在近船模重心的位置，使得改造后的船模能平稳地漂浮于水面，且吃水深度满足要求；然后，利用圆形接口将船模的首尾两端与拖曳绳索灵活连接。
步骤2：测试设备准备
根据试验要求，设置各测试设备的测量参数：天线高度h＝3m，测试距离R0＝8.77m，入射角θ＝70°，目标姿态(船侧正对天线)，扫频范围13GHz～18GHz，VV极化，距离向条带宽度Dr＝4.59m，方位向扫描波束宽度Dcr＝4.59m，天线有效行程Le＝Ls＝3m(Ls为扫描架有效行程)，径向分辨率δr＝c/(2B·sinθ)＝0.0319m(c＝108为光速)，横向分辨率δcr≈λR0/(2Le)＝0.0283m(λ为波长)，天线扫描间隔Δcr＝1cm，扫频间隔20MHz，天线移动速度va＝0.01m/s，船模移动速度vt＝0.05m/s。
步骤3：舰船目标平动模拟
利用目标直线运动模拟装置带动船模按照预定轨迹、预定速度vt匀速运动。
步骤4：舰船目标随波浪晃动模拟
待船模直线运动平稳后，启动造波机造PM谱，2级缩比海情的波浪，波浪驱动船模随机晃动。
步骤5：海面舰船运动姿态模拟测量
在船模进入稳定的运动状态后，启动姿态测量传感器获取并记录船模前行过程中的运动姿态信息；按照表1所示船模与实船各物理量之间的换算关系，可推得相应的实船的运动特性。
步骤6：海面舰船复合散射特性模拟测量
如图3所示，利用扫描架分系统带动射频分系统，以速度为va进行匀速直线运动，每步进一次对船模进行一次宽带扫频测量，并且测试天线在运动过程中不断调整对目标照射角度，以确保目标全照射，直到完成预定扫描范围，获得数据为二维回波信号V(k,y)。
步骤7：复合散射数据相对定标
采用相对定标法对水面船模散射回波信号进行定标、时域滤波处理，获取水面船模二维复合散射矢量为
式中，为定标体标量RCS；V(k,y)为目标与海面复合散射回波信号；V0(k)和VB(k)分别为定标体回波信号及定标体背景回波信号。以龙波球为定标体，具体定标体测量在微波暗室内进行，系统参数设置和测试状态与造波池测量状态相同，首先将定标体置于转台15中心并与天线对准(标记16为转台控制驱动器)，对定标体进行单次扫频测量获得数据V0(k)；然后取走定标体，对定标体测试背景进行单次扫频测量，获得数据VB(k)。
步骤8：近场聚束式SAR成像处理
采用近场校正成像处理技术，对造波池内水面船模复合聚束式SAR测试数据进行成像处理，具体成像处理公式为
式中，(xt,yt,zt)为目标散射中心坐标估计值；R0为合成孔径中心时刻测试天线与目标中心之间的斜距；(R0,ya,h)为天线中心坐标值；h为天线高度；R为天线与目标的瞬时斜距；c为电磁传播速度；B为扫频带宽；kB为宽带扫频信号对应波数；ls为天线与目标运动轨迹；F(k+kmin,yt)为目标频域回波信号，kmin＝2fmin/c表示宽带扫频测量信号中最低频率fmin对应的波数；为散射中心散射矢量，le表示天线有效行程，dl为天线步进间隔；G为天线方向图函数。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种海背景下动目标SAR成像模拟测试系统，其特征在于，包含：
造波水池，为放置于其中的船模模拟海环境；
目标直线运动模拟装置，带动作为目标的船模匀速直线运动；
姿态测量传感器，实时获取并记录运动过程中的目标姿态信息；
射频分系统，进行射频信号发射及目标回波信号接收；
扫描架分系统，放置并带动所述射频分系统进行等间隔步进运动，每步进一个间隔使用所述射频分系统对目标进行一次宽带扫频测量。
2.如权利要求1所述海背景下动目标SAR成像模拟测试系统，其特征在于，
所述船模是与实船保持几何相似、质量分布相似、动力相似的舰船缩比模型，且模型表层为金属材质，满足目标运动特性和电磁特性缩比测量原理的要求。
3.如权利要求1所述海背景下动目标SAR成像模拟测试系统，其特征在于，
所述造波水池设有造波机及消波器，实现对低、中、高缩比海情，规则波、PM谱、JP谱粗糙海面的模拟。
4.如权利要求1所述海背景下动目标SAR成像模拟测试系统，其特征在于，
所述射频分系统包含矢量网络分析仪、微波放大器、定向耦合器、收发天线；所述扫描架分系统包含扫描架基座、导轨及扫描牵引动力装置。
5.如权利要求1所述海背景下动目标SAR成像模拟测试系统，其特征在于，
所述目标直线运动模拟装置包含牵引动力装置、牵引工装、制动工装，所述牵引工装及制动工装通过拖曳绳索分别与船模的首尾两端连接，所述拖曳绳索通过可转动的接口与船模连接。
6.如权利要求1所述海背景下动目标SAR成像模拟测试系统，其特征在于，
所述姿态测量传感器是基于动态卡尔曼滤波的多轴姿态角测量装置。
7.如权利要求1所述海背景下动目标SAR成像模拟测试系统，其特征在于，
进一步包含计算机与软件分系统，实现对系统其他设备的自动化控制、数据采集保存与处理。
8.一种海背景下动目标SAR成像模拟测试方法，其特征在于，
目标直线运动模拟装置带动船模在造波水池内按照预定轨迹、预定速度vt匀速运动；待船模直线运动平稳后，通过造波水池形成预定谱型、海情的波浪，波浪驱动船模随机晃动，船模经过缓冲后进入稳定的运动状态；
利用船模上的姿态测量传感器获取并记录船模前行过程中的运动姿态信息；根据船模运动特性缩比测量原理，按照船模与实船各物理量之间的换算关系，推得相应的实船运动特性；
利用扫描架分系统带动射频分系统以速度va进行匀速直线运动，每步进一次使用射频分系统对船模进行一次宽带扫频测量，并且测试天线在运动过程中不断调整对目标照射角度，以确保目标全照射，直到完成预定扫描范围，获得数据为二维回波信号V(k,y)，一维随频率k变化，一维随天线横向位置y变化；
采用相对定标法对水面船模散射回波信号进行定标、时域滤波处理，获取水面船模二维复合散射矢量为
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式中，为标准体标量RCS；V(k,y)为目标与海面复合散射回波信号；V0(k)和VB(k)分别为标准体回波信号及标准体背景回波信号；
采用近场校正成像处理技术，对造波池内水面船模复合聚束式SAR测试数据进行成像处理：通过拟合天线运动轨迹，修正近场成像测量中球面波前引入的相位误差；通过引入天线方向图函数G，修正天线对目标各散射中心照射强度不同引入的误差；通过引入空间距离因子R，修正各散射中心近场空间衰减不同引入的差别，从而获取近场聚束式SAR成像结果，对应的成像处理公式为
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式中，(xt,yt,zt)为目标散射中心坐标估计值；R0为合成孔径中心时刻测试天线与目标中心之间的斜距；(R0,ya,h)为天线中心坐标值；h为天线高度；c为电磁传播速度；B为扫频带宽；kB为宽带扫频信号对应波数；ls为天线与目标运动轨迹；F(k+kmin,yt)为目标频域回波信号，kmin＝2fmin/c表示宽带扫频测量信号中最低频率fmin对应的波数，c为电磁波速度；为散射中心散射矢量，le表示天线有效行程，dl为天线步进间隔。
9.如权利要求8所述海背景下动目标SAR成像模拟测试方法，其特征在于，
在微波暗室内或造波水池上对标准体测量以获取V0(k)和VB(k)，且系统参数设置和测试状态应与试验测量状态相同；
其中，将标准体置于转台中心并与天线对准，对标准体进行单次扫频测量获得数据V0(k)；然后取走标准体，对标准体测试背景进行单次扫频测量，获得数据VB(k)。
10.如权利要求8所述海背景下动目标SAR成像模拟测试方法，其特征在于，
船模准备时，通过轻质材料和配重砝码对船模进行浮力、重心高度、质量分布的调整，并将姿态测量传感器固定在与船模重心接近的位置，将船模的首尾两端通过可转动的接口与拖曳绳索连接；
以及，根据试验要求，调整造波参数、扫描架分系统的高度、平台运动及控制参数、射频分系统测试参数、船模运动牵引参数及姿态数据采集参数。
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