基于干涉逆合成孔径雷达的海上船只监控系统
张昊宇
摘 要：基于调频连续波（FMCW）技术的干涉逆合成孔径雷达（InISAR）可以做到对目标的全天候、全天时自动成像监控，这相对于传统的光学红外成像具有不可比拟的优势。由于InISAR系统结构复杂，大部分研究工作仍基本处于理论分析与暗室实验阶段。本文公布了首台可用于实际监测的InISAR雷达系统结构与对船成像实测结果。
关键词：干涉逆合成孔径雷达；调频连续波；船只监测
中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0038-02
海洋防御体系中最重要的一环是对海上船只的探测和识别，它相当于防御体系的“眼睛”，能够第一时间发现敌方行动。海事预警雷达只能侦测到船只位置却无法对其成像，因而无法做到对船只的自动鉴别，即只能“探测”而不能“识别”。目前能够对海上船只进行成像的方法只有基于成像传感器：光学成像传感器可以清晰准确地识别目标，但受到恶劣天气的影响较大；红外成像传感器可以克服天气的影响但分辨率低且距离短。海面监测的最终目标是可以实现全天候、全自动的海上船只监测，能够探测出船只的速度、位置、三维体积等信息，并能够做到自动识别。目前在所有的技术中，有潜力完成这一目标的只有基于合成孔径雷达（SAR）/逆合成孔径雷达（ISAR）的成像手段。然而传统的ISAR只能够对船体进行二维成像，由于无法获取船只的高度信息，这不利于船体的自动识别。基于干涉逆合成孔径雷达（InISAR）的方法是对传统ISAR的改进，通过多天线系统对回波信号进行干涉处理获取船体高度信息，这对于海上船只监测与自动识别具有重大意义。
1干涉逆合成孔径雷达系统简介
1.1成像算法
目前提出的InISAR雷达架构主要有双天线架构，三天线L型架构，多天线架构。其中三天线L型架构是一种经典架构，该架构在垂直维和水平维放置天线，持续发射并接收电磁波信号，通过对发射脉冲压缩获取距离维高分辨率，并计算目标上每一个分辨率单元对三个天线的相位差获取散射点的水平和高度信息，共同构建目标的三维图像。假设三天线L型雷达拥有A、B、C三个天线，其中A天线是收发共用天线。分别建立雷达坐标系（A， X， Y， Z）和目标坐标系（O， x， y， z），其中目标任意一点的位置为（O， xp， yp， zp）。假设雷達发射信号[1-2]为S = rect （ ） exp （ j2π （fc t + γtq2/2）），其中rect为矩形幅值，fc为载频，Tp为发射信号的宽度，γ 是线性调频系数，tq为快时间。由于高频区目标可以看做多个点目标散射的集合，这里假设目标由Np个散射点构成，Ai为每个点的散射强度。则A，B，C三个天线接收到的信号分别为：
1.2 系统结构参数
InISAR雷达技术目前仍处于研发阶段，在国内仍处于理论建模分析阶段，对于外场的实测数据非常少，而本文提出的InISAR雷达已经可以应用于外场测试。该雷达基于调频连续波技术（FMCW），可以大幅度地降低雷达的体积和重量，降低发射功率，提高近距离目标的探测成功率，并可以极大地抑制海杂波对反射信号的影响。
该型号雷达的参数如下，中心频率9.6 GHz （X波段）； 带宽可调到 300 MHz； 距离分辨率可调至 0.5 m； 天线类型为双极化平板天线（极化模式）或垂直极化平板天线 （干涉模式）；天线长度0.5 m；扫描角度40°；增益13 dB；旁瓣增益-13 dB；极化方式为线极化；极化为水平（ H ）/垂直（V）极化；收发隔离> 80 dB；发射功率可调到5 W （CW） ；PRF可调到 10 KHz； 最大/最小工作距离为10Km/5m；同步方式为相位时间双同步； 工作温度-20°C到 +80°C；数据接口为GbE；供电需求为220VAC；远程控制方式为TCP/IP；显示方式为点云构成目标轮廓。
2 对船成像结果
2.1 系统工作模式
该型号InISAR雷达可以工作在全极化模式和干涉模式两种模式，当工作在干涉模式下，其中一个天线（T）发射垂直极化（V）电磁波信号，另外三个天线 （R1，R2，R3）接收垂直极化（VV）的反射信号，一共形成三个通道的接收信号（TR1，TR2，TR3）。这四个天线呈正方形排列，分别位于正方形的四个顶点，当然，每一个天线都具有发射和接收信号的功能，因此按照发射顺序不同，可以形成四种模式。其中横向的接收模式TR1与船体的二维尺寸探测密切相关，而TR2则与船体的高度密切相关。TR1和TR2分别代表了船体的水平和垂直基线。而TR3的回波信号，目前尚未做进一步处理，我们根据经验简单判断TR3信号可以分解为垂直基线方向和水平基线方向，但背后可能孕育着更丰富的信息，我们将在未来的工作中予以特别的分析。
2.2 成像结果
该型号InISAR雷达全极化模式下的雷达成像示意图如图1所示。图1左上是发射和接收垂直波时的雷达图像（VV），反映了来自船舶的垂直结构的信息，右上是当发射和接收水平波时的雷达图像（HH），反映了来自船舶的水平结构的信息。左下图是发射垂直波接收水平波时的雷达图像，而右下图像是相反的。当使用交叉极化采集数据时，雷达回波强度明显减小。而强度信息勾勒出了船体的高程信息，即提供了船只的整体三维图像。此外，这四幅图均提供了船体的速度（横坐标，约4.5km/s）与距离信息（纵坐标，约3.1km远）。
3 结论
本文公布基于InISAR雷达对船监测系统的结构，成像算法以及对船成像的实测结果。 基于该系统的InISAR雷达可以对船只做到全天候，全天时，全自动的监控与分类，这对于民用领域的船只分类与管理提供了强大而可靠的技术支撑。
参考文献：
[1] 保铮，邢孟道，王彤.雷达成像技术[M].北京：电子工业出版社，2005.
[2] 张冬晨.InISAR三维成像的关键技术研究[D]. 合肥：中国科学技术大学2009.
本文为基金项目：浙江海洋大学科研启动经费资助，No.21045012815
摘 要：基于调频连续波（FMCW）技术的干涉逆合成孔径雷达（InISAR）可以做到对目标的全天候、全天时自动成像监控，这相对于传统的光学红外成像具有不可比拟的优势。由于InISAR系统结构复杂，大部分研究工作仍基本处于理论分析与暗室实验阶段。本文公布了首台可用于实际监测的InISAR雷达系统结构与对船成像实测结果。
关键词：干涉逆合成孔径雷达；调频连续波；船只监测
中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0038-02
海洋防御体系中最重要的一环是对海上船只的探测和识别，它相当于防御体系的“眼睛”，能够第一时间发现敌方行动。海事预警雷达只能侦测到船只位置却无法对其成像，因而无法做到对船只的自动鉴别，即只能“探测”而不能“识别”。目前能够对海上船只进行成像的方法只有基于成像传感器：光学成像传感器可以清晰准确地识别目标，但受到恶劣天气的影响较大；红外成像传感器可以克服天气的影响但分辨率低且距离短。海面监测的最终目标是可以实现全天候、全自动的海上船只监测，能够探测出船只的速度、位置、三维体积等信息，并能够做到自动识别。目前在所有的技术中，有潜力完成这一目标的只有基于合成孔径雷达（SAR）/逆合成孔径雷达（ISAR）的成像手段。然而传统的ISAR只能够对船体进行二维成像，由于无法获取船只的高度信息，这不利于船体的自动识别。基于干涉逆合成孔径雷达（InISAR）的方法是对传统ISAR的改进，通过多天线系统对回波信号进行干涉处理获取船体高度信息，这对于海上船只监测与自动识别具有重大意义。
1干涉逆合成孔径雷达系统简介
1.1成像算法
目前提出的InISAR雷达架构主要有双天线架构，三天线L型架构，多天线架构。其中三天线L型架构是一种经典架构，该架构在垂直维和水平维放置天线，持续发射并接收电磁波信号，通过对发射脉冲压缩获取距离维高分辨率，并计算目标上每一个分辨率单元对三个天线的相位差获取散射点的水平和高度信息，共同构建目标的三维图像。假设三天线L型雷达拥有A、B、C三个天线，其中A天线是收发共用天线。分别建立雷达坐标系（A， X， Y， Z）和目标坐标系（O， x， y， z），其中目标任意一点的位置为（O， xp， yp， zp）。假设雷達发射信号[1-2]为S = rect （ ） exp （ j2π （fc t + γtq2/2）），其中rect为矩形幅值，fc为载频，Tp为发射信号的宽度，γ 是线性调频系数，tq为快时间。由于高频区目标可以看做多个点目标散射的集合，这里假设目标由Np个散射点构成，Ai为每个点的散射强度。则A，B，C三个天线接收到的信号分别为：
1.2 系统结构参数
InISAR雷达技术目前仍处于研发阶段，在国内仍处于理论建模分析阶段，对于外场的实测数据非常少，而本文提出的InISAR雷达已经可以应用于外场测试。该雷达基于调频连续波技术（FMCW），可以大幅度地降低雷达的体积和重量，降低发射功率，提高近距离目标的探测成功率，并可以极大地抑制海杂波对反射信号的影响。
该型号雷达的参数如下，中心频率9.6 GHz （X波段）； 带宽可调到 300 MHz； 距离分辨率可调至 0.5 m； 天线类型为双极化平板天线（极化模式）或垂直极化平板天线 （干涉模式）；天线长度0.5 m；扫描角度40°；增益13 dB；旁瓣增益-13 dB；极化方式为线极化；极化为水平（ H ）/垂直（V）极化；收发隔离> 80 dB；发射功率可调到5 W （CW） ；PRF可调到 10 KHz； 最大/最小工作距离为10Km/5m；同步方式为相位时间双同步； 工作温度-20°C到 +80°C；数据接口为GbE；供电需求为220VAC；远程控制方式为TCP/IP；显示方式为点云构成目标轮廓。
2 对船成像结果
2.1 系统工作模式
该型号InISAR雷达可以工作在全极化模式和干涉模式两种模式，当工作在干涉模式下，其中一个天线（T）发射垂直极化（V）电磁波信号，另外三个天线 （R1，R2，R3）接收垂直极化（VV）的反射信号，一共形成三个通道的接收信号（TR1，TR2，TR3）。这四个天线呈正方形排列，分别位于正方形的四个顶点，当然，每一个天线都具有发射和接收信号的功能，因此按照发射顺序不同，可以形成四种模式。其中横向的接收模式TR1与船体的二维尺寸探测密切相关，而TR2则与船体的高度密切相关。TR1和TR2分别代表了船体的水平和垂直基线。而TR3的回波信号，目前尚未做进一步处理，我们根据经验简单判断TR3信号可以分解为垂直基线方向和水平基线方向，但背后可能孕育着更丰富的信息，我们将在未来的工作中予以特别的分析。
2.2 成像结果
该型号InISAR雷达全极化模式下的雷达成像示意图如图1所示。图1左上是发射和接收垂直波时的雷达图像（VV），反映了来自船舶的垂直结构的信息，右上是当发射和接收水平波时的雷达图像（HH），反映了来自船舶的水平结构的信息。左下图是发射垂直波接收水平波时的雷达图像，而右下图像是相反的。当使用交叉极化采集数据时，雷达回波强度明显减小。而强度信息勾勒出了船体的高程信息，即提供了船只的整体三维图像。此外，这四幅图均提供了船体的速度（横坐标，约4.5km/s）与距离信息（纵坐标，约3.1km远）。
3 结论
本文公布基于InISAR雷达对船监测系统的结构，成像算法以及对船成像的实测结果。 基于该系统的InISAR雷达可以对船只做到全天候，全天时，全自动的监控与分类，这对于民用领域的船只分类与管理提供了强大而可靠的技术支撑。
参考文献：
[1] 保铮，邢孟道，王彤.雷达成像技术[M].北京：电子工业出版社，2005.
[2] 张冬晨.InISAR三维成像的关键技术研究[D]. 合肥：中国科学技术大学2009.
本文为基金项目：浙江海洋大学科研启动经费资助，No.21045012815
