基于最优时间选择技术的机动舰船目标三维干涉逆合成孔径雷达成像算法

《Journal of Systems Engineering and Electronics》：Three-dimensional InISAR imaging algorithm for ship targets with maneuvering motion based on the optimal time selection technique

本文针对高海况下舰船目标三维转动导致成像投影平面时变、二维图像质量下降等问题，提出了一种基于最优时间选择技术的三维干涉逆合成孔径雷达(InISAR)成像算法。通过提取不同时刻二维图像的舰船中心线斜率和多普勒宽度，估计有效旋转矢量变化并筛选最优成像时段，结合图像熵(IE)和图像对比度(IC)双准则确定相干处理间隔(CPI)，在避免多维参数搜索的同时显著降低计算复杂度。仿真实验表明该方法能有效获取舰船目标的高分辨率三维重建结果，为复杂海况下非合作目标识别提供技术支撑。

　　

在浩瀚的海洋监测与目标识别领域，逆合成孔径雷达（ISAR）技术如同"火眼金睛"，能够获取非合作目标的二维投影信息。然而传统ISAR成像存在固有局限——无法提取目标的高度信息，如同只能看到物体的影子却无法感知其立体形态。这一缺陷在舰船监测中尤为突出，因为舰船在波涛汹涌的海面上会产生复杂的三维转动（横摇、纵摇和偏航），导致多普勒频率时变，成像投影平面（IPP）不断变化，严重影响了成像质量。

干涉逆合成孔径雷达（InISAR）技术应运而生，它通过分布式雷达接收的回波进行相位干涉处理，能够获取目标沿基线方向的坐标信息，成功突破了传统二维成像的局限。但在高海况条件下，舰船的剧烈机动运动使得方位信号呈现出高阶相位特性，若直接采用传统的距离-多普勒（RD）算法会导致图像散焦，而现有的参数估计算法虽然能提高成像质量，却不可避免地带来了计算复杂度的急剧增加。这一矛盾成为制约三维InISAR技术实际应用的瓶颈。

针对这一挑战，哈尔滨工业大学的杨俊婷和王勇教授在《Journal of Systems Engineering and Electronics》上发表了一项创新性研究，提出了一种基于最优时间选择技术的三维InISAR成像算法。该研究的核心思想颇具巧思：既然舰船在长时间观测过程中存在相对平稳的运动时段，那么只要精准捕捉这些"黄金成像时刻"，就能在保证成像质量的同时大幅降低处理难度。

研究人员采用的主要技术方法包括：首先对长时间接收的雷达回波进行分段RD成像处理；然后通过最小二乘法（LSM）提取各时刻二维图像的舰船中心线斜率和多普勒宽度，据此估计有效旋转矢量变化规律；接着建立基于图像熵和图像对比度的双准则评价体系，筛选最优成像时刻和相干处理间隔；最后对选定时段的数据进行三维InISAR成像处理。整个技术路线避免了复杂的高阶参数估计，显著提高了运算效率。

有效旋转矢量估计原理

通过建立舰船三维转动与成像投影平面的数学关系，研究发现IPP的方向垂直于有效旋转矢量ω_e。当垂直旋转矢量ω_v达到极值而水平旋转矢量ω_h接近零时，ω_e方向接近V轴，IPP近似顶视图；反之则近似侧视图。这一发现为通过二维图像特征反推IPP变化提供了理论依据。

最优时间选择准则

研究提出了双重选择标准：以多普勒宽度最大、舰船中心线斜率绝对值较大且变化平稳的时刻作为最优成像时刻，此时方位分辨率较高且IPP呈现以顶视图为主的混合视角，有利于获取更多目标特征。同时，联合使用图像熵和图像对比度确定最优CPI长度，当IE最小且IC最大时对应的数据段最能满足高质量三维重建需求。

实验验证与性能分析

通过三组对比实验充分验证了算法的有效性。实验1表明，随机选择成像时段（t₁）会导致二维图像严重散焦，三维重建出现散射点缺失；而采用最优时间选择（t₂）则能清晰呈现目标轮廓。实验2显示，多普勒宽度较小的时段（t₃）由于方位维散射点遮挡严重，三维成像结果出现大量虚警点；而优化时段（t₄）能准确重建目标。实验3特别验证了IPP视角选择的重要性：侧视图（t₆）会丢失甲板等水平信息，而以顶视图为主的混合视角（t₅）能提供更完整的三维信息。

计算复杂度分析

与基于粒子群优化（PSO）的参数估计算法相比，本算法将计算复杂度从O(16L_maxN_aNM)降低到O(7n₁NM)，其中L_max为最大迭代次数（2200），N_a为粒子数（26），n₁为生成的RD图像数量（9872）。这种计算效率的提升使得算法更适用于实际应用场景。

该研究的创新价值在于巧妙地将"时机选择"这一概念引入三维InISAR成像领域，通过物理特征引导的数据筛选策略，在保证成像质量的前提下实现了计算效率的质的飞跃。研究中建立的最优时间选择准则不仅适用于舰船目标，也为其他机动目标的雷达成像提供了新思路。

尤为重要的是，该技术能够有效应用于高海况下非合作舰船目标的三维重建，为关键海域的船舶监测与预警提供了可靠的技术手段。仿真实验所采用的参数与实际场景高度吻合，进一步证明了该方法的工程实用价值。未来，随着雷达硬件技术的不断发展，这种基于智能数据筛选的成像思路有望在更广泛的遥感监测领域发挥重要作用。