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        空間自旋目標(biāo)寬帶雷達(dá)干涉三維成像方法

        2017-11-17 10:08:18孫玉雪羅迎張群林永照陳春暉
        航空學(xué)報(bào) 2017年4期

        孫玉雪, 羅迎, 張群,3, 林永照, 陳春暉

        1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院, 西安 710077

        2.信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 西安 710077

        3.西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710071

        空間自旋目標(biāo)寬帶雷達(dá)干涉三維成像方法

        孫玉雪1,2,*, 羅迎1,2, 張群1,2,3, 林永照1, 陳春暉1

        1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院, 西安 710077

        2.信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 西安 710077

        3.西安電子科技大學(xué) 雷達(dá)信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710071

        空間目標(biāo)三維成像可為目標(biāo)的特征提取、分類與識(shí)別提供重要依據(jù)?;贚型三天線干涉成像原理,提出了一種寬帶雷達(dá)條件下空間自旋目標(biāo)干涉三維成像方法。首先,分析了雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)條件下,空間自旋目標(biāo)在距離-慢時(shí)間平面上的成像特點(diǎn),建立了基于距離-慢時(shí)間平面的空間自旋目標(biāo)干涉三維成像模型;其次,針對建立的干涉三維成像模型中,不同散射點(diǎn)的回波在距離-慢時(shí)間平面上會(huì)相互交疊的問題,對回波曲線分離、交叉點(diǎn)處理以及一維距離旁瓣的影響等進(jìn)行了討論,并給出了解決方法,從而獲得目標(biāo)三維圖像。與已有方法相比,該方法可有效克服單基雷達(dá)三維成像無法獲得目標(biāo)各散射點(diǎn)真實(shí)三維位置以及在雙/多基雷達(dá)三維成像時(shí)多部雷達(dá)回波聯(lián)合處理較困難的問題。最后,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

        自旋目標(biāo); 干涉技術(shù); 雷達(dá)成像; 寬帶雷達(dá); 線性調(diào)頻信號(hào); 一維距離像

        空間目標(biāo)探測與識(shí)別技術(shù)一直以來都是世界各國研究的熱點(diǎn)。由于空間目標(biāo)大都具有自旋、錐旋、翻滾、進(jìn)動(dòng)等多種微動(dòng)形式,因此基于微動(dòng)特征提取的空間目標(biāo)識(shí)別技術(shù)得到了廣泛研究[1-3]。自旋作為微動(dòng)形式的一種,通過分析目標(biāo)自旋引起的回波調(diào)制特征,反演目標(biāo)上散射點(diǎn)的空間三維分布和三維微動(dòng)參數(shù),可為目標(biāo)的分類與識(shí)別提供重要依據(jù)[4-6]。

        現(xiàn)有的空間目標(biāo)三維成像技術(shù),主要有基于單基雷達(dá)的三維成像技術(shù)和基于雙/多基雷達(dá)的三維成像技術(shù)[7]。文獻(xiàn)[8]提出在單基雷達(dá)下用匹配濾波方法對太空碎片進(jìn)行三維成像;文獻(xiàn)[9]研究了自旋目標(biāo)回波在距離-慢時(shí)間域的性質(zhì),提出了基于寬帶復(fù)數(shù)后向投影的三維成像算法;文獻(xiàn)[10]提出了基于雙基雷達(dá)構(gòu)型的自旋目標(biāo)三維圖像定標(biāo)方法;文獻(xiàn)[11-12]提出了基于T/R-R結(jié)構(gòu)雙基雷達(dá)的進(jìn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)估計(jì)方法。當(dāng)采用單基雷達(dá)對自旋目標(biāo)進(jìn)行三維成像時(shí),由于僅能獲得目標(biāo)的徑向觀測信息,因此無法確定散射點(diǎn)的真實(shí)三維空間位置,且需要利用目標(biāo)微多普勒信號(hào)為正弦調(diào)頻(Sinusoidal Frequency Modulation,SFM)信號(hào)這一先驗(yàn)信息,對于復(fù)雜微動(dòng)目標(biāo)并不適用。當(dāng)采用雙/多基雷達(dá)對自旋目標(biāo)進(jìn)行三維成像時(shí),受限于目標(biāo)上散射中心的各向異性以及散射點(diǎn)相互之間的遮擋效應(yīng),算法復(fù)雜,且不利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

        近年來,針對惰性剛體運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的干涉式逆合成孔徑雷達(dá)(Interferometric Inverse Synthetic Aperture Radar,InISAR)成像技術(shù)已經(jīng)得到了較為深入的研究[13-15]。其基本原理是通過逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)成像分離目標(biāo)上不同位置的散射點(diǎn),再利用干涉處理方法得到散射點(diǎn)的三維分布,獲取目標(biāo)的實(shí)際尺寸。對于空間自旋目標(biāo),受限于雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF),在ISAR成像所需小轉(zhuǎn)角內(nèi)的有效回波數(shù)量往往很少,使得傳統(tǒng)的ISAR成像效果不理想,無法有效區(qū)分不同散射點(diǎn),從而影響對散射點(diǎn)的干涉處理,因此現(xiàn)有InISAR成像方法無法實(shí)現(xiàn)對空間自旋目標(biāo)的有效三維成像。然而,在雷達(dá)發(fā)射寬帶信號(hào)條件下,自旋引起的調(diào)制特征差異使得各散射點(diǎn)回波在距離-慢時(shí)間平面上表現(xiàn)為不同的自旋曲線,據(jù)此可以有效區(qū)分不同散射點(diǎn)的回波,從而提取各散射點(diǎn)回波相位來實(shí)現(xiàn)干涉三維成像。因此,本文將InISAR中干涉成像的思路引入到空間自旋目標(biāo)三維成像技術(shù)研究中,基于L型分布三天線結(jié)構(gòu),提出了自旋目標(biāo)三維干涉成像方法,在距離-慢時(shí)間平面,對不同散射點(diǎn)的自旋曲線進(jìn)行干涉處理,獲得干涉相位差,并根據(jù)該干涉相位差與散射點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系,對散射點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行重構(gòu),實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)刻對散射點(diǎn)的三維成像,有效克服了單基雷達(dá)成像無法獲得目標(biāo)上各散射點(diǎn)真實(shí)位置和雙/多基雷達(dá)成像中多部雷達(dá)回波聯(lián)合處理困難的問題。仿真實(shí)驗(yàn)表明該算法能夠準(zhǔn)確獲得散射點(diǎn)的三維分布信息。

        1 空間自旋目標(biāo)干涉三維成像模型

        三天線干涉成像系統(tǒng)模型如圖1所示,收發(fā)一體的天線A以及接收天線B、C分別位于雷達(dá)坐標(biāo)系XYZ的(0,0,0)、(L,0,0)和(0,0,L)處,構(gòu)成兩對相互垂直的基線,基線長度為L。

        目標(biāo)參考點(diǎn)O在雷達(dá)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X,Y,Z),數(shù)據(jù)錄取初始時(shí)刻的坐標(biāo)為(XO,YO,ZO)。以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立兩個(gè)坐標(biāo)系:一是目標(biāo)坐標(biāo)系xyz,是為描述目標(biāo)在三維空間中的轉(zhuǎn)動(dòng)而建立的,隨目標(biāo)在三維空間中的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng);二是參考坐標(biāo)系UVW,坐標(biāo)軸在任意時(shí)刻都分別與雷達(dá)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸保持平行,隨目標(biāo)中心的平動(dòng)而整體平動(dòng)。它們之間的關(guān)系由歐拉角和歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣確定[16]。

        圖1 三天線干涉成像系統(tǒng)與三維自旋目標(biāo)幾何關(guān)系圖
        Fig.1 Geometry of three-antenna interferometric imaging system and 3D rotating targets

        (1)

        (2)

        P點(diǎn)到天線A、B、C的距離分別為RAP、RBP和RCP,O點(diǎn)到天線A、B、C的距離分別為RAO、RBO和RCO,M1、M2分別為AB、AC的中點(diǎn),P到M1、M2的距離分別為RM1、RM2。

        假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation,LFM)脈沖信號(hào),發(fā)射信號(hào)表示為

        (3)

        采用解線頻調(diào)方法對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,設(shè)參考距離為Rref。為了簡化分析,本文采用三天線分別選取各自參考距離的方法進(jìn)行解線頻調(diào),即RrefA=RAO,RrefB=RBO,RrefC=RCO,此時(shí)可實(shí)現(xiàn)各天線所獲得圖像的精確配準(zhǔn)。對于天線A有

        (4)

        (5)

        式中:R0為起始時(shí)刻P點(diǎn)到A天線的距離;v為目標(biāo)的平動(dòng)速度。

        將解線頻調(diào)脈壓處理后的差頻回波對快時(shí)間(以參考點(diǎn)的時(shí)間為基準(zhǔn))進(jìn)行傅里葉變換,天線A 得到的回波數(shù)據(jù)為

        (6)

        式中:c為波速;RΔAP(tm)=RAP(tm)-RAO(tm);σP為P點(diǎn)的散射系數(shù)。將式(6)中后兩個(gè)相位項(xiàng)即“剩余視頻相位”項(xiàng)和包絡(luò)“斜置”項(xiàng)消除后得到

        (7)

        同理,天線B和C的回波可分別表示為

        SBd(f,tm)=

        (8)

        SCd(f,tm)=

        (9)

        當(dāng)對式(7)取模值可得到散射點(diǎn)的一維距離像

        (10)

        其峰值位置位于f=-2μRΔAP(tm)/c處,從快時(shí)間頻率-慢時(shí)間平面(即f-tm平面,由于f通過距離標(biāo)定可以轉(zhuǎn)化為徑向距離,因此該平面也可稱為距離-慢時(shí)間平面)上看,距離像峰值呈現(xiàn)為隨RΔAP(tm)變化的曲線,經(jīng)過平動(dòng)補(bǔ)償[17-20]處理,RΔAP(tm)中只包含散射點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的距離變化,因此該曲線反映了散射點(diǎn)的自旋運(yùn)動(dòng)特征。因此,在寬帶雷達(dá)中,得益于寬帶雷達(dá)的距離高分辨力,可以從距離-慢時(shí)間平面來分析目標(biāo)自旋引起的回波調(diào)制效應(yīng)。由文獻(xiàn)[16]可知,RΔAP(tm)可表示為

        RΔAP(tm)=K+rPcos(Ωtm+θP)

        (11)

        式中:K為回波曲線在距離-慢時(shí)間平面的基線位置;rP為振幅,與散射點(diǎn)的自旋半徑有關(guān);θP為初始相位。因此,根據(jù)不同散射點(diǎn)的自旋半徑、初始相位等信息的不同,可在距離-慢時(shí)間平面將不同的散射點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。并且式(7)中的相位項(xiàng)正是可用于干涉處理的相位信息。因此,本文提出基于空間自旋目標(biāo)回波的距離-慢時(shí)間平面的干涉處理方法,既能有效實(shí)現(xiàn)多散射中心回波分離,也能保證準(zhǔn)確獲得干涉相位信息以用于三維坐標(biāo)重構(gòu)。

        對距離-慢時(shí)間平面的每個(gè)tm時(shí)刻回波信號(hào)分別進(jìn)行干涉處理,即可得到干涉相位差為

        (12)

        (13)

        式中:λ為波長。

        為保證不發(fā)生相位模糊,應(yīng)使得|ΔφAB(tm)|<π和|ΔφAC(tm)|<π。由目標(biāo)和天線的幾何關(guān)系可得散射點(diǎn)P在參考坐標(biāo)系UVW中U軸和W軸隨慢時(shí)間變化的坐標(biāo)分別為

        (14)

        (15)

        在遠(yuǎn)場條件下,散射點(diǎn)的縱向距離可由一維距離像結(jié)合雷達(dá)測距信息來獲得,再結(jié)合式(14)和式(15)即可獲得目標(biāo)的三維位置坐標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)對空間自旋目標(biāo)的三維成像。

        2 基于距離-慢時(shí)間平面的干涉處理

        由第1節(jié)的分析可知,由于自旋目標(biāo)上各散射點(diǎn)的自旋參數(shù)(如自旋半徑、初相等)存在差異,通過分析微動(dòng)引起的距離-慢時(shí)間平面的回波調(diào)制效應(yīng)可以分辨不同散射點(diǎn),并且用于干涉處理的相位信息得以有效保留,因此在寬帶雷達(dá)中可以構(gòu)建一種基于距離-慢時(shí)間平面的自旋目標(biāo)干涉式三維成像方法。在具體成像處理過程中,還需要考慮以下問題。

        2.1 散射點(diǎn)回波曲線分離

        由式(14)可知,由于不同散射點(diǎn)的RM1、RM2存在差異,利用干涉相位差對不同散射點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行重構(gòu)時(shí)需要將不同散射點(diǎn)回波進(jìn)行分離,單獨(dú)處理。

        s.t. 1≤xn≤M,1≤yn≤N,yn-yn-1>0,

        Sn>ζ,xn∈N,yn∈N

        (16)

        yn-yn-1>0保證搜索向著同一方向,ζ為設(shè)定的閾值,Sn>ζ保證只有幅值超過設(shè)定閾值的點(diǎn)才能成為候選點(diǎn)。在曲線交叉處,兩條或多條曲線重疊到同一個(gè)點(diǎn),當(dāng)用式(16)算法搜索下一個(gè)相鄰慢時(shí)間時(shí)刻的曲線位置時(shí),各條曲線會(huì)搜索到同一點(diǎn),匯集為一條曲線,為避免該問題,利用距離-慢時(shí)間平面曲線導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性,曲線上相鄰兩點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)差很小,且在較短時(shí)間內(nèi)曲線的變化趨勢基本不變,進(jìn)行交叉點(diǎn)處曲線的分離。設(shè)曲線在(xn-1,yn-1)點(diǎn)處交叉,利用交叉點(diǎn)之前n0個(gè)已經(jīng)分離出的曲線上的點(diǎn),計(jì)算相鄰點(diǎn)之間的導(dǎo)數(shù)并取平均,在每一個(gè)曲線交叉點(diǎn)處通過求解如下的最優(yōu)化模型即可搜索分離出該條曲線:

        s.t. 1≤xn≤M,1≤yn≤N,yn-yn-1>0,

        Sn>ζ,xn∈N,yn∈N

        (17)

        具體地,從距離-慢時(shí)間平面曲線骨架中提取各條曲線的算法步驟為

        步驟1初始化:令i=1,d=0,c1×N為零向量。

        步驟5判斷,當(dāng)d>D時(shí),終止曲線搜索,轉(zhuǎn)步驟8;當(dāng)d>D時(shí),令r′=[1 2 …M],轉(zhuǎn)步驟4。

        步驟6令

        然后轉(zhuǎn)步驟7。

        步驟7判斷:當(dāng)i

        步驟8將G個(gè)向量cip組成矩陣CG×N,CG×N中的每一行就構(gòu)成一條提取的曲線。

        由此可實(shí)現(xiàn)不同散射點(diǎn)回波曲線在距離-慢時(shí)間平面的分離。

        2.2 距離-慢時(shí)間平面“交叉點(diǎn)”的處理

        對于距離-慢時(shí)間平面上不同余弦曲線相互交叉的部分,由式(7)可以看出,直觀上表現(xiàn)為在慢時(shí)間tl時(shí)刻散射點(diǎn)具有相同的RΔ(tl),以兩散射點(diǎn)疊加為例,疊加信號(hào)應(yīng)表示為

        (18)

        可以看出,由于只有散射系數(shù)σ的疊加,并不影響各自用于干涉的相同的相位信息。但由于距離分辨率的限制,在同一距離分辨單元里,不同散射點(diǎn)之間仍然存在距離差,即散射點(diǎn)RΔ(tl)之間存在差異,式(18)并不成立。該距離差導(dǎo)致回波疊加時(shí)相位信息被破壞,使得干涉處理之后得到的散射點(diǎn)坐標(biāo)位置發(fā)生錯(cuò)誤,因此對于距離-慢時(shí)間平面中的不同曲線交叉部分無法直接對其進(jìn)行干涉處理,需將其剔除。

        由式(10)可知,一維距離像由sinc函數(shù)決定,曲線交叉處是多個(gè)sinc函數(shù)的主瓣相互交疊。sinc(a)函數(shù)第一零點(diǎn)在a=1處,對于天線A 距離-慢時(shí)間像,即

        (19)

        式中:-2μRΔ/c為峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率。因此,第一零點(diǎn)距峰值點(diǎn)頻率差為Δf=1/Tp,所占距離分辨單元數(shù)nx為

        (20)

        式中:Rresolution為距離分辨率。由于sinc函數(shù)主瓣能量較高,同樣會(huì)對干涉相位造成影響,因此對每一交叉點(diǎn)鄰近范圍進(jìn)行搜索,將同一慢時(shí)間時(shí)刻,散射點(diǎn)距離-慢時(shí)間平面曲線上的點(diǎn)之間的距離向分辨單元數(shù)之差d≤nx的點(diǎn)剔除。具體可在2.1節(jié)曲線分離的基礎(chǔ)上,搜索曲線之間每一慢時(shí)間時(shí)刻的行序號(hào)之差在剔除范圍之內(nèi)的點(diǎn),并對其進(jìn)行剔除處理。

        2.3 一維距離像旁瓣的影響分析

        一維距離像不可避免的存在旁瓣,旁瓣會(huì)對其他散射點(diǎn)的干涉相位造成一定影響。為分析旁瓣的影響,假設(shè)有兩散射點(diǎn)P和Q,P點(diǎn)和Q點(diǎn)在峰值處的一維距離信號(hào)可分別表示為

        sP=|AP|ejθ

        (21)

        sQ=|AQ|ejφ

        (22)

        式中:AP和AQ分別為點(diǎn)P和Q回波的幅度;θ和φ分別為點(diǎn)P和Q回波的相角。

        P點(diǎn)的第m級(jí)距離旁瓣可表示為

        sPm=ξejθ

        (23)

        式中:ξ為第m級(jí)距離旁瓣的幅值。當(dāng)其疊加到Q點(diǎn)回波信號(hào)峰值上時(shí),所在距離單元信號(hào)可表示為

        |AQ|ejφ·(1+κχ·ej(θ-φ))

        (24)

        式中:κ=ξ/|AP|;χ=|AP|/|AQ|。

        通過式(24)可見,當(dāng)疊加了距離旁瓣之后,旁瓣相對幅度κ、兩散射點(diǎn)幅值之比χ以及相位差(θ-φ)項(xiàng)都會(huì)對Q點(diǎn)相位產(chǎn)生影響,設(shè)疊加距離旁瓣之后Q點(diǎn)的相位為φ′。當(dāng)旁瓣不存在即κ=0時(shí),相位不發(fā)生改變。

        在某一慢時(shí)間時(shí)刻,假設(shè)φ=π/3,(θ-φ)在(-π,π)范圍內(nèi)變化,χ在(0,10]內(nèi)變化時(shí),相位改變量φ′-φ在第1旁瓣κ=-0.217 0、第5旁瓣κ=-0.057 9、第10旁瓣κ=-0.030 3處,隨(θ-φ)、χ的變化情況如圖2所示,可將該變化情況歸納如下:

        圖2 干涉相位改變量與幅值比和相位差的關(guān)系圖
        Fig.2 Relationship between interferometric phase change and amplitude ratio and phase difference

        1) 相位改變量φ′-φ隨(θ-φ)在(-π,π)的一個(gè)周期內(nèi)波動(dòng)變化,當(dāng)θ-φ=0時(shí),φ′-φ值達(dá)到極小值,此時(shí)趨于零。

        2) 除θ-φ=-π、0、π處,隨χ的增加,相位改變量逐漸增加。

        3) 第1級(jí)旁瓣范圍內(nèi)相位改變量最高,旁瓣級(jí)越高相位改變量逐漸降低。

        4) 在幅值比χ較低的情況下,一般當(dāng)χ<5時(shí),相位改變量趨于零。

        可以看出,由于一維距離旁瓣的影響,當(dāng)散射點(diǎn)回波之間幅值相差較大時(shí),強(qiáng)回波信號(hào)的旁瓣會(huì)對弱回波信號(hào)的相位造成較大影響;但當(dāng)幅值相差不大時(shí),旁瓣的影響較小,在一定誤差范圍內(nèi)可以將其忽略。當(dāng)兩天線進(jìn)行相位干涉時(shí),兩天線干涉相位改變量的隨機(jī)性以及在較短時(shí)間內(nèi)疊加旁瓣幅值的波動(dòng)變化性,使得疊加了距離旁瓣之后的干涉相位差在真實(shí)值附近隨機(jī)變化。

        綜上,對空間自旋目標(biāo)的三維成像流程圖可歸納如圖3。

        圖3 三維成像流程圖
        Fig.3 Flow chart of 3D imaging

        3 仿真校驗(yàn)

        3.1 兩散射點(diǎn)時(shí)

        采用圖1所示的三天線結(jié)構(gòu)對遠(yuǎn)場自旋運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行仿真分析。初始時(shí)刻目標(biāo)自旋中心位于雷達(dá)坐標(biāo)系的[0 500 0] km處,自旋角速度為ω=[2π 4π 2π]Trad/s,初始?xì)W拉角為[0 π/4 π/5] rad,仿真中假設(shè)目標(biāo)的平動(dòng)已被精確補(bǔ)償。目標(biāo)上有兩個(gè)散射點(diǎn),在目標(biāo)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為[-2.5 10 5]和[6 -2.5 -15],單位為m,兩散射點(diǎn)散射系數(shù)均設(shè)為1。假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)載頻為fc=10 GHz,帶寬為300 MHz,照射時(shí)間為1 s,脈沖重復(fù)頻率PRF=1 000 Hz,距離分辨率為0.5 m,基線長度L=200 m。

        三維干涉成像的過程如下:

        步驟1對回波信號(hào)進(jìn)行解線頻調(diào)處理,進(jìn)行一維距離成像,并對距離-慢時(shí)間平面不同散射點(diǎn)的回波曲線進(jìn)行分離,計(jì)算sinc函數(shù)第一零點(diǎn)距峰值點(diǎn)之間的距離分辨單元數(shù)為nx=1,將交叉點(diǎn)以及鄰近距離分辨單元數(shù)之差d≤1的點(diǎn)剔除。一維距離像以及骨架提取、曲線分離和交叉點(diǎn)去除結(jié)果如圖4(a)~圖4(c)所示。

        步驟2對三天線得到的距離-慢時(shí)間像進(jìn)行干涉處理,得到U軸和W軸重構(gòu)坐標(biāo),對于每一交叉點(diǎn)周圍區(qū)域由一維距離旁瓣引起的不理想的重構(gòu)坐標(biāo)進(jìn)行剔除;通過一維距離像得到V維坐標(biāo),結(jié)果如圖4(g)~圖4(i)所示,真實(shí)坐標(biāo)變化如圖4(d)~圖4(f)所示,其中不同顏色的曲線分別與圖4(c)中對應(yīng),代表不同散射點(diǎn)的坐標(biāo)變化。

        圖4 距離-慢時(shí)間平面成像以及坐標(biāo)重構(gòu)結(jié)果
        Fig.4 Results of imaging on range-slow time plane and reconstructed coordinate values

        步驟3U軸和W軸重構(gòu)坐標(biāo)在一維距離旁瓣的影響下,在真實(shí)坐標(biāo)周圍作小范圍的隨機(jī)波動(dòng),V維坐標(biāo)受距離分辨率的限制,并不是平滑的曲線。可對三維重構(gòu)坐標(biāo)做平滑處理,做曲線擬合的結(jié)果如圖4(j)~圖4(l)所示,經(jīng)過曲線擬合之后坐標(biāo)值的均方誤差(Mean Squared Error, MSE)如表1所示,可見,重構(gòu)坐標(biāo)值已經(jīng)極好地逼近真實(shí)值。

        圖4(m)和圖4(n)給出了在tm=0.15 s和tm=0.8 s兩個(gè)時(shí)刻的兩散射點(diǎn)三維成像結(jié)果,藍(lán)色圓圈代表理論成像位置,紅色記號(hào)為實(shí)際成像結(jié)果,從圖中可以看出,三維成像結(jié)果與實(shí)際相吻合。將成像時(shí)間內(nèi)所有慢時(shí)間時(shí)刻的成像結(jié)果獲得的散射點(diǎn)位置進(jìn)行連接便可得到散射點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖4(o)所示。

        表1 重構(gòu)坐標(biāo)值MSETable 1 MSE of reconstructed coordinate values

        從仿真結(jié)果中可以看出,除了交叉點(diǎn)處以及一維距離旁瓣影響較大的慢時(shí)間時(shí)刻,采用干涉處理的方法得出的U軸坐標(biāo)和W軸坐標(biāo)較好地重構(gòu)出了真實(shí)坐標(biāo)值,經(jīng)過擬合將坐標(biāo)曲線進(jìn)行平滑并將交叉點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行連接,更精確地逼近散射點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)值。

        為分析該成像算法在噪聲環(huán)境下的性能,在仿真回波數(shù)據(jù)中加入高斯白噪聲,當(dāng)信噪比(SNR)為0 dB時(shí),坐標(biāo)重構(gòu)結(jié)果分別如圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)所示。由于高斯白噪聲為隨機(jī)分布,對干涉相位以及重構(gòu)坐標(biāo)的影響也是隨機(jī)的,仍可采用擬合的方法進(jìn)行平滑。經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合之后的坐標(biāo)如圖5(d)、圖5(e)和圖5(f)所示,重構(gòu)結(jié)果的MSE如表2所示??梢钥闯?,在 0 dB 條件下重構(gòu)誤差很小,重構(gòu)結(jié)果比較好。但是當(dāng)信噪比降到-3 dB時(shí),重構(gòu)誤差已經(jīng)較大,無法得到正確的散射點(diǎn)坐標(biāo)值。

        圖5 信噪比為0 dB時(shí)坐標(biāo)重構(gòu)結(jié)果
        Fig.5 Results of reconstructed coordinate values for SNR=0 dB

        表2 SNR為0 dB時(shí)重構(gòu)坐標(biāo)值MSE

        3.2 多散射點(diǎn)時(shí)

        在距離-慢時(shí)間平面上,不同散射點(diǎn)的一維距離旁瓣會(huì)產(chǎn)生相互影響,雖然在2.3節(jié)的分析中已經(jīng)得出當(dāng)不同散射點(diǎn)的回波幅值相差不大時(shí),一維距離旁瓣的影響很小,在一定誤差范圍內(nèi)可忽略,但當(dāng)目標(biāo)上存在多個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn),在距離-慢時(shí)間平面上,各個(gè)散射點(diǎn)產(chǎn)生的回波曲線相互交疊,如果有多個(gè)距離旁瓣相互疊加,則可能對干涉相位產(chǎn)生一定影響。為分析多散射點(diǎn)情況下該算法的性能,仿真實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)目標(biāo)存在10個(gè)散射點(diǎn),其初始位置分別為[1.5 12 1.5],[-1.5 -12 -3],[-2.5 -10 5],[3.3 8.4 -9.8],[-2 2.75 -1.2],[2 20 1],[-6 -6.5 -10],[-8 -12 -12.5],[-2.5 11 5.5],[-8 8 -10],單位均為m。其他仿真參數(shù)與3.1節(jié)相同。仿真結(jié)果如圖6所示。

        從重構(gòu)結(jié)果中可以看出,10個(gè)散射點(diǎn)的回波曲線在距離-慢時(shí)間平面上被分離,圖6(c)中不同曲線代表不同散射點(diǎn)的回波位置。根據(jù)分離出來的十條正弦曲線,采用Hough變換[22]可尋找到各個(gè)交叉點(diǎn)所在位置,將交叉點(diǎn)及鄰近一定范圍內(nèi)的點(diǎn)剔除,經(jīng)過干涉處理之后得到U軸和W軸重構(gòu)結(jié)果。從圖6(d)和圖6(e)可以看出,重構(gòu)結(jié)果受到一維距離旁瓣的影響,產(chǎn)生一定的波動(dòng),但經(jīng)過曲線擬合之后的坐標(biāo)仍然能夠很好地逼近真實(shí)值。圖6(g)、圖6(h)和圖6(i)對十個(gè)散射點(diǎn)坐標(biāo)曲線的擬合優(yōu)化結(jié)果中,每一圖中不同顏色的曲線代表不同的散射點(diǎn)的坐標(biāo)曲線,三幅圖中同一顏色的曲線分別對應(yīng)同一散射點(diǎn)的三維坐標(biāo)曲線。10個(gè)散射點(diǎn)的坐標(biāo)重構(gòu)誤差如表3所示。U軸重構(gòu)坐標(biāo)誤差中MSE值與對應(yīng)散射點(diǎn)旋轉(zhuǎn)范圍所在圓的直徑的最大比值為3.66%,W軸為3.36%。為驗(yàn)證多散射點(diǎn)條件下該算法的穩(wěn)健性,在回波中加入5 dB的高斯白噪聲,U軸重構(gòu)結(jié)果如圖7(a)和圖7(b)所示,W軸重構(gòu)坐標(biāo)如圖7(c)和圖7(d)所示,圖7(e)為V軸重構(gòu)坐標(biāo)。經(jīng)過曲線擬合得到的重構(gòu)結(jié)果的誤差如表3所示,U軸重構(gòu)坐標(biāo)誤差中MSE值與對應(yīng)散射點(diǎn)旋轉(zhuǎn)范圍所在圓的直徑的最大比值為7.24%,W軸為2.34%,可見噪聲與一維距離旁瓣的共同作用既有可能加劇干涉相位的波動(dòng),對坐標(biāo)重構(gòu)產(chǎn)生不利影響;也可能二者對相位產(chǎn)生的波動(dòng)相互抵消,從而改善重構(gòu)精度。

        圖6 距離-慢時(shí)間平面成像以及坐標(biāo)重構(gòu)結(jié)果
        Fig.6 Results of imaging in range-slow time plane and reconstructed coordinate values

        圖7 信噪比為5 dB時(shí)坐標(biāo)重構(gòu)結(jié)果
        Fig.7 Results of reconstructed coordinate values for SNR=5 dB

        表3 重構(gòu)坐標(biāo)值MSETable 3 MSE of reconstructed coordinate values

        4 結(jié) 論

        本文在L型三天線干涉式三維成像體制下,對寬帶信號(hào)條件下空間自旋目標(biāo)三維干涉成像展開了研究。雖然本文是針對自旋目標(biāo)進(jìn)行三維成像的研究,但對于其他微動(dòng)形式如進(jìn)動(dòng),可采取同樣的思路,在距離-慢時(shí)間平面進(jìn)行干涉成像,該方法仍然適用。在低信噪比條件下噪聲對干涉處理的結(jié)果影響較大,因此對于強(qiáng)噪聲背景下如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的三維成像,還需要在以后的工作中進(jìn)一步予以研究。

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        Interferometric3Dimagingforspacerotatingtargetsinwidebandradar

        SUNYuxue1,2,*,LUOYing1,2,ZHANGQun1,2,3,LINYongzhao1,CHENChunhui1

        1.InformationandNavigationCollege,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710077,China2.CollaborativeInnovationCenterofInformationSensingandUnderstanding,Xi’an710077,China3.KeyLaboratoryforRadarSignalProcessing,XidianUniversity,Xi’an710071,China

        3Dimagingforspacetargetscanprovidegreatsupportforfeatureextraction,andtargetcategorizationandrecognition.BasedonthreeL-shapedantennainterferometricimagingprinciple,aninterferometricmethodfor3Dimagingofspacerotatingtargetsinwidebandradarisproposed.Theimagingfeaturesofspacerotatingtargetsonrange-slow-timeplaneisanalyzedwhenradartransmitslinearfrequencymodulation(LFM)signals.Aninterferometric-processingbased3Dimagingmodelforspacerotatingtargetsisthenestablished.Consideringtheechoesofdifferentscatterswilloverlaponrange-slow-timeplaneinthemodelproposed,somespecificissuessuchasechocurveseparation,overlappedpointdispositionandtheeffectofhighresolutionrangeprofilesidelobeonimagingarediscussed,andthecorrespondingsolutionsareputforward.Generally,themethodhastheadvantageofobtainingthereal3Dpositionoftargetscattersovermonostaticradar-basedimagingmethods,thusavoidingthedifficultyinjointprocessingmultistaticradar-basedimagingmethods.Simulationresultsverifytheeffectivenessoftheproposed3Dimagingmethod.

        rotatingtarget;interferencetechnique;radarimaging;widebandradar;chirpsignal;rangeprofile

        2016-05-04;Revised2016-10-08;Accepted2016-11-04;Publishedonline2016-11-151013

        URL:www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161115.1013.002.html

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        2016-05-04;退修日期2016-10-08;錄用日期2016-11-04; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

        時(shí)間:2016-11-151013

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        國家自然科學(xué)基金 (61571475,61471386); 中國博士后科學(xué)基金 (2015M570815)

        .E-mailsunyuxuejiayou@163.com

        孫玉雪, 羅迎, 張群, 等. 空間自旋目標(biāo)寬帶雷達(dá)干涉三維成像方法J. 航空學(xué)報(bào),2017,38(4):320399.SUNYX,LUOY,ZHANGQ,etal.Interferometric3DimagingforspacerotatingtargetsinwidebandradarJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(4):320399.

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        10.7527/S1000-6893.2016.0286

        V243.2; TN957

        A

        1000-6893(2017)04-320399-13

        (責(zé)任編輯: 蘇磊)

        *Correspondingauthor.E-mailsunyuxuejiayou@163.com

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