付朝偉，王 潔，盛佳戀，沙作金，顧 瑩

(1.上海無線電設備研究所，上海 201109；2.上海目標識別與環(huán)境感知工程技術研究中心，上海 201109；3.中國航天科技集團有限公司交通感知雷達技術研發(fā)中心，上海 201109)

0 引言

太赫茲雷達發(fā)射載頻高，可以生成大帶寬信號，從而獲取目標的高分辨率距離像。另外，由于太赫茲波波長短，同等方位向分辨率條件下太赫茲ISAR成像的觀測時長更短，或相同觀測時長內(nèi)太赫茲ISAR能獲得更高的方位向分辨率。高分辨的目標三維像相比于傳統(tǒng)一維像和二維像，具有更全面的目標屬性和特征信息，有利于提高目標分類和識別精度，是當前雷達技術研究的重要內(nèi)容之一。因此，太赫茲InISAR成像技術有望實現(xiàn)對空間目標更精細的探測與識別，在雷達成像與目標探測等領域有著廣闊的應用前景[1-4]。

針對太赫茲雷達高分辨成像，除了研制太赫茲雷達系統(tǒng)外，還應該同步開展太赫茲成像理論研究，以提高系統(tǒng)的應用水平。由于太赫茲波段在電磁譜上介于微波和紅外波頻段之間，現(xiàn)有的太赫茲成像技術大多是借鑒微波、光學頻段雷達成像方法。但是，由于太赫茲雷達波長短，目標微小的運動會導致回波脈沖間的去相干性[5-7]，現(xiàn)有的微波和光學頻段雷達成像方法并不完全適用于太赫茲雷達成像。例如，傳統(tǒng)的相關包絡對齊方法[8-13]達不到太赫茲雷達成像系統(tǒng)運動補償?shù)木纫蟆０j對齊是逆合成孔徑雷達成像的關鍵技術之一，包絡對齊的性能直接影響ISAR成像的質(zhì)量[14]。由于在太赫茲波段散射的強敏感性，保證回波之間的強相關需要非常高的脈沖重復頻率，因此系統(tǒng)難以保證其相關性，另外信噪比也會影響該方法。針對太赫茲波段散射的敏感性，本文提出基于檢測跟蹤成像一體化的太赫茲三維成像方法。

1 雷達回波模型建立

現(xiàn)有InISAR成像系統(tǒng)多采用L型天線結(jié)構(gòu)，假設雷達與目標位置關系如圖1所示。太赫茲InISAR系統(tǒng)一發(fā)三收，A為發(fā)射/接收天線，B、C為接收天線，基線長度均為L。線性調(diào)頻(LFM)信號是現(xiàn)代雷達常用的一種發(fā)射信號形式，是解決雷達作用距離與距離分辨率之間矛盾的一種有效途徑。設雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，對于散射點P，天線A接收目標回波為：

(1)

圖1 雷達與目標位置關系Fig.1 Position relationship between radar and target

由于ISAR目標通常只占少量的空間，因此常規(guī)的做法是采用去斜處理的方法，即通過時域共軛點乘。其參考信號設為：

(2)

式(2)中，τref=2Rref/c，Rref為參考距離。

去斜處理后的信號形式為：

(3)

2 檢測跟蹤成像一體化方法

在雷達接收機的輸入端，微弱的回波信號總是和噪聲及其他干擾混雜在一起的，有時雷達信號甚至淹沒在噪聲中。在一般情況下，噪聲是限制微弱信號檢測的基本因素。通常雷達回波脈沖上疊加了噪聲，幅度時大時小，但回波脈沖是周期性且時間相關的，而噪聲是隨機的且時間不相關的，多個脈沖積累后可以有效地提高信噪比，從而改善雷達的檢測能力。因此，本方法首先通過對多個脈沖觀測結(jié)果進行積累，提高回波信號的信噪比，實現(xiàn)對遠距離微弱目標的檢測。

一旦檢測到目標后便鎖定，并轉(zhuǎn)入跟蹤及實時成像階段。將觀測時間內(nèi)的每N個脈沖作為一個脈組，估計每個脈組內(nèi)目標的速度及與雷達之間的距離，通過估計的速度及距離進行高精度包絡補償和對齊。假設目標在時刻t內(nèi)的運動速度為V(t)，在第m次回波期一個脈沖持續(xù)時間內(nèi)(設在快時間內(nèi)是速度恒定為Vm)，距離的變化為：

(4)

(5)

考慮目標的機動性，假設在短時間內(nèi)目標速度恒定，則該時間段內(nèi)

(6)

在距離向，利用上一時刻估計的速度Vm-1和距離Rp(tm-1)進行補償，且利用系統(tǒng)每次記錄的參考距離進行去斜處理。因此，可以補償速度引起的色散以及包絡的整體偏移，補償因子為：

(7)

補償后的相位為：

(8)

對補償后的信號在快時間進行傅里葉變換，利用記錄的參考距離Rref得到測量距離，針對體目標應進行重心估計，計算重心對應的距離

(9)

式(9)中，fmp為重心對應的距離頻率。在此基礎上，對方位向進行傅里葉變換，重心位置對應的多普勒為：

(10)

通過多普勒位置即可得到當前短時間內(nèi)的速度主值，由于受PRF和波長的限制，速度存在模糊，模糊速度為：

(11)

在初始階段，采用最小熵聯(lián)合多通道的方法對速度進行估計

(12)

其中，

(13)

在獲得初始速度后，對速度進行模糊倍數(shù)的估計，得到

(14)

每次得到的絕對速度的估計為：

(15)

通過脈組的形式，可以得到整個相干積累過程中的速度估計，同時對整個包絡進行補償和對齊。完成包絡對齊后，剩下的相位項中包含了相位誤差項，自聚焦算法可以不依賴于速度估計等參數(shù)進行盲補償，本文使用最小熵的方法對包絡對齊后的數(shù)據(jù)進行自聚焦。

(16)

(17)

自聚焦后的信號形式為

(18)

對運動補償后的三通道信號分別做兩維FFT即可得到三幅ISAR圖像。干涉ISAR成像技術從兩兩干涉的復圖像相位中反演目標的三維結(jié)構(gòu)。干涉的前提之一是保證圖像配準和相位解纏。對相位進行充分校正后，得到的三個通道信號，B、C兩通道分別與A通道信號求相位差，由此推導出方位角α和俯仰角β。相位和角度對應關系為：

(19)

圖2 三維角度解算關系Fig.2 3D angle solution relationship

根據(jù)如圖2所示角度關系，解算X、Y、Z位置得

(20)

主要工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖Fig.3 Work flow chart

3 實驗驗證

利用現(xiàn)有太赫茲雷達系統(tǒng)對飛機模型進行實驗驗證，目標模型如圖4所示。太赫茲系統(tǒng)存在的固有系統(tǒng)誤差會影響回波相位，首先需要對系統(tǒng)的非線性相誤差進行校正，然后對三通道信號進行脈沖壓縮，目標的原始包絡如圖5所示。

圖4 目標模型Fig.4 Target model

圖5 三通道回波原始距離包絡結(jié)果Fig.5 Original range profiles of three channel echo

采用傳統(tǒng)相關法對目標回波進行包絡誤差補償，包絡對齊結(jié)果如圖6(a)所示。由于在太赫茲波段散射的強敏感性，系統(tǒng)難以保證脈沖間的相關性，因此利用傳統(tǒng)的相關法進行包絡補償，包絡對齊精度不高。利用本文所提的檢測跟蹤成像一體化方法，包絡對齊后結(jié)果如圖6(b)所示，目標的速度估計結(jié)果如圖7所示。

圖6 三通道回波包絡對齊結(jié)果Fig.6 Range profiles of three channel echo after alignment

相位補償后，對三通道信號進行方位向FFT處理，得到的ISAR成像結(jié)果如圖8所示。分析某一散射點三通道的3 dB對應寬度，得到三通道的分辨率一維剖面圖如圖9所示，三通道分辨率結(jié)果如表1所示。對比現(xiàn)有的成像系統(tǒng)可知，太赫茲雷達實現(xiàn)了更高的目標分辨率。

圖7 瞬時速度估計結(jié)果Fig.7 Estimated instantaneous velocity results

圖8 三通道ISAR成像結(jié)果Fig.8 ISAR imaging results of three channel

圖9 三通道分辨率一維剖面圖Fig.9 Three channel resolution one-dimensional profile

表1 三通道分辨率結(jié)果Tab.1 Resolution results of three channels

三通道ISAR圖像在圖像配準的基礎上進行兩兩干涉，圖10(a)為B、C兩通道分別與A通道信號求相位差得到的水平向和俯仰向干涉相位，在2.5 m距離的實驗場景下，目標尺寸只有在小于0.088 2 m才不會產(chǎn)生相位模糊，因此，在干涉之前，需要進行相位解纏；圖10(b)為相位解纏后的水平向和俯仰向干涉相位。由此反演的三維成像結(jié)果如圖11所示。

圖10 干涉相位Fig.10 Interference phase

圖11 飛機模型三維反演結(jié)果Fig.11 3D inversion results of aircraft model

4 結(jié)論

本文提出一種基于檢測跟蹤成像一體化的運動目標三維成像方法。該方法利用多脈沖積累實現(xiàn)對遠距離微弱目標的檢測，通過滑窗方式對當前速度進行估計從而實現(xiàn)對整個相干時間內(nèi)高精度的包絡對齊和高速運動補償，并解決了干涉相位模糊問題，從而實現(xiàn)高分辨的三維成像。通過實驗對比證明了該方法的有效性，且太赫茲系統(tǒng)的成像指標優(yōu)勢明顯，為提高目標識別能力提供了有效的技術支撐。