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        ISAR 雙站雷達融合成像回波生成方法研究

        2023-12-01 07:25焦麗婷劉利民郭寶鋒胡文華陳雙友
        現(xiàn)代電子技術(shù) 2023年23期
        關(guān)鍵詞:弧段個數(shù)脈沖

        焦麗婷,劉利民,郭寶鋒,胡文華,陳雙友

        (陸軍工程大學石家莊校區(qū) 電子與光學工程系,河北 石家莊 050003)

        0 引 言

        逆合成孔徑雷達(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)作為一種主動探測設(shè)備,通過利用成像技術(shù)對觀測得到的運動目標回波數(shù)據(jù)進行處理,得到目標的高分辨率圖像[1-4]。從ISAR 成像結(jié)果中可以獲取目標的尺寸大小及形狀結(jié)構(gòu)等信息,在軍事和民用方面均應用廣泛。傳統(tǒng)的ISAR 二維成像通過發(fā)射寬帶信號實現(xiàn)距離維分辨,利用雷達與目標之間的相對轉(zhuǎn)動實現(xiàn)方位維分辨[5]。雷達成像的分辨率越高,就越有利于后續(xù)對目標的分類與識別。因此,如何提高雷達成像分辨率是研究ISAR 高分辨成像技術(shù)的關(guān)鍵[5-7]。

        傳統(tǒng)的單基地ISAR 成像通常采取增大發(fā)射信號帶寬和觀測累積轉(zhuǎn)角的方式分別提高距離分辨率和方位分辨率,但會造成雷達硬件系統(tǒng)龐大復雜,制造成本高昂,而且運動補償較為困難,導致雷達成像分辨率提高的程度有限。對于傳統(tǒng)的單站ISAR 成像,因目標軌道面與雷達成像面不共面,長時間觀測時會出現(xiàn)成像面的三維轉(zhuǎn)動,增大了雷達回波橫向聚焦難度,且在非理想的成像弧段,有效積累轉(zhuǎn)角會因雷達視線變化而減少,此時需通過增加相干積累時間達到相同分辨率。為提高ISAR 成像的距離分辨率,可通過升級雷達系統(tǒng)硬件來直接增加發(fā)射信號帶寬的方法實現(xiàn)。為提高ISAR 成像的方位分辨率,可通過增大發(fā)射信號載頻或增加對目標的觀測時間[8-9]實現(xiàn)。增大發(fā)射信號載頻的方法會帶來雷達硬件設(shè)計上的困難,而增加對目標的觀測時間導致目標的散射特性變化較大,容易出現(xiàn)越分辨單元徙動現(xiàn)象,不利于后續(xù)的運動補償、徙動校正等數(shù)據(jù)處理過程。另外,現(xiàn)代雷達通常具有多功能、多模式協(xié)調(diào)工作的能力,這就要求雷達在進行成像的同時,往往還需要不斷切換雷達波束指向[10-13],以實現(xiàn)不同的工作模式,導致雷達對單個目標的連續(xù)觀測時間有限,制約了方位分辨率的提高。

        近年來,分布式雷達如雙基地雷達、組網(wǎng)雷達、MIMO 雷達等,不僅具有優(yōu)于單基雷達系統(tǒng)的反干擾能力,且在信息獲取方面具有突出優(yōu)勢,將這種優(yōu)勢推廣到融合成像領(lǐng)域,對多雷達進行合理部署,將空間分離的視角轉(zhuǎn)化為等效積累的轉(zhuǎn)角,以此提高對目標的橫向分辨能力。文獻[14]將多雷達系統(tǒng)應用于小積累轉(zhuǎn)角的艦船目標成像,但需對每部雷達的回波進行包含平動補償、數(shù)據(jù)截取和拼接等操作在內(nèi)的相干化處理,以得到等效寬孔徑回波信號,數(shù)據(jù)處理量較大。文獻[15]提出一種實現(xiàn)塊間相干拼接的方法,利用雙基地雷達視角重疊的特性,構(gòu)造重疊部分回波的相關(guān)函數(shù),以此估計轉(zhuǎn)動參數(shù)。

        針對ISAR 成像提高方位分辨率受限的問題,ISAR多雷達融合成像系統(tǒng)利用放置在不同位置的多部雷達對目標進行觀測,其中典型的就是雙站雷達融合成像[16-17],如圖1 所示。雷達1 和雷達2 部署在不同位置,兩部雷達硬件配置相同(信號頻率、帶寬、脈沖重復周期等參數(shù)),但發(fā)射信號正交,對目標觀測期間兩部雷達自發(fā)自收,通過信號處理技術(shù)融合雷達1 和雷達2 不同視角的觀測回波數(shù)據(jù),可得到等效的大視角單站雷達觀測回波數(shù)據(jù),進而提高方位分辨率。

        圖1 雙站雷達融合成像系統(tǒng)示意圖

        ISAR 雙站雷達融合成像的回波生成直接影響融合成像算法性能的驗證[12-15],傳統(tǒng)融合成像回波生成方法如圖2 所示。

        圖2 傳統(tǒng)雙站雷達融合成像回波生成方法

        首先由單個雷達(雷達1 或雷達2)生成一個完整的回波數(shù)據(jù),設(shè)脈沖個數(shù)為K,然后對整個回波進行截取,截取前K1個脈沖回波等效為融合成像時雷達1 的回波數(shù)據(jù),截取后K2個脈沖回波等效為融合成像時雷達2的回波數(shù)據(jù),中間空留的K0個脈沖回波等效為兩部雷達視角差引起的回波空缺(又稱稀疏孔徑)[15-19]。該回波生成方法只使用一部雷達就完成回波的模擬生成,操作過程簡單[16-17],但存在以下問題:

        1)生成的回波載頻完全相同,實際上兩部雷達硬件差異會影響發(fā)射本振進而帶來載頻上的差異,該回波生成方式不利于數(shù)據(jù)處理時分析載頻差異對融合成像的影響;

        2)兩部雷達對同一目標觀測時,即使兩部雷達具有較好的時間同步,但實際采樣時,兩部雷達對回波采樣時刻也不會完全一致,該回波生成方式無法復現(xiàn)采樣不同步引起累積轉(zhuǎn)角的跳變、相位非相參性等實際情況。此外,以上問題又無法通過在生成的回波中增加噪聲、固定相位等方式進行彌補??偟膩碚f,現(xiàn)有雙站雷達融合成像回波生成方式不能真實反映雙站雷達回波數(shù)據(jù)特點,難以驗證后續(xù)融合成像算法的實際成像性能。

        針對現(xiàn)有方法存在的問題,本文提出了一種ISAR雙站雷達融合成像回波生成方法及系統(tǒng),充分考慮回波生成實際,所建采樣模型使得兩部雷達視角關(guān)系更直觀、明確,便于后續(xù)融合成像算法的實施。此外,在回波生成時真實反映雙站雷達融合成像回波數(shù)據(jù)特點,更有利于驗證融合成像算法的實際成像性能。最后,本文以兩部雷達融合成像回波生成為典型示例,說明ISAR 多雷達融合成像回波生成方法實施過程,多部雷達融合成像回波生成過程可參照兩部雷達執(zhí)行。

        1 構(gòu)建目標與雷達的位置關(guān)系模型

        建立任意直角坐標系,雷達與目標物體的位置關(guān)系模型即雷達-目標物體位置關(guān)系圖,如圖3 所示。

        圖3 雷達與目標位置關(guān)系及等效示意圖

        設(shè)第一雷達(圖中表示為雷達1)位置坐標為R1(X1,Y1)、第二雷達(圖中表示為雷達2)位置坐標為R2(X2,Y2),目標物體運動軌跡任意設(shè)置,目標物體上任意一散射點P記為Pi(xi,yi)。

        假設(shè)兩部雷達對目標物體持續(xù)探測,成像弧段分別為第一成像弧段(圖3 中表示為弧段1)和第二成像弧段(圖3 中表示為弧段2),對第二雷達及第二成像弧段位置整體平移,使第二雷達與第一雷達位置重合,平移后第二成像弧段形成新的成像弧段,記為等效弧段,并記第一成像弧段的觀測視角積累角度為θ1,第二成像弧段和等效弧段的觀測視角積累角度均為θ2,兩部雷達觀測視角差引起的回波空缺視角為θ0。

        2 建立脈沖回波采樣等效模型

        建立脈沖回波采樣等效模型如圖4 所示,將兩部雷達于不同位置同時間采樣轉(zhuǎn)化為兩部雷達于同一位置不同時間的采樣模型,雷達1(等效弧段1)的觀測視角積累角度仍為θ1,雷達2(等效弧段2)的觀測視角積累角度仍為θ2,兩部雷達觀測視角差引起的回波空缺視角仍為θ0。

        圖4 兩部雷達脈沖采樣時刻等效示意圖

        假設(shè)雷達1(等效弧段1)接收回波脈沖個數(shù)為K1,雷達2(等效弧段2)接收回波脈沖個數(shù)為K2,兩部雷達視角差引起的回波脈沖空缺個數(shù)為K0。其中,K0由雷達空間關(guān)系及目標運動模型確定,則融合成像回波總脈沖個數(shù)K=K0+K1+K2。

        3 計算雷達與散射點距離

        假設(shè)目標物體運動過程中,目標物體相對第一雷達的平均轉(zhuǎn)動角速度為ω0,則式中表示對數(shù)據(jù)向下取整。

        假設(shè)兩部雷達發(fā)射脈沖重復周期為TPRT,雷達對目標物體實際觀測過程中,雷達1 與雷達2 脈沖發(fā)射時刻不同步,并設(shè)雷達2 超前雷達1 的時間為ΔT,則雷達1、雷達2 的脈沖發(fā)射時刻可分別表示為:

        式中:k代表雷達發(fā)射脈沖次數(shù)的序號;第一雷達共K1個脈沖,即共發(fā)射K1次脈沖;第二雷達共K2個脈沖,即共發(fā)射K2次脈沖。

        對于雷達1,在任意t1=kTPRT,k= 0,1,2,…,K1- 1 時刻,目標物體運動模型可以自定義,比如目標物體沿著x軸以100 m/s 的速度運動或別的任意運動形式,目標物體上任意一散射點Pi的位置記為p1i_k(x1i_k,y1i_k),則雷達1與散射點Pi的距離為:

        式中:x1i_k表示第k次脈沖發(fā)射次數(shù)下第i個散射點的橫坐標;X1表示第一雷達的橫坐標;y1i_k表示第k次脈沖發(fā)射次數(shù)下第i個散射點的縱坐標;Y1表示第一雷達的縱坐標;K1表示第一雷達在第一時間段對應的脈沖發(fā)射總次數(shù)。

        對于移動后的雷達2,在任意t2=kTPRT+ ΔT,k=K0+K1- 1,K0+K1,…,K- 1 時刻,根據(jù)目標運動模型、雷達與目標的位置關(guān)系模型,確定目標在等效弧段2 的軌跡。 設(shè)目標上任意一散射點Pi的位置記為R2i_k(x2i_k,y2i_k),則移動后的第二雷達(移動后的第二雷達位置坐標和第一雷達位置坐標相同)與散射點Pi的距離為:

        式中:融合成像回波總脈沖個數(shù)K=K0+K1+K2;x2i_k表示第k次脈沖發(fā)射次數(shù)下第i個散射點的橫坐標。需要說明的是:移動后第二雷達與第一雷達坐標相同,因此式(4)中仍用X1和Y1來表示第二雷達的位置;y2i_k表示第k次脈沖發(fā)射次數(shù)下第i個散射點的縱坐標;K0為兩部雷達視角差引起的回波脈沖空缺個數(shù),即空缺的脈沖發(fā)射總次數(shù)。

        4 構(gòu)建雷達回波信號模型

        4.1 雷達1 回波信號模型構(gòu)建

        對于雷達1,設(shè)雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號,脈沖重復周期為TPRT,則第k次脈沖的發(fā)射信號可表示為:

        式中:rect(·) 為矩形窗,當 |·|≤0.5 時,rect(·) = 1,當 |·|>0.5 時,rect(·) = 0;t^為 快 時 間,tk=kTPRT,k=0,1,2,…,K1為雷達第k次脈沖發(fā)射時刻,稱作慢時間,t為全時間,三者之間的關(guān)系為t^ =t-kTPRT,TPRT為脈沖重復周期;fc1為第一雷達的載波頻率;Tp為脈沖寬度;μ為調(diào)頻率;j為虛數(shù)單位。

        設(shè)目標上散射點P的散射系數(shù)固定為σi1,則雷達1接收到的第k次脈沖回波信號為:

        對回波進行相參混頻,得到基帶回波信號可表示為:

        假設(shè)目標上共有I個散射點,則I個散射點的回波可表示為:

        4.2 雷達2 回波信號模型構(gòu)建

        實際情況下,兩部雷達信號載頻不會完全一致,并且兩部雷達的初始相位存在相位差,參照雷達1 回波信號模型構(gòu)建過程,設(shè)目標上散射點P的散射系數(shù)固定為σi2,則雷達2 接收到散射點P的第k次脈沖回波信號為:

        雷達2 接收到目標I個散射點的第k次脈沖基帶回波信號可表示為:

        式中:為快時間,tk=kTPRT+ ΔT,k=K0+K1- 1,K0+K1,…,K- 1 為雷達第k次脈沖發(fā)射時刻,稱作慢時間,t為全時間,三者之間的關(guān)系為t^ =t-tk;fc2為載波頻率;φ2為雷達2 發(fā)射信號相對雷達1 發(fā)射信號的初始相位差。

        5 各雷達回波數(shù)據(jù)生成及合成

        生成雷達1 所對應的K1個脈沖的回波,步驟如下:

        1)令脈沖次數(shù)k=1;

        2)令散射點序號i=1;

        3)依據(jù)雷達1 基帶回波信號模型(見式(7)),生成目標上第i個散射點的回波數(shù)據(jù);

        4)令i=i+ 1,重復步驟3),直至i=I,生成第一雷達接收到的目標物體上第I個散射點的回波數(shù)據(jù),并根據(jù)式(8)將I個散射點的雷達脈沖回波信號疊加,形成I個散射點的第k次脈沖回波。設(shè)每次回波采樣數(shù)據(jù)個數(shù)為M,則第k次脈沖回波數(shù)據(jù)可表示為[sk1,sk2,…,skM]T;

        5)令k=k+ 1,重復步驟2)~步驟4),直至k=K1,生成雷達1 的K1個脈沖回波矩陣,可表示為:

        生成雷達2 所對應的K2個脈沖的回波,步驟如下:

        1)令脈沖次數(shù)k=1;

        2)令散射點序號i=1;

        3)依據(jù)雷達2 基帶回波信號模型(見式(10)),生成目標上第i個散射點的回波數(shù)據(jù);

        4)令i=i+ 1,重復步驟3),直至i=I,生成目標上第I個散射點的回波數(shù)據(jù),并將I個散射點回波疊加,形成I個散射點的第k次脈沖回波,雷達2 每次回波采樣數(shù)據(jù)個數(shù)與雷達1 相同,均為M,第k次脈沖回波數(shù)據(jù)可表示為[s(K1+K0+k)1,s(K1+K0+k)2,…,s(K1+K0+k)M]T;

        5)令k=k+ 1,重復步驟2)~步驟4),直至k=K2,生成雷達2 的K2個脈沖回波矩陣,可表示為:

        式中K=K0+K1+K2。

        雷達1 與雷達2 回波數(shù)據(jù)合成。

        在實際應用中,所述空缺回波矩陣為M行K0列的零矩陣,M為第一雷達或者第二雷達任一時刻采集的脈沖回波信號的總個數(shù),K0為脈沖回波信號空缺個數(shù)。

        根據(jù)所述第一脈沖回波矩陣、第二脈沖回波矩陣和空缺回波矩陣,得到ISAR 雙站雷達融合成像回波,具體為:

        根據(jù)公式s= [s1,s0,s2]得到ISAR 雙站雷達融合成像回波,其中,s為SAR 雙站雷達融合成像回波,s1為第一脈沖回波矩陣,s2為第二脈沖回波矩陣,s0為空缺回波矩陣。

        兩部雷達視角差引起的回波脈沖空缺回波s0為M×K0的0 矩陣,將雷達1、雷達2 以及空缺回波s0進行合成,得到兩部雷達融合成像所需的完整回波s,合成方法如圖5 所示。

        圖5 ISAR 雙站雷達融合成像回波的過程示意圖

        ISAR 雙站雷達融合成像回波生成流程如圖6 所示。

        圖6 ISAR 雙站雷達融合成像回波生成流程

        具體步驟如下:

        1)構(gòu)建雷達與目標的位置關(guān)系模型,并確定成像弧段;

        2)建立脈沖回波采樣等效模型,將兩部雷達不同位置同時間采樣轉(zhuǎn)化為同位置不同時間的采樣模型;

        3)計算雷達與散射點之間的距離,為雷達回波時延計算提供依據(jù);

        4)根據(jù)發(fā)射信號模型及回波時延,構(gòu)建雷達回波信號模型;

        5)依據(jù)雷達回波信號模型,通過對目標散射點、脈沖個數(shù)遍歷的方式產(chǎn)生各雷達回波,并對回波數(shù)據(jù)進行合成,生成融合成像所需的完整回波。

        6 結(jié) 語

        本文構(gòu)建了雷達與目標位置模型,建立了脈沖回波采樣等效模型,將兩部雷達不同位置同時采樣轉(zhuǎn)化為同位置不同時間的采樣模型,便于后續(xù)融合成像算法的實施。在此基礎(chǔ)上,計算了雷達與散射點距離,為雷達回波時延計算提供依據(jù),并構(gòu)建出回波信號模型,通過對目標散射點、脈沖個數(shù)遍歷的方式,產(chǎn)生各雷達回波,將回波數(shù)據(jù)合成后生成融合成像所需的完整回波。以兩部雷達融合成像回波生成為典型示例,說明ISAR 多雷達融合成像回波生成方法實施過程,多部雷達融合成像回波生成過程可參照兩部雷達執(zhí)行,具有較強的通用性和可擴充性。

        注:本文通訊作者為劉利民。

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