CN108303685B - 一种无源雷达超分辨三维成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无源雷达超分辨三维成像方法及系统。所述方法根据获取的接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系；利用接收机获取成像目标的两种窄带外辐射源回波信号；所述两种窄带外辐射源回波信号分别为绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及先绕Y轴旋转再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号；对两种所述窄带外辐射源回波信号进行预处理，获得离散回波信号矩阵；根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵；采用正交匹配跟踪算法根据所述信号匹配矩阵以及所述离散回波信号矩阵进行聚焦成像。本发明采用的方法或系统实现了超分辨成像，而且成像效果具有很强的稳定性。

Description

一种无源雷达超分辨三维成像方法及系统

技术领域

本发明涉及雷达三维成像领域，特别是涉及一种无源雷达超分辨三维成像方法及系统。

背景技术

无源雷达成像技术是无源雷达研究领域的一个热点课题。目前无源雷达成像技术主要对二维成像进行了集中研究。早在本世纪初，美国伊利诺伊大学就利用民用外辐射源信号采用傅里叶逆变换技术成功对目标成像，在此基础上，二维窄带无源雷达成像的频域和时域算法也被提出。

目前三维成像是雷达成像领域的前沿和热点课题，现在的雷达三维成像技术主要包括合成孔径雷达、逆合成孔径雷达、太赫兹等技术，由以上技术组成的三维雷达成像系统多为主动雷达系统，为了得到高分辨成像结果，需要采用宽带或超宽带信号，但并没有对窄带进行研究，此外仅依靠三维转动实现成像，分辨率较高，成像效果不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种无源雷达超分辨三维成像方法及系统，实现超分辨成像，增强了成像效果的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无源雷达超分辨三维成像方法，所述方法包括：

获取接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系；

利用接收机获取两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及所述成像目标先绕Y轴旋转后再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号；其中，所述三维旋转成像模型直角坐标系中的X轴由接收机、转台转动中心和外辐射源的位置确定，Y轴为与所述X轴垂直的轴线，由接收机、转台转动中心和外辐射源构成的平面为XOY平面，Z轴为与XOY平面垂直垂直的轴线；

将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号；

将所述合成回波信号进行离散采样，获得离散回波信号矩阵；

根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵；

采用正交匹配跟踪算法根据所述信号匹配矩阵以及所述离散回波信号矩阵进行聚焦成像。

可选的，所述根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵，具体包括：

对成像目标所在的立体空间进行网格划分；

根据所述离散回波信号矩阵确定网格处散射点的离散回波信号矩阵；

根据所述网格处散射点的离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵。

可选的，所述利用接收机获取两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及所述成像目标先绕Y轴旋转再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号，具体包括：

利用接收机获取所述成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号s_y(t_y)，所述回波信号s_y(t_y)通过下列公式计算：

利用接收机获取所述成像目标先绕Y轴旋转，再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号s_z(t_z)，所述回波信号s_z(t_z)通过下列公式计算：

其中，A为窄带外辐射源回波信号的幅度，f为窄带外辐射源回波信号的频率，φ为窄带外辐射源回波信号的初始相位，σ为散射点散射强度，C为光速，λ为波长，r_t为外辐射源到坐标原点的距离，r_r为接收机到坐标原点的距离，α为绕Z轴转动总角度，2β为双基角，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，t_y为绕Y轴旋转的时间，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，t_z为绕Z轴旋转的时间，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标，R_y(t_y)为所述成像目标绕Y轴旋的斜距历程，R_z(t_z)为所述成像目标先绕Y轴旋转再绕Z轴旋的斜距历程。

可选的，所述将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号，具体公式为：

其中，σ为散射点散射强度，λ为波长，2β为双基角，α为绕Z轴转动总角度，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，Δt_y、Δt_z分别为对合成回波信号离散化时t_y、t_z的离散时间采样步长，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标。

可选的，所述将所述合成回波信号进行离散采样，获得离散回波信号矩阵，具体公式为：

其中，σ为散射点散射强度，λ为波长，2β为双基角，α为绕Z轴转动总角度，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，Δt_y、Δt_z分别为对合成回波信号离散化时t_y、t_z的离散时间采样步长，L为总采样点数，l为采样点，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种无源雷达超分辨三维成像系统，所述系统包括：

构建模块，用于根据获取的接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系；

获取模块，用于利用接收机获取两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及所述成像目标先绕Y轴旋转后再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号；其中，所述三维旋转成像模型直角坐标系中的X轴由接收机、转台转动中心和外辐射源的位置确定，Y轴为与所述X轴垂直的轴线，由接收机、转台转动中心和外辐射源构成的平面为XOY平面，Z轴为与XOY平面垂直垂直的轴线；

合成模块，用于将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号；

离散模块，用于将所述合成回波信号进行离散采样，获得离散回波信号矩阵；

信号匹配矩阵确定模块，用于根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵；

聚焦成像模块，用于采用正交匹配跟踪算法根据所述信号匹配矩阵以及所述离散回波信号矩阵进行聚焦成像。

可选的，所述信号匹配矩阵确定模块，具体包括：

网格划分单元，用于对成像目标所在的立体空间进行网格划分；

离散回波信号矩阵确定单元，用于根据所述离散回波信号矩阵确定网格处散射点的离散回波信号矩阵；

信号匹配矩阵单元，用于根据所述网格处散射点的离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵。

可选的，其特征在于，所述获取模块，用于利用接收机获取两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及所述成像目标先绕Y轴旋转再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号，具体包括Y轴回波信号获取模块，所述Y轴回波信号获取模块通过下列公式获取：

还包括Z轴回波信号获取模块，所述Z轴回波信号获取模块通过下列公式获取：

其中，A为窄带外辐射源回波信号的幅度，f为窄带外辐射源回波信号的频率，φ为窄带外辐射源回波信号的初始相位，σ为散射点散射强度，C为光速，λ为波长，r_t为外辐射源到坐标原点的距离，r_r为接收机到坐标原点的距离，α为绕Z轴转动总角度，2β为双基角，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，t_y为绕Y轴旋转的时间，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，t_z为绕Z轴旋转的时间，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标，R_y(t_y)为所述成像目标绕Y轴旋的斜距历程，R_z(t_z)为所述成像目标先绕Y轴旋转再绕Z轴旋的斜距历程。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明根据获取的接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系；利用接收机获取成像目标的两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及先绕Y轴旋转再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号；对两种所述窄带外辐射源回波信号进行预处理，获得离散回波信号矩阵；采用正交匹配算法根据所述信号匹配矩阵以及所述离散回波信号矩阵进行聚焦成像。本发明的成像方法不仅实现了超分辨成像，而且成像效果具有很强的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例无源雷达超分辨三维成像方法流程图；

图2为本发明实施例无源雷达超分辨三维成像系统结构图；

图3为本发明实施例确定雷达三维成像分辨率系统旋转结构图；

图4为本发明实施例第一聚焦成像仿真图；

图5为本发明实施例第二聚焦成像仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无源雷达超分辨三维成像方法及系统，实现了超分辨成像，而且成像效果具有很强的稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例无源雷达超分辨三维成像方法流程图。如图1所示，本发明提供一种无源雷达超分辨三维成像方法，所述方法包括：

步骤101：根据获取的接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系。

步骤102：利用接收机获取两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及所述成像目标先绕Y轴旋转后再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号；其中，所述三维旋转成像模型直角坐标系中的X轴由接收机、转台转动中心和外辐射源的位置确定，Y轴为与所述X轴垂直的轴线，由接收机、转台转动中心和外辐射源构成的平面为XOY平面，Z轴为与XOY平面垂直垂直的轴线；

步骤103：将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号；

步骤104：将所述合成回波信号进行离散采样，获得离散回波信号矩阵，所述离散回波信号矩阵为行矩阵，即一维行向量；

步骤105：根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵；

步骤106：采用正交匹配跟踪算法根据所述信号匹配矩阵以及所述离散回波信号矩阵进行聚焦成像。

在步骤101之前还包括：获取目标107，并对目标进行运动补偿，获得清晰的成像目标。

下面对各个步骤进行具体详细论述：

步骤101：根据获取的接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系。

如图3所示，所述三维旋转成像模型直角坐标系是以转台转动中心、外辐射源、接收机所在的平面为XOY平面，并以外辐射源、坐标原点、接收机的位置所构成角的角平分线为X轴，垂直于X轴的方向为Y轴，经过O点且垂直于XOY平面的的轴线为Z轴。外辐射源和接收机分别位于(r_tcosβ,r_tsinβ,0)、(r_rcosβ,-r_rsinβ,0)，其中r_t、r_r分别为外辐射源和接收机到坐标原点的距离，系统的双基角为2β。假设初始时刻目标上一散射点的三维坐标为(x₀,y₀,z₀)，转台绕Y轴转动角速度为ω_y，经过时间t_y散射点坐标为(x₀cosω_yt_y+z₀sinω_yt_y,y₀,-x₀sinω_yt_y+z₀cosω_yt_y)，如果其绕Y轴转动总角度为θ，则其最终转动至(x₀cosθ+z₀sinθ,y₀,-x₀sinθ+z₀cosθ)。在此基础上，转台绕着Z轴以角速度为ω_z开始转动，并重新开始计时，经过时间t_z散射点转动至(x_z(t_z),y_z(t_z),z_z(t_z))，其具体形式为：

步骤102中，利用接收机获取所述成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号s_y(t_y)，所述回波信号s_y(t_y)通过下列公式计算：

利用接收机获取所述成像目标先绕Y轴旋转，再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号s_z(t_z)，所述回波信号s_z(t_z)通过下列公式计算：

其中，A为窄带外辐射源回波信号的幅度，f为窄带外辐射源回波信号的频率，φ为窄带外辐射源回波信号的初始相位，σ为散射点散射强度，C为光速，λ为波长，r_t为外辐射源到坐标原点的距离，r_r为接收机到坐标原点的距离，α为绕Z轴转动总角度，2β为双基角，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，t_y为绕Y轴旋转的时间，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，t_z为绕Z轴旋转的时间，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标，R_y(t_y)为所述成像目标绕Y轴旋的斜距历程，R_z(t_z)为所述成像目标先绕Y轴旋转再绕Z轴旋的斜距历程。

在上面两个转动过程中，由于外辐射源和接收机到目标距离远大于目标的转动尺寸，目标的散射点绕Y轴旋转的斜距历程和先绕Y轴旋转再绕Z轴旋的斜距历程可以近似表示为：

R_y(t_y)＝r_r+r_t-2cosβ(x₀cosω_yt_y+z₀sinω_yt_y)

R_z(t_z)＝r_r+r_t-2cosβ(x₀cosθcosω_zt_z+z₀sinθcosω_zt_z-y₀sinω_zt_z)。

步骤103中通过下列公式将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号S(t_y,t_z)：

步骤104中将所述合成回波信号S(t_y,t_z)进行离散采样，获得离散回波信号矩阵S(l)，所述离散回波信号矩阵为行矩阵，即一维行向量；

其中，σ为散射点散射强度，λ为波长，β为1/2双基角，α为绕Z轴转动总角度，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，Δt_y、Δt_z分别为对合成回波信号离散化时t_y、t_z的离散时间采样步长，L为总采样点数，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标。

步骤105中所述根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵，具体包括：

步骤1051：对成像目标所在的立体空间进行网格划分；

本发明对成像目标所在的立体空间进行网格划分，分别在方位、距离、高度维上将成像目标划分为M列N行K页，其三轴方向的步长分别为Δx、Δy、Δz。

步骤1052：根据所述离散回波信号矩阵确定网格处散射点的离散回波信号矩阵；具体公式为：

其中，σ_m,n,k为网格处散射点的散射强度，λ为波长，β为1/2双基角，α为绕Z轴转动总角度，Δx、Δy、Δz分别为三轴方向的步长，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，Δt_y、Δt_z分别为对合成回波信号离散化时t_y、t_z的离散时间采样步长，Ω_z＝ω_zΔt_z、Ω_y＝ω_yΔt_y，L为总采样点数。

步骤1053：根据所述网格处散射点的离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵；具体公式为：

其中，λ为波长，β为1/2双基角，α为绕Z轴转动总角度，Δx、Δy、Δz分别为三轴方向的步长，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，Δt_y、Δt_z分别为对合成回波信号离散化时t_y、t_z的离散时间采样步长，Ω_z＝ω_zΔt_z、Ω_y＝ω_yΔt_y，L为总采样点数。

步骤106中，根据正交匹配跟踪算法(OMP)确定所述聚焦成像的分辨率OMP算法的输入为采样矩阵Φ，以离散的合成回波信号为信号测量值S，稀疏度K，标识待重建目标信号中非零元素位置的索引集Λ，输出为重建目标

其中采样矩阵Φ大小为为L×MNK，是信号匹配矩阵的变维矩阵，也即：

采用公式Φ(l,i)＝G(m,n,k,l)得到采样矩阵；

其中，i＝k×M×N+n×M+m，φ(l,i)为采样矩阵，l为所述采样矩阵的行向量，i为所述采样矩阵的列向量，G(m,n,k,l)为信号匹配矩阵，M为将成像目标所在立体空间进行网格划分时分为M列，而m为第m列；N为将成像目标所在立体空间进行网格划分时分为N行，而n为第n行；K为将成像目标所在立体空间进行网格划分时分为K页，而k为第k页；L为成像过程中采样总次数，而l为第l次采样。

对其进行初始化，

r＝S，循环标识k＝0，索引集Λ₀为空集。

循环执行下面步骤：

1)k←k+1。

2)寻找残余分量r域采样矩阵Φ最匹配原子索引λ_k：

λ_k←argmax{|<r_k,φ_j>|}。

3)更新索引集和采样矩阵：

Λ_k＝Λ_k-1∪{λ_k}，Φ_k＝[Φ_k-1φ_λk]。

4)重建目标信号：

其中

为Φ_k的伪逆。

5)更新残余分量：

6)判断是否满足k＞K，若满足则停止迭代，不满足则继续循环。

图2为本发明实施例无源雷达超分辨三维成像系统结构图；如图2所示，本发明还提供一种无源雷达超分辨三维成像系统，所述系统包括：

构建模块201，用于根据获取的接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系。

获取模块202，用于利用接收机获取两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及所述成像目标先绕Y轴旋转后再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号；其中，所述三维旋转成像模型直角坐标系中的X轴由接收机、转台转动中心和外辐射源的位置确定，Y轴为与所述X轴垂直的轴线，由接收机、转台转动中心和外辐射源构成的平面为XOY平面，Z轴为与XOY平面垂直垂直的轴线；

合成模块203，用于将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号；

离散模块204，用于将所述合成回波信号进行离散采样，获得离散回波信号矩阵；

信号匹配矩阵确定模块205，用于根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵；

聚焦成像模块206，用于采用正交匹配跟踪算法根据所述信号匹配矩阵以及所述离散回波信号矩阵进行聚焦成像。

本发明系统还包括：补偿模块207，用于获取目标，并对目标进行运动补偿，获得清晰的成像目标。

下面对各个模块进行具体分析：

所述构建模块201，用于根据获取的接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系。

如图3所示，所述三维旋转成像模型直角坐标系是以转台转动中心、外辐射源、接收机所在的平面为XOY平面，并以外辐射源、坐标原点、接收机的位置所构成角的角平分线为X轴，垂直于X轴的方向为Y轴，经过O点且垂直于XOY平面的的轴线为Z轴。外辐射源和接收机分别位于(r_tcosβ,r_tsinβ,0)、(r_rcosβ,-r_rsinβ,0)，其中r_t、r_r分别为外辐射源和接收机到坐标原点的距离，系统的双基角为2β。假设初始时刻目标上一散射点的三维坐标为(x₀,y₀,z₀)，转台绕Y轴转动角速度为ω_y，经过时间t_y散射点坐标为(x₀cosω_yt_y+z₀sinω_yt_y,y₀,-x₀sinω_yt_y+z₀cosω_yt_y)，如果其绕Y轴转动总角度为θ，则其最终转动至(x₀cosθ+z₀sinθ,y₀,-x₀sinθ+z₀cosθ)。在此基础上，转台绕着Z轴以角速度为ω_z开始转动，并重新开始计时，经过时间t_z散射点转动至(x_z(t_z),y_z(t_z),z_z(t_z))，其具体形式为：

所述获取模块202，利用接收机获取所述成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号s_y(t_y)，所述回波信号s_y(t_y)通过下列公式计算：

利用接收机获取所述成像目标先绕Y轴旋转，再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号s_z(t_z)，所述回波信号s_z(t_z)通过下列公式计算：

其中，A为窄带外辐射源回波信号的幅度，f为窄带外辐射源回波信号的频率，φ为窄带外辐射源回波信号的初始相位，σ为散射点散射强度，C为光速，λ为波长，r_t为外辐射源到坐标原点的距离，r_r为接收机到坐标原点的距离，α为绕Z轴转动总角度，2β为双基角，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，t_y为绕Y轴旋转的时间，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，t_z为绕Z轴旋转的时间，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标，R_y(t_y)为所述成像目标绕Y轴旋的斜距历程，R_z(t_z)为所述成像目标先绕Y轴旋转再绕Z轴旋的斜距历程。

在上面两个转动过程中，由于外辐射源和接收机到目标距离远大于目标的转动尺寸，目标的散射点绕Y轴旋转的斜距历程和先绕Y轴旋转再绕Z轴旋的斜距历程可以近似表示为：

R_y(t_y)＝r_r+r_t-2cosβ(x₀cosω_yt_y+z₀sinω_yt_y)

R_z(t_z)＝r_r+r_t-2cosβ(x₀cosθcosω_zt_z+z₀sinθcosω_zt_z-y₀sinω_zt_z)

所述信号匹配矩阵确定模块205，具体包括：

网格划分单元，用于对成像目标所在的立体空间进行网格划分；

离散回波信号矩阵确定单元，用于根据所述离散回波信号矩阵确定网格处散射点的离散回波信号矩阵；

信号匹配矩阵单元，用于根据所述网格处散射点的离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵。

利用本发明所提方法进行下面两组仿真实验。由前面内容可知，本方法对r_t和r_r不敏感，所以在下面仿真中没有给出其值。而前面推导过程中的参数α是转台绕Z轴转动的角度。不失一般性，仿真过程中散射点的散射强度均取1。

图4为本发明实施例第一聚焦成像仿真图，采用同样成像模型下的时域算法对置于原点处的点目标进行成像，外辐射源信号频率为1GHz，双基角为0.5πrad，绕Z轴转动2.2πrad，绕Y轴转动2πrad。成像结果如图4所示。图4中的(a)为x方向成像结果，(b)为y方向成像结果，(c)为z方向成像结果，(d)为XOY面成像结果，(e)为XOZ面成像结果，(f)YOZ面成像结果。

由本成像模型和时域算法特性可知，成像结果在y方向上为贝塞尔函数形式收敛，理论分辨率、峰值旁瓣比分别为0.076m、-7.9dB，其实验结果为其成像结果分别为0.079m、-9.2dB，实验结果与理论值存在较大偏差。产生偏差的原因有两个：一是式(14)中y方向表达式是在绕Z轴转动一周的情况下得到的，而本实验中绕Z轴转动了2.2rad，所以引起了成像波形的波动；二是两种转动之间的耦合作用。从从图(d)到图(f)可以看出，由于耦合作用的存在，在XOY平面、XOZ平面、YOX平面的成像结果也出现波动现象。从第一组实验结果可以看出，时域算法的旁瓣较高，当目标上存在密集散射点时，各散射点成像结果之间会有严重干扰。另外，当绕着Y轴或Z转动角度变小时，其成像效果也随之恶化，所以第一组实验中为了得到较好成像效果，两种转动都超过了一周。实验一结果表明，虽然时域成像算法可以成像，但是需要大转动角，但是由于旁瓣过高，其分辨性能不佳。

图5为本发明实施例第二聚焦成像仿真图；图5中的(a)为实验1时域算法聚焦结果，(b)为实验1正交匹配跟踪算法聚焦结果，(c)为实验2时域算法聚焦结果，(d)为实验2正交匹配跟踪算法聚焦结果，(e)为实验3时域算法聚焦结果，(f)为实验3正交匹配跟踪算法聚焦结果，(g)为实验4时域算法聚焦结果，(h)为实验4正交匹配跟踪算法聚焦结果；如图5所示，在长宽高均为10m的立体空间内随机产生10个散射点。然后利用不同的仿真参数对这10个散射点进行聚焦成像。仿真参数如表1所示。仿真结果如图5所示。其中“o”表示散射点的真实位置，而“x”表示成像结果。

表1

从第二聚焦成像仿真图可以看出，相同条件下，OMP算法要比时域算法的成像结果效果更优，也更为稳定。另外，成像结果受到双基角、信号频率、绕Y轴Z轴转动角度的影响，双基角越小、信号频率越高、转动角度越大则成像性能越好。在实际情况下，成像目标一般为非合作对象，其转动角度一般较小，所以对小转动角成像的研究就尤为重要。从图(h)可以看出，当外辐射源信号较高时，采用OMP算法可以在目标转动较小的情况下取得较好的成像效果。实际上，在应用时域算法成像时，由于旁瓣较高，为了增加结果的可读性，一般需要设置门限，将低于门限的结果置零，只显示高于门限的部分，而此门限一般为手动设置，为算法的应用带来很多不便。相比之下OMP算法无需门限设置这一步骤，可以直接显示结果，其成像结果不仅效果好，而且有很强的稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种无源雷达超分辨三维成像方法，其特征在于，所述方法包括：

获取接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系；

利用接收机获取两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及所述成像目标先绕Y轴旋转后再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号，具体包括：

利用接收机获取所述成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号s_y(t_y)，所述回波信号s_y(t_y)通过下列公式计算：

利用接收机获取所述成像目标先绕Y轴旋转，再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号s_z(t_z)，所述回波信号s_z(t_z)通过下列公式计算：

其中，A为窄带外辐射源回波信号的幅度，f为窄带外辐射源回波信号的频率，φ为窄带外辐射源回波信号的初始相位，σ为散射点散射强度，C为光速，λ为波长，r_t为外辐射源到坐标原点的距离，r_r为接收机到坐标原点的距离，α为绕Z轴转动总角度，2β为双基角，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，t_y为绕Y轴旋转的时间，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，t_z为绕Z轴旋转的时间，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标，R_y(t_y)为所述成像目标绕Y轴旋的斜距历程，R_z(t_z)为所述成像目标先绕Y轴旋转再绕Z轴旋的斜距历程；其中，所述三维旋转成像模型直角坐标系中的X轴由接收机、转台转动中心和外辐射源的位置确定，Y轴为与所述X轴垂直的轴线，由接收机、转台转动中心和外辐射源构成的平面为XOY平面，Z轴为与XOY平面垂直的轴线；

将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号；

将所述合成回波信号进行离散采样，获得离散回波信号矩阵；

根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵；

采用正交匹配跟踪算法根据所述信号匹配矩阵以及所述离散回波信号矩阵进行聚焦成像。

2.根据权利要求1所述的无源雷达超分辨三维成像方法，其特征在于，所述根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵，具体包括：

对成像目标所在的立体空间进行网格划分；

根据所述离散回波信号矩阵确定网格处散射点的离散回波信号矩阵；

根据所述网格处散射点的离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵。

3.根据权利要求1所述的无源雷达超分辨三维成像方法，其特征在于，所述将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号，具体公式为：

其中，σ为散射点散射强度，λ为波长，2β为双基角，α为绕Z轴转动总角度，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，Δt_y、Δt_z分别为对合成回波信号离散化时t_y、t_z的离散时间采样步长，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标。

4.根据权利要求1所述的无源雷达超分辨三维成像方法，其特征在于，所述将所述合成回波信号进行离散采样，获得离散回波信号矩阵，具体公式为：

其中，σ为散射点散射强度，λ为波长，2β为双基角，α为绕Z轴转动总角度，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，Δt_y、Δt_z分别为对合成回波信号离散化时t_y、t_z的离散时间采样步长，L为总采样点数，l为采样点，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标。

5.一种无源雷达超分辨三维成像系统，其特征在于，所述系统包括：

构建模块，用于根据获取的接收机、转台和外辐射源的位置，构建三维旋转成像模型直角坐标系；

获取模块，用于利用接收机获取两种窄带外辐射源回波信号，所述两种窄带外辐射源回波信号分别为成像目标绕Y轴旋转的窄带外辐射源回波信号以及所述成像目标先绕Y轴旋转后再绕Z轴旋转的窄带外辐射源回波信号；其中，所述三维旋转成像模型直角坐标系中的X轴由接收机、转台转动中心和外辐射源的位置确定，Y轴为与所述X轴垂直的轴线，由接收机、转台转动中心和外辐射源构成的平面为XOY平面，Z轴为与XOY平面垂直的轴线；

合成模块，用于将两种所述回波信号合成，获得合成回波信号；

离散模块，用于将所述合成回波信号进行离散采样，获得离散回波信号矩阵；

信号匹配矩阵确定模块，用于根据所述离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵；

聚焦成像模块，用于采用正交匹配跟踪算法根据所述信号匹配矩阵以及所述离散回波信号矩阵进行聚焦成像；

所述获取模块包括：

Y轴回波信号获取模块，所述Y轴回波信号获取模块通过下列公式获取：

还包括Z轴回波信号获取模块，所述Z轴回波信号获取模块通过下列公式获取：

其中，A为窄带外辐射源回波信号的幅度，f为窄带外辐射源回波信号的频率，φ为窄带外辐射源回波信号的初始相位，σ为散射点散射强度，C为光速，λ为波长，r_t为外辐射源到坐标原点的距离，r_r为接收机到坐标原点的距离，α为绕Z轴转动总角度，2β为双基角，ω_y为绕Y轴旋转的角速度，t_y为绕Y轴旋转的时间，ω_z为绕Z轴旋转的角速度，t_z为绕Z轴旋转的时间，(x₀,y₀,z₀)为初始时刻目标上一散射点的三维坐标，R_y(t_y)为所述成像目标绕Y轴旋的斜距历程，R_z(t_z)为所述成像目标先绕Y轴旋转再绕Z轴旋的斜距历程。

6.根据权利要求5所述的无源雷达超分辨三维成像系统，其特征在于，所述信号匹配矩阵确定模块，具体包括：

网格划分单元，用于对成像目标所在的立体空间进行网格划分；

离散回波信号矩阵确定单元，用于根据所述离散回波信号矩阵确定网格处散射点的离散回波信号矩阵；

信号匹配矩阵单元，用于根据所述网格处散射点的离散回波信号矩阵确定信号匹配矩阵。

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