CN110007303A - 频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统及其成像方法，系统由一个线性频率分集阵列雷达和运动平台（飞机）组成；阵列雷达包括发射部分和接收部分；发射部分包括依次连接的基带频率选择单元、基带信号生成器、上变频、天线选择单元和发射天线阵列；接收部分包括依次连接的接收天线阵列、天线选择单元、滤波器、下变频和成像算法单元；线性频率分集阵列雷达装在运动平台上，运动平台与线性频率分集阵列雷达的成像算法单元连接。系统在使用一个频率分集阵列下，结合孔径合成，完成目标三维成像。成像方法的发射信号形式简单，无需脉冲压缩，即可得到距离向分辨率，且一次补偿相位即可同时得到目标的距离向、方位向和俯仰向的图像。

Description

频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，具体涉及一种频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统及其成像方法。

背景技术

三维合成孔径雷达(Three-dimensional Synthetic Aperture Radar，3D-SAR)，在飞行平面内垂直航向上引入线阵天线形成真实孔径，从而具备了距离向、方位向和垂直航向的三维分辨能力。其成像过程基于传统二维SAR成像原理，利用脉冲压缩技术获得距离向高分辨，利用合成孔径原理获得方位向高分辨，利用真实孔径获得垂直航向的高分辨率。然而，在系统实现方面，由于需要发射宽带信号，对于真实孔径阵列，各阵元信号分离困难，发射系统的复杂性高。在成像算法方面，距离向高分辨处理需要对宽带信号进行脉冲压缩，距离向高分辨率、方位向高分辨率和垂直航向的高分辨率需要分别处理，且三种高分辨率的结合也存在不少问题。

频率分集阵列(frequency diverse array,FDA)可以产生同时依赖于距离和角度的波束方向图，成为近年来国内外学者研究的热点。然而由于其固有的距离-角度耦合，无法直接从其波束图中提取距离和角度信息。随机频率分集阵列，将传统频率分集阵列线性增加的频率增量改进为随机变化的频率增量，从而得到距离-角度解耦的点状波束方向图，可以同时获取距离和角度信息。随机频率分集阵列点状波束方向图的优势，使得研究基于二维平面阵的频率分集阵列的三维成像变得可能和易于实现。基于二维平面阵的随机频率分集阵列无需要发射宽带信号，即可实现目标的距离、俯仰、方位三维成像。然而二维阵列由于阵元个数较多，会带来天线尺寸较大、阵列集成困难、所需滤波器较多等问题，不易用于实际场景且较难实现。

将频率分集阵列作为三维合成孔径雷达的真实孔径阵列，形成频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统，在各合成孔径的观测点使用不同的发射频率，既能解决二维平面频率分集阵列不易用于实际场景且较难实现的问题，又能减少传统线性阵列合成孔径雷达发射系统的复杂性，并且可以避免传统线性阵列合成孔径雷达复杂的成像算法。

CN105785327B“频率分集阵列合成孔径雷达高分辨宽测绘带成像方法”该方法同样将频率分集阵列与合成孔径雷达相结合，利用频率分集阵列距离依赖性的特点，以扩大合成孔径雷达的测绘带。该方法的目的是扩大测绘带。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是二维平面频率分集阵列不易用于实际场景且较难实现的问题、传统线性阵列合成孔径雷达发射系统复杂的问题，以及传统三维合成孔径雷达成像算法复杂的问题，提供一种频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统及其目标三维成像方法，目的是实现多目标的三维成像。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统，由一个线性频率分集阵列雷达和运动平台(飞机)组成；

线性频率分集阵列雷达包括发射部分和接收部分；

发射部分包括依次连接的基带频率选择单元、基带信号生成器、上变频、天线选择单元和发射天线阵列；

接收部分包括依次连接的接收天线阵列、天线选择单元、滤波器、下变频和成像算法单元；

天线选择单元包含发射/接收切换器，接收天线阵列与发射天线阵列可共用；

基带频率选择单元的输出分为两路，一路连接基带信号生成器，一路送至接收部分的成像算法单元；

线性频率分集阵列雷达装在运动平台上，运动平台与线性频率分集阵列雷达的成像算法单元连接。

所述接收与发射天线阵列由N个阵元组成，沿y轴方向均匀分布，阵元间距为其中λ为载波波长；

所述基带频率选择单元从集合{0Δf，1Δf，…(L-1)Δf}中随机选择N个，作为一组基带信号频率，其中第n个基带信号频率记作l_nΔf，l_n＝0，1，2，…L-1，n＝0，1，…，N-1，L为频率增量的个数，且需满足LΔf＜＜f₀，f₀为载频频率；

所述基带信号生成器产生基带信号，经过上变频进行载波调制，得到射频发射信号，由发射天线阵列发射出去；

所述接收天线阵元收到的回波信号经过天线选择单元和滤波器，只接收与阵元发射频率相同的回波信号，再经过下变频，恢复为携带目标信息的复基带信号，送到成像算法单元进行存储和处理；

所述运动平台以速度V沿x轴匀速直线飞行，即平台运动方向与线性频率分集阵列阵面方向垂直，运动平台的速度V需送到成像算法单元进行成像处理；

所述线性频率分集阵列雷达以一定的重复周期T_r发射脉冲，在飞行过程中在空间形成间隔为d_x(d_x＝VT_r)的观测点，各观测点形成均匀直线阵列，观测点个数为M，线性频率分集阵列雷达每发射一次脉冲，即每到达一个观测点，由其基带频率选择单元产生一组新的随机频率，经过基带信号生成器、上变频、天线选择单元后由发射天线阵列发射出去。

应用本发明频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统的目标成像方法，包括如下步骤：

步骤1，线性频率分集阵列雷达位于观测点m时，线性频率分集阵列产生一组随机基带频率，第n个阵元的基带频率选择为l_m，nΔf，其中，m＝0，1，…，M-1，n＝0，1，…，N-1；l_m，n＝0，1，2，…L-1；

步骤2，根据步骤1所选择的基带频率l_m，nΔf，第n个阵元的基带信号生成器产生基带信号B_m，n(t)，

其中，Δf为偏置频率，t为时间，T_p为脉冲持续时间，本发明采用单频信号，由目标反射导致的信号包络变化在单次脉冲内可以忽略，故为了简便，在阐述目标定位方法时，忽略信号的包络

步骤3，通过上变频，将第n个阵元的基带信号B_m，n(t)调制到载频，得到射频发射信号s_m，n(t)，由第n个发射天线阵元发射出去，

s_m，n(t)＝cos[2π(f₀+l_m，nΔf)t]

步骤4，发射信号经目标反射及滤波后，得到第n个阵元的回波信号

其中，K表示目标个数，σ_m，n(k)表示第k个目标的反射系数，R_m，n(k)表示第k个目标到第m个观测点、第n个发射阵元的距离，这里，P_x(k)，P_y(k)和P_z(k)分别表示第k个目标在直角坐标系中的坐标值；

步骤5，将第n个阵元的回波信号进行下变频，并用复数形式表示为y_m，n(t)，

其中，

步骤6，对成像区域按照直角坐标系划分网格，计算每个网格点到线性频率分集阵列雷达第m个观测点、第n个阵元的双程时延τ_m,n(g)，

其中，(x_g,y_g,z_g)表示第g个网格点的坐标；

步骤7，将每个网格点处的双程时延补偿到第n个阵元的回波信号中并取模值，得到第m个观测点处，第n个阵元在成像区域各网格点的像素值PI_m,n(g)，

步骤8，重复步骤7，遍历所有线性频率分集阵列的N个阵元，将每个阵元得到的成像区域图像叠加，得到第m个观测点处，成像区域各网格点的像素值PI_m(g)，

步骤9，改变雷达观测点的位置m，使其遍历所有M个观测点，重复步骤1到步骤7，将每个观测点得到的成像区域图像叠加，得到各网格点的像素值为PI(g)，

最终得到关于成像区域的图像。

本发明与CN105785327B成像方法的不同之处在于：

第一，布阵方式不同，CN105785327B成像方法是沿着载机航迹方向布阵，以增加阵列尺寸；本发明是沿着垂直航迹布阵，以合成二维平面阵列。

第二，CN105785327B成像方法的频率增量是线性的；本发明中的频率增量是随机的，以便在单次脉冲内在单个距离门内获得多目标的成像效果。

第三，CN105785327B成像方法的目的是扩大测绘带，本发明的目的是多目标的三维成像。

本发明三维成像系统及其成像方法，还具有如下特点：

1、本发明目标成像方法，雷达发射单频信号，无需发射宽带信号，降低了雷达发射机的要求和成本。

2、本发明三维成像系统，在使用一个频率分集阵列的情况下，结合孔径合成，完成目标三维成像，用时间资源换取部分空间资源，节约了雷达个数。

3、本发明的目标成像方法的发射信号形式简单，无需脉冲压缩，即可得到距离向分辨率，且一次补偿相位即可同时得到目标的距离向、方位向和俯仰向的图像。

附图说明

图1为频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统结构示意图。

图2为频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统框图。

图3为频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统处理流程图。

图4为实施例多目标成像仿真结果三维立体图。

图5为实施例多目标成像仿真结果俯视图。

图6为实施例多目标成像仿真结果平视图。

图7为实施例多目标成像仿真结果侧视图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

参照图1-2，本发明频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统，由1个线性频率分集阵列雷达(图1中长方形实线区域)和运动平台组成。本发明中的运动平台为飞机，线性频率分集阵列雷达装在飞机上。

线性频率分集阵列雷达包括发射部分和接收部分；

发射部分包括依次连接的基带频率选择单元、基带信号生成器、上变频、天线选择单元和发射天线阵列；

接收部分包括依次连接的接收天线阵列、天线选择单元、滤波器、下变频和成像算法单元；

天线选择单元包含发射/接收切换器，接收天线阵列与发射天线阵列可共用；

基带频率选择单元的输出分为两路，一路连接基带信号生成器，一路送至接收部分的成像算法单元；

线性频率分集阵列雷达装在运动平台上，运动平台与线性频率分集阵列雷达的成像算法单元连接。

所述接收与发射天线阵列由N个阵元组成，沿y轴方向均匀分布，阵元间距为其中λ为载波波长；

所述基带频率选择单元从集合{0Δf,1Δf,…(L-1)Δf}中随机选择N个，作为一组基带信号频率，其中第n个基带信号频率记作l_nΔf,l_n＝0,1,2,…L-1,n＝0,1,…,N-1，L为频率增量的个数，且需满足LΔf＜＜f₀，f₀为载频频率；

所述基带信号生成器产生基带信号，经过上变频进行载波调制，得到射频发射信号，由发射天线阵元发射出去；

所述接收天线阵元收到的回波信号经过天线选择单元和滤波器，只接收与阵元发射频率相同的回波信号，再经过下变频，恢复为携带目标信息的复基带信号，送到成像算法单元进行存储和处理；

所述运动平台以速度V沿x轴匀速直线飞行，即平台运动方向与线性频率分集阵列阵面方向垂直，运动平台的速度V需送到成像算法单元进行成像处理；

所述线性频率分集阵列雷达以一定的重复周期T_r发射脉冲，在飞行过程中在空间形成间隔为d_x(d_x＝VT_r)的观测点，各观测点形成均匀直线阵列，观测点个数为M，线性频率分集阵列雷达每发射一次脉冲，即每到达一个观测点，由其基带频率选择单元产生一组新的随机频率，经过基带信号生成器、上变频、天线选择单元后由发射天线阵列发射出去。

系统处理流程图，参照图3，基于频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统的目标成像方法，包括如下步骤：

步骤1，线性频率分集阵列雷达位于观测点m时，线性频率分集阵列产生一组随机基带频率，第n个阵元的基带频率选择为Δf_m，n＝l_m，nΔf，其中，m＝0，1，…，M-1，n＝0，1，…，N-1，l_m，n＝0，1，2，…L-1；

步骤2，根据步骤1所选择的基带频率l_m，nΔf，第n个阵元的基带信号生成器产生基带信号B_m，n(t)，

其中，Δf为偏置频率，t为时间，T_p为脉冲持续时间，本发明采用单频信号，信号包络的在单次脉冲内可以忽略，故为了简便，在阐述目标定位方法时，忽略信号的包络

步骤3，通过上变频，将第n个阵元的基带信号B_m，n(t)调制到载频，得到射频发射信号s_m，n(t)，由第n个发射天线阵元发射出去，

s_m，n(t)＝cos[2π(f₀+l_m，nΔf)t]

步骤4，发射信号经目标反射及滤波后，得到第n个阵元的回波信号

其中，K表示目标个数，σ_m，n(k)表示第k个目标的反射系数，R_m，n(k)表示第k个目标到第m个观测点、第n个发射阵元的距离，这里，P_x(k)，P_y(k)和P_z(k)分别表示第k个目标在直角坐标系中的坐标值；

步骤5，将第n个阵元的回波信号进行下变频，并用复数形式表示为y_m，n(t)，

其中，

步骤6，对成像区域按照直角坐标系划分网格，计算每个网格点到线性频率分集阵列雷达第m个观测点、第n个阵元的双程时延τ_m，n(g)，

其中，(x_g,y_g,z_g)表示第g个网格点的坐标；

步骤7，将每个网格点处的双程时延补偿到第n个阵元的回波信号中并取模值，得到第m个观测点处，第n个阵元在成像区域各网格点的像素值PI_m,n(g)，

步骤8，重复步骤7，遍历所有线性频率分集阵列的N个阵元，将每个阵元得到的成像区域图像叠加，得到第m个观测点处，成像区域各网格点的像素值PI_m(g)，

步骤9，改变雷达观测点的位置m，使其遍历所有M个观测点，重复步骤1到步骤7，将每个观测点得到的成像区域图像叠加，得到各网格点的像素值为PI(g)，

最终得到关于成像区域的图像。

本发明的效果可以由以下仿真结果进一步说明：

仿真场景：

频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统采用如图1所示的结构，线性频率分集阵列的阵元数N＝61，阵元间距x轴方向的观测次数M＝61；

运动平台速度V＝7.5m/s，飞行高度H＝1km，雷达发射脉冲重复频率f_r＝1KHz；

雷达信号载频f₀＝10GHz，频率增量Δf＝100KHz，频率增量个数L＝61。目标为3个点目标，其位置为，目标1：(x₁，y₁，z₁)＝(170m，-150m，150m)；目标2：(x₂，y₂，z₂)＝(-25m，150m，50m)；目标3：(x₃，y₃，z₃)＝(-20m，-25m，-80m)。

成像区域范围：x轴方向为-200m～200m，扫描间隔为2m，y轴方向为-200m～200m，扫描间隔为2m，z轴方向为-200m～200m，扫描间隔为2m。

实验结果：

频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统多目标成像结果如图4-7所示，3个目标的图像清晰可见，目标像位置与实际位置相符。通过旋转得到的三维立体图，可在各个角度观察目标，达到目标三维成像效果。

综上所述，本发明提出的频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统可完成目标三维成像，且目标的图像清晰。

Claims (3)

1.频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统，其特征在于：该系统由一个线性频率分集阵列雷达和运动平台组成；

线性频率分集阵列雷达包括发射部分和接收部分；

发射部分包括依次连接的基带频率选择单元、基带信号生成器、上变频、天线选择单元和发射天线阵列；

接收部分包括依次连接的接收天线阵列、天线选择单元、滤波器、下变频和成像算法单元；

天线选择单元包含发射/接收切换器，接收天线阵列与发射天线阵列可共用；

基带频率选择单元的输出分为两路，一路连接基带信号生成器，一路送至接收部分的成像算法单元；

线性频率分集阵列雷达装在运动平台上，运动平台与线性频率分集阵列雷达的成像算法单元连接。

2.根据权利要求1所述的频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统，其特征在于：

所述接收与发射天线阵列由N个阵元组成，沿y轴方向均匀分布，阵元间距为其中λ为载波波长；

所述基带频率选择单元从集合{0Δf,1Δf,…(L-1)Δf}中随机选择N个，作为一组基带信号频率，其中第n个基带信号频率记作l_nΔf,l_n＝0,1,2,…L-1,n＝0,1,…,N-1，L为频率增量的个数，且需满足LΔf＜＜f₀，f₀为载频频率；

所述基带信号生成器产生基带信号，经过上变频进行载波调制，得到射频发射信号，由发射天线阵列发射出去；

所述接收天线阵元收到的回波信号经过天线选择单元和滤波器，只接收与阵元发射频率相同的回波信号，再经过下变频，恢复为携带目标信息的复基带信号，送到成像算法单元进行存储和处理；

所述运动平台以速度V沿x轴匀速直线飞行，即平台运动方向与线性频率分集阵列阵面方向垂直，运动平台的速度V需送到成像算法单元进行成像处理；

所述线性频率分集阵列雷达以一定的重复周期T_r发射脉冲，在飞行过程中在空间形成间隔为d_x(d_x＝VT_r)的观测点，各观测点形成均匀直线阵列，观测点个数为M，线性频率分集阵列雷达每发射一次脉冲，即每到达一个观测点，由其基带频率选择单元产生一组新的随机频率，经过基带信号生成器、上变频、天线选择单元后由发射天线阵列发射出去。

3.根据权利要求1-2任一项所述的频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统的目标成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，线性频率分集阵列雷达位于观测点m时，线性频率分集阵列产生一组随机基带频率，第n个阵元的基带频率选择为l_m,nΔf，其中，m＝0,1,…,M-1，n＝0,1,…,N-1；l_m,n＝0,1,2,…L-1；

步骤2，根据步骤1所选择的基带频率l_m,nΔf，第n个阵元的基带信号生成器产生基带信号B_m,n(t)，

其中，Δf为偏置频率，t为时间，T_p为脉冲持续时间，采用单频信号，由目标反射导致的信号包络变化在单次脉冲内可以忽略，故忽略信号的包络

步骤3，通过上变频，将第n个阵元的基带信号B_m,n(t)调制到载频，得到射频发射信号s_m,n(t)，由第n个发射天线阵元发射出去，

S_m,n(t)＝cos[2π(f₀+l_m,nΔf)t]

步骤4，发射信号经目标反射及滤波后，得到第n个阵元的回波信号

其中，K表示目标个数，σ_m,n(k)表示第k个目标的反射系数，R_m,n(k)表示第k个目标到第m个观测点、第n个发射阵元的距离，这里，P_x(k)，P_y(k)和P_z(k)分别表示第k个目标在直角坐标系中的坐标值；

步骤5，将第n个阵元的回波信号进行下变频，并用复数形式表示为y_m,n(t)，

其中，

步骤6，对成像区域按照直角坐标系划分网格，计算每个网格点到线性频率分集阵列雷达第m个观测点、第n个阵元的双程时延τ_m,n(g)，

其中，(x_g,y_g,z_g)表示第g个网格点的坐标；

步骤7，将每个网格点处的双程时延补偿到第n个阵元的回波信号中并取模值，得到第m个观测点处，第n个阵元在成像区域各网格点的像素值PI_m,n(g)，

步骤8，重复步骤7，遍历所有线性频率分集阵列的N个阵元，将每个阵元得到的成像区域图像叠加，得到第m个观测点处，成像区域各网格点的像素值PI_m(g)，

步骤9，改变雷达观测点的位置m，使其遍历所有M个观测点，重复步骤1到步骤7，将每个观测点得到的成像区域图像叠加，得到各网格点的像素值为PI(g)，

最终得到关于成像区域的图像。