CN110261852B - 一种频率分集逆合成孔径雷达成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种频率分集逆合成孔径雷达成像系统和方法，包括发射部分和接收部分，发射部分包括频率选择单元、基带信号产生器、上变频器和发射天线，频率选择单元的输出分为两路，一路连接基带信号生成器，一路送至成像算法单元，频率选择单元在每个观测时刻从频率偏置集合中按照线性或随机等规律选择单个频率偏置作为基带信号产生器的频率，经过上变频器进行载波调制，得到射频发射信号由发射天线发射出；接收部分包括接收天线、下变频器、数字采样单元和成像算法单元，通过收到的回波信号经过下变频器和数字采样单元，恢复为携带目标信息的基带信号，送到成像算法单元进行处理。本发明在每个观测时间点仅发射一个单频信号，降低了系统和成像方法的复杂度。

Description

一种频率分集逆合成孔径雷达成像系统及方法

技术领域

本发明涉及雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种频率分集逆合成孔径雷达成像系统及方法。

背景技术

随着宽带雷达技术的不断发展和应用，雷达成像技术在国防和民用领域取得了重大的应用和发展，它不仅大大提高了雷达获取信息的能力，而且为非合作目标识别提供了一种重要方式，是雷达发展史上的一个里程碑。ISAR成像技术可以全天候的对空中目标进行远距离的二维成像，是现代战场战略防御系统中一种极其重要的目标识别手段。在获得目标ISAR像之后，可以根据目标的大致尺寸与形状能够初步确定其类别，不需要样本库训练，这对提高部队快速反应能力，提高部队的指挥自动化水平、攻防能力、国土防空反导、反舰以及战略警能力等都具有十分重要的作用。现有的ISAR成像系统需要发射宽带信号以获得有较高分辨率的目标距离像，这对发射/接收机有较高的要求，也大大的增加了系统的复杂度和造价。

但是，现有的宽带ISAR成像方法需要经过脉冲压缩、插值、重采样过程，在成像算法上较复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是如何降低ISAR成像系获得有较高分辨率的目标距离像的复杂度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种频率分集逆合成孔径雷达成像系统，包括发射部分和接收部分，所述发射部分包括频率选择单元、基带信号产生器、上变频器和发射天线，所述频率选择单元的输出分为两路，一路连接基带信号生成器，一路送至成像算法单元，所述频率选择单元在每个观测时刻从频率偏置集合中按照线性或随机等规律选择单个频率偏置作为基带信号产生器的频率，经过上变频器进行载波调制，得到射频发射信号由发射天线发射出去；所述接收部分包括接收天线、下变频器、数字采样单元和成像算法单元，通过收到的回波信号经过下变频器和数字采样单元，恢复为携带目标信息的基带信号，送到成像算法单元进行处理。

本发明解决的另一个问题是频率分集逆合成孔径雷达成像方法。

为此，本发明提供的技术方案是一种频率分集逆合成孔径雷达成像方法，包括以下步骤：

(1)雷达以一定的时间间隔观测目标，其观测时间为t_i i＝1,2,...,N；

(2)在初始观测时刻t_i＝1，频率选择单元从频率偏置集合{0Δf，1Δf，…(L-1)Δf}按照线性或随机等规则选择单个频率：f_i作为单频基带信号，其中Δf为固定频率增量；

(3)基带信号产生器产生频率为f_i的单频信号B_i(t)，B_i(t)＝cos(2πf_it)，t为时间；

(4)基带信号B_i(t)通过上变频器，得到射频发射信号S_i(t)，由发射天线发射出去，发射信号可表示为：

S_i(t)＝cos(2π(f₀+f_i)t)

(5)经目标反射后，假设目标由M个散射点组成，经过接收天线接收、下变频和数字采样，目标回波信号可表示为：

其中m表示第m个散射点，σ_m表示第m个散射点的散射系数，其中R_m(t_i)表示t_i时刻时，第m个散射点与雷达的距离，c表示光速；

(6)将成像区域按X轴和Y轴划分网格(像素点)，对成像区域中每一个网格节点(x，y)进行相应的时延补偿，对其中某一个网格点的时延补偿可表示为：

其中R_(x，y)(t_i)表示t_i时刻时，网格点(x，y)与雷达的距离，得到成像场景中所有网格点上时延补偿后的回波矩阵

(7)令t_i＝t_i+1，重复上述步骤(2)-(6)，直到i＝N，得到所有回波矩阵

(8)将N个时刻获得的回波矩阵

相加，获得目标二维像：

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)在使用单个雷达收发单元的情况下，可用目标与雷达相对运动产生逆合成孔径，并使用多个单频信号完成频率分集宽带信号的合成，获得目标二维成像，降低了系统复杂度，在匀速直线目标成像场景中尤为有效。

(2)采用一个雷达收发单元分时工作，每个观测时间点只需发射一个单频信号，相比于传统的宽带信号，降低了对系统设备的要求。

(3)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、方位向图像。相比于宽带信号ISAR后向投影算法，不需要脉冲压缩、插值、重采样，降低了在成像算法上的复杂度。

本发明相比于现有的宽带ISAR成像系统和成像方法，在每个观测时间点仅发射一个单频信号，降低了系统和成像方法的复杂度。

附图说明

图1为雷达系统与目标几何结构关系图；

图2为本发明系统结构示意图；

图3为成像模型图；

图4为本发明方法流程示意图；

图5为多目标仿真场景图；

图6为多目标仿真成像结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

雷达系统与目标几何结构关系，如图1所示，由1个雷达收发单元(空心正方形)和目标所构成，雷达在不同时刻t_i向目标发射单频信号。

图2示出了一种频率分集逆合成孔径雷达成像系统，包括发射部分和接收部分，所述发射部分包括频率选择单元、基带信号产生器、上变频器和发射天线，所述频率选择单元的输出分为两路，一路连接基带信号生成器，一路送至成像算法单元，所述频率选择单元在每个观测时刻从频率偏置集合中按照线性或随机等规律选择单个频率偏置作为基带信号产生器的频率，经过上变频器进行载波调制，得到射频发射信号由发射天线发射出去；所述接收部分包括接收天线、下变频器、数字采样单元和成像算法单元，通过收到的回波信号经过下变频器和数字采样单元，恢复为携带目标信息的基带信号，送到成像算法单元进行处理，得到的成像模型如图3所示。

图4示出了本发明方法流程，一种频率分集逆合成孔径雷达成像方法，包括以下步骤：

(1)雷达以一定的时间间隔观测目标，其观测时间为t_i i＝1,2,...,N；

(2)在初始观测时刻t_i＝1，频率选择单元从频率偏置集合{0Δf，1Δf，…(L-1)Δf}按照线性或随机等规则选择单个频率：f_i作为单频基带信号，其中Δf为固定频率增量；

(3)基带信号产生器产生频率为f_i的单频信号B_i(t)，B_i(t)＝cos(2πf_it)，t为时间；

(4)基带信号B_i(t)通过上变频器，得到射频发射信号S_i(t)，由发射天线发射出去，发射信号可表示为：

S_i(t)＝cos(2π(f₀+f_i)t)

(5)经目标反射后，假设目标由M个散射点组成，经过接收天线接收、下变频和数字采样，目标回波信号可表示为：

其中m表示第m个散射点，σ_m表示第m个散射点的散射系数，其中R_m(t_i)表示t_i时刻时，第m个散射点与雷达的距离，c表示光速；

(6)将成像区域按X轴和Y轴划分网格(像素点)，对成像区域中每一个网格节点(x，y)进行相应的时延补偿，对其中某一个网格点的时延补偿可表示为：

其中R_(x，y)(t_i)表示t_i时刻时，网格点(x，y)与雷达的距离，得到成像场景中所有网格点上时延补偿后的回波矩阵

(7)令t_i＝t_i+1，重复上述步骤(2)-(6)，直到i＝N，得到所有回波矩阵

(8)将N个时刻获得的回波矩阵

相加，获得目标二维像：

实验场景：

频率分集逆合成孔径雷达成像系统采用如图1所示的目标与雷达结构图，目标以100m/s的速度向Y轴的正方向运动，雷达一共观测241次数。雷达信号载频f₀＝10GHz，频率增量Δf＝200KHz，频率增量个数N＝241。

成像区域范围：X轴方向为-10m～10m，Y轴方向为-10m～10m，在区域等间距划分一个100×100的网格，相邻网络节点间隔为0.202m，网格中(50,50)的位置，即为目标中心(即坐标轴原点)。现将5个点目标分别设置在(0,0),(0,-4.04),(0,4.04),(-4.04,0),(4.04,0)，假设目标散射系数为1，目标如图5所示。

实验结果：

图6为采用本文方法的仿真雷达探测与成像结果，比较图5和图6可以看出，仿真结果不仅重建了各目标的相对位置，也准确的重建了目标的相对散射系数。

图6中的距离向表示雷达与目标的连线方向、方位向为与雷达目标连线垂直的方向，信号强度为回波矩阵多次相加，各网格节点上的数值大小。

与现有技术相比，本发明有益效果通过实验结果进行进一步说明。

实验场景：

频率分集逆合成孔径雷达成像系统采用如图1所示的目标与雷达结构图，目标以100m/s的速度向Y轴的正方向运动，雷达一共观测241次数。雷达信号载频f₀＝10GHz，频率增量Δf200KHz，频率增量个数N＝241。

成像区域范围：X轴方向为-10m～10m，Y轴方向为-10m～10m，在区域等间距划分一个100×100的网格，相邻网络节点间隔为0.202m，网格中(50，50)的位置，即为目标中心(即坐标轴原点)。现将5个点目标分别设置在(0，0)，(0，-4.04)，(0，4.04)，(-4.04，0)，(4.04，0)，假设目标散射系数为1，目标如图5所示。

实验结果：

图6为采用本文方法的仿真雷达探测与成像结果，比较图5和图6可以看出，仿真结果不仅重建了各目标的相对位置，也准确的重建了目标的相对散射系数。从成像实验结果可以看出，本文所提的频率分集逆合成孔径雷达系统在所提的成像算法下，获得了较好的目标二维像，相比于宽带雷达成像系统，降低了系统和成像方法的复杂度。

以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种频率分集逆合成孔径雷达成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)雷达以一定的时间间隔观测目标，其观测时间为t_ii＝1,2,...,N；

(2)在初始观测时刻t_i＝1，频率选择单元从频率偏置集合{0Δf,1Δf,…(L-1)Δf}按照线性或随机规则选择单个频率：f_i作为单频基带信号，其中Δf为固定频率增量；

(3)基带信号产生器产生频率为f_i的单频信号B_i(t)，B_i(t)＝cos(2πf_it)，t为时间；

(4)基带信号B_i(t)通过上变频器，得到射频发射信号S_i(t)，由发射天线发射出去，发射信号可表示为：

S_i(t)＝cos(2π(f₀+f_i)t)

(5)经目标反射后，假设目标由M个散射点组成，经过接收天线接收、下变频和数字采样，目标回波信号可表示为：

其中m表示第m个散射点，σ_m表示第m个散射点的散射系数，其中R_m(t_i)表示t_i时刻时，第m个散射点与雷达的距离，c表示光速；

(6)将成像区域按X轴和Y轴划分网格像素点，对成像区域中每一个网格像素点(x，y)进行相应的时延补偿，对其中某一个网格像素点的时延补偿可表示为：

其中R_(x，y)(t_i)表示t_i时刻时，网格点(x，y)与雷达的距离，得到成像场景中所有网格像素点上时延补偿后的回波矩阵

(7)令t_i＝t_i+1，重复上述步骤(2)-(6)，直到i＝N，得到所有回波矩阵

(8)将N个时刻获得的回波矩阵

相加，获得目标二维像：

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