CN112764031A - 基于毫米波雷达的近场isar干涉转台成像方法 - Google Patents

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Abstract

基于毫米波雷达的ISAR干涉转台成像算法，利用毫米波雷达的一发双收模式对近场转台目标干涉成像，其中发射天线A发射调频连续波信号，接收天线B和C接收信号，分别对接收天线B和接收天线C得到的回波数据进行脉压处理得到两幅目标回波的一维距离像，对接收天线B的回波数据计算得到的一维距离像进行距离向插值、相位补偿最后相干叠加得到BP成像结果得到目标的二维图像，对得到两幅一维距离像进行方位向压缩得到两幅距离多普勒图像，在将两幅图像进行干涉处理得到干涉相位，反演目标的第三维高度信息。本发明实现了近场条件下反演目标的三维尺寸，扩展了算法的应用场景，能够有效的提高对目标的识别能力。

Description

基于毫米波雷达的近场ISAR干涉转台成像方法
技术领域
本发明涉及一种基于毫米波雷达的近场ISAR干涉转台成像方法，更具体的说是使用毫米波大带宽雷达针对转台目标的近场干涉三维成像方法，属于雷达信号处理领域。
背景技术
近年来，随着雷达成像技术的不断进步，雷达成像技术在民用和军事等领域得到了广泛的应用。雷达成像技术包括合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像和逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)成像,二者都是利用目标与雷达的相对运动进行成像，其中ISAR主要是对导弹、飞机等空中目标进行二维成像，且由于ISAR不易受天气等环境因素干扰，即具备全天时全天候的特点，故ISAR成像技术广泛的应用于国防防空反导等领域，是战略防御中一种非常重要的目标识别手段。
ISAR成像处理过程中可将其分为两步处理。第一步为对目标成像之前的处理部分，称之为运动补偿。第二步为成像部分，即对运动补偿后的目标回波进行成像，此时目标相对于雷达的运动为目标绕旋转中心转动，故可以等效为转台模型对目标进行成像，因此研究转台目标的成像就具有重要的实际意义。
干涉ISAR利用ISAR成像技术得到距离-多普勒平面的二维图像，在利用相位干涉法得到目标的第三维高度信息，目前大多数干涉ISAR技术大多数都是基于三天线结构来获取目标的三维物理尺寸，虽然可以获取目标的真实物理尺寸，但是成像步骤繁琐，且在成像过程中容易出现图像失配、斜视、角闪烁等问题，难以保持成像精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于毫米波雷达的近场ISAR干涉转台成像方法，基于毫米波雷达的多发多收模式，应用近场BP成像算法和双天线干涉ISAR技术同时实现了在近场条件下对转台目标的精确的二维成像以及反演目标的第三维高度信息，能够有效的提高对转台目标识别和分辨能力。
为了实现上述目的，基于毫米波雷达的近场ISAR干涉转台成像方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、利用正对目标放置的毫米波雷达发射天线A和接收天线B、C发射并接收目标的回波信号；
所述毫米波雷达发射调频连续波信号，雷达发射信号的总帧数为M，每帧包括N个调频连续波信号，脉冲信号重复时间为T，第n个脉冲时刻时间为tn＝nT；
步骤2、对天线B、C接收到的目标回波信号做脉冲压缩处理，得到目标的一维距离像；
雷达得到的目标回波信号是由多个散射点组成的，对于目标回波信号上的每一个散射点P，以RAP(tn)、RBP(tn)和RCP(tn)分别表示散射点P到发射天线A、接收天线B和接收天线C的在tn时刻的瞬时距离；定义RB(tn)与RC(tn)分别如下：
RB(tn)＝(RAP(tn)+RBP(tn))/2
RC(tn)＝(RAP(tn)+RCP(tn))/2
接收天线B和接收天线C接收到的回波信号SB(tk,tn)、SC(tk,tn)分别为：
Figure BDA0002863087780000021
Figure BDA0002863087780000022
Figure BDA0002863087780000023
Figure BDA0002863087780000024
其中，tk为距离向快时间，tn为方位向慢时间、即步骤1中的第n个脉冲时刻时间，σp为散射点P的后向散射系数，c为真空中电磁波的传播速度，Tp发射信号的脉冲宽度，fc为调频连续波信号的载波频率，K为调频连续波信号的调频率；
对两接收天线接收到的回波信号进行距离向脉冲压缩，得到一维距离像SBrp(frp,tn)、SCrp(frp,tn)分别为：
Figure BDA0002863087780000025
Figure BDA0002863087780000026
其中，frp为距离向脉冲压缩后得到的距离频率，其与距离向中的距离相互对应，σpf为脉冲压缩后的后向散射系数；
从而将由单个散射点的一维距离向扩展得到整个目标的一维距离像；
步骤3、计算步骤2中得到的一维距离像的距离向分辨率和方位向分辨率；
根据预先设置的调频连续波信号以及毫米波雷达的系统参数计算距离分辨率dr：
Figure BDA0002863087780000027
其中，Fs为采样频率，As为采样点数；
利用毫米波雷达系统的转台参数计算方位向分辨率da：
Figure BDA0002863087780000031
其中ω为转台的旋转角速度，λ为发射信号电磁波的波长；
步骤4、对接收天线B处理得到的目标一维距离像数据进行沿距离向插值，然后进行相位补偿，相干叠加得到BP成像结果：
根据步骤2得到的一维距离像数据截取包含目标的成像区域，并根据此成像区域划分成像网格(x,y)，其中x为划分后的成像网格的方位向位置，y为划分后的成像区域的距离向位置，且划分后的成像网格区域包含目标区域，划分后的成像网格的采样间隔均小于步骤3中计算得到的距离向分辨率以及方位向分辨率；
对截取的、包含目标的一维距离像数据沿距离向使用线性插值法进行插值升采样；
记插值后的一维距离像数据起始时刻对应的方位向角度为0°，以此计算转台目标在tn时刻的旋转累加角度
Figure BDA0002863087780000032
Figure BDA0002863087780000033
以转台旋转中心为参考系坐标原点，计算划分后的成像区域所有网格点(x,y)到转台旋转中心的距离Rxy：
Figure BDA0002863087780000034
以转台旋转中心为参考系坐标原点，计算划分后的成像区域所有网格点(x,y)在tn时刻的位置坐标：
Figure BDA0002863087780000035
得到tn时刻，划分后的成像区域所有网格点(x,y)到接收天线B的瞬时距离
Figure BDA0002863087780000036
Figure BDA0002863087780000037
其中，
Figure BDA0002863087780000038
为接收天线B到转台旋转中心的距离，为固定参数；
对截取的、包含包含目标的一维距离像数据进行相位补偿，相干叠加得到BP成像结果；
Figure BDA0002863087780000039
步骤5、将从接收天线B和接收天线C分别处理得到的一维距离像数据，进行方位向处理，分别得到接收天线B和接收天线C的距离多普勒成像结果，再将成像结果的相位分别表示为：
Figure BDA00028630877800000310
Figure BDA0002863087780000041
其中t0为成像初始时刻的脉冲时间，RB(q1,q2)为t0时刻图像像素点(q1,q2)到接收天线B单程距离,RC(q1,q2)为t0时刻图像像素点到接收天线C单程距离；
步骤6、对步骤5得到的两幅距离多普勒成像结果的相位，进行两两共轭相乘的干涉处理，并提取结果中的干涉相位
Figure BDA0002863087780000044
可以表示如下：
Figure BDA0002863087780000042
步骤7、利用干涉相位的关系，反演得到目标的第三维坐标信息，表示如下：
Figure BDA0002863087780000043
其中，ZPD(q1,q2)是图像像素点对应的高度信息，LBC为接收天线B和C之间的基线长度。
本发明的优点：
(1)利用毫米波雷达的多发多收模式直接完成对目标的二维成像和干涉测高技术。
(2)BP成像算法是基于波前重建理论的算法，是一种精确的时域成像算法，成像不受目标转角的限制，且由于其成像过程是逐点反投影成像，因此可以避免目标在大转角情况下产生的越距离单元现象，实现高分辨率成像。传统的BP算法都是基于远场条件下实现的，本发明实现了在近场条件下对目标高分辨率二维成像，进一步扩展了应用范围。
(3)目前大多数干涉ISAR技术大多数都是基于三天线结构来获取目标的三维物理尺寸，其成像步骤繁琐，且在成像过程中容易出现图像失配、斜视、角闪烁等问题，难以保持成像精度，本发明利用BP成像算法和双天线干涉ISAR技术可以减少成像步骤，有效的提高对目标的识别能力。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2为本实施例中的测量目标经过脉压处理后得到的一维距离像。
图3为截取包含目标区域后的一维距离像。
图4为本实例中对目标进行使用近场BP成像算法所得到的成像效果图。
图5为接收天线B接收到的回波数据处理得到的距离多普勒成像效果图。
图6为接收天线C接收到的回波数据处理得到的距离多普勒成像效果图。
图7为利用干涉相位计算目标高度时的几何关系图。
图8为干涉技术反演得到的目标高度信息图像。
具体实施方式
以下结合附图，以及具体实施例对本发明的技术方案以及所达到的效果进行进一步描述。
本实施例是基于毫米波雷达的近场干涉ISAR转台成像方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤1、利用正对目标放置的毫米波雷达发射天线A和接收天线B、C发射并接收目标的回波信号；
所述毫米波雷达发射调频连续波信号，雷达发射信号的总帧数为M，每帧包括N个调频连续波信号，脉冲信号重复时间为T，第n个脉冲时刻时间为tn＝nT；
本实例的实施过程中：转台旋转中心到雷达的距离为1.6m,转台的旋转角速度为0.26rad/s，接收天线B和接收天线C之间的基线长度为6mm，M＝128,N＝128，T＝0.0005s。成像目标选用飞机模型，飞机模型的物理尺寸如下：机翼总长为：90cm,机身总长为63cm。
步骤2、对天线B、C接收到的目标回波信号做脉冲压缩处理，得到目标的一维距离像；
所述目标上一个散射点P，以RAP(tn)、RBP(tn)和RCP(tn)分别表示散射点P到发射天线A、接收天线B和接收天线C的在tn时刻的瞬时距离；定义RB(tn)与RC(tn)分别如下：
RB(tn)＝(RAP(tn)+RBP(tn))/2
RC(tn)＝(RAP(tn)+RCP(tn))/2
接收天线B和接收天线C接收到的回波信号SB(tk,tn)、SC(tk,tn)分别为：
Figure BDA0002863087780000051
Figure BDA0002863087780000052
Figure BDA0002863087780000053
Figure BDA0002863087780000054
其中，tk为距离向快时间，tn为方位向慢时间、即步骤1中的第n个脉冲时刻时间，σp为散射点P的后向散射系数，c为真空中电磁波的传播速度，Tp发射信号的脉冲宽度，fc为调频连续波信号的载波频率，K为调频连续波信号的调频率；
对两接收天线接收到的回波信号进行距离向脉冲压缩，得到一维距离像SBrp(frp,tn)、SCrp(frp,tn)分别为：
Figure BDA0002863087780000055
Figure BDA0002863087780000061
其中，frp为距离向脉冲压缩后得到的距离频率，其与距离向中的距离相互对应，σpf为脉冲压缩后的后向散射系数，雷达得到的目标回波信号是由多个散射点组成的，故可将上述步骤2中计算得到的单个散射点一维距离向扩展得到整个目标的一维距离像。
根据上述步骤1中雷达系统参数以及回波信号，计算得到目标的一维距离像结果如图2所示。
步骤3、计算步骤2中得到的一维距离像的距离向分辨率和方位向分辨率；
根据预先设置的调频连续波信号以及毫米波雷达的系统参数计算距离分辨率dr：
Figure BDA0002863087780000062
其中，Fs为采样频率，As为采样点数；
利用毫米波雷达系统的转台参数计算方位向分辨率da：
Figure BDA0002863087780000063
其中ω为转台的旋转角速度，λ为发射信号电磁波的波长；
步骤4、对接收天线B处理得到的目标一维距离像数据进行沿距离向插值，然后进行相位补偿，相干叠加得到BP成像结果：
根据步骤2得到的一维距离像数据截取包含目标的成像区域，其截取的成像区域如图3所示，并根据此成像区域划分成像网格(x,y)，其中x为划分后的成像网格的方位向位置，y为划分后的成像区域的距离向位置，且划分后的成像网格区域包含目标区域，划分后的成像网格的采样间隔均小于步骤3中计算得到的距离向分辨率以及方位向分辨率；
对截取的、包含目标的一维距离像数据沿距离向使用线性插值法进行插值升采样；
记插值后的一维距离像数据起始时刻对应的方位向角度为0°，以此计算转台目标在tn时刻的旋转累加角度
Figure BDA0002863087780000064
Figure BDA0002863087780000065
以转台旋转中心为参考系坐标原点，计算划分后的成像区域所有网格点(x,y)到转台旋转中心的距离Rxy：
Figure BDA0002863087780000066
以转台旋转中心为参考系坐标原点，计算划分后的成像区域所有网格点(x,y)在tn时刻的位置坐标：
Figure BDA0002863087780000071
得到tn时刻，划分后的成像区域所有网格点(x,y)到接收天线B的瞬时距离
Figure BDA0002863087780000072
Figure BDA0002863087780000073
其中，
Figure BDA0002863087780000074
为接收天线B到转台旋转中心的距离，为固定参数；
如图4所示，对截取的、包含包含目标的一维距离像数据进行相位补偿，相干叠加得到BP成像结果：
Figure BDA0002863087780000075
步骤5、将从接收天线B和接收天线C分别处理得到的一维距离像数据，进行方位向处理，分别得到接收天线B的距离多普勒成像结果如图5所示，接收天线C的距离多普勒成像结果如图6所示，其接收天线再将成像结果的相位分别表示为：
Figure BDA0002863087780000076
Figure BDA0002863087780000077
其中t0为成像初始时刻的脉冲时间，RB(q1,q2)为t0时刻图像像素点(q1,q2)到接收天线B单程距离,RC(q1,q2)为t0时刻图像像素点到接收天线C单程距离；
步骤6、对步骤5得到的两幅距离多普勒成像结果的相位，进行两两共轭相乘的干涉处理，并提取结果中的干涉相位
Figure BDA00028630877800000710
可以表示如下：
Figure BDA0002863087780000078
步骤7、利用图7所示的几何关系以及干涉相位的关系，反演得到目标的第三维坐标信
息，表示如下：
Figure BDA0002863087780000079
其中，ZPD(q1,q2)是图像像素点对应的高度信息，LBC为接收天线B和C之间的基线长度，基于上式以及实施例参数计算得到的目标模型的第三维高度信息如图8所示。

Claims (1)

1.基于毫米波雷达的近场ISAR干涉转台成像方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、利用正对目标放置的毫米波雷达发射天线A和接收天线B、C发射并接收目标的回波信号；
所述毫米波雷达发射调频连续波信号，雷达发射信号的总帧数为M，每帧包括N个调频连续波信号，脉冲信号重复时间为T，第n个脉冲时刻时间为tn＝nT；
步骤2、对天线B、C接收到的目标回波信号做脉冲压缩处理，得到目标的一维距离像；
雷达得到的目标回波信号是由多个散射点组成的，对于目标回波信号上的每一个散射点P，以RAP(tn)、RBP(tn)和RCP(tn)分别表示散射点P到发射天线A、接收天线B和接收天线C的在tn时刻的瞬时距离；定义RB(tn)与RC(tn)分别如下：
RB(tn)＝(RAP(tn)+RBP(tn))/2
RC(tn)＝(RAP(tn)+RCP(tn))/2
接收天线B和接收天线C接收到的回波信号SB(tk,tn)、SC(tk,tn)分别为：
Figure FDA0002863087770000011
Figure FDA0002863087770000012
其中，tk为距离向快时间，tn为方位向慢时间、即步骤1中的第n个脉冲时刻时间，σp为散射点P的后向散射系数，c为真空中电磁波的传播速度，Tp发射信号的脉冲宽度，fc为调频连续波信号的载波频率，K为调频连续波信号的调频率；
对两接收天线接收到的回波信号进行距离向脉冲压缩，得到一维距离像SBrp(frp,tn)、SCrp(frp,tn)分别为：
Figure FDA0002863087770000013
Figure FDA0002863087770000021
其中，frp为距离向脉冲压缩后得到的距离频率，其与距离向中的距离相互对应，σpf为脉冲压缩后的后向散射系数；
从而将由单个散射点的一维距离向扩展得到整个目标的一维距离像；
步骤3、计算步骤2中得到的一维距离像的距离向分辨率和方位向分辨率；
根据预先设置的调频连续波信号以及毫米波雷达的系统参数计算距离分辨率dr：
Figure FDA0002863087770000022
其中，Fs为采样频率，As为采样点数；
利用毫米波雷达系统的转台参数计算方位向分辨率da：
Figure FDA0002863087770000023
其中ω为转台的旋转角速度，λ为发射信号电磁波的波长；
步骤4、对接收天线B处理得到的目标一维距离像数据进行沿距离向插值，然后进行相位补偿，相干叠加得到BP成像结果：
根据步骤2得到的一维距离像数据截取包含目标的成像区域，并根据此成像区域划分成像网格(x,y)，其中x为划分后的成像网格的方位向位置，y为划分后的成像区域的距离向位置，且划分后的成像网格区域包含目标区域，划分后的成像网格的采样间隔均小于步骤3中计算得到的距离向分辨率以及方位向分辨率；
对截取的、包含目标的一维距离像数据沿距离向使用线性插值法进行插值升采样；
记插值后的一维距离像数据起始时刻对应的方位向角度为0°，以此计算转台目标在tn时刻的旋转累加角度
Figure FDA0002863087770000024
Figure FDA0002863087770000025
以转台旋转中心为参考系坐标原点，计算划分后的成像区域所有网格点(x,y)到转台旋转中心的距离Rxy：
Figure FDA0002863087770000026
以转台旋转中心为参考系坐标原点，计算划分后的成像区域所有网格点(x,y)在tn时刻的位置坐标：
Figure FDA0002863087770000031
得到tn时刻，划分后的成像区域所有网格点(x,y)到接收天线B的瞬时距离
Figure FDA0002863087770000032
Figure FDA0002863087770000033
其中，
Figure FDA0002863087770000034
为接收天线B到转台旋转中心的距离，为固定参数；
对截取的、包含包含目标的一维距离像数据进行相位补偿，相干叠加得到BP成像结果；
Figure FDA0002863087770000035
步骤5、将从接收天线B和接收天线C分别处理得到的一维距离像数据，进行方位向处理，分别得到接收天线B和接收天线C的距离多普勒成像结果，再将成像结果的相位分别表示为：
Figure FDA0002863087770000036
Figure FDA0002863087770000037
其中t0为成像初始时刻的脉冲时间，RB(q1,q2)为t0时刻图像像素点(q1,q2)到接收天线B单程距离,RC(q1,q2)为t0时刻图像像素点到接收天线C单程距离；
步骤6、对步骤5得到的两幅距离多普勒成像结果的相位，进行两两共轭相乘的干涉处理，并提取结果中的干涉相位
Figure FDA0002863087770000038
可以表示如下：
Figure FDA0002863087770000039
步骤7、利用干涉相位的关系，反演得到目标的第三维坐标信息，表示如下：
Figure FDA00028630877700000310
其中，ZPD(q1,q2)是图像像素点对应的高度信息，LBC为接收天线B和C之间的基线长度。
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