CN113064169A - 多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多输入多输出随机频率分集阵列合成孔径雷达三维成像方法，将MIMO技术和频率分集阵列合成孔径雷达三维成像相结合，形成多输入多输出频率分集阵列三维合成孔径雷达系统，MIMO‑FDA阵列作为切航迹向的实阵列，在沿航迹向的不同观测点，为MIMO阵列选择一组随机的发射频率，MIMO‑FDA随运动平台运动，形成虚拟的FDA平面，实现对目标的三维成像。解决了发射端射发射宽带信号复杂，接收端信号不易分隔宽带信号的问题，采用少量阵元，又解决了平面频率分集阵列不易于阵列集成和实际应用困难的问题。

Description

多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达三维成像方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种多输入多输出随机频率分集阵列合成孔径雷达三维成像方法。

背景技术

二维成像是三维空间向二维空间的投影过程，在对城市、山区等起伏地形观测时存在阴影效应和叠掩效应，随着科技的发展和计算能力的提高，人们追求更高分辨能力的三维成像，3D-SAR应运而生。

线阵三维合成孔径雷达(Three-dimensional Synthetic Aperture Radar，3D-SAR)，是在传统二维SAR成像基础上，在切航迹向放置真实线阵天线形成真实孔径，从而获得了切航迹向的分辨能力；沿航迹向利用合成孔径原理，获得沿航迹向的分辨能力；利用脉冲压缩技术获得距离向的分辨能力，线阵三维SAR成像不受航迹数和运动轨迹的要求，成为三维成像技术一个重要的研究方向。然而，在实际应用方面，一方面，发射机发射宽带信号，发射装置复杂，另一方面宽带信号接收端信号分离困难，同时由于采用实阵列，阵元数目多，为了避免栅瓣，阵元间距要小于半波长，阵列设计和实现较为复杂。

频率分集阵列(Frequency Diverse Array,FDA)，各阵元之间发射单频信号，相邻阵元之间有远小于初始载频的频率差，可以形成距离和角度相耦合的波束方向图。选取随机频率增量，产生点状波束方向图，可以同时获得距离和角度信息，实现距离和角度的解耦。随机FDA-SAR三维成像系统，切航迹向放置随机FDA实阵列，结合SAR技术，形成虚拟平面阵列实现对目标的三维成像。频率分集阵列无需发送宽带信号，各阵元发射单频信号，合成宽带信号，可以解决宽带信号发射和接收端复杂度高的问题，发送端便于信号发射，接收端易于信号的分离。然而，切航迹向采用实阵列所需阵元数目多，会带来阵列集成困难、所需滤波器较多等问题，不易于实际应用和场景实现。

CN106772368B“多随机频率雷达阵列超分辨三维成像方法”该方法采用频率分集阵列，在空间中形成随机辐射场，得到雷达回波信号，通过分数阶范数稀疏恢复方法实现高纬度超分辨三维成像。该方法仅使用了随机频率分集阵列，发射和接收均采用实阵列，所需阵元数目较多。

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”该方法采用频率分集阵列和合成孔径雷达相结合，对目标进行三维成像，该方法采用收发共置实阵列，在沿航迹维构成虚拟线阵，与切航迹向的实阵列形成虚拟面阵。该方法沿航迹维采用合成孔径，切航迹维采用实阵列，该三维成像方法所需阵元数目较CN106772368B三维成像方法少，但切航迹维的实阵列，在满足阵元间距二分之一波长的条件下，阵元数目仍然较多。

发明内容

本发明针对现有频率分集阵列线阵三维成像技术，发射系统和接收系统复杂的问题、平面频率分集阵列阵元数目多，不易于实际应用的问题，提供一种多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达系统及其目标三维成像方法，进一步降低多目标的三维成像发射和接收端复杂度。

实现本发明目的的技术方案是：

本发明多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达三维成像系统，由一个沿切航迹向放置的多输入多输出频率分集阵列雷达和运动平台(飞机)组成；多输入多输出频率分集阵列雷达装在运动平台(飞机)上，随平台(飞机)运动；运动平台(飞机)与线性多输入多输出频率分集阵列雷达的成像算法单元连接。

本发明多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达三维成像方法，包括如下步骤：

步骤1，布设多输入多输出频率分集阵列：

阵列沿y轴均匀分布，根据相位等效定理和阵列构型，形成间距为d_y＝d的虚拟均匀阵列，d为虚拟阵列的阵元间距；

阵列两端为发射阵元P，发射阵元的间距为d_R＝Pd；

阵列中间为接收阵元Q，接收阵元全频接收所有发射阵元发送的信号，接收阵元的间距d_T＝2d；

发射阵元和接收阵元间距为d_TR＝d，d为虚拟阵列的阵元间距，且

λ为阵列初始载波波长；

发射阵元p的位置为：

接收阵元q的位置：

步骤2，选择频偏：

运动平台(飞机)以速度ν沿x轴作匀速直线运动，多输入多输出频率分集阵列雷达脉冲重复周期为T_r，运动平台(飞机)每经过d_x＝νT_r的距离形成一个观测点，

在不同观测点，雷达从增量集合{0,Δf,…,(l-1)Δf}中随机选择一组P个频率增量，产生基带信号，通过频谱搬移在天线端发送出去；

雷达位于观测点m时，基带频率选择单元产生一组随机基带频率，第p个发射阵元的基带频率为l_m,pΔf，m＝0,1,…,M-1；p＝1,2,…P；l_m,p＝0,1,…,L-1；其中，L为频率增量的个数即频点数，Δf为单位频率增量且需满足LΔf＜＜f₀，f₀为载频频率；

步骤3，产生发射信号：

根据步骤2所选择的频率，生成基带信号经过正交以及上变频处理，通过天线辐射至自由空间中，观测点m，第p个发射阵元的发射信号为:

其中，φ_m,p为发射归一化包络的正交波形，满足如下条件：

步骤4，全频接收回波数据：

发射信号经目标反射，接收阵元全频接收所有回波信号

为：

其中，τ_m,p,q表示信号在第p个发射阵元和第q个接收阵元，往返过程所造成的时延，包括发射时延和接受时延；

σ表示第k个目标的反射系数，第k个目标到第m个观测点、第p个发射阵元和第q个接收阵元的发射和接收时延，分别为：

τ^T _m,p(k)＝R^T _m,p(k)/c

τ^R _m,q(k)＝R^R _m,q(k)/c

第k个目标与发射和接收阵元之间的距离分别为：

其中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，

和

分别表示发射阵元位置和接收阵元位置；

步骤5，基带回波数据：

匹配滤波后，得到位于观测点m，第q个接收阵元，接收到的第p个发射阵元的回波信号：

步骤6，三维BP成像算法处理数据：

对成像区域划分网格体，(x_g,y_g,z_g)表示第g个网格体的坐标，计算时延，对回波数据进行时延补偿，遍历发射阵元，接收阵元，遍历所有观测点，将每

个观测点得到的成像区域进行叠加，得到成像区域各网格点的像素值，

最终得到成像区域的图像。

多输入多输出(Multi-Input Multi-Output，MIMO)雷达，同时使用多个天线发射不同波形，多个天线同时接收反射信号波形。MIMO雷达波形分集、虚拟孔径的特点增加了系统的自由度，提高了系统目标参数识别、目标检测等性能。本发明成像方法，将MIMO技术和频率分集阵列合成孔径雷达三维成像相结合，形成多输入多输出频率分集阵列三维合成孔径雷达系统，MIMO-FDA阵列作为切航迹向的实阵列，在沿航迹向的不同观测点，为MIMO阵列选择一组随机的发射频率，MIMO-FDA随运动平台运动，形成虚拟的FDA平面，实现对目标的三维成像。解决了发射端射发射宽带信号复杂，接收端信号不易分隔宽带信号的问题，采用少量阵元，又解决了平面频率分集阵列不易于阵列集成和实际应用困难的问题。

与现有的三维成像方法相比，本发明具有如下优点：

1、采用多输入多输出阵列，减少了阵元个数，增大了系统的自由度，降低了阵列集成和载荷的要求。

2、使用多输入多输出频率分集阵列，发射信号简单，且易于发射信号波形设计，易于接收信号分离，降低了雷达发射机接收机的要求和成本。

3、利用平台运动，多输入多输出阵列频率分集阵列线阵雷达，在不同观测点，合成孔径，形成二维平面阵列，减少了雷达个数和成本。

附图说明

图1为实施例多输入多输出频率分集阵列布设及虚拟阵列示意图。

图2为实施例多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达三维成像系统结构示意图。

图3为本发明三维成像方法流程图。

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，实施例多输入多输出频率分集阵列，沿切航迹方向对称分布，P发射阵元布设在阵列两端，间距为d_R＝Pd，Q接收阵元布设在阵元中间，间距d_T＝2d，发射阵元和接收阵元间距为d_TR＝d，其中d为虚拟阵列的阵元间距，且

λ为阵列初始载波波长。

参照图2，实施例多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达三维成像系统，由1个多输入多输出频率分集阵列雷达和运动平台组成，运动平台为飞机，频率分集阵列雷达装在飞机上。

参照图3，本发明多输入多输出随机频率分集阵列合成孔径雷达三维成像方法流程图，成像方法包括如下步骤：

步骤1，布设多输入多输出频率分集阵列：

阵列沿y轴均匀分布，根据相位等效定理和阵列构型，形成间距为d_y＝d的虚拟均匀阵列，d为虚拟阵列的阵元间距；

阵列两端为发射阵元P，发射阵元的间距为d_R＝Pd；

阵列中间为接收阵元Q，接收阵元全频接收所有发射阵元发送的信号，接收阵元的间距d_T＝2d；

发射阵元和接收阵元间距为d_TR＝d，d为虚拟阵列的阵元间距，且

λ为阵列初始载波波长；

发射阵元p的位置为：

接收阵元q的位置：

步骤2，选择频偏：

运动平台(飞机)以速度ν沿x轴作匀速直线运动，多输入多输出频率分集阵列雷达脉冲重复周期为T_r，运动平台(飞机)每经过d_x＝νT_r的距离形成一个观测点，

在不同观测点，雷达从增量集合{0,Δf,…,(l-1)Δf}中随机选择一组P个频率增量，产生基带信号，通过频谱搬移在天线端发送出去；

雷达位于观测点m时，基带频率选择单元产生一组随机基带频率，第p个发射阵元的基带频率为l_m,pΔf，m＝0,1,…,M-1；p＝1,2,…P；l_m,p＝0,1,…,L-1；其中，L为频率增量的个数即频点数，Δf为单位频率增量且需满足LΔf＜＜f₀，f₀为载频频率；

步骤3，产生发射信号：

根据步骤2所选择的频率，生成基带信号经过正交以及上变频处理，通过天线辐射至自由空间中，观测点m，第p个发射阵元的发射信号为:

其中，φ_m,p为发射归一化包络的正交波形，满足如下条件：

步骤4，全频接收回波数据：

发射信号经目标反射，接收阵元全频接收所有回波信号

为：

其中，τ_m,p,q表示信号在第p个发射阵元和第q个接收阵元，往返过程所造成的时延，包括发射时延和接受时延；

σ表示第k个目标的反射系数，第k个目标到第m个观测点、第p个发射阵元和第q个接收阵元的发射和接收时延，分别为：

τ^T _m,p(k)＝R^T _m,p(k)/c

τ^R _m,q(k)＝R^R _m,q(k)/c

第k个目标与发射和接收阵元之间的距离分别为：

其中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，

和

分别表示发射阵元位置和接收阵元位置；

步骤5，基带回波数据：

匹配滤波后，得到位于观测点m，第q个接收阵元，接收到的第p个发射阵元的回波信号：

步骤6，三维BP成像算法处理数据：

对成像区域划分网格体，(x_g,y_g,z_g)表示第g个网格体的坐标，计算时延，对回波数据进行时延补偿，遍历发射阵元，接收阵元，遍历所有观测点，将每个观测点得到的成像区域进行叠加，得到成像区域各网格点的像素值，

最终得到成像区域的图像。

仿真场景：

多输入多输出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，发射阵元数目P＝10，发射阵元间距d_T＝2d＝6cm，接收阵元数目Q＝10，接收阵元间距d_R＝Pd＝60cm，发射和接收阵元间距d_TR＝d＝3cm,可以虚拟100个虚拟阵元，虚拟阵元间距

x轴方向的观测次数M＝100；

运动平台速度ν＝15m/s，飞行高度H＝2000m，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＝150KHz，频率增量个数即总频点数L＝100。

成像区域：x轴-200m～200m，y轴-200m～200m，z轴-200m～200m选取三个点目标，其位置为分别为(50,-50,50)、(-50,-55,50)、(-20,-25,-80)。

实验结果：

参照图4-7，多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达三维成像系统多目标成像仿真实验结果，图4为多目标成像三维立体图，图5为多目标成像结果在xoz面上的投影，图6多目标成像结果在xoy面上的投影，图7多目标成像结果在yoz面上的投影。采用本发明方法进行多目标成像，成像结果清晰可辨，多目标成像位置和预设一致。

综上所述，本发明提出的多输入多输出频率分集阵列合成孔径三维成像雷达系统，采用P+Q个阵元，实现PQ个阵元同样的成像效果，降低对载荷的要求、降低了发射和接收成本可以对目标三维成像，利于实际应用。

Claims (1)

1.多输入多输出频率分集阵列合成孔径雷达三维成像方法，其特征在于，所述三维成像方法，包括如下步骤：

步骤1，布设多输入多输出频率分集阵列：

阵列沿y轴均匀分布，根据相位等效定理和阵列构型，形成间距为d_y＝d的虚拟均匀阵列，d为虚拟阵列的阵元间距；

阵列两端为发射阵元P，发射阵元的间距为d_R＝Pd；

阵列中间为接收阵元Q，接收阵元全频接收所有发射阵元发送的信号，接收阵元的间距d_T＝2d；

发射阵元和接收阵元间距为d_TR＝d，d为虚拟阵列的阵元间距，且

λ为阵列初始载波波长；

发射阵元p的位置为：

接收阵元q的位置：

步骤2，选择频偏：

运动平台以速度ν沿x轴作匀速直线运动，多输入多输出频率分集阵列雷达脉冲重复周期为T_r，运动平台每经过d_x＝νT_r的距离形成一个观测点，

在不同观测点，雷达从增量集合{0,Δf,…,(l-1)Δf}中随机选择一组P个频率增量，产生基带信号，通过频谱搬移在天线端发送出去；

雷达位于观测点m时，基带频率选择单元产生一组随机基带频率，第p个发射阵元的基带频率为l_m,pΔf，m＝0,1,…,M-1；p＝1,2,…P；l_m,p＝0,1,…,L-1；其中，L为频率增量的个数即频点数，Δf为单位频率增量且需满足LΔf＜＜f₀，f₀为载频频率；

步骤3，产生发射信号：

根据步骤2所选择的频率，生成基带信号经过正交以及上变频处理，通过天线辐射至自由空间中，观测点m，第p个发射阵元的发射信号为:

其中，φ_m,p为发射归一化包络的正交波形，满足如下条件：

步骤4，全频接收回波数据：

发射信号经目标反射，接收阵元全频接收所有回波信号

为：

其中，τ_m,p,q表示信号在第p个发射阵元和第q个接收阵元，往返过程所造成的时延，包括发射时延和接受时延；

σ表示第k个目标的反射系数，第k个目标到第m个观测点、第p个发射阵元和第q个接收阵元的发射和接收时延，分别为：

τ^T _m,p(k)＝R^T _m,p(k)/c

τ^R _m,q(k)＝R^R _m,q(k)/c

第k个目标与发射和接收阵元之间的距离分别为：

其中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，

和

分别表示发射阵元位置和接收阵元位置；

步骤5，基带回波数据：

匹配滤波后，得到位于观测点m，第q个接收阵元，接收到的第p个发射阵元的回波信号：

步骤6，三维BP成像算法处理数据：

对成像区域划分网格体，(x_g,y_g,z_g)表示第g个网格体的坐标，计算时延，对回波数据进行时延补偿，遍历发射阵元，接收阵元，遍历所有观测点，将每个观测点得到的成像区域进行叠加，得到成像区域各网格点的像素值，

最终得到成像区域的图像。

Images