CN115932850A - 一种基于频率分集阵列的逆合成孔径成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率分集阵列的逆合成孔径成像方法，截取FDA对某一目标扫描周期内的有效时段，重复发射该有效时段，并将形成的重复信号作为ISAR的发射波束。该方法通过将指向其他无用方向的时段利用起来，针对需要被探测的方向持续性的发射能聚焦的波束，从而达到稳定跟踪的效果。并且以该方法产生的波束也解决了FDA存在的距离角度耦合问题，同时持续的FDA波束可获得距离向分辨能力，并通过目标与雷达之间的相对运动获得方位像分辨能力，这使雷达成像系统具备了二维成像的能力，最终利用成像算法对目标进行二维成像。

Description

一种基于频率分集阵列的逆合成孔径成像方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体利用频率分集阵列(Frequencydiversity array,FDA)完成目标的逆合成孔径雷达(Inverse synthetic apertureradar,ISAR)成像方法。

背景技术

在传统雷达成像中，相控阵被广泛应用。但由于相控阵其波束方向图只与角度有关而与距离无关，无法直接从波束方向图中对同一方位不同距离的目标进行分辨和识别。可以产生距离-角度依赖的波束方向图的FDA在雷达成像中具有很大优势。FDA不需要调节相位来控制波束指向，它会对全场景自动的进行周期性扫描，但是其自动扫描所带来的不可控的时变性也成为了一大问题。尤其是在ISAR成像中对目标跟踪时，快速变化的波束图使得目标反射时间变短，累积反射能量变弱，从而导致跟踪不稳定或者丢失目标的情况。

针对上述问题，本发明将截取FDA对某一目标扫描周期内的有效时段，重复发射该有效时段，并将形成的重复信号作为ISAR的发射波束。该方法通过将指向其他无用方向的时段利用起来，针对需要被探测的方向持续性的发射能聚焦的波束，从而达到稳定跟踪的效果。并且以该方法产生的波束也解决了FDA存在的距离角度耦合问题，同时持续的FDA波束可获得距离向分辨能力，并通过目标与雷达之间的相对运动获得方位像分辨能力，这使雷达成像系统具备了二维成像的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何使用FDA完成运动目标的ISAR成像，并保证不因FDA周期扫描丢失成像能量的积累。当线性频偏FDA发射波束在对整个平面自动扫描时，对于稀疏的空间目标，不仅造成能量的浪费，同时对目标的成像的反射能量积累造成了很大的影响。为此，本发明提供一种基于频率分集阵列的逆合成孔径成像方法，使用FDA形成对运动目标的持续性照射波束，实现反射能量的充分累积，从而精确的感知目标散射的二维分布，最终利用成像算法对目标进行二维成像。

本发明一种基于频率分集阵列的逆合成孔径成像方法，包括以下步骤：

步骤1，初始化频率分集阵列参数，频率分集阵列总阵元数为N，相邻阵元间距为d，载频为f₀，固定的频率偏移量为Δf，第n个阵元发射的单频信号表示为：

S_n(t)＝exp(j2π(f₀+nΔf)t),n＝0,1,2,…,N-1

步骤2，使用步骤1中频率分集阵列发射的信号对空间进行扫描，获取在i时刻目标所在的角度θ_i和距离R_i，其中R_i为远场目标到第一个阵元的距离，则第n个阵元到远场目标的距离为R_n：

R_n＝R_i-ndsinθ_i

步骤3，截取出对i时刻目标有用的主瓣时段，需要截取的主瓣时段为：

其中k为整数，电磁波传播速度为c；

步骤4，计算相位，获得目标角度的指向性波束，对于不同时刻，计算出只与目标所在角度θ_i有关的初始相位：

步骤5，将主瓣时段T_e作为一个脉宽，重复发射该时段信号；

步骤6，接收回波数据，将所有阵元发射的不同频率的信号全部接收，则第n个阵元接收到的回波信号为：

步骤7，对回波信号进行相位补偿，对于不同初相Φ_i进行补偿后的回波信号为：

步骤8，阵元间距对于回波信号产生的相位差表示为：

对于阵元间的相位差补偿得到回波信号为：

步骤9，对步骤8回波信号中n做离散傅里叶逆变换得到一维距离像，进一步通过目标与雷达之间的相对运动获得方位像，最终可获得目标二维ISAR像。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

避免了传统FDA时变性的问题，对于某一方向能够产生持续性波束照射，累积的反射能量远大于传统FDA，对于动目标可达到稳定跟踪的效果。并且保留了FDA波束方向图距离-角度依赖的特性，因此能够获取较高的距离向分辨率，同时通过利用重复脉冲的特性生成类似相控阵的条状发射波束，解决距离与角度耦合的问题，达到对不同目标位置精准重建的效果。

附图说明

图1为实施例雷达系统与目标几何结构关系图；

图2为实施例多目标仿真场景图；

图3为实施例多目标仿真成像结果图。

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说明，但不是对本发明的限定。

实施例

一种基于频率分集阵列的逆合成孔径成像方法，包括以下步骤

步骤1，初始化频率分集阵列参数，如图1所示，频率分集阵列总阵元数为N，相邻阵元间距为d，载频为f₀，固定的频率偏移量为Δf，第n个阵元发射的单频信号表示为：

S_n(t)＝exp(j2π(f₀+nΔf)t),n＝0,1,2,…,N-1

步骤2，使用步骤1中频率分集阵列发射的信号对空间进行扫描，获取在i时刻目标所在的角度θ_i和距离R_i，其中R_i为远场目标到第一个阵元的距离，则第n个阵元到远场目标的距离为R_n：

R_n＝R_i-ndsinθ_i

步骤3，截取出对i时刻目标有用的主瓣时段，需要截取的主瓣时段为：

其中k为整数，电磁波传播速度为c；

步骤4，计算相位，获得目标角度的指向性波束，对于不同时刻，计算出只与目标所在角度θ_i有关的初始相位：

步骤5，将主瓣时段T_e作为一个脉宽，重复发射该时段信号；

步骤6，接收回波数据，将所有阵元发射的不同频率的信号全部接收，则第n个阵元接收到的回波信号为：

步骤7，对回波信号进行相位补偿，对于不同初相Φ_i进行补偿后的回波信号为：

步骤8，阵元间距对于回波信号产生的相位差表示为：

对于阵元间的相位差补偿得到回波信号为：

步骤9，对步骤8回波信号中n做离散傅里叶逆变换得到一维距离像，进一步通过目标与雷达之间的相对运动获得方位像，最终可获得目标二维ISAR像。

本发明技术方案通过实验仿真进一步说明：

(1)实验场景设置

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，其中频率分集阵列总阵元数N＝60，相邻阵元间距d＝λ/2＝0.15m，雷达信号基准载频为f₀＝10GHz，固定频偏Δf＝3.33MHz。

成像区域范围：x轴方向为-20m～20m,y轴方向为-20m～20m,网格中(0,0)的位置为目标中心(即坐标轴原点)。现将5个点目标分别设置在(0,0)，(0,10)，(-10,0)，(0,-10)，(10,0)，假设目标散射系数为1，目标距离雷达5公里，目标在转台模式下的转速为w＝0.02rad/s，目标设置位置如图2所示。

(2)仿真结果

最终的成像结果如图3所示，通过将有效时段进行复制和搬移后得到发射波束，在方位上形成类似相控阵的条状指向性波束，不仅保留频率分集阵列在距离上的分辨率，同时增强方位向上的能量累积，从而精确的感知目标散射的二维分布，对于动态目标增强其跟踪能力，达到对目标的的位置完成精准重构的成像效果，同时避免频率分集阵列距离与角度耦合的问题。

Claims (1)

1.一种基于频率分集阵列的逆合成孔径成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，初始化频率分集阵列参数，频率分集阵列总阵元数为N，相邻阵元间距为d，载频为f₀，固定的频率偏移量为Δf，第n个阵元发射的单频信号表示为：

S_n(t)＝exp(j2π(f₀+nΔf)t),n＝0,1,2,…,N-1

步骤2，使用步骤1中频率分集阵列发射的信号对空间进行扫描，获取在i时刻目标所在的角度θ_i和距离R_i，其中R_i为远场目标到第一个阵元的距离，则第n个阵元到远场目标的距离为R_n：

R_n＝R_i-nd sinθ_i

步骤3，截取出对i时刻目标有用的主瓣时段，需要截取的主瓣时段为：

其中k为整数，电磁波传播速度为c；

步骤4，计算相位，获得目标角度的指向性波束，对于不同时刻，计算出只与目标所在角度θ_i有关的初始相位：

步骤5，将主瓣时段T_e作为一个脉宽，重复发射该时段信号；

步骤6，接收回波数据，将所有阵元发射的不同频率的信号全部接收，则第n个阵元接收到的回波信号为：

步骤7，对回波信号进行相位补偿，对于不同初相Φ_i进行补偿后的回波信号为：

步骤8，阵元间距对于回波信号产生的相位差表示为：

对于阵元间的相位差补偿得到回波信号为：

步骤9，对步骤8回波信号中n做离散傅里叶逆变换得到一维距离像，进一步通过目标与雷达之间的相对运动获得方位像，最终可获得目标二维ISAR像。

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