直升机载雷达频域成像算法

文 珺,杨 科,赵进创,邹星星,覃团发

(1.广西大学计算机与电子信息学院,广西南宁 530004;2.广西大学广西多媒体通信与网络技术重点实验室培育基地,广西南宁 530004;3.广西大学广西高校多媒体通信与信息处理重点实验室,广西南宁 530004;4.上海无线电设备研究所,上海 200090)

直升机载雷达频域成像算法

文 珺1,2,3,杨 科4,赵进创1,邹星星1,覃团发1,2,3

(1.广西大学计算机与电子信息学院,广西南宁 530004;2.广西大学广西多媒体通信与网络技术重点实验室培育基地,广西南宁 530004;3.广西大学广西高校多媒体通信与信息处理重点实验室,广西南宁 530004;4.上海无线电设备研究所,上海 200090)

直升机载雷达具有全视域成像、重访周期短等优点,能有效保障直升机等旋翼飞行器的低空飞行安全.针对现有的成像算法存在方位向失配问题,提出了直升机载雷达频域成像算法,通过对直升机载雷达回波进行频域特性分析,从而获取二维精确频谱,并构建频域校正函数和匹配函数,实现回波数据的匹配成像.仿真实验验证了文中算法的有效性.

直升机载雷达;频域分析;方位聚焦

直升机具有低空、低速的飞行特点,并能在小面积区域垂直起降,因此,广泛地应用于短途运输、医疗救护、地质勘探、护林灭火等领域.直升机载雷达(Helicopter-borne Radar,HeliRadar)[1-3]作为一种新兴的雷达成像技术,巧妙地结合旋翼结构和合成孔径成像技术[4-6],能够实现周围场景全视域二维成像,以保障直升机等旋翼飞行器的低空飞行安全.在距离维上,HeliRadar通过收发宽带信号,并通过脉冲压缩处理,以实现距离维高分辨成像.在方位维上,HeliRadar通过刚性支架与旋翼转轴相连接,并随着转轴的运动形成圆弧形合成孔径,以保证方位维高分辨的能力.

由于HeliRadar天线的运动轨迹较为复杂,现有的成像算法[7-9]要对回波数据进行简化,将相位斜距进行泰勒级数展开,并忽略高次项的斜距信息,这对后续的成像处理带来便利.但上述处理也必将丢失回波数据的部分信息,最终导致成像结果出现方位失配现象.针对现有算法失配问题,笔者在不进行斜距近似的前提下,从频域分析角度出发,对HeliRadar回波数据的频域形式进行分析和推导,并根据精确频谱形式,构建相应的频域校正函数和匹配函数,以实现HeliRadar数据的有效聚焦.

1　几何模型和回波模型

图1为HeliRadar的几何模型,雷达天线固定在刚性支架上,与直升机的旋翼转轴相连,天线指向直升机外围.随着转轴的转动,天线随转轴一起进行匀速圆周运动,同时周期性地发射脉冲宽带信号,经过周围场景的后向散射,回波信号经过一定时延后返回天线,由天线对回波信号进行录取和存储.由图1可知,雷达天线对周围场景进行圆环形照射,并且能够实现同一场景快速重访.假设载机平台高度为H,天线旋转角速度为ω,刚性支架长度为L,方位向波束宽度为γ,俯仰角为β,俯仰向波束宽度为ε.由于天线进行圆轨迹运动,为此文中采用圆柱坐标系(r,θ,z).不失一般性,假设地面场景任意一个点目标为Pn(RG,ωtn,0),雷达天线T(L,ωta,H)至该点目标的斜距表达式为

图1　HeliRadar几何模型

其中,ta表示方位向时间域变量,tn表示点目标Pn方位位置所对应的时间域变量.

雷达天线发射线性调频信号,通过回波数据接收和下变频处理,所获取的基频信号为

其中,ar(·)表示距离向窗函数,aa(·)表示方位向窗函数,tr表示距离向时间域变量,Kr表示信号调频率,λ表示信号波长,c表示电磁波传播速度.

2　频域成像算法

由式(1)可知,HeliRadar的斜距形式复杂,现有的算法通常对其进行泰勒级数展开,并忽略高次项信息,再进行后续的成像处理.上述处理会损失斜距的高阶信息,导致HeliRadar成像质量下降.为克服现有算法的不足,以下不对式(1)进行近似处理,来获取HeliRadar的二维频谱形式,并提出相应的成像处理算法.

2.1频域分析

式(2)的方位向频域变换为

其中,fa表示方位向频域变量,tn是点目标Pn在方位向上的位置时间点,αS是方位向合成孔径S所对应的合成孔径角度.式(3)中的被积函数形式复杂,根据驻相点原理[10]可得

将式(5)代入式(3),可得

其中,R(fa;RG)是斜距R在fa域上的表达式.当ta域变换到fa域时,发射信号的调频率Kr也会发生变化,令Kr在fa域上表示为Ke(fa;RG).以下分别给出R(fa;RG)和Ke(fa;RG)的具体表达式.

将式(5)代入式(1),求得R(fa;RG)的表达式为

当fa=0时,可以得到R(fa;RG)的常数项RC=((RG-L)2+H2)1/2,该常数项即为点目标Pn在斜距面内的最短距离,因此,可将式(7)改写为

其中,ΔR(fa;RG)是R(fa;RG)的一次及高次项.

如图2(a)所示,在tr-ta域中单个点目标的回波数据沿tr垂直分布在某一列存储位置上.当ta域变换到fa域时,数据的存储位置变成斜直线,如图2(b)中的实线所示.对于发射频率为fc的信号,天线旋转至某一角度θt=ωta,此时的多普勒值为

其中,R(θt)即为式(1)中的R(ta;RG).由于发射信号是线性调频信号,当发射频率变为f=fc+Δf(Δf=KrΔtr)时,旋转角度θt所对应的多普勒值为

此时,由于发射频率的变化,存储位置由点1转移到点2,即对于单个点目标,回波数据的存储位置在tr-fa域中是斜直线.

图2　回波数据图

对于发射频率为fc+Δf的信号,多普勒值为

根据以上分析可知,由于ta域变换到fa域,相同频率差值Δf所需要的转变时间将有所不同.在同一慢时间点上,发射频率由fc变换到fc+Δf所需时间为Δtr(Δtr=Δf/Kr),然而对于同一多普勒值Fa,发射频率由fc变换到fc+Δf所需时间Δt′r(Δt′r=Δf/(Ke(fa;RG)))为

其中,ΔR(θt)=R(θt)-R(θt-Δθt).根据式(1)、式(9)和式(11),中间变量Δf和ΔR(θt)具有如下关系:

这样,就获得了斜距和调频率在方位频域上的表达式.将式(8)和式(14)代入式(6),并进行距离维频域变换,可得

2.2成像处理

根据式(15),构建距离弯曲校正函数为

构建距离向匹配函数为

对原始基频回波数据进行两维频域变换,将数据转换到fr-fa域,然后,利用式(16)和式(17)实现距离弯曲校正和距离向脉压.最后,构建方位向匹配函数为

对距离匹配后的数据进行距离向逆傅里叶变换,将数据转换到tr-fa域,然后结合式(18)进行方位向匹配,并进行方位向逆傅里叶变换,最终可实现HeliRadar二维成像.

3　仿真实验

HeliRadar的仿真参数如表1所示.为模拟平台低空作业的情况,平台高度值H设置成较小值.由于HeliRadar的方位向分辨率随地距变化,而方位角分辨率不受地距变化的影响[2],因此,方位向参数指标选取为方位角分辨率.

表1　仿真参数

图3　成像结果

图3是传统算法和文中算法的成像结果,图3中的点目标位置为(4 000 m,0°,0 m).传统算法对斜距进行泰勒级数展开,并依此计算方位向参数,然后进行匹配成像,传统算法不能对方位向回波数据实现完全匹配成像.图4是图3(a)和图3(b)沿中间距离单元的方位向截面图.对比图4的成像结果可知,文中算法的成像效果要优于传统算法的.

图4　方位向截图

4　结束语

针对现有的HeliRadar算法存在成像失配问题,笔者提出了HeliRadar频域成像算法.不同于现有算法的斜距近似处理,通过对回波信号直接频域变换,分析斜距和调频率等参数的频域形式,以获取高精度的二维频谱表达式,并构建了HeliRadar的校正函数和匹配函数.仿真结果表明,文中算法能有效实现HeliRadar数据的匹配成像.

[1]李东,廖桂生,王威,等.直升机载调频连续波旋转式SAR信号分析与成像算法研究[J].电子与信息学报,2013,35 (10):2460-2467. LI Dong,LIAO Guisheng,WANG Wei,et al.Performance Analysis and Image Formation Algorithm for Helicopterborne Rotating Synthetic Aperture Radar Using Frequency Modulated Continue Waveform[J].Journal of Ectronics& Imformation Technology,2013,35(10):2460-2467.

[2]KREITMAIR-STECK W,BRAUN G.HeliRadar Technology for Helicopter Allweather Operations[C]//Proceedings of SPIE:3066.Bellingham:SPIE,1997:28-38.

[3]ALI F,URBAN A,VOSSIEK M.A Short Range Synthetic Aperture Imaging Radar with Rotating Antenna[J]. International Journal of Electronics and Telecommunications,2011,57(1):97-102.

[4]杨科,廖桂生,徐青.星载旋转式合成孔径雷达干涉成像方法[J].西安电子科技大学学报,2014,41(4):1-5. YANG Ke,LIAO Guisheng,XU Qing.Research on Interferometric Imaging for Rotor Synthetic Aperture Radar[J]. Journal of Xidian University,2014,41(4):1-5.

[5]李春升,杨威,王鹏波.星载SAR成像处理算法综述[J].雷达学报,2013,2(1):111-122. LI Chunsheng,YANG Wei,WANG Pengbo.A Review of Spaceborne SAR Algorithm for Image Formation[J].Journal of Radar,2013,2(1):111-122.

[6]廖轶,杨泽民,邢孟道,等.斜视圆迹环扫SAR模式特性分析及成像方法研究[J].西安电子科技大学学报,2014,41 (1):49-58. LIAO Yi,YANG Zemin,XING Mengdao et al.Analysis of the Characteristics of Squint Circular Scanning Sar and Its Imaging Method[J].Journal of Xidian University,2014,41(1):49-58.

[7]LEE H,CHO S J,KIM K E.A Ground-based Arc-scanning Synthetic Aperture Radar(arcSAR)System and Focusing Algorithms[C]//International Geoscience and Remote Sensing Symposium.Piscataway:IEEE,2010:3490-3493.

[8]ALI F,URBAN A,VOSSIEK M.A High Resolution 2D Omnidirectional Synthetic Aperture Radar Scanner at K Band [C]//Proceedings of the 7th European Radar Conference.Piscataway:IEEE,2010:503-506.

[9]ZHANG J.The Static Small Object Detection Based on Ground-based arc SAR[C]//International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology.Piscataway:IEEE,2012:1-4.

[10]RICHARDS M A.Fundamentals of Radar Signal Processing[M].New York:McGraw-Hill Companies,2005.

(编辑:齐淑娟)

Imaging algorithm in the frequency domain for helicopter-borne radar

WEN Jun1,2,3,YANG Ke4,ZHAO Jinchuang1,ZOU Xingxing1,QIN Tuanfa1,2,3
(1.School of Computer&Electrical Information,Guangxi Univ.,Nanning 530004,China;2.Guangxi Key Lab.of Multimedia Communications and Network Technology(Cultivating Base),Guangxi Univ., Nanning 530004,China;3.Guangxi Colleges and Universities Key Lab.of Multimedia Communications and Information Processing,Guangxi Univ.,Nanning 530004,China;4.Shanghai Radio Equipment Research Institute,Shanghai 200090,China)

Helicopter-borne Radar(HeliRadar)has the advantages of full-perspective imaging and short revisit period,which can ensure the rotor aircrafts flight safety at the low altitude.In order to solve the azimuth mismatch problem of the existing algorithm,the HeliRadar imaging algorithm in the frequency domain is presented in this paper.Through the frequency domain analysis of the characteristics of the HeliRadar echo,this new algorithm can obtain a two-dimensional accurate spectrum,construct the frequency domain correction function and the matching function,and achieve the matching imaging. Simulation results verify the effectiveness of the algorithm.

helicopter-borne radar;frequency-domain analysis;azimuth focusing

TN957.52

A

1001-2400(2016)04-0100-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.04.018

2015-03-26 网络出版时间：2015-10-21

国家自然科学基金资助项目(61461007);广西自然科学基金资助项目(2015GXNSFBA139248);广西大学科研基金资助项目(XJZ140394)

文 珺(1984-),女,副教授,E-mail:wenjun0511@163.com.

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151021.1046.036.html