运动目标太赫兹干涉三维成像方法

2022-07-08 08:08付朝伟盛佳恋沙作金
探测与控制学报 2022年3期
关键词:赫兹脉冲分辨率

付朝伟,王 洁,盛佳恋,沙作金,顾 莹

(1.上海无线电设备研究所,上海 201109;2.上海目标识别与环境感知工程技术研究中心,上海 201109;3.中国航天科技集团有限公司交通感知雷达技术研发中心,上海 201109)

0 引言

太赫兹雷达发射载频高,可以生成大带宽信号,从而获取目标的高分辨率距离像。另外,由于太赫兹波波长短,同等方位向分辨率条件下太赫兹ISAR成像的观测时长更短,或相同观测时长内太赫兹ISAR能获得更高的方位向分辨率。高分辨的目标三维像相比于传统一维像和二维像,具有更全面的目标属性和特征信息,有利于提高目标分类和识别精度,是当前雷达技术研究的重要内容之一。因此,太赫兹InISAR成像技术有望实现对空间目标更精细的探测与识别,在雷达成像与目标探测等领域有着广阔的应用前景[1-4]。

针对太赫兹雷达高分辨成像,除了研制太赫兹雷达系统外,还应该同步开展太赫兹成像理论研究,以提高系统的应用水平。由于太赫兹波段在电磁谱上介于微波和红外波频段之间,现有的太赫兹成像技术大多是借鉴微波、光学频段雷达成像方法。但是,由于太赫兹雷达波长短,目标微小的运动会导致回波脉冲间的去相干性[5-7],现有的微波和光学频段雷达成像方法并不完全适用于太赫兹雷达成像。例如,传统的相关包络对齐方法[8-13]达不到太赫兹雷达成像系统运动补偿的精度要求。包络对齐是逆合成孔径雷达成像的关键技术之一,包络对齐的性能直接影响ISAR成像的质量[14]。由于在太赫兹波段散射的强敏感性,保证回波之间的强相关需要非常高的脉冲重复频率,因此系统难以保证其相关性,另外信噪比也会影响该方法。针对太赫兹波段散射的敏感性,本文提出基于检测跟踪成像一体化的太赫兹三维成像方法。

1 雷达回波模型建立

现有InISAR成像系统多采用L型天线结构,假设雷达与目标位置关系如图1所示。太赫兹InISAR系统一发三收,A为发射/接收天线,B、C为接收天线,基线长度均为L。线性调频(LFM)信号是现代雷达常用的一种发射信号形式,是解决雷达作用距离与距离分辨率之间矛盾的一种有效途径。设雷达发射线性调频信号,对于散射点P,天线A接收目标回波为:

(1)

图1 雷达与目标位置关系Fig.1 Position relationship between radar and target

由于ISAR目标通常只占少量的空间,因此常规的做法是采用去斜处理的方法,即通过时域共轭点乘。其参考信号设为:

(2)

式(2)中,τref=2Rref/c,Rref为参考距离。

去斜处理后的信号形式为:

(3)

2 检测跟踪成像一体化方法

在雷达接收机的输入端,微弱的回波信号总是和噪声及其他干扰混杂在一起的,有时雷达信号甚至淹没在噪声中。在一般情况下,噪声是限制微弱信号检测的基本因素。通常雷达回波脉冲上叠加了噪声,幅度时大时小,但回波脉冲是周期性且时间相关的,而噪声是随机的且时间不相关的,多个脉冲积累后可以有效地提高信噪比,从而改善雷达的检测能力。因此,本方法首先通过对多个脉冲观测结果进行积累,提高回波信号的信噪比,实现对远距离微弱目标的检测。

一旦检测到目标后便锁定,并转入跟踪及实时成像阶段。将观测时间内的每N个脉冲作为一个脉组,估计每个脉组内目标的速度及与雷达之间的距离,通过估计的速度及距离进行高精度包络补偿和对齐。假设目标在时刻t内的运动速度为V(t),在第m次回波期一个脉冲持续时间内(设在快时间内是速度恒定为Vm),距离的变化为:

(4)

(5)

考虑目标的机动性,假设在短时间内目标速度恒定,则该时间段内

(6)

在距离向,利用上一时刻估计的速度Vm-1和距离Rp(tm-1)进行补偿,且利用系统每次记录的参考距离进行去斜处理。因此,可以补偿速度引起的色散以及包络的整体偏移,补偿因子为:

(7)

补偿后的相位为:

(8)

对补偿后的信号在快时间进行傅里叶变换,利用记录的参考距离Rref得到测量距离,针对体目标应进行重心估计,计算重心对应的距离

(9)

式(9)中,fmp为重心对应的距离频率。在此基础上,对方位向进行傅里叶变换,重心位置对应的多普勒为:

(10)

通过多普勒位置即可得到当前短时间内的速度主值,由于受PRF和波长的限制,速度存在模糊,模糊速度为:

(11)

在初始阶段,采用最小熵联合多通道的方法对速度进行估计

(12)

其中,

(13)

在获得初始速度后,对速度进行模糊倍数的估计,得到

(14)

每次得到的绝对速度的估计为:

(15)

通过脉组的形式,可以得到整个相干积累过程中的速度估计,同时对整个包络进行补偿和对齐。完成包络对齐后,剩下的相位项中包含了相位误差项,自聚焦算法可以不依赖于速度估计等参数进行盲补偿,本文使用最小熵的方法对包络对齐后的数据进行自聚焦。

(16)

(17)

自聚焦后的信号形式为

(18)

对运动补偿后的三通道信号分别做两维FFT即可得到三幅ISAR图像。干涉ISAR成像技术从两两干涉的复图像相位中反演目标的三维结构。干涉的前提之一是保证图像配准和相位解缠。对相位进行充分校正后,得到的三个通道信号,B、C两通道分别与A通道信号求相位差,由此推导出方位角α和俯仰角β。相位和角度对应关系为:

(19)

图2 三维角度解算关系Fig.2 3D angle solution relationship

根据如图2所示角度关系,解算X、Y、Z位置得

(20)

主要工作流程如图3所示。

图3 工作流程图Fig.3 Work flow chart

3 实验验证

利用现有太赫兹雷达系统对飞机模型进行实验验证,目标模型如图4所示。太赫兹系统存在的固有系统误差会影响回波相位,首先需要对系统的非线性相误差进行校正,然后对三通道信号进行脉冲压缩,目标的原始包络如图5所示。

图4 目标模型Fig.4 Target model

图5 三通道回波原始距离包络结果Fig.5 Original range profiles of three channel echo

采用传统相关法对目标回波进行包络误差补偿,包络对齐结果如图6(a)所示。由于在太赫兹波段散射的强敏感性,系统难以保证脉冲间的相关性,因此利用传统的相关法进行包络补偿,包络对齐精度不高。利用本文所提的检测跟踪成像一体化方法,包络对齐后结果如图6(b)所示,目标的速度估计结果如图7所示。

图6 三通道回波包络对齐结果Fig.6 Range profiles of three channel echo after alignment

相位补偿后,对三通道信号进行方位向FFT处理,得到的ISAR成像结果如图8所示。分析某一散射点三通道的3 dB对应宽度,得到三通道的分辨率一维剖面图如图9所示,三通道分辨率结果如表1所示。对比现有的成像系统可知,太赫兹雷达实现了更高的目标分辨率。

图7 瞬时速度估计结果Fig.7 Estimated instantaneous velocity results

图8 三通道ISAR成像结果Fig.8 ISAR imaging results of three channel

图9 三通道分辨率一维剖面图Fig.9 Three channel resolution one-dimensional profile

表1 三通道分辨率结果Tab.1 Resolution results of three channels

三通道ISAR图像在图像配准的基础上进行两两干涉,图10(a)为B、C两通道分别与A通道信号求相位差得到的水平向和俯仰向干涉相位,在2.5 m距离的实验场景下,目标尺寸只有在小于0.088 2 m才不会产生相位模糊,因此,在干涉之前,需要进行相位解缠;图10(b)为相位解缠后的水平向和俯仰向干涉相位。由此反演的三维成像结果如图11所示。

图10 干涉相位Fig.10 Interference phase

图11 飞机模型三维反演结果Fig.11 3D inversion results of aircraft model

4 结论

本文提出一种基于检测跟踪成像一体化的运动目标三维成像方法。该方法利用多脉冲积累实现对远距离微弱目标的检测,通过滑窗方式对当前速度进行估计从而实现对整个相干时间内高精度的包络对齐和高速运动补偿,并解决了干涉相位模糊问题,从而实现高分辨的三维成像。通过实验对比证明了该方法的有效性,且太赫兹系统的成像指标优势明显,为提高目标识别能力提供了有效的技术支撑。

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