一種窄帶被動(dòng)雷達(dá)三維成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于窄帶外輻射源的被動(dòng)雷達(dá)三維成像 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于能夠提供更為清晰直觀的可視信息，三維成像是近年來雷達(dá)成像領(lǐng)域的一個(gè) 研究熱點(diǎn)問題。現(xiàn)在的雷達(dá)三維成像一般采用的是主動(dòng)的干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR)方 式，也即利用兩幅高度略有差別的天線形成的SAR圖像，通過相干比較獲取目標(biāo)高度信息。 主要有兩種方式：（1)雙航過InSAR，一個(gè)飛行平臺(tái)兩次飛過同一成像區(qū)域，此方式不需要 特別的硬件系統(tǒng)，但是存在實(shí)時(shí)性差、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償難度大的問題；(2)單航過InSAR，同一飛 行平臺(tái)上安裝兩套設(shè)備，包括天線、接收通道、雙工等，具備有實(shí)時(shí)成像的能力，但是系統(tǒng)復(fù) 雜，設(shè)備成本高。
[0003] InSAR三維成像存在兩個(gè)問題：（1)由于采用主動(dòng)工作方式，在軍用偵察中容易受 到敵方干擾或者火力打擊，生存能力受到極大威脅；（2)主要用于對地觀測，對空中目標(biāo)成 像能力不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對InSAR三維成像系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種窄 帶被動(dòng)雷達(dá)三維成像方法，以提高生存能力和對空中目標(biāo)監(jiān)視能力。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案： 一種窄帶被動(dòng)雷達(dá)三維成像方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1，在轉(zhuǎn)臺(tái)模型下，建立三維成像模型：采用民用窄帶照射源作為信號源，接收機(jī) 固定于地面之上，對空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行三維成像；假設(shè)已經(jīng)對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，則 目標(biāo)圍繞著其轉(zhuǎn)動(dòng)中心做三維轉(zhuǎn)動(dòng)；以轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系；任 取目標(biāo)上一散射點(diǎn)，其球坐標(biāo)為（r，a (t)，0 (t))，其中a (t)和0 (t)分別表示該點(diǎn)的俯 仰角和方位角，該點(diǎn)俯仰角和方位角的初始角分別為a。和0。，對應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度分別為 和w 2〇
[0006] 步驟2,推導(dǎo)三維轉(zhuǎn)動(dòng)下的信號斜距歷程R得到： R (t) = Rr+Rt_2cos ( 0/2) [X0Cos ? A cos 2t_y0cos J sin ? 2t+z0sin ? J cos ( 9 0+ ?2t)] 其中，艮為接收機(jī)到原點(diǎn)距離，Rt為發(fā)射機(jī)到原點(diǎn)距離，0為雙基角，（1。，7。， 2。）是目 標(biāo)上一散射點(diǎn)的初始位置坐標(biāo)值。
[0007] 步驟3,推導(dǎo)解調(diào)后單散射點(diǎn)目標(biāo)回波信號模型得到：
其中，I = 1，2,…，L，L是總采樣次數(shù)，A a是散射點(diǎn)俯仰角的采樣步長，0。和A 0 分別是方位角的初始值和采樣步長。
[0008] 步驟4,根據(jù)回波信號模型構(gòu)造四維信號匹配矩陣和四維回波信號矩陣：對長方 體狀成像目標(biāo)進(jìn)行成像，首先分別在方位、距離、高度維上將成像目標(biāo)劃分為M列N行K頁， 其步長分別為A x、A y、A z，則根據(jù)回波信號形式，第m列第n行第k頁處的散射點(diǎn)在第1 次采樣時(shí)的回波信號為：
其中，m= l，2，."，M;n= l，2，."，N;k= 1，2，."，K;1 = 1，2，."，L。
[0009] 步驟5,求回波信號矩陣和信號匹配矩陣的Hadamard積，然后在時(shí)間維上求和，并 求其絕對值：
其中，m = 1，2,…，M ;n = 1，2,…，N ;k = 1，2,…，K ;1 = 1，2,…，L ;逸.表示的運(yùn)算為 Hadamard積，即將回波信號矩陣與信號匹配矩陣中的對應(yīng)元素直接相乘。
[0010]所述步驟2中斜距歷程R的推導(dǎo)過程為：
其中，（xt，yt, zt)和（Xpy1^z1O分別為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的坐標(biāo)。
[0011] 所述步驟3中解調(diào)后單散射點(diǎn)目標(biāo)回波信號模型的推導(dǎo)過程為：發(fā)射機(jī)輻射信號 可表示為exp {j2 JT ft}，其中的f為信號頻率；若T為信號時(shí)延，則點(diǎn)目標(biāo)回波信號為：
[0012] 所述步驟5中，當(dāng)mAX=X。時(shí)，在距離向上出現(xiàn)峰值，而mAX辛X。時(shí)則以貝塞爾 函數(shù)形式衰減；在方位向和高度上其峰值位置為n Ay = y。和kAz = Z。，在其他位置以貝 塞爾函數(shù)形式衰減；全局峰值位置為mAx = x。、nAy = y。和kAz = z。，此峰值實(shí)現(xiàn)了對 散射點(diǎn)位置的重建。
[0013] 本發(fā)明與常規(guī)的InSAR三維雷達(dá)成像技術(shù)相比，具有下列優(yōu)勢：（1)采用了被動(dòng)雷 達(dá)技術(shù)，生存能力強(qiáng)；(2)采用了逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR)成像模式，能夠?qū)罩心繕?biāo)成像， 提高對空中目標(biāo)監(jiān)視能力；（3)系統(tǒng)不帶發(fā)射機(jī)，成本較低。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的轉(zhuǎn)臺(tái)模型示意圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明當(dāng)外輻射源信號頻率為200MHz，雙基角為Jr /2rad，H值為 1. 4142X 108時(shí)的成像仿真結(jié)果圖。
[0017] 圖4為本發(fā)明當(dāng)外輻射源信號頻率為200MHz，雙基角為JT /8rad，H值為 1. 9616X 108時(shí)的成像仿真結(jié)果圖。
[0018] 圖5為本發(fā)明當(dāng)外輻射源信號頻率為400MHz，雙基角為2 Jr /3rad，H值為2 X 108 時(shí)的成像仿真結(jié)果圖。
[0019] 圖6為本發(fā)明當(dāng)外輻射源信號頻率為400MHz，雙基角為Jr /2rad，H值為 2. 8284 X 108的成像仿真結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例 僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容 之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所 附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0021] 本發(fā)明提供一種基于窄帶外輻射源的被動(dòng)雷達(dá)三維成像方法，包括以下步驟： 步驟1，參見圖1和圖2,在轉(zhuǎn)臺(tái)模型下，建立三維成像模型。本發(fā)明屬于被動(dòng)雷達(dá)成像， 采用的信號源為民用窄帶照射源（比如調(diào)頻廣播信號、模擬電視信號等），接收機(jī)固定于地 面之上，對空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行三維成像。由于本發(fā)明采用外輻射源為窄帶信號，無法靠距離 壓縮實(shí)現(xiàn)高分辨成像，在距離、方位、高度三個(gè)維度上的高分辨全部依賴于目標(biāo)相對于成像 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，目標(biāo)圍繞著其轉(zhuǎn)動(dòng)中心做三維轉(zhuǎn)動(dòng)。所以假設(shè)已經(jīng)對運(yùn)動(dòng)目 標(biāo)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，則本發(fā)明可以在三維轉(zhuǎn)臺(tái)模型下展開工作。以發(fā)射機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心、 接收機(jī)所在的平面為XOY平面，以三者構(gòu)成的雙基角（發(fā)射機(jī)與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的連線、接收 機(jī)與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的連線構(gòu)成的夾角）的角平分線為X軸正方向、以轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為坐標(biāo) 原點(diǎn)建立三維直角坐標(biāo)系。假設(shè)雙基角為P，不妨令接收機(jī)的方位角為(6/2，發(fā)射機(jī)的方 位角則為-P /2。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離分別為&和R p發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的坐 標(biāo)分別為（xt, yt, zt)和（Xn zj。任取目標(biāo)上一散射點(diǎn)，假設(shè)其直角坐標(biāo)為（X，y, z)，其球 坐標(biāo)為（r, a (t), 0⑴），其中a⑴和0⑴分別表示該點(diǎn)的俯仰角和方位角，該點(diǎn)俯仰 角和方位角的初始角分別為a。和0。，對應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度分別為（^和《 2。則有下列關(guān)系：

其中，（Xm^Z。）是散射點(diǎn)的初始位置坐標(biāo)值。
[0023] 步驟3,推導(dǎo)解調(diào)后單散射點(diǎn)目標(biāo)回波信號模型，并將其離散化。
[0024] 本發(fā)明中所用的信號為單頻信號，所以發(fā)射機(jī)輻射信號可表示為exp{j2 ft}，其 中的f為信號頻率。若T為信號時(shí)延，則點(diǎn)目標(biāo)回波信號為：
其中，1 = 1，2,…，L，L是總采樣次數(shù)，A a是散射點(diǎn)俯仰角的采樣步長，0。和A 0 分別是方位角的初始值和采樣步長。
[0025] 步驟4,根據(jù)回波信號模型構(gòu)造四維信號匹配矩陣和四維回波信號矩陣。本方法對 長方體狀成像目標(biāo)進(jìn)行成像，首先分別在方位、距離、高度維上將成像目標(biāo)劃分為M列N行 K頁，其步長分別為A X、Ay、AZ。則根據(jù)回波信號形式，第m列第n行第k頁處的散射點(diǎn) 在第1次采樣時(shí)的回波信號為：
號形式，構(gòu)造四維信號匹配矩陣如下：
其中，m= l，2，."，M;n= l，2，."，N;k= 1，2，."，K;1 = 1，2，."，L。
[0026] 為便于矩陣運(yùn)算，將回