[發明專利]一種基于雙頻干涉的太赫茲雷達目標三維成像方法

有效

• 申請號: 201610013398.1
• 申請日: 2016-01-08
• 公開（公告）號: CN105676218B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 秦玉亮;蔣彥雯;王宏強;鄧彬;高敬坤
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01S13/89
• 分類號: G01S13/89;G01S7/41
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 胡偉華

技術領域

本發明屬于雷達成像技術領域，尤其是一種涉及太赫茲雷達目標三維成像的方位-俯仰雙頻干涉成像方法。

背景技術

對于給定的橫向分辨率，雷達成像所需的橫向孔徑與波長成正比，相比于微波段雷達，太赫茲雷達波長短，利用較小的橫向孔徑就可獲得同等的成像分辨率。因此，在太赫茲頻段利用目標的小角度二維轉動即可實現高分辨率的方位-俯仰成像；同時，由于目標表面的粗糙起伏程度在太赫茲頻段可與波長相比擬，不能再視為理想光滑表面，目標的成像結果中散射點數目急劇增加，表現出面的特征。這些因素使得目標方位-俯仰成像結果接近于視覺平面的類光學圖像，為基于雷達成像技術的太赫茲目標特性研究與目標識別帶來更多優勢。

在太赫茲目標特性研究及安檢應用等方面，三維圖像比二維圖像更有利于診斷目標散射中心分布特性和提高識別準確率。現有的基于陣列的太赫茲頻段U-V干涉三維成像方式，陣元數目多會造成成像系統復雜度高；基于寬帶信號的合成孔徑成像系統，成像性能受到太赫茲信號源信號非線性度的嚴重制約。如何快速便捷地獲得目標的三維圖像是一個有待研究的問題。

發明內容

本發明提出了一種太赫茲頻段目標的三維成像方法，是一種基于雙頻干涉的方位-俯仰成像方法。本發明方法可獲得目標距離、方位、俯仰三個維度上的坐標，方位俯仰二維圖像(包括目標二維坐標和二維散射強度分布)由方位-俯仰成像獲得，距離維坐標通過兩個相鄰頻點下獲得的兩幅方位俯仰圖像的干涉處理得到，本方法只能測量得到目標表面距離向的坐標，在距離維上不具有分辨能力。采用Flynn的最小不連續算法對干涉相位進行二維相位解纏繞，避免相位模糊造成的距離向坐標測量錯誤。基于雙頻干涉的方位-俯仰成像利用目標的小角度二維轉動可獲得方位向和俯仰向的高分辨率，同時雙頻成像方式在具有三維成像能力的同時回避了寬帶信號的使用、避免信號非線性的影響。

一種基于雙頻干涉的太赫茲雷達目標三維成像方法，包括以下步驟：

第一步，二維方位-俯仰成像

通過電磁計算軟件仿真或是太赫茲雷達系統采集得到兩個相鄰頻點的方位俯仰向回波，對兩個相鄰頻點的方位俯仰向回波信號分別進行二維方位-俯仰成像，獲得目標在相鄰頻點上的兩幅二維方位-俯仰圖像。

第二步：雙頻下方位-俯仰成像的干涉處理

對第一步獲得的兩幅目標方位-俯仰圖像進行干涉處理以獲得距離維高程從而實現三維成像。

其中第一步中，二維方位-俯仰成像的具體方法為：

假設雷達照射目標的電磁波為平面波，目標處于遠場條件下。在目標坐標系中，坐標系原點O為目標中心，目標上任一散射點P的坐標為(x_p,y_p,z_p)。當雷達固定不動時，目標需在方位向和俯仰向分別旋轉一定的角度范圍，形成方位向和俯仰向的成像孔徑。這也可以等效為目標不動，雷達在一定的方位和俯仰角范圍對目標進行觀測采集回波。考慮固定目標坐標系不變，某一姿態下雷達視線(Line of Sight,LOS)的單位矢量形式可表示為其中θ與分別表示該視線角在目標坐標系中的俯仰角與方位角。雷達發射單頻信號s(t)＝exp(j2πft)，f為發射信號載頻，遠場條件下的雷達回波信號可表示為：

其中，g(x_p,y_p,z_p)表示目標的三維散射分布函數，k＝2πf/c為波數，c為光速，r(x_p,y_p,z_p)為固定目標坐標系中目標上散射點在雷達視線方向上的投影，因此，角上的空間波束域矢量可表示為

k_z＝ksinθ

方位向與俯仰向的成像孔徑范圍分別為和[-Δθ/2+θ_c,Δθ/2+θ_c]，其中和Δθ表示方位和俯仰向的轉角大小，和θ_c表示成像孔徑的中心方位角與俯仰角。太赫茲頻段波長短，和Δθ的值很小就能滿足分辨率要求。式(1)的形式滿足傅里葉變換的形式，利用逆變換即可獲得目標的散射分布函數表達式