旋轉(zhuǎn)目標(biāo)干涉逆合成孔徑三維成像技術(shù)
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旋轉(zhuǎn)目標(biāo)干涉逆合成孔徑三維成像技術(shù)
本文根據(jù)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)微波成像原理，導(dǎo)出了采用干涉逆合成孔徑(INISAR)處理獲取第三維高程信息的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)INISAR三維成像技術(shù).這種技術(shù)通過(guò)鑒別由俯仰角微小差異的兩副天線分別獲取的兩幅相位相干的二維圖像對(duì)應(yīng)散射中心的相位變化來(lái)確定散射中心在豎直維的位置；散射中心的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)及幅度由一幅二維圖像給出.模擬計(jì)算與飛機(jī)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)量均得到滿意結(jié)果.
關(guān)鍵詞:雷達(dá)目標(biāo)；微波成像；測(cè)量
INISAR 3-D Imaging Technique for Rotating Targets
XIAO Zhi-he,DAI Chao-ming,CHAO Zeng-ming,XU Xiao-jian
(Beijing Institute of Environmental Features,Beijing 100854,China)
Abstract:Based on the principle of microwave imaging of the rotating targets,an INISAR (ISAR Interferometry) 3-D imaging technique of rotating targets is described in this paper.The vertical position of scattering centers are given by comparing their phase difference of two phase coherent 2-D images which are obtained by using two antennas with a little change in pitch angle.The down-range and cross-range position and amplitude of scattering centers of the 3-D image are given by one 2-D image.The simulated and measured results are all satisfactory.
Key words:radar targets;microwave imaging;measurement
一、引 言
雷達(dá)目標(biāo)二維成像的理論和測(cè)量技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，并成為電磁散射實(shí)驗(yàn)室、目標(biāo)特性及其控制研究、微波遙感等領(lǐng)域不可缺少的標(biāo)志性技術(shù).作為二維成像的推廣，能獲取復(fù)雜目標(biāo)散射中心三維分布的三維成像技術(shù)，由于要求獲取巨大數(shù)量的測(cè)量數(shù)據(jù)，從目前的試驗(yàn)手段而言可能需要幾十個(gè)小時(shí)，實(shí)際難以實(shí)現(xiàn).因此，完全意義上的三維成像一直未能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn).如何采用新的可行的技術(shù)途徑獲得散射中心高程坐標(biāo)是人們一直試圖解決的問(wèn)題.
干涉圖樣可以用來(lái)捕捉目標(biāo)表面相對(duì)參考平面的位移和變形，這在光學(xué)領(lǐng)域已有悠久歷史.隨著合成孔徑雷達(dá)(SAR)在微波遙感領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，到九十年代初，人們提出并研究了干涉合成孔徑雷達(dá)(INSAR)［1～4］.INSAR法即通過(guò)測(cè)量在高度方向上位置有微小差別的兩副天線的相位差或是多軌道(可以非同時(shí))情況下測(cè)得的相位差，提取有關(guān)地形的第三維高程信息.
旋轉(zhuǎn)目標(biāo)二維成像基于圓周孔徑的ISAR成像，通過(guò)寬帶脈沖壓縮得到徑向高分辨；通過(guò)圓周合成孔徑得到橫向高分辨.本文根據(jù)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)微波成像原理，導(dǎo)出了采用干涉逆合成孔徑(INISAR)處理獲取第三維高程信息的INISAR三維成像技術(shù).這種技術(shù)通過(guò)鑒別由俯仰角微小差異的兩副天線所獲取的相位相干的兩幅二維圖像對(duì)應(yīng)散射中心的相位變化來(lái)確定散射中心在豎直維的位置，從而得到目標(biāo)散射中心三維坐標(biāo).這種技術(shù)適用于在同一徑向、橫向分辨單元內(nèi)只有一個(gè)強(qiáng)散射源的情況.
二、旋轉(zhuǎn)目標(biāo)二維成像原理
圖1為轉(zhuǎn)臺(tái)逆合成孔徑成像的幾何關(guān)系，其中X—軸為橫向，Y—軸為徑向.設(shè)目標(biāo)散射中心空域分布為g(x,y)，則相參雷達(dá)的接收數(shù)據(jù)(譜域)為：
圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)成像幾何圖 G(K,ψ)=∫∫g(x,y)ej2πK(ycosψ+xsinψ)dxdy (1) 式中：K=2/λ，為空間頻率，ψ為雷達(dá)視線與Y軸(徑向坐標(biāo))夾角.
圖2 極坐標(biāo)格柵數(shù)據(jù) 根據(jù)式(1)得到目標(biāo)二維散射中心分布的估計(jì)值
三、INISAR三維成像原理 |
(x,y)的濾波——逆投影算法：
(2)
圖3 三維成像的幾何關(guān)系圖
并記g的方向矢量為： g=(sinθcosφ,sinθsinφ,cosθ). 設(shè)INISAR的兩副接收天線分別為M1和M2,均指向目標(biāo)坐標(biāo)原點(diǎn);其入射線均位于包含Z軸在內(nèi)的入射內(nèi)平面P內(nèi),P與XOY平面交線的方向角為φ1.設(shè)M1的方向矢量為 M1=(sinθ1cosφ1,sinθ1sinφ1,cosθ1) (4) M2的方向矢量為： M2=(sinθ2cosφ1,sinθ2sinφ1,cosθ2) (5) 則目標(biāo)散射中心g在M1和M2上的投影分別為： R1=ρg.M1=xsinθ1cosφ1+ysinθ1sinφ1+zcosθ1 設(shè)目標(biāo)ISAR成像的旋轉(zhuǎn)面為XOY平面，且M1在XOY平面上，M2與XOY平面有夾角Δθ，則得：θ1=90°,θ2=90°-Δθ.記ψ為M1(M2相同)與Y軸的夾角，則ψ=90°-φ1,ψ∈(ψ1,ψ2)為二維成像合成孔徑角范圍.則得： R1=ycosψ+xsinψ (6) 則散射中心g在M1所得圖像I1和M2所得圖像I2上的程差為： ΔR=R2-R1≈zsinΔθ (8) 對(duì)應(yīng)的傳輸相位為：
式中所示的傳輸相位將反映在圖像I1和圖像I2對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)相應(yīng)散射中心的相位差上.因此通過(guò)鑒別圖像I1和圖像I2對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)相應(yīng)散射中心的相位差，則由式(9)可以得到其豎向坐標(biāo)為： z=(λ.Θ)/(4π.sinΔθ) (10) 為避免相位模糊，Θ的取值范圍應(yīng)為-π＜Θ＜π，設(shè)|z|＜z0,則有 Δθ(rad)＜λ/(4z0) 或 式中f0單位：GHz;z0單位：m.
設(shè)f0=10GHz,z0=1m，則由式(12)得，Δθ＜0.42°.取Δθ=0.4°.設(shè)Δθ的誤差為0.01°，則Δzθ=-2.5%，z的絕對(duì)誤差小于2.5cm.可見(jiàn)由Δθ引起的誤差為恒定相對(duì)誤差，隨z坐標(biāo)的增大，其絕對(duì)誤差將增大.因此，在滿足式(11)的條件下Δθ的值應(yīng)盡量取大些.當(dāng)頻率高時(shí)，由于Δθ的值取得小，Δzθ會(huì)增大.
可見(jiàn)，由相位量Θ的測(cè)量誤差引起的散射中心豎向坐標(biāo)的相對(duì)誤差與其豎向坐標(biāo)的量值成反比，但有固定的最大絕對(duì)誤差.高精度相干測(cè)量雷達(dá)的相位測(cè)量誤差小于2°，即ΔΘ=2°，設(shè)f0=10GHz,Δθ=0.4°，z0=1.0m，則Δzθ=1.2%；絕對(duì)誤差小于1.2cm. 四、模擬計(jì)算 |
(3)
(9)
(12)
(13)
圖4 五個(gè)球的組合目標(biāo)三維成像模擬計(jì)算結(jié)果 表1 |
| 球半徑(m)及RCS(dBm2) | 球心位置預(yù)設(shè)(m) | 球鏡面位置預(yù)設(shè)(m) | 球鏡面位置測(cè)量值(m) | |||||||||
| 序號(hào) | 半徑 | 預(yù)估RCS | 測(cè)量RCS | 橫向 | 徑向 | 豎向 | 橫向 | 徑向 | 豎向 | 橫向 | 徑向 | 豎向 |
| 1 | 0.05 | -21.05 | -21.3 | 0.80 | 0.80 | 0.5 | 0.80 | 0.75 | 0.5 | 0.80 | 0.76 | 0.51 |
| 2 | 0.04 | -22.22 | -23.0 | 0.40 | 0.40 | 0.0 | 0.40 | 0.36 | 0.0 | 0.40 | 0.36 | 0.00 |
| 3 | 0.03 | -25.41 | -26.0 | 0.00 | 0.00 | -0.2 | 0.00 | -0.03 | -0.2 | 0.00 | -0.02 | -0.20 |
| 4 | 0.02 | -30.93 | -29.3 | -0.40 | -0.40 | -0.4 | -0.40 | -0.42 | -0.4 | -0.40 | -0.42 | -0.40 |
| 5 | 0.01 | -33.43 | -34.4 | -0.80 | -0.80 | -0.6 | -0.80 | -0.81 | -0.6 | -0.80 | -0.80 | -0.62 |
| 五、微波暗室實(shí)驗(yàn)測(cè)試 根據(jù)前述三維成像測(cè)量技術(shù)，用飛機(jī)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量.測(cè)試中心頻率9.25GHz，帶寬1.8GHz,水平極化，俯仰角差Δθ=-0.4°.測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5所示.如圖中所示，P2為飛機(jī)的面天線；P1為壓氣機(jī)，距天線1.09m;P3、P5為進(jìn)氣口，相距0.15m，距天線0.435m；P4為座椅，距天線0.41m，比飛機(jī)軸心高約0.1m；P6為座艙前沿，距天線約0.29m；P7、P8為導(dǎo)彈架，相距0.61m，距天線0.86m，比飛機(jī)軸心低0.17m. |
圖5 某飛機(jī)縮比模型(頭部方位)三維成像測(cè)量結(jié)果 在測(cè)量中，飛機(jī)軸心在豎向軸的位置約為-4cm.分析圖5所示結(jié)果，飛機(jī)模型散射中心的相對(duì)位置關(guān)系吻合良好，誤差在一個(gè)分辨單元之內(nèi).表明了旋轉(zhuǎn)目標(biāo)干涉逆合成孔徑三維成像技術(shù)的可行性. 六、結(jié) 論 |
評(píng)論