基于微動參數估計的非對稱進動目標三維成像

胡曉偉，童寧寧，何興宇，江 東，王宇晨（空軍工程大學防空反導學院，陜西　西安710051）

基于微動參數估計的非對稱進動目標三維成像

胡曉偉，童寧寧，何興宇，江 東，王宇晨
（空軍工程大學防空反導學院，陜西西安710051）

具有非對稱結構的進動目標成像是目前空間目標成像的一個難點。在構建非對稱進動目標回波模型的基礎上，分析了成像所需的4個微動參數并給出了相應的參數估計方法。在微動參數已知的前提下，提出了一種基于三維復數逆投影變換的進動目標三維成像的方法。首先利用微動參數構建相位補償因子，之后對時間距離像進行三維搜索，進而實現進動目標的三維成像。最后通過仿真實驗驗證了所提方法的有效性，同時仿真分析了微動參數估計誤差對成像的影響。

非對稱進動目標；微動參數估計；三維復數逆投影；三維成像

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0 引 言

空間進動目標成像對于彈道目標識別［1］、空間碎片監測等都具有重要意義。然而由于進動目標運動形式的復雜性，使得對進動目標的成像十分困難。目前，對于空間進動目標成像的研究主要集中在旋轉對稱目標。對于旋轉對稱目標，其回波不受自旋運動調制，目標上非理想散射中心［2-3］的運動可近似為正弦變化［4］，因此可將目標的進動等效為各個散射點的自旋，進而利用自旋目標成像方法進行成像。文獻［5］針對高速自旋目標，提出了相干單距離多普勒干涉高分辨二維成像方法；文獻［6］基于窄帶雷達信號，提出一種基于時頻分析和廣義Radon變換的空間進動錐體目_標_的_二_維重構算法；文獻［7］在分析彈道目標進動效應基礎上，利用時頻分析實現了旋轉對稱目標的成像；文獻［4］研究了一種錐形進動目標的微動估計方法和高分辨三維成像方法。然而對于進動的非對稱目標，目標上的尾翼等非對稱結構作錐旋和自旋的復合運動，運動形式復雜，以上針對自旋目標的成像方法此時將不再適用。對于非對稱目標，文獻［8］利用復數經驗模式分解實現了目標主體回波和非對稱結構回波的分離，并對分離后的主體回波進行了成像。但這種方法不能實現非對稱結構的成像，且只能獲取目標二維像，損失了目標信息。文獻［9］通過提取目標的微動特征，實現了非對稱自旋目標的三維成像，但該方法只適用于微動形式為自旋的目標。而對于非對稱進動目標的三維成像，目前還未見到相關研究成果。

進動目標成像的復雜性源于其微動形式的復雜性。目前多數基于逆合成孔徑雷達（inverse synthetic aperture radar，ISAR）成像方法的前提都是目標作微轉動，當目標微動形式不滿足微轉動時，成像方法將不再適用。但如果能夠提前獲知目標的微動特性［10-11］，便有望實現對復雜微動目標的成像。目前關于目標微動特性的研究已取得了許多成果。文獻［12］研究了利用微多普勒分析提取彈道目標微動特征；文獻［13］提出了一種有翼彈頭進動特征提取方法；文獻［14］在分布式組網雷達下實現了進動目標錐旋矢量、進動周期和自旋周期等進動特征的提?。晃墨I［15］提出了一種基于雷達高分辨距離像求解進動錐體目標微動參數與幾何外形參數的方法。以上關于目標微動特征提取的研究為復雜微動目標的成像提供了可能。本文通過建立非對稱進動目標模型，分析了反映目標進動特性的微動參數，并給出了微動參數的估計方法，在此基礎上利用三維逆投影變換的方法實現了非對稱進動目標的三維成像。

1 非對稱進動目標回波模型

理論和實驗表明，目標在高頻區的雷達回波可近似等效為多個強散射點回波的合成［2］。對如圖1所示的含尾翼錐體目標，其等效強散射中心包括錐頂散射點P0和4個對稱分布的尾翼散射點P1，P2，P3，P4。錐體在繞目標對稱軸y軸作自旋的同時，繞進動軸Y軸作錐旋運動。其中XYZ為參考坐標系，xyz為目標本地坐標系，雷達視線方向（line of fight，L O S）為L O S。

圖1 非對稱錐體進動模型

對于錐體上任一散射點P，設其在本地坐標系中的初始位置為rP，則t時刻P在參考坐標系中的位置可表示為

式中，Rin為錐體的初始旋轉矩陣；Rp（t）為t時刻的旋轉矩陣。

對于進動目標，Rp（t）=RcRs，Rc和Rs分別為錐旋旋轉矩陣和自旋旋轉矩陣。由Rodrigues公式［3］

式中，ωc為錐旋角速度矢量；Ωc=‖ωc‖；ω′c=ωc/Ωc，＾ω′c為ω′c的反對稱矩陣。

式中，ωs為自旋角速度矢量；Ωs=‖ωs‖；ω′s=ωs/Ωs，＾ω′s為 ω′s的反對稱矩陣。

設雷達發射線性調頻信號，則目標回波信號可表示為

式中，rect（·）為矩形包絡；Tp為脈沖寬度；fc為載頻；γ為調頻率；＾t為快時間；tm=t-＾t（m=0，1，…，M-1）為慢時間為發射脈沖序號。ρ（x，y，z）和R（x，y，z；tm）分別為目標上（x，y，z）處散射點的散射強度和在tm時刻的徑向距離。

對回波進行解線頻調處理后可得目標的慢時間距離像信號為

式中，RΔ（x，y，z；tm）=R（x，y，z；tm）-Rr，Rr為參考信號的參考距離。

2 非對稱進動目標三維成像

2.1 進動目標微動參數估計

為實現進動目標的成像，需要首先分析并提取進動目標的微動參數。在式（1）～式（3）中，除與散射點初始位置相關的參數外，還包括4個未知量，分別為：錐旋角速度Ωc、錐旋單位矢量、自旋角速度Ωs和自旋單位矢量。以上4個參數決定了進動目標的微動特性。在4個參數中，Ωc可利用相關法或Hough變換［16］等方法進行準確獲??；對于和Ωs，文獻［14］研究了目標三維錐旋矢量的重構，并提取了目標的自旋周期。以上參數中，無法獲取的只剩自旋單位矢量。因為錐體對稱軸即為目標自旋軸，所以自旋軸單位矢量即為錐體對稱軸初始時刻的單位矢量。下面本文給出一種的估計方法。

由于錐頂散射點P0位于錐體自旋軸上，因此P0不受自旋的影響，在式（1）中，Rp（t）=Rc。設雷達視線方向單位矢量為nl，則錐頂散射點在雷達視線方向的距離變化可表示為

式中，r0=RinrP為錐頂散射點在參考坐標系中的初始位置矢量。式（6）可進一步表示為

由式（7）可知，錐頂散射點的距離變化為正弦形式。在慢時間距離像中，利用H ough變換可以將錐頂散射點與尾翼散射點分離，并可提取正弦曲線的均值m、幅度μ和初相φ。

因為錐頂散射點位于錐軸上，因此r0的單位矢量即為自旋單位矢量=r0/‖r0‖。

2.2 三維成像

在獲得微動參數Ωc，ω′c，Ωs和ω′s的基礎上，本文提出一種基于三維逆投影變換的進動目標三維成像方法。

對于進動目標，式（5）中RΔ（x，y，z；tm）=（RcRsr）Tnl，其中r=［x，y，z］T為散射點在參考坐標系中的位置。利用Ωc，，Ωs，構造相位補償因子

式中，r′=［x′，y′，z′］T為三維搜索參量。利用（x′，y′，z′；tm）對S（r，tm）作三維復數逆投影變換，即可得目標三維圖像

對于目標上任一個散射點ri=［xi，yi，zi］T，當r′=ri時，在時間距離像上沿曲線ri（tm）=（RcRsri）Tnl進行相干疊加，則在三維空間I中，點（x′，y′，z′）=（xi，yi，zi）處將積累出峰值；而當r′≠ri時，時間距離像沿曲線r′（tm）= （RcRsr′）Tnl進行非相干疊加，在點（x′，y′，z′）處將不會出現峰值。設定合適的空間搜索范圍，當遍歷搜索空間中的任一位置，即可通過空間局部峰值檢測的方法，重構出目標上強散射點的三維空間分布。

3 仿真實驗

3.1 方法有效性仿真

為驗證本文方法的有效性，進行以下仿真實驗。仿真對象為圖1所示的含尾翼進動錐體，長度3 m，底面半徑1 m，錐旋頻率1 Hz，自旋頻率1 Hz，進動軸方向單位矢量［0-1 0］，進動角20°。雷達發射載頻為10 G Hz的線性調頻信號，脈寬1μs，帶寬2 G Hz，脈沖重復頻率1 000 Hz，連續對目標觀測1 s。目標回波產生采用動態電磁仿真的方法。首先對于錐頂散射點，考慮散射的各向異性，采用高頻電磁計算的方法獲得其雷達散射截面（radar cross section，RCS）［4］；對于尾翼散射點，考慮遮擋效應，回波需要乘上遮擋因子

式中，r0×（r0×nl）為錐體軸線與雷達視線所成平面上垂直于錐體軸線的方向矢量；ri（tm）為第i個散射點tm時刻的位置矢量。之后結合第2節的目標進動模型，對靜態RCS進行抽取，即可得到目標的動態電磁仿真回波。

圖2給出了目標回波經dechirp處理后的慢時間距離像。從圖中看到，錐頂散射點強度隨慢時間作緩慢變化，反映了其RCS由視角變化引起的各向異性；各尾翼散射點由于主體遮擋，僅在半個周期內存在回波。

圖2 目標回波慢時間距離像

圖3 z′=0時x′y′平面搜索結果

圖4仿真了對空間搜索結果的三維切面圖。該圖反映了目標強散射點在空間的三維分布情況，通過對空間中強點進行檢測即可重構目標的三維結構。

圖4 空間搜索結果三維切面圖

為了避免圖像中存在的旁瓣對強點檢測造成干擾，需要設定合適的檢測門限對旁瓣進行抑制。高的檢測門限可有效抑制旁瓣干擾，但也可能影響對弱散射點的檢測；而低的檢測門限在提高弱散射點檢測能力的同時，會增加噪聲和旁瓣被檢出的概率。因此需要綜合考慮三維空間中噪聲、旁瓣和散射點的相對幅度，從而選擇合適的檢測門限。圖5仿真了檢測門限為空間最強點幅度1/2時，z′=0平面的旁瓣抑制結果。從圖中可以看到經檢測門限后，較低的旁瓣得到很好地抑制，圖像中只剩下幅度較高的峰值。

圖5 z′=0平面的旁瓣抑制結果

對經過門限檢測的空間數據進行局部極大值搜索，在三維空間中檢測到5個局部極值，對應了目標在空間上的5個強散射點，據此可重構目標的三維結構，如圖6所示。從圖中看到，重構結果與仿真目標的外形結構一致，說明本文方法是有效的。

圖6 目標三維重構結果

3.2 微動參數估計誤差仿真

由于微動參數的估計可能不夠精確，會導致目標成像質量下降，因此需要對微動參數估計誤差對成像的影響進行分析。復數逆投影變換的核心是通過對回波進行相位補償，使得同一散射點對應的時間距離曲線上的所有數據進行同相疊加。因此這里從參數估計誤差對相位的影響入手進行分析。定義相位誤差

從圖7看出，相位誤差隨觀測時間的增加而逐漸增大，因此，為減小微動參數估計誤差對成像的影響應盡量縮短對目標的觀測時間；同時，仿真結果還反映出相位誤差受錐旋角速度和自旋角速度誤差的影響相對更大，通過減小錐旋角速度和自旋角速度的估計誤差也可有效提高成像質量。

4 結 論

非對稱進動目標復雜的微動形式增加了其成像的難度。本文在估計目標微動參數的基礎上，反演出目標的微動特性，進而利用逆投影變換的方法對目標三維空間結構進行重構。仿真實驗驗證了在微動參數估計較為精確時，該方法可準確實現目標的三維成像。

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Three-dimensionalimaging of precession targets with unsym metrical appendixes based on micro-motion parameters estimation

H U Xiao-wei，T O N G Ning-ning，H e Xing-yu，Jiang Dong，WANG Yu-chen
（Air and Missile Defense College，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Imaging of precession targets with unsym metrical appendixesis a key challenge for spatialtargets imaging at present.The echo model of precession targets with unsym metrical appendixes is established.Based on that，4 micro-Doppler parameters needed forimaging are analyzed，and the corresponding parameters estimating method is given.With the parameters，a 3-D imaging method for precession targetsis proposed based on 3-D complex-valued back projection.Firstly，the phase compensation factor is structured with the parameters. Then a 3-D search is done in time-range profile，and the targets 3-D image is got afterwards.Finally，simulations verify the effectiveness of the proposed method，and analyze theinfluence of parameters estimating error to the imaging result.

precession targets with unsym metrical appendixes；micro-Doppler parameters estimation；3-D complex-valued back projection；3-D imaging

T N 957.51

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.04

1001-506 X（2016）03-0501-05

2014-12-29；

2015-08-22；網絡優先出版日期：2015-09-18。

網絡優先出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150918.1532.004.html

國家自然科學基金（61372166）；陜西省自然科學基礎研究計劃項目（2014J M 8308）資助課題

胡曉偉（1987-），男，博士研究生，主要研究方向為雷達目標成像與識別。

E-mail：601237134@qq.com

童寧寧（1963-），女，教授，博士，主要研究方向為雷達陣列信號處理。

E-mail：18092629021@189.com

何興宇（1989-），男，博士研究生，主要研究方向為雷達目標成像。

E-mail：hxy_19890708@163.com

江 東（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為雷達目標成像。

E-mail：283945288@qq.com

王宇晨（1988-），女，碩士，主要研究方向為信號處理。

E-mail：13289322268@163.com