運動目標太赫茲干涉三維成像方法

付朝偉，王 潔，盛佳戀，沙作金，顧 瑩

(1.上海無線電設備研究所，上海 201109；2.上海目標識別與環境感知工程技術研究中心，上海 201109；3.中國航天科技集團有限公司交通感知雷達技術研發中心，上海 201109)

0 引言

太赫茲雷達發射載頻高，可以生成大帶寬信號，從而獲取目標的高分辨率距離像。另外，由于太赫茲波波長短，同等方位向分辨率條件下太赫茲ISAR成像的觀測時長更短，或相同觀測時長內太赫茲ISAR能獲得更高的方位向分辨率。高分辨的目標三維像相比于傳統一維像和二維像，具有更全面的目標屬性和特征信息，有利于提高目標分類和識別精度，是當前雷達技術研究的重要內容之一。因此，太赫茲InISAR成像技術有望實現對空間目標更精細的探測與識別，在雷達成像與目標探測等領域有著廣闊的應用前景[1-4]。

針對太赫茲雷達高分辨成像，除了研制太赫茲雷達系統外，還應該同步開展太赫茲成像理論研究，以提高系統的應用水平。由于太赫茲波段在電磁譜上介于微波和紅外波頻段之間，現有的太赫茲成像技術大多是借鑒微波、光學頻段雷達成像方法。但是，由于太赫茲雷達波長短，目標微小的運動會導致回波脈沖間的去相干性[5-7]，現有的微波和光學頻段雷達成像方法并不完全適用于太赫茲雷達成像。例如，傳統的相關包絡對齊方法[8-13]達不到太赫茲雷達成像系統運動補償的精度要求。包絡對齊是逆合成孔徑雷達成像的關鍵技術之一，包絡對齊的性能直接影響ISAR成像的質量[14]。由于在太赫茲波段散射的強敏感性，保證回波之間的強相關需要非常高的脈沖重復頻率，因此系統難以保證其相關性，另外信噪比也會影響該方法。針對太赫茲波段散射的敏感性，本文提出基于檢測跟蹤成像一體化的太赫茲三維成像方法。

1 雷達回波模型建立

現有InISAR成像系統多采用L型天線結構，假設雷達與目標位置關系如圖1所示。太赫茲InISAR系統一發三收，A為發射/接收天線，B、C為接收天線，基線長度均為L。線性調頻(LFM)信號是現代雷達常用的一種發射信號形式，是解決雷達作用距離與距離分辨率之間矛盾的一種有效途徑。設雷達發射線性調頻信號，對于散射點P，天線A接收目標回波為：

(1)

圖1 雷達與目標位置關系Fig.1 Position relationship between radar and target

由于ISAR目標通常只占少量的空間，因此常規的做法是采用去斜處理的方法，即通過時域共軛點乘。其參考信號設為：

(2)

式(2)中，τref=2Rref/c，Rref為參考距離。

去斜處理后的信號形式為：

(3)

2 檢測跟蹤成像一體化方法

在雷達接收機的輸入端，微弱的回波信號總是和噪聲及其他干擾混雜在一起的，有時雷達信號甚至淹沒在噪聲中。在一般情況下，噪聲是限制微弱信號檢測的基本因素。通常雷達回波脈沖上疊加了噪聲，幅度時大時小，但回波脈沖是周期性且時間相關的，而噪聲是隨機的且時間不相關的，多個脈沖積累后可以有效地提高信噪比，從而改善雷達的檢測能力。因此，本方法首先通過對多個脈沖觀測結果進行積累，提高回波信號的信噪比，實現對遠距離微弱目標的檢測。

一旦檢測到目標后便鎖定，并轉入跟蹤及實時成像階段。將觀測時間內的每N個脈沖作為一個脈組，估計每個脈組內目標的速度及與雷達之間的距離，通過估計的速度及距離進行高精度包絡補償和對齊。假設目標在時刻t內的運動速度為V(t)，在第m次回波期一個脈沖持續時間內(設在快時間內是速度恒定為Vm)，距離的變化為：

(4)

(5)

考慮目標的機動性，假設在短時間內目標速度恒定，則該時間段內

(6)

在距離向，利用上一時刻估計的速度Vm-1和距離Rp(tm-1)進行補償，且利用系統每次記錄的參考距離進行去斜處理。因此，可以補償速度引起的色散以及包絡的整體偏移，補償因子為：

(7)

補償后的相位為：

(8)

對補償后的信號在快時間進行傅里葉變換，利用記錄的參考距離Rref得到測量距離，針對體目標應進行重心估計，計算重心對應的距離

(9)

式(9)中，fmp為重心對應的距離頻率。在此基礎上，對方位向進行傅里葉變換，重心位置對應的多普勒為：

(10)

通過多普勒位置即可得到當前短時間內的速度主值，由于受PRF和波長的限制，速度存在模糊，模糊速度為：

(11)

在初始階段，采用最小熵聯合多通道的方法對速度進行估計

(12)

其中，

(13)

在獲得初始速度后，對速度進行模糊倍數的估計，得到

(14)

每次得到的絕對速度的估計為：

(15)

通過脈組的形式，可以得到整個相干積累過程中的速度估計，同時對整個包絡進行補償和對齊。完成包絡對齊后，剩下的相位項中包含了相位誤差項，自聚焦算法可以不依賴于速度估計等參數進行盲補償，本文使用最小熵的方法對包絡對齊后的數據進行自聚焦。

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(17)

自聚焦后的信號形式為

(18)

對運動補償后的三通道信號分別做兩維FFT即可得到三幅ISAR圖像。干涉ISAR成像技術從兩兩干涉的復圖像相位中反演目標的三維結構。干涉的前提之一是保證圖像配準和相位解纏。對相位進行充分校正后，得到的三個通道信號，B、C兩通道分別與A通道信號求相位差，由此推導出方位角α和俯仰角β。相位和角度對應關系為：

(19)

圖2 三維角度解算關系Fig.2 3D angle solution relationship

根據如圖2所示角度關系，解算X、Y、Z位置得

(20)

主要工作流程如圖3所示。

圖3 工作流程圖Fig.3 Work flow chart

3 實驗驗證

利用現有太赫茲雷達系統對飛機模型進行實驗驗證，目標模型如圖4所示。太赫茲系統存在的固有系統誤差會影響回波相位，首先需要對系統的非線性相誤差進行校正，然后對三通道信號進行脈沖壓縮，目標的原始包絡如圖5所示。

圖4 目標模型Fig.4 Target model

圖5 三通道回波原始距離包絡結果Fig.5 Original range profiles of three channel echo

采用傳統相關法對目標回波進行包絡誤差補償，包絡對齊結果如圖6(a)所示。由于在太赫茲波段散射的強敏感性，系統難以保證脈沖間的相關性，因此利用傳統的相關法進行包絡補償，包絡對齊精度不高。利用本文所提的檢測跟蹤成像一體化方法，包絡對齊后結果如圖6(b)所示，目標的速度估計結果如圖7所示。

圖6 三通道回波包絡對齊結果Fig.6 Range profiles of three channel echo after alignment

相位補償后，對三通道信號進行方位向FFT處理，得到的ISAR成像結果如圖8所示。分析某一散射點三通道的3 dB對應寬度，得到三通道的分辨率一維剖面圖如圖9所示，三通道分辨率結果如表1所示。對比現有的成像系統可知，太赫茲雷達實現了更高的目標分辨率。

圖7 瞬時速度估計結果Fig.7 Estimated instantaneous velocity results

圖8 三通道ISAR成像結果Fig.8 ISAR imaging results of three channel

圖9 三通道分辨率一維剖面圖Fig.9 Three channel resolution one-dimensional profile

表1 三通道分辨率結果Tab.1 Resolution results of three channels

三通道ISAR圖像在圖像配準的基礎上進行兩兩干涉，圖10(a)為B、C兩通道分別與A通道信號求相位差得到的水平向和俯仰向干涉相位，在2.5 m距離的實驗場景下，目標尺寸只有在小于0.088 2 m才不會產生相位模糊，因此，在干涉之前，需要進行相位解纏；圖10(b)為相位解纏后的水平向和俯仰向干涉相位。由此反演的三維成像結果如圖11所示。

圖10 干涉相位Fig.10 Interference phase

圖11 飛機模型三維反演結果Fig.11 3D inversion results of aircraft model

4 結論

本文提出一種基于檢測跟蹤成像一體化的運動目標三維成像方法。該方法利用多脈沖積累實現對遠距離微弱目標的檢測，通過滑窗方式對當前速度進行估計從而實現對整個相干時間內高精度的包絡對齊和高速運動補償，并解決了干涉相位模糊問題，從而實現高分辨的三維成像。通過實驗對比證明了該方法的有效性，且太赫茲系統的成像指標優勢明顯，為提高目標識別能力提供了有效的技術支撐。