一種窄帶被動雷達三維成像方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于雷達技術領域，具體涉及一種基于窄帶外輻射源的被動雷達三維成像 方法。
【背景技術】
[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成像領域的一個 研究熱點問題。現在的雷達三維成像一般采用的是主動的干涉合成孔徑雷達（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高度信息。 主要有兩種方式：（1)雙航過InSAR，一個飛行平臺兩次飛過同一成像區域，此方式不需要 特別的硬件系統，但是存在實時性差、運動補償難度大的問題；(2)單航過InSAR，同一飛 行平臺上安裝兩套設備，包括天線、接收通道、雙工等，具備有實時成像的能力，但是系統復 雜，設備成本高。
[0003] InSAR三維成像存在兩個問題：（1)由于采用主動工作方式，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，對空中目標成 像能力不足。
【發明內容】
[0004] 針對InSAR三維成像系統存在的問題，本發明要解決的技術問題在于提供一種窄 帶被動雷達三維成像方法，以提高生存能力和對空中目標監視能力。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案： 一種窄帶被動雷達三維成像方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1，在轉臺模型下，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 固定于地面之上，對空中運動目標進行三維成像；假設已經對運動目標進行了運動補償，則 目標圍繞著其轉動中心做三維轉動；以轉臺轉動中心為坐標原點建立三維直角坐標系；任 取目標上一散射點，其球坐標為（r，a (t)，0 (t))，其中a (t)和0 (t)分別表示該點的俯 仰角和方位角，該點俯仰角和方位角的初始角分別為a。和0。，對應轉動角速度分別為 和w 2〇
[0006] 步驟2,推導三維轉動下的信號斜距歷程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，艮為接收機到原點距離，Rt為發射機到原點距離，0為雙基角，（1。，7。， 2。）是目 標上一散射點的初始位置坐標值。
[0007] 步驟3,推導解調后單散射點目標回波信號模型得到：
其中，I = 1，2,…，L，L是總采樣次數，A a是散射點俯仰角的采樣步長，0。和A 0 分別是方位角的初始值和采樣步長。
[0008] 步驟4,根據回波信號模型構造四維信號匹配矩陣和四維回波信號矩陣：對長方 體狀成像目標進行成像，首先分別在方位、距離、高度維上將成像目標劃分為M列N行K頁， 其步長分別為A x、A y、A z，則根據回波信號形式，第m列第n行第k頁處的散射點在第1 次采樣時的回波信號為：
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.表示的運算為 Hadamard積，即將回波信號矩陣與信號匹配矩陣中的對應元素直接相乘。
[0010]所述步驟2中斜距歷程R的推導過程為：
其中，（xt，yt, zt)和（Xpy1^z1O分別為發射機和接收機的坐標。
[0011] 所述步驟3中解調后單散射點目標回波信號模型的推導過程為：發射機輻射信號 可表示為exp {j2 JT ft}，其中的f為信號頻率；若T為信號時延，則點目標回波信號為：
[0012] 所述步驟5中，當mAX=X。時，在距離向上出現峰值，而mAX辛X。時則以貝塞爾 函數形式衰減；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 塞爾函數形式衰減；全局峰值位置為mAx = x。、nAy = y。和kAz = z。，此峰值實現了對 散射點位置的重建。
[0013] 本發明與常規的InSAR三維雷達成像技術相比，具有下列優勢：（1)采用了被動雷 達技術，生存能力強；(2)采用了逆合成孔徑雷達（ISAR)成像模式，能夠對空中目標成像， 提高對空中目標監視能力；（3)系統不帶發射機，成本較低。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的轉臺模型示意圖。
[0015] 圖2為本發明的系統示意圖。
[0016] 圖3為本發明當外輻射源信號頻率為200MHz，雙基角為Jr /2rad，H值為 1. 4142X 108時的成像仿真結果圖。
[0017] 圖4為本發明當外輻射源信號頻率為200MHz，雙基角為JT /8rad，H值為 1. 9616X 108時的成像仿真結果圖。
[0018] 圖5為本發明當外輻射源信號頻率為400MHz，雙基角為2 Jr /3rad，H值為2 X 108 時的成像仿真結果圖。
[0019] 圖6為本發明當外輻射源信號頻率為400MHz，雙基角為Jr /2rad，H值為 2. 8284 X 108的成像仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。應理解，這些實施例 僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容 之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所 附權利要求書所限定的范圍。
[0021] 本發明提供一種基于窄帶外輻射源的被動雷達三維成像方法，包括以下步驟： 步驟1，參見圖1和圖2,在轉臺模型下，建立三維成像模型。本發明屬于被動雷達成像， 采用的信號源為民用窄帶照射源（比如調頻廣播信號、模擬電視信號等），接收機固定于地 面之上，對空中運動目標進行三維成像。由于本發明采用外輻射源為窄帶信號，無法靠距離 壓縮實現高分辨成像，在距離、方位、高度三個維度上的高分辨全部依賴于目標相對于成像 系統的轉動，所以運動補償后，目標圍繞著其轉動中心做三維轉動。所以假設已經對運動目 標進行了運動補償，則本發明可以在三維轉臺模型下展開工作。以發射機、轉臺轉動中心、 接收機所在的平面為XOY平面，以三者構成的雙基角（發射機與轉臺轉動中心的連線、接收 機與轉臺轉動中心的連線構成的夾角）的角平分線為X軸正方向、以轉臺轉動中心為坐標 原點建立三維直角坐標系。假設雙基角為P，不妨令接收機的方位角為(6/2，發射機的方 位角則為-P /2。發射機和接收機到坐標原點的距離分別為&和R p發射機和接收機的坐 標分別為（xt, yt, zt)和（Xn zj。任取目標上一散射點，假設其直角坐標為（X，y, z)，其球 坐標為（r, a (t), 0⑴），其中a⑴和0⑴分別表示該點的俯仰角和方位角，該點俯仰 角和方位角的初始角分別為a。和0。，對應轉動角速度分別為（^和《 2。則有下列關系：
其中，（Xm^Z。）是散射點的初始位置坐標值。
[0023] 步驟3,推導解調后單散射點目標回波信號模型，并將其離散化。
[0024] 本發明中所用的信號為單頻信號，所以發射機輻射信號可表示為exp{j2 ft}，其 中的f為信號頻率。若T為信號時延，則點目標回波信號為：
其中，1 = 1，2,…，L，L是總采樣次數，A a是散射點俯仰角的采樣步長，0。和A 0 分別是方位角的初始值和采樣步長。
[0025] 步驟4,根據回波信號模型構造四維信號匹配矩陣和四維回波信號矩陣。本方法對 長方體狀成像目標進行成像，首先分別在方位、距離、高度維上將成像目標劃分為M列N行 K頁，其步長分別為A X、Ay、AZ。則根據回波信號形式，第m列第n行第k頁處的散射點 在第1次采樣時的回波信號為：
號形式，構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] 為便于矩陣運算，將回