频率扫描阵列逆合成孔径雷达目标成像方法

1.本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种频率扫描阵列逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar，isar)目标成像方法。


背景技术：

2.频率扫描阵列雷达是一种电扫描成像雷达，通过改变工作频率而使天线单元间的相位发生变化，能够实现阵列天线波束扫描及指向目标。因为其天线波束变换灵活和硬件成本低等优势，频率扫描阵列雷达在目标识别方面呈现着重要的作用。将频率扫描阵列与逆合成孔径雷达系统相结合，可形成一种高增益的成像体制，然而频率扫描阵列由于各辐射单元间馈线产生的相位差不能匹配发射或接收信号频率的变化，因此该成像体制不能发射或接收宽带信号，这使得在使用频率扫描阵列时，不能进行需要发射宽带信号的isar成像。
3.针对上述问题，本发明将频率分集的思想应用在使用频率扫描阵列的isar成像雷达上，通过发射多个单频信号并结合频率合成技术，实现用于频率扫描阵列的isar目标成像方法，既可以形成波束指向目标，又可以克服无法发射宽带信号的限制，实现对运动目标的二维成像。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是在使用频率扫描阵列进行isar成像时，如何克服无法发射宽带信号的限制，实现isar成像。为此，本发明提供一种基于频率扫描阵列的逆合成孔径雷达目标成像方法，该方法通过发射不同频率的单频信号，可同时实现波束指向目标及宽带信号合成，实现对运动目标的二维isar成像。
5.频率扫描阵列逆合成孔径雷达目标成像方法，包括以下步骤：
6.步骤1，初始化频率扫描阵列参数；
7.频率扫描阵列各辐射单元等间距排列，辐射单元个数为m，相邻两个辐射单元间距为d，各辐射单元由馈线l串联连接，天线扫描角度与发射信号的频率关系为：
[0008][0009]
式中θ为扫描角度，c为光速，f为频率扫描阵列发射信号频率，d为相邻两个辐射单元间距，l为相邻辐射单元的馈线长度，表示介质波长，ε
r
表示相对介电常数；
[0010]
步骤2，确定扫描频率f
n
；
[0011]
在t
n
时刻，目标运动到某一位置，此时目标与法线的夹角为θ
n
，利用几何关系可得：
[0012][0013]
式中v是目标的运动速度，α是飞行角度与水平方向的夹角，r0是目标与雷达的垂
直距离；
[0014]
假设目标做平稳匀速直线运动，即α＝0
°
，令k＝0，上两式联立可得目标运动位置角度与频率之间的关系：
[0015][0016]
步骤3，对目标进行观测；
[0017]
雷达在不同观测时刻，向目标场景发射不同频率的单频信号，假设当前观测时间为t
n
，所需发射的频率值为f
n
，此时发射天线发射的信号可表示为：
[0018]
x(t
n
)＝s(t
n
)exp{j2πf
n
t
n
}n＝1,2,...,n
[0019]
其中s(t
n
)为信号的复包络；
[0020]
步骤4，获取回波信号；
[0021]
选择阵列中第一个辐射单元为参考单元，对成像区域中某一目标散射点p进行观测，该散射点沿阵列射线的法向夹角为θ
p
(t
n
)，与雷达的距离为r
p
(t
n
)，则第m个辐射单元的回波信号时延τ
m
为：
[0022][0023]
扫描信号经过目标反射，由接收装置接收并进行数字采样、混频后，得到t
n
时刻的回波信号：
[0024][0025]
其中σ
p
表示该散射点的散射系数，m＝1,2,...,m，m为辐射单元个数，由于发射信号是单频信号，s(t
n
)的变化可忽略不计；
[0026]
步骤5，更新观测时间为t
n+1
，重复上述步骤(2)～(4)，直至得到n个观测时刻的回波矩阵：
[0027]
x
e
(t
n
)＝[x
e
(t1) x
e
(t2)
ꢀ…ꢀ
x
e
(t
n
)[
[0028]
步骤6，使用后向投影成像算法，对成像区域进行网格划分，并对每个网格节点(x,y)进行对应的相位补偿，该点相对于第m个辐射单元的相位补偿项为：
[0029]
其中r
x,y
是网格节点(x,y)到雷达的距离，θ
x,y
是该节点相对于雷达法线方向的角度，则t
n
时刻进行相位补偿后的回波矩阵可表示为：
[0030][0031]
步骤7，将n个观测时刻进行相位补偿的回波矩阵相参累加，获得目标二维像：
[0032][0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0034]
(1)建立了频率扫描阵列isar成像体制，使得频率的改变同时实现波束指向和宽带信号合成的功能，可实现对目标进行大转角isar二维成像。
[0035]
(2)结合频率分集的思想，发射多个单频信号合成宽带信号，克服isar成像发射信号的大带宽限制，相比于相控阵isar成像，使用频率扫描阵列isar成像可降低阵列成本和复杂度。
附图说明
[0036]
图1为本发明成像方法流程示意图。
[0037]
图2为实施例频率扫描阵列结构模型图。
[0038]
图3为实施例频率扫描阵列isar体制模型图。
[0039]
图4为实施例成像场景目标散射点分布示意图。
[0040]
图5为基于本发明成像方法的目标isar成像二维仿真结果图。
具体实施方式
[0041]
下面结合实施例和附图对本发明内容进行进一步说明，但不是对本发明的限定：
[0042]
实施例
[0043]
参照图1，频率扫描阵列逆合成孔径雷达目标成像方法，包括如下步骤：
[0044]
步骤1，初始化频率扫描阵列参数；
[0045]
如图2所示，频率扫描阵列各辐射单元等间距排列，辐射单元个数为m，相邻两个辐射单元间距为d，各辐射单元由馈线l串联连接，天线扫描角度与发射信号的频率关系为：
[0046][0047]
式中θ为扫描角度，c为光速，f为发射频率，l为相邻辐射单元的馈线长度，表示介质波长，ε
r
表示相对介电常数；
[0048]
步骤2，确定扫描频率f
n
；
[0049]
如图3所示，在t
n
时刻，目标运动到某一位置，此时目标与法线的夹角为θ
n
，利用几何关系可得：
[0050][0051]
式中v是目标的运动速度，α是飞行角度与水平方向的夹角，r0是目标与雷达的垂直距离；
[0052]
假设目标做平稳匀速直线运动，即α＝0
°
，令k＝0，上两式联立可得目标运动位置角度与频率之间的关系：
[0053][0054]
步骤3，对目标进行观测；
[0055]
雷达在不同观测时刻，向目标场景发射不同频率的单频信号；假设当前观测时间为t
n
，所需发射的频率值为f
n
，此时发射天线发射的信号可表示为：
[0056]
x(t
n
)＝s(t
n
)exp{j2πf
n
t
n
}
n＝1,2,...,n
，
[0057]
其中s(t
n
)为信号的复包络；
[0058]
步骤4，获取回波矩阵；
[0059]
选择阵列中第一个辐射单元为参考单元，对成像区域中某一目标散射点p进行观测，该散射点沿阵列射线的法向夹角为θ
p
(t
n
)，与雷达的距离为r
p
(t
n
)，则第m个辐射单元的回波信号时延τ
m
为：
[0060][0061]
扫描信号经过目标反射，由接收装置接收并进行数字采样、混频后，得到t
n
时刻的回波信号：
[0062][0063]
其中σ
p
表示该散射点的散射系数，m＝1,2,...,m，m为辐射单元个数，由于发射信号是单频信号，s(t
n
)的变换可忽略不计；
[0064]
步骤5，更新观测时间为t
n+1
，重复上述步骤(2)～(4)，直至得到n个观测时刻的回波矩阵：
[0065]
x
e
(t
n
)＝]x
e
(t1) x
e
(t2)
ꢀ…ꢀ
x
e
(t
n
)]
[0066]
步骤6，使用后向投影成像算法，对成像区域进行网格划分，并对每个网格节点(x,y)进行对应的相位补偿，该点相对于第m个辐射单元的相位补偿项为：
[0067]
其中r
x,y
是网络节点(x,y)到雷达的距离，θ
x,y
是该节点相对于雷达法线方向的角度，则t
n
时刻进行相位补偿后的回波矩阵可表示为：
[0068][0069]
步骤7，将n个观测时刻进行相位补偿的回波矩阵相参累加，获得目标二维像：
[0070][0071]
本发明有益效果可通过实验仿真进一步说明：
[0072]
(1)实验场景设置
[0073]
频率扫描阵列结构图如图2所示，其中辐射单元数m＝15，阵元间距d＝λ/2＝0.1m，馈线l＝0.1m，介电常数ε
r
＝2.3，雷达信号基准载频为f0＝1.5ghz，合成带宽为1ghz。
[0074]
频率扫描阵列isar成像雷达系统采用如图3所示的雷达收发体制，目标以3m/s的速度匀速向x轴正方向移动，距离雷达初始距离为r0＝2
×
103m，目标相对于雷达转过的角度为30
°
，雷达共观测401次。
[0075]
成像区域范围：x轴方向为0～100m，y轴方向为0～100m，在区域等间距划分一个100
×
100的网格，相邻网络节点间隔为1m，网格点(50，50)为目标中心点。假设目标做刚体运动，将目标等效为5个散射点，分别设置在(50，50)，(50，20)，(50，80)，(20，50)，(80，50)，目标在场景中的分布示意图如图4所示。
[0076]
(2)仿真结果
[0077]
图5为采用本发明所提出的频率扫描阵列isar成像体制雷达目标成像的仿真结果，与图4进行比较可以得出，使用频率扫描阵列isar体制对运动目标进行二维成像，仿真结果可以重建目标散射点的相对位置。仿真成像结果表明，本发明所提的频率扫描阵列isar目标成像方法，通过发射多个单频信号并结合频率合成技术，可以实现对运动目标的二维成像，解决了频率扫描阵列不能发射宽带信号的不足，相比于宽带相控阵isar成像，降低了系统复杂度与成本。