一种窄带被动雷达三维成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于窄带外辐射源的被动雷达三维成像 方法。
【背景技术】
[0002] 由于能够提供更为清晰直观的可视信息，三维成像是近年来雷达成像领域的一个 研究热点问题。现在的雷达三维成像一般采用的是主动的干涉合成孔径雷达（InSAR)方 式，也即利用两幅高度略有差别的天线形成的SAR图像，通过相干比较获取目标高度信息。 主要有两种方式：（1)双航过InSAR，一个飞行平台两次飞过同一成像区域，此方式不需要 特别的硬件系统，但是存在实时性差、运动补偿难度大的问题；(2)单航过InSAR，同一飞 行平台上安装两套设备，包括天线、接收通道、双工等，具备有实时成像的能力，但是系统复 杂，设备成本高。
[0003] InSAR三维成像存在两个问题：（1)由于采用主动工作方式，在军用侦察中容易受 到敌方干扰或者火力打击，生存能力受到极大威胁；（2)主要用于对地观测，对空中目标成 像能力不足。
【发明内容】
[0004] 针对InSAR三维成像系统存在的问题，本发明要解决的技术问题在于提供一种窄 带被动雷达三维成像方法，以提高生存能力和对空中目标监视能力。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案： 一种窄带被动雷达三维成像方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤1，在转台模型下，建立三维成像模型：采用民用窄带照射源作为信号源，接收机 固定于地面之上，对空中运动目标进行三维成像；假设已经对运动目标进行了运动补偿，则 目标围绕着其转动中心做三维转动；以转台转动中心为坐标原点建立三维直角坐标系；任 取目标上一散射点，其球坐标为（r，a (t)，0 (t))，其中a (t)和0 (t)分别表示该点的俯 仰角和方位角，该点俯仰角和方位角的初始角分别为a。和0。，对应转动角速度分别为 和w 2〇
[0006] 步骤2,推导三维转动下的信号斜距历程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，艮为接收机到原点距离，Rt为发射机到原点距离，0为双基角，（1。，7。， 2。）是目 标上一散射点的初始位置坐标值。
[0007] 步骤3,推导解调后单散射点目标回波信号模型得到：
其中，I = 1，2,…，L，L是总采样次数，A a是散射点俯仰角的采样步长，0。和A 0 分别是方位角的初始值和采样步长。
[0008] 步骤4,根据回波信号模型构造四维信号匹配矩阵和四维回波信号矩阵：对长方 体状成像目标进行成像，首先分别在方位、距离、高度维上将成像目标划分为M列N行K页， 其步长分别为A x、A y、A z，则根据回波信号形式，第m列第n行第k页处的散射点在第1 次采样时的回波信号为：
其中，m= l，2，."，M;n= l，2，."，N;k= 1，2，."，K;1 = 1，2，."，L。
[0009] 步骤5,求回波信号矩阵和信号匹配矩阵的Hadamard积，然后在时间维上求和，并 求其绝对值：
其中，m = 1，2,…，M ;n = 1，2,…，N ;k = 1，2,…，K ;1 = 1，2,…，L ;逸.表示的运算为 Hadamard积，即将回波信号矩阵与信号匹配矩阵中的对应元素直接相乘。
[0010]所述步骤2中斜距历程R的推导过程为：
其中，（xt，yt, zt)和（Xpy1^z1O分别为发射机和接收机的坐标。
[0011] 所述步骤3中解调后单散射点目标回波信号模型的推导过程为：发射机辐射信号 可表示为exp {j2 JT ft}，其中的f为信号频率；若T为信号时延，则点目标回波信号为：
[0012] 所述步骤5中，当mAX=X。时，在距离向上出现峰值，而mAX辛X。时则以贝塞尔 函数形式衰减；在方位向和高度上其峰值位置为n Ay = y。和kAz = Z。，在其他位置以贝 塞尔函数形式衰减；全局峰值位置为mAx = x。、nAy = y。和kAz = z。，此峰值实现了对 散射点位置的重建。
[0013] 本发明与常规的InSAR三维雷达成像技术相比，具有下列优势：（1)采用了被动雷 达技术，生存能力强；(2)采用了逆合成孔径雷达（ISAR)成像模式，能够对空中目标成像， 提高对空中目标监视能力；（3)系统不带发射机，成本较低。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的转台模型示意图。
[0015] 图2为本发明的系统示意图。
[0016] 图3为本发明当外辐射源信号频率为200MHz，双基角为Jr /2rad，H值为 1. 4142X 108时的成像仿真结果图。
[0017] 图4为本发明当外辐射源信号频率为200MHz，双基角为JT /8rad，H值为 1. 9616X 108时的成像仿真结果图。
[0018] 图5为本发明当外辐射源信号频率为400MHz，双基角为2 Jr /3rad，H值为2 X 108 时的成像仿真结果图。
[0019] 图6为本发明当外辐射源信号频率为400MHz，双基角为Jr /2rad，H值为 2. 8284 X 108的成像仿真结果图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。应理解，这些实施例 仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容 之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所 附权利要求书所限定的范围。
[0021] 本发明提供一种基于窄带外辐射源的被动雷达三维成像方法，包括以下步骤： 步骤1，参见图1和图2,在转台模型下，建立三维成像模型。本发明属于被动雷达成像， 采用的信号源为民用窄带照射源（比如调频广播信号、模拟电视信号等），接收机固定于地 面之上，对空中运动目标进行三维成像。由于本发明采用外辐射源为窄带信号，无法靠距离 压缩实现高分辨成像，在距离、方位、高度三个维度上的高分辨全部依赖于目标相对于成像 系统的转动，所以运动补偿后，目标围绕着其转动中心做三维转动。所以假设已经对运动目 标进行了运动补偿，则本发明可以在三维转台模型下展开工作。以发射机、转台转动中心、 接收机所在的平面为XOY平面，以三者构成的双基角（发射机与转台转动中心的连线、接收 机与转台转动中心的连线构成的夹角）的角平分线为X轴正方向、以转台转动中心为坐标 原点建立三维直角坐标系。假设双基角为P，不妨令接收机的方位角为(6/2，发射机的方 位角则为-P /2。发射机和接收机到坐标原点的距离分别为&和R p发射机和接收机的坐 标分别为（xt, yt, zt)和（Xn zj。任取目标上一散射点，假设其直角坐标为（X，y, z)，其球 坐标为（r, a (t), 0⑴），其中a⑴和0⑴分别表示该点的俯仰角和方位角，该点俯仰 角和方位角的初始角分别为a。和0。，对应转动角速度分别为（^和《 2。则有下列关系：
其中，（Xm^Z。）是散射点的初始位置坐标值。
[0023] 步骤3,推导解调后单散射点目标回波信号模型，并将其离散化。
[0024] 本发明中所用的信号为单频信号，所以发射机辐射信号可表示为exp{j2 ft}，其 中的f为信号频率。若T为信号时延，则点目标回波信号为：
其中，1 = 1，2,…，L，L是总采样次数，A a是散射点俯仰角的采样步长，0。和A 0 分别是方位角的初始值和采样步长。
[0025] 步骤4,根据回波信号模型构造四维信号匹配矩阵和四维回波信号矩阵。本方法对 长方体状成像目标进行成像，首先分别在方位、距离、高度维上将成像目标划分为M列N行 K页，其步长分别为A X、Ay、AZ。则根据回波信号形式，第m列第n行第k页处的散射点 在第1次采样时的回波信号为：
号形式，构造四维信号匹配矩阵如下：
其中，m= l，2，."，M;n= l，2，."，N;k= 1，2，."，K;1 = 1，2，."，L。
[0026] 为便于矩阵运算，将回