一种基于双频干涉的太赫兹雷达目标三维成像方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达成像技术领域，尤其是一种涉及太赫兹雷达目标三维成像的方 位-俯仰双频干涉成像方法。
【背景技术】
[0002] 对于给定的横向分辨率，雷达成像所需的横向孔径与波长成正比，相比于微波段 雷达，太赫兹雷达波长短，利用较小的横向孔径就可获得同等的成像分辨率。因此，在太赫 兹频段利用目标的小角度二维转动即可实现高分辨率的方位-俯仰成像;同时，由于目标表 面的粗糙起伏程度在太赫兹频段可与波长相比拟，不能再视为理想光滑表面，目标的成像 结果中散射点数目急剧增加，表现出面的特征。这些因素使得目标方位-俯仰成像结果接近 于视觉平面的类光学图像，为基于雷达成像技术的太赫兹目标特性研究与目标识别带来更 多优势。
[0003] 在太赫兹目标特性研究及安检应用等方面，三维图像比二维图像更有利于诊断目 标散射中心分布特性和提高识别准确率。现有的基于阵列的太赫兹频段u-ν干涉三维成像 方式，阵元数目多会造成成像系统复杂度高;基于宽带信号的合成孔径成像系统，成像性能 受到太赫兹信号源信号非线性度的严重制约。如何快速便捷地获得目标的三维图像是一个 有待研究的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种太赫兹频段目标的三维成像方法，是一种基于双频干涉的方 位-俯仰成像方法。本发明方法可获得目标距离、方位、俯仰三个维度上的坐标，方位俯仰二 维图像(包括目标二维坐标和二维散射强度分布）由方位-俯仰成像获得，距离维坐标通过 两个相邻频点下获得的两幅方位俯仰图像的干涉处理得到，本方法只能测量得到目标表面 距离向的坐标，在距离维上不具有分辨能力。采用Flynn的最小不连续算法对干涉相位进行 二维相位解缠绕，避免相位模糊造成的距离向坐标测量错误。基于双频干涉的方位-俯仰成 像利用目标的小角度二维转动可获得方位向和俯仰向的高分辨率，同时双频成像方式在具 有三维成像能力的同时回避了宽带信号的使用、避免信号非线性的影响。
[0005] -种基于双频干涉的太赫兹雷达目标三维成像方法，包括以下步骤：
[0006] 第一步，二维方位-俯仰成像
[0007]通过电磁计算软件仿真或是太赫兹雷达系统采集得到两个相邻频点的方位俯仰 向回波，对两个相邻频点的方位俯仰向回波信号分别进行二维方位-俯仰成像，获得目标在 相邻频点上的两幅二维方位-俯仰图像。
[0008] 第二步:双频下方位-俯仰成像的干涉处理
[0009] 对第一步获得的两幅目标方位-俯仰图像进行干涉处理以获得距离维高程从而实 现三维成像。
[0010] 其中第一步中，二维方位-俯仰成像的具体方法为：
[0011] 假设雷达照射目标的电磁波为平面波，目标处于远场条件下。在目标坐标系中，坐 标系原点0为目标中心，目标上任一散射点P的坐标为(&，^，2[))。当雷达固定不动时，目标 需在方位向和俯仰向分别旋转一定的角度范围，形成方位向和俯仰向的成像孔径。这也可 以等效为目标不动，雷达在一定的方位和俯仰角范围对目标进行观测采集回波。考虑固定 目标坐标系不变，某一姿态下雷达视线（Line of Sight，L0S)的单位矢量形式可表示为 (cos 沒si η炉,si η沒），其中Θ与P分别表示该视线角在目标坐标系中的俯仰角与方位 角。雷达发射单频信号s(t) = eXp(j23ift)，f·为发射信号载频，远场条件下的雷达回波信号 可表示为：
[0012]
[0013]其中，g(xP，yP，zP)表示目标的三维散射分布函数，k = 2JTf/C为波数，c为光速，r (xP，yP，zP)为固定目标坐标系中目标上散射点在雷达视线方向上的投影，因此，（A的角上 的空间波束域矢量可表示为
[0014]
[0015] kz = ksin9
[0016] 方位向与俯仰向的成像孔径范围分别为[-Ap/2 + fW2 + d和[-Δ Θ/2+Θ。，Δ Θ/2+Θ。]，其中Δ贫和△ Θ表不方位和俯仰向的转角大小，死和0。表不成像孔径的中心方位角 与俯仰角。太赫兹频段波长短，和Α Θ的值很小就能满足分辨率要求。式（1)的形式满足 傅里叶变换的形式，利用逆变换即可获得目标的散射分布函数表达式
[0017] Ο ψ
[0018] 式(3)给出了雷达方位-俯仰成像在波数域的观测采样与目标散射分布函数之间 的关系，可见波数域数据的获取与方位角、俯仰角有关。为了便于进一步的成像处理，将式 (3)描述的关系从固定目标坐标系转换到固定雷达坐标系。假定当雷达视线矢量与固定目 标坐标系的X方向矢量相反时，固定雷达坐标系与固定目标坐标系一致，这样二者坐标系之 间的变换可以视为围绕中心方位角（?)和中心俯仰角（Θ。)的二次旋转关系。坐标系变换的 坐标变换矩阵可表示为：
[0019]
[0020] 对式(3)坐标变换后进一步求解，可得到单频点下方位-俯仰成像的点扩展函数形 式：
[0021]
[0022] 其中，（x，y，z)坐标变换后的目标散射点在雷达坐标系中的坐标，x表示目标散射 点在雷达坐标系中距离向的坐标，即雷达视线方向上的高程。因此，方位向和俯仰向的成像 分辨率可表示为：
[0023]
[0024]
[0025] 其中，λ为波长，当0C = 〇°，且~ = △心方位向和俯仰向的分辨率相同。
[0026]本发明的第二步是对第一步得到的两幅方位-俯仰图像进行干涉处理获得距离向 坐标从而实现三维成像。由式(2)可知，不同频点相同方位俯仰角的方位-俯仰成像的成像 孔径是不同半径下形成的两个球形四边形。当两个频点相近时，两种成像的成像孔径几乎 一致。两幅图像中同一像素点对应于目标的同一散射点，因此方位-俯仰成像方式的干涉处 理不需要进行配准处理，三维成像过程得以简化。
[0027]本发明第二步的具体方法如下：
[0028] S2.1获取干涉相位
[0029]根据式(5)，两种成像孔径下得到的图像的相位项eXp(j23ikX)不同；两频点下方位 俯仰成像的点扩展函数可表示为：
[0030]
[0031 ] 其中ko = 23if()/c和kliSJTfVc为波数，fo和fi表示方位-俯仰成像采用的两频点；
[0032] 将双频点的方位俯仰成像结果共辄相乘可得干涉相位：
[0033]
[0034] 其中，Δ f = 表示用于干涉的两幅图像成像频率的频率差；
[0035] 由于三角函数的限制，实际中根据式(8)得到的是干涉相位的主值，主值范围为(_ n W]，当真实的干涉相位超出该范围时，需要对式(8)中的干涉相位Θ进行解缠绕处理，SP 对每个干涉相位主值加上正确的整数倍周期(21οι)，本发明中的相位解缠方法采用的是现 有的F1 ynn的最小不连续算法。
[0036] S2.2目标的距离向坐标计算
[0037]目标的距离向坐标即目标在雷达视线方向上的高程可表示为：
[0038]
(9)
[0039] S2.3获得目标的三维成像结果
[0040] 将S2.2得到的目标距离向坐标与第一步中得到的目标二维方位-俯仰图像结合， 即可得到目标的三维成像结果。
[0041] 因此，通过两幅相邻频点的方位俯仰图像的相位干涉可得到目标散射点的距离向 坐标，结合第一步得到的目标的二维方位-俯仰图像即可获得目标的三维成像结果。
[0042]本发明是一种适用于太赫兹频段目标的三维成像方法，将微波段的双频测距和干 涉测量两种方法结合，并用于双频模式下方位-俯仰成像的干涉测量，通过二维图像的干涉 处理获得目标的第三维坐标，成像结果包含了目标的三维坐标、二维散射幅度和相位的信 息，对目标散射特性的研究和目标识别提供了优势。
[0043]与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0044] 1.本发明方法对双频点的方位-俯仰成像结果进行干涉处理即可获取三维信息， 成像过程简单，效率高，能够实现雷达目标的三维成像。
[0045] 2.本发明方法在相邻双频下实现的方位-俯仰成像具有相同的方位向和俯仰向观 测角、相同的成像场景，成像结果中同一像素点对应目标上的同一散射点，避免了干涉处理 中图像配准难题，简化了干涉流程。
[0046] 3.本发明方法中的方位-俯仰成像采用单频信号体制，回避了宽带信号非线性带 来的成像误差。
【附图说明】
[0047]图1为雷达成像的示意图
[0048]图2为波束域坐标系中双频点二维方位-俯仰成像的成像孔径示意图 [0049]图3为本发明的流程图
[0050] 图4为粗糙圆锥模型示意图，底面半径5cm，高4.9cm，粗糙度0.5mm、相关长度0.5mm [0051]图5为利用