[发明专利]一种基于双频干涉的太赫兹雷达目标三维成像方法

说明书

技术领域

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

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。

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-V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

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。

一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：

第一步，二维方位-俯仰成像

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。

第二步：双频下方位-俯仰成像的干涉处理

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。

其中第一步中，二维方位-俯仰成像的具体方法为：

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O为目标中心，目标上任一散射点P的坐标为(x_p,y_p,z_p)。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,LOS)的单位矢量形式可表示为其中θ与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(j2πft)，f为发射信号载频，远场条件下的雷达回波信号可表示为：

其中，g(x_p,y_p,z_p)表示目标的三维散射分布函数，k＝2πf/c为波数，c为光速，r(x_p,y_p,z_p)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，角上的空间波束域矢量可表示为

k_z＝ksinθ

方位向与俯仰向的成像孔径范围分别为和[-Δθ/2+θ_c,Δθ/2+θ_c]，其中和Δθ表示方位和俯仰向的转角大小，和θ_c表示成像孔径的中心方位角与俯仰角。太赫兹频段波长短，和Δθ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