[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

摘要

本发明提出一种基于双频干涉的太赫兹雷达目标三维成像方法，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，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。本发明方法成像过程简单，效率高，能够实现雷达目标的三维成像。

主权项

一种基于双频干涉的太赫兹雷达目标三维成像方法，其特征在于，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通过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；其中，二维方位‑俯仰成像的方法如下：设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(xp,yp,zp)；考虑固定目标坐标系不变，某一姿态下雷达视线的单位矢量形式可表示为(sinθ)，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可表示为：其中，g(xp,yp,zp)表示目标的三维散射分布函数，k＝2πf/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，(θ)角上的空间波束域矢量可表示为：方位向与俯仰向的成像孔径范围分别为和[‑Δθ/2+θc,Δθ/2+θc]，其中和Δθ分别表示方位和俯仰向的转角大小，和θc分别表示成像孔径的中心方位角与俯仰角；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：然后，将式(3)描述的雷达方位‑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从固定目标坐标系转换到固定雷达坐标系，具体作法为：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视为围绕中心方位角和中心俯仰角θc的二次旋转关系；坐标系变换的坐标变换矩阵可表示为：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：其中，(x,y,z)坐标变换后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；方位向和俯仰向的成像分辨率可表示为：其中，λ为波长，当θc＝0°，且方位向和俯仰向的分辨率相同；第二步：双频下方位‑俯仰成像的干涉处理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，方法如下：S2.1获取干涉相位根据式(5)，两种成像孔径下得到的图像的相位项exp(j2πkx)不同；两频点下方位俯仰成像的点扩展函数可表示为：其中k0＝2πf0/c和k1＝2πf1/c为波数，f0和f1表示方位‑俯仰成像采用的两频点；将双频点的方位俯仰成像结果共轭相乘可得干涉相位：Θ=Angle[ρ0*(x,y,z)·ρ1(x,y,z)]=4πf1x/c-4πf0x/c=4πΔfx/c---(8)]]>其中，Δf＝f1‑f0表示用于干涉的两幅图像成像频率的频率差；S2.2目标的距离向坐标计算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：x=Θ·c4πΔf---(9)]]>S2.3获得目标的三维成像结果将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。