一种宽带雷达空间锥体目标的干涉式三维成像与微动特征提取方法技术

本发明专利技术针对已有单基以及双/多基雷达方法难以获取目标真实三维像与三维微动特征，系统实现复杂这一问题，将干涉式逆合成孔径雷达(InISAR)中多天线干涉处理的思想引入到空间锥体目标三维成像与三维微动特征提取研究中，提出一种宽带雷达空间锥体目标的干涉式三维成像与微动特征提取方法，将微多普勒效应理论与多天线干涉处理技术相结合，利用距离‑慢时间像实现了空间锥体目标真实三维成像，获取了与目标的物理尺寸一致，能够反映散射点每个瞬时时刻真实三维散射分布信息的坐标值，并在此基础是精确求解目标微动参数与结构参数。经过实例仿真验证，本发明专利技术专利算法相较已有方法，运算简单，系统实现容易，鲁棒性好，能够提取更多的目标参数，有一定的应用优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信号与信息处理技术，具体涉及一种宽带雷达空间锥体目标的干涉式三维成像与微动特征提取方法。
技术介绍
当前，随着现代雷达技术的快速发展，空间目标探测和识别技术已由简单的轨道测量阶段发展到了特征信息测量阶段，即通过利用一维距离成像、逆合成孔径雷达(ISAR)成像、微多普勒(micro-Doppler)特征分析等方法和手段，获得目标的外形、体积、表面物理参数、微动参数等，为目标识别提供丰富的特征信息。特别是基于目标微多普勒效应，利用现代信号处理方法获得目标的三维成像特征和三维微动特征，可以更好地辨别目标的属性、类别等信息，在空间目标探测与识别方面具有非常广阔的应用前景，近年来开始得到国内外学者的关注。从目前研究现状来看，空间目标三维成像与三维微动特征提取技术研究尚处于起步阶段，还存在许多问题需要深入研究解决。王琦等在《High-resolutionthree-dimensionalradarimagingforrapidlyspinningtargets》(IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2008,46(1):22-30)，白雪茹等在《High-resolutionthree-dimensionalimagingofspinningspacedebris》(IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2009,47(4):2352-2362)中提出了基于单基雷达的三维成像与三维微动特征提取方法，通过分析和提取目标回波的微多普勒特征参数来获得目标上各微动散射点的三维结构和运动特征。然而，由于单基雷达仅能观测到目标在雷达径向距离上的微动分量，因此这类方法所获得的三维成像结果并不能确定目标散射点的真实空间位置，均需要利用目标相对于雷达的姿态信息才能实现对成像结果的准确定标。而在实际应用中，仅利用单基雷达很难准确获得目标相对于雷达的姿态信息。此外，这类方法由于通常都利用了目标微多普勒信号为正弦调频(SFM)信号这一先验信息，因此仅适用于简单旋转目标，对于更复杂的微动目标(如由自旋和锥旋复合而成的进动目标)，尚不能实现有效的三维成像，也难以准确获得目标的三维微动特征。艾小峰等在《ImagingofSpinningTargetsviaNarrow-BandT/R-RBistaticRadars》(IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters,2013,10(2):362-366)，罗迎等在《Three-dimensionalprecessionfeatureextractionofspacetargets》(IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems,2014,50(2):1313-1329)中提出基于双/多基雷达的三维成像与三维微动特征提取方法，利用分布在不同视角的多个雷达观测到的目标特征差异，通过关联处理来获得目标的三维成像结果。尽管这类方法在理想条件下可以重构目标散射点在空间的真实三维分布，也能够准确反演出目标真实的三维微动特征，但在实际应用中，目标上散射中心的各向异性以及散射点相互之间的遮挡效应将使得各雷达回波的联合处理变得异常复杂和困难，现有方法在实际应用中的有效性还有待进一步检验。同时，由于该类方法需要对多部雷达的回波进行联合处理，系统实现较为复杂，也不利于实际应用。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种宽带雷达空间锥体目标的干涉式三维成像与微动特征提取方法，包括下列步骤：第一步：建立数学模型，在此基础上分析空间锥体目标的微动特性，对回波信号进行解线频调(Dechirp)处理，利用L型三天线获取目标散射点对应于三个天线的距离-慢时间像：(1)分析空间锥体目标的微动运动形式，建立宽带雷达空间锥体目标L型三天线干涉式三维成像的数学模型；(2)计算目标散射点到收发一体的天线A、接收天线B、C的距离Rref-A(tm)、Rref-B(tm)、Rref-C(tm)，并将其作为参考距离，分别对天线A、B、C接收的回波进行Dechirp处理，其中天线A位于雷达坐标系原点，接收天线B、C构成沿X轴和Z轴方向相互垂直的干涉基线，tm为慢时间；(3)去除Dechirp处理结果中的剩余视频相位(RVP)项和包络斜置项，利用关系式fk＝-2μRΔ(tm)/c将一维距离像Sd(fk,tm)转换为距离-慢时间像Sd(RΔ(tm),tm)，其中fk为峰值频率，RΔ(tm)为散射点到参考点的径向距离。第二步：将三天线对应的距离-慢时间像中各散射点的相位分离出来，分别进行干涉，并根据目标与雷达的几何关系解算出散射点在X维与Z维的投影坐标x(tm)、z(tm)，再通过雷达测距获取散射点在Y维的坐标y(tm)，最终实现目标真实三维成像：(1)筛选出各距离-慢时间像中大于最大值20％的数据作为后续处理的基础，以消除杂波和旁瓣的影响，并采用数学形态学图像处理方法对筛选点进行图像平滑、去除毛刺、骨架提取等预处理；(2)根据同一曲线上各点前后导数之差的和最小的原则由骨架提取结果分离出不同散射点的曲线路径，提取曲线路径，并据此反演出各散射点在各距离-慢时间像中的相位，去除微多普勒曲线交点处的相位值；(3)将从天线A所对应的距离-慢时间像中反演出的各散射点相位分别与天线B、C所对应的距离-慢时间像中反演出的各散射点相位进行干涉处理，获得干涉相位再根据目标与雷达的几何关系解算出X维与Z维的投影坐标x(tm)、z(tm)；(4)计算各散射点到A天线的斜距作为散射点的Y维坐标y(tm)，最终实现目标真实三维成像。第三步：利用获取的目标散射点各维坐标曲线，根据其循环平均幅度差函数(CircularAverageMagnitudeDifferenceFunction，CAMDF)，估计目标微动周期；建立空间锥体目标微动模型，利用已解算出的目标真实三维像，求解目标结构参数：(1)任选一维重构坐标曲线，求解其CAMDF，据此估计出目标的进动周期Tp与锥旋周期Tc，并求解目标自旋周期其中Np为一个进动周期内RΔ(tm)曲线的极大值点个数；(2)建立空间锥体目标进动模型，利用已解得的散射点各维坐标，结合锥体目标结构及进动特性，计算出进动角ε，目标半锥角γ、长度h与底面半径r；(3)在不同间隔、不同时刻抽取800组点数据分别进行参数估计，以其平均值作为最终的估计结果，以平滑回波信号处理与干涉三维成像过程中引入的误差。本专利技术的有益效果在于：针对已有单基以及双/多基雷达方法难以获取目标真实三维像与三维微动特征，系统实现复杂这一问题，提出一种宽带雷达空间锥体目标的干涉式三维成像与微动特征提取方法，实现了空间锥体目标的真实三维成像，获取的是能够反映散射点每个瞬时时刻真实三维散射分布信息的坐标值，即瞬时像，该瞬时像与目标的物理尺寸一致，可用于精确求解目标微动参数与结构参数。同时本专利技术专利算法运算简单，系统实现容易，鲁棒性好，相较已有方法能够提取更多的目标参数，有一定的应用优势。附图说明图1示出本专利技术的流程图；图2示出雷达与空间锥体目标几何关系示意图；图3示出目本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带雷达空间锥体目标干涉式三维成像与微动特征提取方法，其特征在于：包括下列步骤：第一步：建立数学模型，在此基础上分析空间锥体目标的微动特性，对回波信号进行解线频调(Dechirp)处理，利用L型三天线获取目标散射点对应于三个天线的距离‑慢时间像；第二步：将三天线对应的距离‑慢时间像中各散射点的相位分离出来，分别进行干涉，并根据目标与雷达的几何关系解算出散射点在X维与Z维的投影坐标x(tm)、z(tm)，再通过雷达测距获取散射点在Y维的坐标y(tm)，最终实现目标真实三维成像；第三步：利用获取的目标散射点各维坐标曲线，根据其循环平均幅度差函数，估计目标微动周期；建立空间锥体目标微动模型，利用已解算出的目标真实三维像，求解目标结构参数。

【技术特征摘要】
1.一种宽带雷达空间锥体目标干涉式三维成像与微动特征提取方法，其特征在于：包括下列步骤：第一步：建立数学模型，在此基础上分析空间锥体目标的微动特性，对回波信号进行解线频调(Dechirp)处理，利用L型三天线获取目标散射点对应于三个天线的距离-慢时间像；第二步：将三天线对应的距离-慢时间像中各散射点的相位分离出来，分别进行干涉，并根据目标与雷达的几何关系解算出散射点在X维与Z维的投影坐标x(tm)、z(tm)，再通过雷达测距获取散射点在Y维的坐标y(tm)，最终实现目标真实三维成像；第三步：利用获取的目标散射点各维坐标曲线，根据其循环平均幅度差函数，估计目标微动周期；建立空间锥体目标微动模型，利用已解算出的目标真实三维像，求解目标结构参数。2.根据权利要求1所述的一种宽带雷达空间锥体目标干涉式三维成像与微动特征提取方法，其中第一步具体为：(1)分析空间锥体目标的微动运动形式，建立宽带雷达空间锥体目标L型三天线干涉式三维成像的数学模型；(2)计算目标散射点到收发一体的天线A、接收天线B、C的距离Rref-A(tm)、Rref-B(tm)、Rref-C(tm)，并将其作为参考距离，分别对天线A、B、C接收的回波进行Dechirp处理，其中天线A位于雷达坐标系原点，接收天线B、C构成沿X轴和Z轴方向相互垂直的干涉基线，tm为慢时间；(3)去除Dechirp处理结果中的剩余视频相位(RVP)项和包络斜置项，利用关系式fk＝-2μRΔ(tm)/c将一维距离像Sd(fk,tm)转换为距离-慢时间像Sd(RΔ(tm),tm)，其中fk为峰值频率，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张群，胡健，罗迎，樊昌周，苏令华，孙玉雪，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61