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一種基于多徑信號(hào)的超寬帶雷達(dá)成像方法

專利號(hào)
CN103135109B
公開日期
2014-10-22
申請(qǐng)人
中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)(湖南省長(zhǎng)沙市開福區(qū)德雅路109號(hào))
發(fā)明人
金添; 周智敏; 盧哲俊; 陸必應(yīng); 陳波
IPC分類
G01S13/90
技術(shù)領(lǐng)域
天線,多徑,成像,發(fā)射,虛擬,反射,雷達(dá),收發(fā),補(bǔ)償,結(jié)果
地域: 湖南省 湖南省長(zhǎng)沙市

摘要

本發(fā)明提出一種基于多徑信號(hào)的超寬帶雷達(dá)成像方法。技術(shù)方案是:首先,在已知反射體位置的情況下,根據(jù)信號(hào)傳播的路徑設(shè)置鏡像虛擬發(fā)射天線和鏡像虛擬接收天線;然后,根據(jù)成像幾何對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行相位和幅度補(bǔ)償,并以任意一對(duì)發(fā)射天線和接收天線進(jìn)行成像;最后,將各收發(fā)天線對(duì)的成像結(jié)果進(jìn)行相干疊加,獲得最終的圖像。本發(fā)明在成像過程中利用來(lái)自不同方向的多徑信號(hào)增長(zhǎng)雷達(dá)接收天線孔徑,達(dá)到了提高目標(biāo)成像分辨率的目的。

說(shuō)明書

1 2
[0033] 本發(fā)明提出的基于多徑信號(hào)的超寬帶成像方法分為四步,如圖1所示。下面結(jié)合一個(gè)實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步解釋。 [0034] 成像場(chǎng)景如圖2所示,反射體是墻體。實(shí)際收發(fā)天線是單發(fā)多收模式,接收天線是長(zhǎng)2米的接收陣列,視為一個(gè)整體,用空心圓表示;一個(gè)發(fā)射天線位于接收陣列中間,用實(shí)心圓表示。發(fā)射信號(hào)使用高斯微分脈沖,脈沖寬度為1.2ns。墻體位于接收陣列左端。以墻體和接收陣列所在直線為直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸(長(zhǎng)度單位為米),墻體位于y軸上,接收陣列位于x軸上,從x=0到x=2;發(fā)射天線位于(1,0)。場(chǎng)景中間有一個(gè)目標(biāo),位于(0.7, 1)。 [0035] 按下面步驟實(shí)施: [0036] 第一步,根據(jù)信號(hào)的傳播路徑,確定虛擬發(fā)射天線和虛擬接收天線位置。本發(fā)明只考慮與墻體發(fā)生不大于兩次反射情況,因此共產(chǎn)生三種多徑信號(hào),加上直達(dá)信號(hào),共確定四種不同的收發(fā)天線對(duì),如圖3(a)、(b)、(c)和(d)所示。(a)為對(duì)多徑信號(hào)1進(jìn)行成像的虛擬發(fā)射天線和實(shí)際接收天線,其中虛擬發(fā)射天線位于(-1,0);(b)為對(duì)多徑信號(hào)2進(jìn)行成像的實(shí)際發(fā)射天線和虛擬接收天線,其中虛擬接收陣列從x=-2到x=0;(c)為對(duì)多徑信號(hào) 3進(jìn)行成像的虛擬發(fā)射天線和虛擬接收天線,其中虛擬接收陣列從x=-2到x=0,虛擬發(fā)射天線位于(-1,0);(d)為對(duì)直達(dá)信號(hào)進(jìn)行成像的實(shí)際發(fā)射天線和實(shí)際接收天線。 [0037] 第二步,對(duì)多徑信號(hào)進(jìn)行相位和幅度補(bǔ)償。 [0038] 設(shè)對(duì)三種多徑信號(hào)進(jìn)行成像的收發(fā)天線對(duì)中接收天線位于(umn,0),n=1,2,3,[0039] 發(fā)射天線位于(xn,0),其中n的不同取值表示不同的多徑信號(hào),m表示接收天線陣列中的第m個(gè)接收天線,根據(jù)信號(hào)傳播路徑,可由下式計(jì)算出經(jīng)過場(chǎng)景(x,y)處的多徑信號(hào)入射到墻體的角度: [0040] [0041] 然后由前面所述的(1)式計(jì)算出折射角度,再由(2)式計(jì)算出折射電場(chǎng)和入射電場(chǎng)復(fù)振幅之比r(x,y)。在本實(shí)例中,第一介質(zhì)是空氣,第二介質(zhì)是墻體。 [0042] 如使用的是脈沖信號(hào),則需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換之后與 相乘再取實(shí)部;如使用的是線性調(diào)頻或步進(jìn)頻等復(fù)信號(hào),則直接與 相乘。與墻體發(fā)生兩次反射需要進(jìn)行兩次補(bǔ)償。補(bǔ)償后的多徑信號(hào)smn(t)為: [0043] smn(t) [0044] [0045] 其中HT[]是希爾伯特變換算子,Re{}是取信號(hào)實(shí)部。 [0046] 第三步,各收發(fā)天線對(duì)成像。 [0047] 通過(6)式得到補(bǔ)償后的多徑信號(hào)后,再使用前面所述的(4)式,通過圖3中各收發(fā)天線對(duì)利用多徑信號(hào)和直達(dá)信號(hào)進(jìn)行成像,獲得三種多徑信號(hào)的成像結(jié)果f1、f1、f3和直達(dá)信號(hào)的成像結(jié)果f,其中s(t)是未補(bǔ)償?shù)闹边_(dá)信號(hào): [0048] [0049] 分別如圖4(a)、(b)、(c)和(d)所示,其中橫坐標(biāo)為方位向,縱坐標(biāo)為距離向,單位為米。圖4(a)為圖3(a)中收發(fā)天線之間的成像結(jié)果,圖4(b)為圖3(b)中收發(fā)天線之間的成像結(jié)果,圖4(c)為圖3(c)中收發(fā)天線之間的成像結(jié)果,圖4(d)為圖3(d)中收發(fā)天線之間的成像結(jié)果。 [0050] 第四步,各成像結(jié)果相干疊加。 [0051] 將第三步中的各成像結(jié)果相干疊加,得到最后的合成圖像F: [0052] F=f1+f2+f3+f (8) [0053] F的方位向分辨率表現(xiàn)明顯提高,由原來(lái)的0.10米提高到0.06米,如圖5所示。 [0054] 以上所述僅是本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式,本發(fā)明中針對(duì)的單發(fā)多收天線配置還可以擴(kuò)展為多發(fā)多收以及單站/雙站超寬帶雷達(dá)等模式,使用的成像算法也可擴(kuò)展到其他成像算法。應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

權(quán)利要求

1.一種基于多徑信號(hào)的超寬帶雷達(dá)成像方法,其特征在于,包括下述步驟:
第一步,確定虛擬天線位置:
根據(jù)成像場(chǎng)景中實(shí)際發(fā)射天線、實(shí)際接收天線和反射體位置,根據(jù)信號(hào)傳播路徑,在相應(yīng)位置設(shè)置鏡像虛擬發(fā)射天線和鏡像虛擬接收天線;
第二步,多徑信號(hào)相位和幅度補(bǔ)償:
根據(jù)信號(hào)傳播路徑,由第一介質(zhì)入射到第二介質(zhì)時(shí),入射角為θi,折射角θt由Snell定律計(jì)算:
其中ε1是第一介質(zhì)的介電常數(shù),ε2是第二介質(zhì)的介電常數(shù);再由Fresnel公式計(jì)算出反射電場(chǎng)Er和入射電場(chǎng)Ei復(fù)振幅之比:
r⊥為垂直極化時(shí)反射電場(chǎng)Er和入射電場(chǎng)Ei復(fù)振幅之比;r//為水平極化時(shí)反射電場(chǎng)Er和入射電場(chǎng)Ei復(fù)振幅之比,其中η1為第一介質(zhì)波阻抗;η2為第二介質(zhì)波阻抗;
利用電場(chǎng)復(fù)振幅之比對(duì)被反射體反射的信號(hào)進(jìn)行相位和幅度補(bǔ)償,即得到補(bǔ)償后的多徑信號(hào)為;
其中HT[]是希爾伯特變換算子,Re{}是取信號(hào)實(shí)部;r(x,y)為折射電場(chǎng)和入射電場(chǎng)復(fù)振幅之比,當(dāng)垂直極化時(shí)為r⊥,當(dāng)水平極化時(shí)為r//;對(duì)三種多徑信號(hào)進(jìn)行成像的收發(fā)天線對(duì)中接收天線位于(umn,0),發(fā)射天線位于(xn,0),其中n的不同取值表示不同的多徑信號(hào),m表示接收天線陣列中的第m個(gè)接收天線;g(x,y)是場(chǎng)景(x,y)處的散射函數(shù);
第三步,各收發(fā)天線對(duì)成像:
計(jì)算任意一對(duì)發(fā)射天線和接收天線之間的多徑信號(hào)和直達(dá)信號(hào)的成像結(jié)果:
其中f1(x,y)、f2(x,y)、f3(x,y)是多徑信號(hào)的成像結(jié)果,f(x,y)直達(dá)信號(hào)的成像結(jié)果,δ(·)是沖擊函數(shù),s(t)是未補(bǔ)償?shù)闹边_(dá)信號(hào);
第四步,成像結(jié)果相干疊加:
將第三步中所得到的各成像結(jié)果進(jìn)行疊加,獲得高分辨率成像效果。
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