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基于微動(dòng)參數(shù)估計(jì)的非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)三維成像

2016-09-20 08:20胡曉偉童寧寧何興宇王宇晨空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院陜西西安710051
關(guān)鍵詞:進(jìn)動(dòng)錐體旁瓣

胡曉偉,童寧寧,何興宇,江 東,王宇晨(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安710051)

基于微動(dòng)參數(shù)估計(jì)的非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)三維成像

胡曉偉,童寧寧,何興宇,江 東,王宇晨
(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西西安710051)

具有非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的進(jìn)動(dòng)目標(biāo)成像是目前空間目標(biāo)成像的一個(gè)難點(diǎn)。在構(gòu)建非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)回波模型的基礎(chǔ)上,分析了成像所需的4個(gè)微動(dòng)參數(shù)并給出了相應(yīng)的參數(shù)估計(jì)方法。在微動(dòng)參數(shù)已知的前提下,提出了一種基于三維復(fù)數(shù)逆投影變換的進(jìn)動(dòng)目標(biāo)三維成像的方法。首先利用微動(dòng)參數(shù)構(gòu)建相位補(bǔ)償因子,之后對(duì)時(shí)間距離像進(jìn)行三維搜索,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的三維成像。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性,同時(shí)仿真分析了微動(dòng)參數(shù)估計(jì)誤差對(duì)成像的影響。

非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo);微動(dòng)參數(shù)估計(jì);三維復(fù)數(shù)逆投影;三維成像

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0 引 言

空間進(jìn)動(dòng)目標(biāo)成像對(duì)于彈道目標(biāo)識(shí)別[1]、空間碎片監(jiān)測(cè)等都具有重要意義。然而由于進(jìn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)形式的復(fù)雜性,使得對(duì)進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的成像十分困難。目前,對(duì)于空間進(jìn)動(dòng)目標(biāo)成像的研究主要集中在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱目標(biāo)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱目標(biāo),其回波不受自旋運(yùn)動(dòng)調(diào)制,目標(biāo)上非理想散射中心[2-3]的運(yùn)動(dòng)可近似為正弦變化[4],因此可將目標(biāo)的進(jìn)動(dòng)等效為各個(gè)散射點(diǎn)的自旋,進(jìn)而利用自旋目標(biāo)成像方法進(jìn)行成像。文獻(xiàn)[5]針對(duì)高速自旋目標(biāo),提出了相干單距離多普勒干涉高分辨二維成像方法;文獻(xiàn)[6]基于窄帶雷達(dá)信號(hào),提出一種基于時(shí)頻分析和廣義Radon變換的空間進(jìn)動(dòng)錐體目_標(biāo)_的_二_維重構(gòu)算法;文獻(xiàn)[7]在分析彈道目標(biāo)進(jìn)動(dòng)效應(yīng)基礎(chǔ)上,利用時(shí)頻分析實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱目標(biāo)的成像;文獻(xiàn)[4]研究了一種錐形進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的微動(dòng)估計(jì)方法和高分辨三維成像方法。然而對(duì)于進(jìn)動(dòng)的非對(duì)稱目標(biāo),目標(biāo)上的尾翼等非對(duì)稱結(jié)構(gòu)作錐旋和自旋的復(fù)合運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜,以上針對(duì)自旋目標(biāo)的成像方法此時(shí)將不再適用。對(duì)于非對(duì)稱目標(biāo),文獻(xiàn)[8]利用復(fù)數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)J椒纸鈱?shí)現(xiàn)了目標(biāo)主體回波和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)回波的分離,并對(duì)分離后的主體回波進(jìn)行了成像。但這種方法不能實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的成像,且只能獲取目標(biāo)二維像,損失了目標(biāo)信息。文獻(xiàn)[9]通過提取目標(biāo)的微動(dòng)特征,實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱自旋目標(biāo)的三維成像,但該方法只適用于微動(dòng)形式為自旋的目標(biāo)。而對(duì)于非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的三維成像,目前還未見到相關(guān)研究成果。

進(jìn)動(dòng)目標(biāo)成像的復(fù)雜性源于其微動(dòng)形式的復(fù)雜性。目前多數(shù)基于逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthetic aperture radar,ISAR)成像方法的前提都是目標(biāo)作微轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)目標(biāo)微動(dòng)形式不滿足微轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),成像方法將不再適用。但如果能夠提前獲知目標(biāo)的微動(dòng)特性[10-11],便有望實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜微動(dòng)目標(biāo)的成像。目前關(guān)于目標(biāo)微動(dòng)特性的研究已取得了許多成果。文獻(xiàn)[12]研究了利用微多普勒分析提取彈道目標(biāo)微動(dòng)特征;文獻(xiàn)[13]提出了一種有翼彈頭進(jìn)動(dòng)特征提取方法;文獻(xiàn)[14]在分布式組網(wǎng)雷達(dá)下實(shí)現(xiàn)了進(jìn)動(dòng)目標(biāo)錐旋矢量、進(jìn)動(dòng)周期和自旋周期等進(jìn)動(dòng)特征的提取;文獻(xiàn)[15]提出了一種基于雷達(dá)高分辨距離像求解進(jìn)動(dòng)錐體目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)與幾何外形參數(shù)的方法。以上關(guān)于目標(biāo)微動(dòng)特征提取的研究為復(fù)雜微動(dòng)目標(biāo)的成像提供了可能。本文通過建立非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)模型,分析了反映目標(biāo)進(jìn)動(dòng)特性的微動(dòng)參數(shù),并給出了微動(dòng)參數(shù)的估計(jì)方法,在此基礎(chǔ)上利用三維逆投影變換的方法實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的三維成像。

1 非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)回波模型

理論和實(shí)驗(yàn)表明,目標(biāo)在高頻區(qū)的雷達(dá)回波可近似等效為多個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)回波的合成[2]。對(duì)如圖1所示的含尾翼錐體目標(biāo),其等效強(qiáng)散射中心包括錐頂散射點(diǎn)P0和4個(gè)對(duì)稱分布的尾翼散射點(diǎn)P1,P2,P3,P4。錐體在繞目標(biāo)對(duì)稱軸y軸作自旋的同時(shí),繞進(jìn)動(dòng)軸Y軸作錐旋運(yùn)動(dòng)。其中XYZ為參考坐標(biāo)系,xyz為目標(biāo)本地坐標(biāo)系,雷達(dá)視線方向(line of fight,L O S)為L(zhǎng) O S。

圖1 非對(duì)稱錐體進(jìn)動(dòng)模型

對(duì)于錐體上任一散射點(diǎn)P,設(shè)其在本地坐標(biāo)系中的初始位置為rP,則t時(shí)刻P在參考坐標(biāo)系中的位置可表示為

式中,Rin為錐體的初始旋轉(zhuǎn)矩陣;Rp(t)為t時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)矩陣。

對(duì)于進(jìn)動(dòng)目標(biāo),Rp(t)=RcRs,Rc和Rs分別為錐旋旋轉(zhuǎn)矩陣和自旋旋轉(zhuǎn)矩陣。由Rodrigues公式[3]

式中,ωc為錐旋角速度矢量;Ωc=‖ωc‖;ω′c=ωc/Ωc,^ω′c為ω′c的反對(duì)稱矩陣。

式中,ωs為自旋角速度矢量;Ωs=‖ωs‖;ω′s=ωs/Ωs,^ω′s為 ω′s的反對(duì)稱矩陣。

設(shè)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào),則目標(biāo)回波信號(hào)可表示為

式中,rect(·)為矩形包絡(luò);Tp為脈沖寬度;fc為載頻;γ為調(diào)頻率;^t為快時(shí)間;tm=t-^t(m=0,1,…,M-1)為慢時(shí)間為發(fā)射脈沖序號(hào)。ρ(x,y,z)和R(x,y,z;tm)分別為目標(biāo)上(x,y,z)處散射點(diǎn)的散射強(qiáng)度和在tm時(shí)刻的徑向距離。

對(duì)回波進(jìn)行解線頻調(diào)處理后可得目標(biāo)的慢時(shí)間距離像信號(hào)為

式中,RΔ(x,y,z;tm)=R(x,y,z;tm)-Rr,Rr為參考信號(hào)的參考距離。

2 非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)三維成像

2.1 進(jìn)動(dòng)目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)

為實(shí)現(xiàn)進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的成像,需要首先分析并提取進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的微動(dòng)參數(shù)。在式(1)~式(3)中,除與散射點(diǎn)初始位置相關(guān)的參數(shù)外,還包括4個(gè)未知量,分別為:錐旋角速度Ωc、錐旋單位矢量、自旋角速度Ωs和自旋單位矢量。以上4個(gè)參數(shù)決定了進(jìn)動(dòng)目標(biāo)的微動(dòng)特性。在4個(gè)參數(shù)中,Ωc可利用相關(guān)法或Hough變換[16]等方法進(jìn)行準(zhǔn)確獲?。粚?duì)于和Ωs,文獻(xiàn)[14]研究了目標(biāo)三維錐旋矢量的重構(gòu),并提取了目標(biāo)的自旋周期。以上參數(shù)中,無(wú)法獲取的只剩自旋單位矢量。因?yàn)殄F體對(duì)稱軸即為目標(biāo)自旋軸,所以自旋軸單位矢量即為錐體對(duì)稱軸初始時(shí)刻的單位矢量。下面本文給出一種的估計(jì)方法。

由于錐頂散射點(diǎn)P0位于錐體自旋軸上,因此P0不受自旋的影響,在式(1)中,Rp(t)=Rc。設(shè)雷達(dá)視線方向單位矢量為nl,則錐頂散射點(diǎn)在雷達(dá)視線方向的距離變化可表示為

式中,r0=RinrP為錐頂散射點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的初始位置矢量。式(6)可進(jìn)一步表示為

由式(7)可知,錐頂散射點(diǎn)的距離變化為正弦形式。在慢時(shí)間距離像中,利用H ough變換可以將錐頂散射點(diǎn)與尾翼散射點(diǎn)分離,并可提取正弦曲線的均值m、幅度μ和初相φ。

因?yàn)殄F頂散射點(diǎn)位于錐軸上,因此r0的單位矢量即為自旋單位矢量=r0/‖r0‖。

2.2 三維成像

在獲得微動(dòng)參數(shù)Ωc,ω′c,Ωs和ω′s的基礎(chǔ)上,本文提出一種基于三維逆投影變換的進(jìn)動(dòng)目標(biāo)三維成像方法。

對(duì)于進(jìn)動(dòng)目標(biāo),式(5)中RΔ(x,y,z;tm)=(RcRsr)Tnl,其中r=[x,y,z]T為散射點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的位置。利用Ωc,,Ωs,構(gòu)造相位補(bǔ)償因子

式中,r′=[x′,y′,z′]T為三維搜索參量。利用(x′,y′,z′;tm)對(duì)S(r,tm)作三維復(fù)數(shù)逆投影變換,即可得目標(biāo)三維圖像

對(duì)于目標(biāo)上任一個(gè)散射點(diǎn)ri=[xi,yi,zi]T,當(dāng)r′=ri時(shí),在時(shí)間距離像上沿曲線ri(tm)=(RcRsri)Tnl進(jìn)行相干疊加,則在三維空間I中,點(diǎn)(x′,y′,z′)=(xi,yi,zi)處將積累出峰值;而當(dāng)r′≠ri時(shí),時(shí)間距離像沿曲線r′(tm)= (RcRsr′)Tnl進(jìn)行非相干疊加,在點(diǎn)(x′,y′,z′)處將不會(huì)出現(xiàn)峰值。設(shè)定合適的空間搜索范圍,當(dāng)遍歷搜索空間中的任一位置,即可通過空間局部峰值檢測(cè)的方法,重構(gòu)出目標(biāo)上強(qiáng)散射點(diǎn)的三維空間分布。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 方法有效性仿真

為驗(yàn)證本文方法的有效性,進(jìn)行以下仿真實(shí)驗(yàn)。仿真對(duì)象為圖1所示的含尾翼進(jìn)動(dòng)錐體,長(zhǎng)度3 m,底面半徑1 m,錐旋頻率1 Hz,自旋頻率1 Hz,進(jìn)動(dòng)軸方向單位矢量[0-1 0],進(jìn)動(dòng)角20°。雷達(dá)發(fā)射載頻為10 G Hz的線性調(diào)頻信號(hào),脈寬1μs,帶寬2 G Hz,脈沖重復(fù)頻率1 000 Hz,連續(xù)對(duì)目標(biāo)觀測(cè)1 s。目標(biāo)回波產(chǎn)生采用動(dòng)態(tài)電磁仿真的方法。首先對(duì)于錐頂散射點(diǎn),考慮散射的各向異性,采用高頻電磁計(jì)算的方法獲得其雷達(dá)散射截面(radar cross section,RCS)[4];對(duì)于尾翼散射點(diǎn),考慮遮擋效應(yīng),回波需要乘上遮擋因子

式中,r0×(r0×nl)為錐體軸線與雷達(dá)視線所成平面上垂直于錐體軸線的方向矢量;ri(tm)為第i個(gè)散射點(diǎn)tm時(shí)刻的位置矢量。之后結(jié)合第2節(jié)的目標(biāo)進(jìn)動(dòng)模型,對(duì)靜態(tài)RCS進(jìn)行抽取,即可得到目標(biāo)的動(dòng)態(tài)電磁仿真回波。

圖2給出了目標(biāo)回波經(jīng)dechirp處理后的慢時(shí)間距離像。從圖中看到,錐頂散射點(diǎn)強(qiáng)度隨慢時(shí)間作緩慢變化,反映了其RCS由視角變化引起的各向異性;各尾翼散射點(diǎn)由于主體遮擋,僅在半個(gè)周期內(nèi)存在回波。

圖2 目標(biāo)回波慢時(shí)間距離像

圖3 z′=0時(shí)x′y′平面搜索結(jié)果

圖4仿真了對(duì)空間搜索結(jié)果的三維切面圖。該圖反映了目標(biāo)強(qiáng)散射點(diǎn)在空間的三維分布情況,通過對(duì)空間中強(qiáng)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)即可重構(gòu)目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)。

圖4 空間搜索結(jié)果三維切面圖

為了避免圖像中存在的旁瓣對(duì)強(qiáng)點(diǎn)檢測(cè)造成干擾,需要設(shè)定合適的檢測(cè)門限對(duì)旁瓣進(jìn)行抑制。高的檢測(cè)門限可有效抑制旁瓣干擾,但也可能影響對(duì)弱散射點(diǎn)的檢測(cè);而低的檢測(cè)門限在提高弱散射點(diǎn)檢測(cè)能力的同時(shí),會(huì)增加噪聲和旁瓣被檢出的概率。因此需要綜合考慮三維空間中噪聲、旁瓣和散射點(diǎn)的相對(duì)幅度,從而選擇合適的檢測(cè)門限。圖5仿真了檢測(cè)門限為空間最強(qiáng)點(diǎn)幅度1/2時(shí),z′=0平面的旁瓣抑制結(jié)果。從圖中可以看到經(jīng)檢測(cè)門限后,較低的旁瓣得到很好地抑制,圖像中只剩下幅度較高的峰值。

圖5 z′=0平面的旁瓣抑制結(jié)果

對(duì)經(jīng)過門限檢測(cè)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行局部極大值搜索,在三維空間中檢測(cè)到5個(gè)局部極值,對(duì)應(yīng)了目標(biāo)在空間上的5個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn),據(jù)此可重構(gòu)目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu),如圖6所示。從圖中看到,重構(gòu)結(jié)果與仿真目標(biāo)的外形結(jié)構(gòu)一致,說明本文方法是有效的。

圖6 目標(biāo)三維重構(gòu)結(jié)果

3.2 微動(dòng)參數(shù)估計(jì)誤差仿真

由于微動(dòng)參數(shù)的估計(jì)可能不夠精確,會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)成像質(zhì)量下降,因此需要對(duì)微動(dòng)參數(shù)估計(jì)誤差對(duì)成像的影響進(jìn)行分析。復(fù)數(shù)逆投影變換的核心是通過對(duì)回波進(jìn)行相位補(bǔ)償,使得同一散射點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間距離曲線上的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行同相疊加。因此這里從參數(shù)估計(jì)誤差對(duì)相位的影響入手進(jìn)行分析。定義相位誤差

從圖7看出,相位誤差隨觀測(cè)時(shí)間的增加而逐漸增大,因此,為減小微動(dòng)參數(shù)估計(jì)誤差對(duì)成像的影響應(yīng)盡量縮短對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)時(shí)間;同時(shí),仿真結(jié)果還反映出相位誤差受錐旋角速度和自旋角速度誤差的影響相對(duì)更大,通過減小錐旋角速度和自旋角速度的估計(jì)誤差也可有效提高成像質(zhì)量。

4 結(jié) 論

非對(duì)稱進(jìn)動(dòng)目標(biāo)復(fù)雜的微動(dòng)形式增加了其成像的難度。本文在估計(jì)目標(biāo)微動(dòng)參數(shù)的基礎(chǔ)上,反演出目標(biāo)的微動(dòng)特性,進(jìn)而利用逆投影變換的方法對(duì)目標(biāo)三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在微動(dòng)參數(shù)估計(jì)較為精確時(shí),該方法可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的三維成像。

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Three-dimensionalimaging of precession targets with unsym metrical appendixes based on micro-motion parameters estimation

H U Xiao-wei,T O N G Ning-ning,H e Xing-yu,Jiang Dong,WANG Yu-chen
(Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)

Imaging of precession targets with unsym metrical appendixesis a key challenge for spatialtargets imaging at present.The echo model of precession targets with unsym metrical appendixes is established.Based on that,4 micro-Doppler parameters needed forimaging are analyzed,and the corresponding parameters estimating method is given.With the parameters,a 3-D imaging method for precession targetsis proposed based on 3-D complex-valued back projection.Firstly,the phase compensation factor is structured with the parameters. Then a 3-D search is done in time-range profile,and the targets 3-D image is got afterwards.Finally,simulations verify the effectiveness of the proposed method,and analyze theinfluence of parameters estimating error to the imaging result.

precession targets with unsym metrical appendixes;micro-Doppler parameters estimation;3-D complex-valued back projection;3-D imaging

T N 957.51

A

10.3969/j.issn.1001-506 X.2016.03.04

1001-506 X(2016)03-0501-05

2014-12-29;

2015-08-22;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2015-09-18。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150918.1532.004.html

國(guó)家自然科學(xué)基金(61372166);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014J M 8308)資助課題

胡曉偉(1987-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)成像與識(shí)別。

E-mail:601237134@qq.com

童寧寧(1963-),女,教授,博士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)陣列信號(hào)處理。

E-mail:18092629021@189.com

何興宇(1989-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)成像。

E-mail:hxy_19890708@163.com

江 東(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)成像。

E-mail:283945288@qq.com

王宇晨(1988-),女,碩士,主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理。

E-mail:13289322268@163.com

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