本發(fā)明屬于雷達(dá)目標(biāo)散射特性研究領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

通過(guò)雷達(dá)目標(biāo)電磁散射回波分析反演目標(biāo)幾何特征并進(jìn)行幾何重構(gòu)是雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別領(lǐng)域研究的重要方向，隨著空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)、隱身和反隱身技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)研究對(duì)雷達(dá)目標(biāo)幾何重構(gòu)精度提出了更高的要求。其中，對(duì)于目標(biāo)曲面重構(gòu)研究可廣泛應(yīng)用于流線(xiàn)型目標(biāo)的分類(lèi)識(shí)別領(lǐng)域，是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)；另一方面，由于曲面電磁散射特征的復(fù)雜性，此項(xiàng)研究也存在較大的技術(shù)難度。在研究手段上，相比于單基地雷達(dá)，雙基地雷達(dá)由于收發(fā)分置的原因，能夠獲取被觀測(cè)目標(biāo)在不同接收方向上的多維散射特征，因此在散射特征分析以及幾何特征反演方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有的雷達(dá)目標(biāo)幾何重構(gòu)方法多針對(duì)單基地的雷達(dá)散射回波和圖像進(jìn)行研究，在雙基地模式下相關(guān)方法的研究尚處于空白狀態(tài)。在重構(gòu)方法上，則多通過(guò)提取雷達(dá)目標(biāo)一維距離像(hrrp)或二維sar/isar像的圖像特征對(duì)目標(biāo)幾何特征進(jìn)行提取，這些方法的問(wèn)題在于對(duì)圖像特征與目標(biāo)物理屬性特征聯(lián)系不足，導(dǎo)致所提取的圖像特征往往與目標(biāo)真實(shí)幾何特征存在差異；此外上述圖像的成像質(zhì)量依賴(lài)于發(fā)射波帶寬，在現(xiàn)有技術(shù)條件下很難做到高精度目標(biāo)特征還原，該問(wèn)題在流線(xiàn)型目標(biāo)曲面結(jié)構(gòu)幾何重構(gòu)時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法，填補(bǔ)雙基地雷達(dá)目標(biāo)曲面重構(gòu)方法的空白，并為雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用研究提供一種與目標(biāo)電磁散射特性新緊密相關(guān)，且容易實(shí)現(xiàn)的高精度曲面重構(gòu)方法。

本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：獲取單頻點(diǎn)下某個(gè)方位角對(duì)應(yīng)的一組雙基地角平分線(xiàn)方向觀察角度θb下雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像；其中，方位角和觀察角分別為雙基地角平分線(xiàn)矢量在目標(biāo)本地坐標(biāo)系下歐拉角中的方位角和俯仰角；

步驟二：在步驟一中的雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像中確定該方位角所對(duì)應(yīng)滑動(dòng)散射中心的時(shí)頻特征；

步驟三：采用時(shí)頻曲線(xiàn)提取方法從步驟二中的滑動(dòng)散射中心的時(shí)頻特征中提取該方位角對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)散射中心時(shí)頻曲線(xiàn)；

步驟四：根據(jù)預(yù)設(shè)的待估參數(shù)得到表述滑動(dòng)散射中心位置變化曲線(xiàn)的高次曲線(xiàn)；

步驟五：根據(jù)步驟四中的高次曲線(xiàn)得到滑動(dòng)散射中心位置矢量，根據(jù)滑動(dòng)散射中心位置矢量和步驟一中的雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像得到滑動(dòng)散射中心時(shí)頻特征待估曲線(xiàn)；

步驟六：采用優(yōu)化算法擬合步驟三中的滑動(dòng)散射中心時(shí)頻曲線(xiàn)和步驟五中的滑動(dòng)散射中心時(shí)頻特征待估曲線(xiàn)，得到步驟四中待估參數(shù)的值，進(jìn)而重構(gòu)該方位角所對(duì)應(yīng)一條二維曲線(xiàn)。

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，還包括：步驟七：選取多個(gè)不同的方位角，重復(fù)步驟一至步驟六，重構(gòu)多組二維曲線(xiàn)以還原曲面三維輪廓。

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，在步驟一中，雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像的獲取包括：對(duì)某個(gè)方位角的目標(biāo)雙基地雷達(dá)散射回波進(jìn)行距離補(bǔ)償、平動(dòng)補(bǔ)償后獲得等效轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)雙基地散射信號(hào)；提取等效轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)雙基地散射信號(hào)中的雙基地角平分線(xiàn)方向的觀察角度隨時(shí)間連續(xù)變化且在單頻點(diǎn)下的回波數(shù)據(jù)，對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)時(shí)頻變換獲取該方位角對(duì)應(yīng)的雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像。

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，等效轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)雙基地散射信號(hào)的公式如下：

其中，f為入射波頻率，k為入射波波數(shù)，θb為雙基地角平分線(xiàn)方向的觀察角度，n為目標(biāo)雙基地散射中心個(gè)數(shù)，ai為第i個(gè)散射中心的幅度，li、θbi、分別為第i個(gè)散射中心的長(zhǎng)度、初始指向角和位置矢量，為雙基地角平分線(xiàn)的單位矢量，β為雷達(dá)雙基地角。

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，在雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像中，時(shí)頻圖像橫軸為θb，縱軸為fd,fd的表達(dá)式為：

其中，c為光速。

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，在步驟二中，在步驟一中的雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像中確定該方位角所對(duì)應(yīng)滑動(dòng)散射中心的時(shí)頻特征包括：在步驟一中的雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像中排除局部型散射中心時(shí)頻特征和分布型散射中心時(shí)頻特征得到滑動(dòng)散射中心的時(shí)頻特征。

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，在步驟三中，時(shí)頻曲線(xiàn)提取方法包括圖像邊緣特征提取方法或峰值提取方法。

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，在步驟三中，滑動(dòng)散射中心時(shí)頻曲線(xiàn)fd(θb)的公式為：

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，在步驟四中，所述高次曲線(xiàn)的公式為：其中，pk為待估參數(shù)，n為待估參數(shù)的次數(shù)。

上述基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法中，在步驟六中，所述優(yōu)化算法為遺傳算法。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明通過(guò)雙基地雷達(dá)散射特性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行幾何重構(gòu)的方法研究是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外尚未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道；而從應(yīng)用的角度，該方法又是雙多基地雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別領(lǐng)域所亟需探索和發(fā)展的重要方向；

(2)本發(fā)明通過(guò)散射中心時(shí)頻特征進(jìn)行目標(biāo)曲面結(jié)構(gòu)的幾何重構(gòu)，重構(gòu)精度不受制于雷達(dá)帶寬，在合理選取時(shí)頻變換方法的前提下能夠獲得較高的曲面重構(gòu)精度；

(3)目標(biāo)陰影區(qū)內(nèi)的表面繞射波能夠形成特征明顯的雙基地滑動(dòng)散射中心，因此在該類(lèi)散射中心可見(jiàn)的條件下，通過(guò)本發(fā)明將能夠精確重構(gòu)陰影區(qū)內(nèi)的曲面幾何結(jié)構(gòu)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明的建立的雙基地雷達(dá)觀測(cè)模型；

圖3(a)是本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)所采用的轉(zhuǎn)臺(tái)飛機(jī)目標(biāo)模型；

圖3(b)是本發(fā)明獲取的雙基地時(shí)頻圖像及滑動(dòng)散射中心時(shí)頻特征的示意圖；

圖4(a)是本發(fā)明的重構(gòu)的曲面輪廓曲線(xiàn)與真實(shí)曲線(xiàn)對(duì)比圖；

圖4(b)是本發(fā)明的重構(gòu)的曲面三維曲面輪廓與目標(biāo)曲面對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明的基于雙基地散射中心時(shí)頻特征的目標(biāo)曲面重構(gòu)方法的流程圖。如圖1所示，該方法包括以下步驟：

步驟一：獲取單頻點(diǎn)下某個(gè)方位角對(duì)應(yīng)的一組雙基地角平分線(xiàn)方向觀察角度下的雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像；方位角和觀察角分別為雙基地角平分線(xiàn)矢量在目標(biāo)本地坐標(biāo)系下歐拉角中的方位角和俯仰角。

步驟二：在步驟一中的雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像中確定該方位角所對(duì)應(yīng)滑動(dòng)散射中心的時(shí)頻特征；

步驟三：采用時(shí)頻曲線(xiàn)提取方法從步驟二中的滑動(dòng)散射中心的時(shí)頻特征中提取該方位角對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)散射中心時(shí)頻曲線(xiàn)；

步驟四：根據(jù)預(yù)設(shè)的待估參數(shù)得到表述滑動(dòng)散射中心位置變化曲線(xiàn)的高次曲線(xiàn)；

步驟五：根據(jù)步驟四中的高次曲線(xiàn)得到滑動(dòng)散射中心位置矢量，根據(jù)滑動(dòng)散射中心位置矢量和步驟一中的雙基地雷達(dá)目標(biāo)時(shí)頻圖像得到滑動(dòng)散射中心時(shí)頻特征待估曲線(xiàn)；

步驟六：采用優(yōu)化算法擬合步驟三中的滑動(dòng)散射中心時(shí)頻曲線(xiàn)和步驟五中的滑動(dòng)散射中心時(shí)頻特征待估曲線(xiàn)，得到步驟四中待估參數(shù)的值，進(jìn)而重構(gòu)該方位角所對(duì)應(yīng)一條二維曲線(xiàn)。

上述實(shí)施例中，進(jìn)一步包括：步驟七：選取多個(gè)不同的方位角，重復(fù)步驟一至步驟六，重構(gòu)多組二維曲線(xiàn)以還原曲面三維輪廓。

在步驟一中，建立如圖2所示的雙基地雷達(dá)觀測(cè)模型，雙基地雷達(dá)入射站和接收站分別位于圖中tr和re處，和分別為相應(yīng)入射方向和接收方向的單位矢量，為雙基地角平分線(xiàn)方向的單位矢量，β為雙基地角。以一流線(xiàn)型錐體代表所研究的目標(biāo)曲面結(jié)構(gòu)，曲面上第i個(gè)散射中心所對(duì)應(yīng)的位置矢量記為

對(duì)目標(biāo)雙基地雷達(dá)散射回波進(jìn)行距離補(bǔ)償、平動(dòng)補(bǔ)償后，可獲得等效轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)雙基地散射信號(hào)，該信號(hào)表達(dá)式如下：

上式中，f為入射波頻率，k為入射波波數(shù)，θb為雙基地角平分線(xiàn)方向的觀察角度，n為目標(biāo)雙基地散射中心個(gè)數(shù)；ai為第i個(gè)散射中心的幅度，為θb的函數(shù)；li、θbi、分別為第i個(gè)散射中心的長(zhǎng)度，初始指向角和位置矢量，對(duì)于滑動(dòng)散射中心而言li＝0；為θb的函數(shù)，同時(shí)也是特定θb下目標(biāo)曲面上一點(diǎn)的位置矢量；為雙基地角平分線(xiàn)矢量，β為雷達(dá)雙基地角，兩者均須通過(guò)雷達(dá)與目標(biāo)之間的幾何關(guān)系提前獲取。進(jìn)一步說(shuō)明的是，方位角和觀察角θb分別為雙基地角平分線(xiàn)矢量在目標(biāo)本地坐標(biāo)系下歐拉角中的方位角和俯仰角。

提取θb隨時(shí)間t連續(xù)變化且在單頻點(diǎn)f0下的回波數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)時(shí)頻變換。為有效抑制時(shí)頻圖交叉項(xiàng)干擾并得到具有較好集中性的時(shí)頻曲線(xiàn)，具體變換方法可采用修正平滑偽wvd變換(rspwvd)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換到方位角度-多普勒頻率域。所得時(shí)頻圖橫軸為θb，縱軸為fd。fd的表達(dá)式為：

上式中，c為光速，由于θb隨時(shí)間t連續(xù)變化，故fd(θb)變化曲線(xiàn)即為第i個(gè)散射中心的時(shí)頻曲線(xiàn)。

在步驟二中，按照最新的散射中心分類(lèi)方法，目標(biāo)雙基地散射中心可分為局部型、分布型和滑動(dòng)型散射中心三類(lèi)。局部型散射中心在目標(biāo)上的位置固定，故多普勒頻率fd表現(xiàn)為正弦曲線(xiàn)形式，正弦曲線(xiàn)變換到極坐標(biāo)系為圓弧，故通過(guò)將時(shí)頻圖進(jìn)行坐標(biāo)變換至極坐標(biāo)系，易于通過(guò)hough變換進(jìn)行提取并判定。分布型散射中心僅出現(xiàn)在θb＝θbi的時(shí)刻，且li≠0，故時(shí)頻曲線(xiàn)表現(xiàn)為豎直的亮線(xiàn)。因此，在時(shí)頻圖中通過(guò)排除上述兩種散射中心時(shí)頻特征，可以最終確定滑動(dòng)散射中心的時(shí)頻特征。

在步驟三中，在確定滑動(dòng)散射中心時(shí)頻特征所在區(qū)域后，具體的時(shí)頻曲線(xiàn)提取方法可采用圖像邊緣特征提取方法提取時(shí)頻圖邊緣特征，后從上述區(qū)域內(nèi)分離出相應(yīng)散射中心的時(shí)頻曲線(xiàn)fd(θb)；或采用峰值提取方法直接在該區(qū)域范圍內(nèi)提取該時(shí)頻曲線(xiàn)fd(θb)。其中，

在步驟四中，此處可結(jié)合流線(xiàn)型目標(biāo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，直接采用二次曲線(xiàn)參數(shù)方程描述滑動(dòng)散射中心位置變化曲線(xiàn)，曲線(xiàn)的幾何參數(shù)為待估參數(shù)；也可采用高次曲線(xiàn)參數(shù)方程來(lái)描述，此時(shí)曲線(xiàn)的幾何參數(shù)以及方程次數(shù)均作為待估參數(shù)處理。進(jìn)一步的，高次曲線(xiàn)的公式為：其中，pk為待估參數(shù)，n為待估參數(shù)的次數(shù)。

在步驟五中，由于滑動(dòng)散射中心位于目標(biāo)表面且位置變化曲線(xiàn)構(gòu)成s'i(θb)，故通過(guò)步驟四中所得曲線(xiàn)可推知滑動(dòng)散射中心隨時(shí)間變化的位置，進(jìn)而獲得其位置矢量將其代入公式得到滑動(dòng)散射中心時(shí)頻特征待估曲線(xiàn)f′d(θb)。需要說(shuō)明的是，通過(guò)曲線(xiàn)可推知滑動(dòng)散射中心隨時(shí)間變化的位置，進(jìn)而獲得其位置矢量為比較成熟的技術(shù)，本實(shí)施例中不再詳細(xì)贅述。

在步驟六中，采用優(yōu)化算法擬合步驟三與步驟四所得到的兩條時(shí)頻曲線(xiàn)fd(θb)和f′d(θb)。通過(guò)優(yōu)化的過(guò)程估計(jì)高次曲線(xiàn)中的各未知參數(shù)，進(jìn)而重構(gòu)在曲面上該方位角對(duì)應(yīng)的此組觀察角度下所對(duì)應(yīng)一條輪廓曲線(xiàn)。

為保證本發(fā)明中的參數(shù)估計(jì)精度，可設(shè)定曲線(xiàn)間相關(guān)系數(shù)和均方根誤差作為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法多次迭代進(jìn)行曲線(xiàn)擬合和參數(shù)估計(jì)。

在步驟七中，驟一至步驟六重構(gòu)了一組連續(xù)的觀察角θb所對(duì)應(yīng)的構(gòu)成曲面的輪廓曲線(xiàn)，而在不同的方位角下連續(xù)變化的θb所對(duì)應(yīng)的輪廓曲線(xiàn)位置也不相同。故通過(guò)不同組連續(xù)觀察角度下的散射數(shù)據(jù)重復(fù)應(yīng)用上述步驟，可最終得到曲面結(jié)構(gòu)的三維輪廓特征。

本發(fā)明的有效性和精確度可通過(guò)如下仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：入射波頻率為2ghz，雷達(dá)雙基地角固定為90°；所仿真的轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)為民用飛機(jī)簡(jiǎn)化模型，如圖3a所示；由于本發(fā)明主要關(guān)注飛機(jī)目標(biāo)頭部曲面散射特性，故雙基地角平分線(xiàn)方向即雷達(dá)觀察角θb由0°至85°均勻變化；為充分獲取目標(biāo)雙基地下的散射特性信息，方位角分別取0°，±15°，±30°，±45°，±60°，共仿真獲取9組目標(biāo)散射數(shù)據(jù)。其中當(dāng)θb＝0°～85°,時(shí)，可得目標(biāo)時(shí)頻圖像如圖3b所示，通過(guò)本發(fā)明的方法對(duì)此圖像進(jìn)行處理，并重構(gòu)目標(biāo)曲面輪廓線(xiàn)如圖4a中實(shí)線(xiàn)所示，曲線(xiàn)重構(gòu)結(jié)果的相對(duì)誤差≤0.56％。通過(guò)本發(fā)明的方法對(duì)上述9組散射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并重構(gòu)目標(biāo)曲面的輪廓線(xiàn)，所得結(jié)果如圖4b實(shí)線(xiàn)所示，曲面的實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)如虛線(xiàn)所示。所得結(jié)果的平均相對(duì)誤差≤1.25％，展現(xiàn)了出較高的重構(gòu)精度。

本發(fā)明通過(guò)雙基地雷達(dá)散射特性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行幾何重構(gòu)的方法研究是一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外尚未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道；而從應(yīng)用的角度，該方法又是雙多基地雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別領(lǐng)域所亟需探索和發(fā)展的重要方向；并且本發(fā)明通過(guò)散射中心時(shí)頻特征進(jìn)行目標(biāo)曲面結(jié)構(gòu)的幾何重構(gòu)，重構(gòu)精度不受制于雷達(dá)帶寬，在合理選取時(shí)頻變換方法的前提下能夠獲得較高的曲面重構(gòu)精度；并且目標(biāo)陰影區(qū)內(nèi)的表面繞射波能夠形成特征明顯的雙基地滑動(dòng)散射中心，因此在該類(lèi)散射中心可見(jiàn)的條件下，通過(guò)本發(fā)明將能夠精確重構(gòu)陰影區(qū)內(nèi)的曲面幾何結(jié)構(gòu)。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。