机动目标的时频变换ISAR成像仿真

　　对于研究雷达目标特性、ISAR成像算法及目标识别等具有非常重要的意义,而机动目标复杂的三维运动既是回波模拟的难点,又是成像处理的难点.在传统ISAR成像仿真中,一般有2个基本假设[1]:①观测时间内目标上散射中心位置和强度不变,即满足点目标模型;②观测时间内目标相对雷达转动角度较小(不超过十几度),一般目标上散射点不发生徙动.基于上述假设,传统ISAR成像处理时经平动补偿后,直接经过傅里叶变换即可获得目标的距离-多普勒像.而对机动目标而言,这两种假设往往与实际情况有较大的差别.目标在复杂的运动中,其姿态发生复杂的变化,目标上散射源的后向散射随入射方向变化也发生显著改变,同时由于复杂运动致使小角度匀速转动假设也不再满足.显然基于点目标模型的回波模拟不再适合机动目标,同样基于傅里叶变换的传统ISAR成像算法也不再适于机动目标的成像处理.

　　在成像领域中,时频变换一般用来估计信号的频率变化率,从而对回波数据进行校正,以获得更高的聚焦效果.近几年,该方法进一步被成功应用在更复杂的运动情况下的成像处理中[2-3]. 1998年,Chen[4]提出将时频变换直接应用到成像处理中,避开传统ISAR成像中复杂的多普勒估计处理,该算法简单易于实现,同时可获得较高的距离-瞬时多普勒像.作者实施了基于时频变换的ISAR成像算法,通过建立3个运动坐标系,对目标三维运动建模,实现了机动飞行中目标姿态、轨迹的精确模拟.而目标的复杂散射现象,如边缘绕射、爬行波等的仿真计算只能借助于全波数值算法来实现,近似电磁算法只对某种散射机理有效.鉴于此,采用全波电磁仿真软件———中算[5],计算飞行中每个瞬时位置的目标散射场数据,然后依据在相干积累时间雷达接收的顺序将回波数据叠加,最终获得逼真的目标回波.

　　1　ISAR三维机动目标的回波信号

　　为了保证分析的严密性,依据ISAR成像的工作模式,给出了ISAR成像过程每一步的数学模型.该数学模型遵循刚体结构目标假设. ISAR发射并接收飞行中目标的回波,目标飞行运动可简化为直线运动和旋转运动,其工作模式见图1.

　　为了方便分析,建立3个坐标系来描述机动目标的复杂运动. 3个坐标系分别为:①本地坐标系,该坐标系以目标自身为参照物,描述目标的形体;②雷达坐标系,该坐标系以雷达为参照物,通常为地球坐标系,为回波接收实际坐标系;③参考坐标系,该坐标系相对于雷达坐标系仅有平移运动,主要用于描述目标旋转运动后目标上离散剖分单元坐标参数的变化,该坐标系与目标的初始姿态有关.若本地坐标系中目标静止,目标在参考坐标系中复杂旋转运动,旋转的同时参考坐标系在雷达坐标系中作复杂的直线运动,设目标直线运动速度为v,旋转速度为ω,目标中心o在雷达坐标系的方位为(α,β),雷达观测目标中心o的视线矢量为n=(cosαcosβ,sinαcosβ,sinβ)T.目标上任意剖分单元的任意顶点P在目标本地坐标系中表示为r0=(x,y,z)T.