微波透鏡成像技術(shù)在目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用研究

張繼龍，趙國慶，韓英臣

(空軍裝備研究院防空所，北京 100085)

0 引言

對(duì)微波散射體的成像和識(shí)別一直是雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，特別在雷達(dá)領(lǐng)域，目標(biāo)成像和識(shí)別難題一直沒有得到根本解決。目前對(duì)微波散射體的成像技術(shù)取得重大進(jìn)展，具有代表性的成果有合成孔徑雷達(dá)(SAR)[1]和逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)[2]。前者對(duì)靜止目標(biāo)成像獲得了成功，后者對(duì)近距離運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像獲得了成功。不過，對(duì)于遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像和識(shí)別，ISAR提供的幫助并不大。從不同的角度提出了微波散射體成像的一種方法，該方法使識(shí)別不同散射體成為一種可能。

1 透鏡成像的基本原理

目標(biāo)成像可以理解為通過一定的裝置或算法使目標(biāo)的某一點(diǎn)的全向輻射(或漫反射等)在另一空間坐標(biāo)處匯聚起來，目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的不同的匯聚點(diǎn)就構(gòu)成了該目標(biāo)的像。微波透鏡和光學(xué)透鏡成像都是基于上述原理。透鏡成像示意圖，如圖1所示。

在圖1中，目標(biāo)位于透鏡一倍焦距外，其A點(diǎn)處的漫反射經(jīng)過透鏡后重新匯聚到一點(diǎn)A'處，不同點(diǎn)的漫反射經(jīng)過透鏡聚焦后在透鏡的另一側(cè)的不同位置匯聚，從而形成了該物體的實(shí)像。隨著物距的調(diào)整，還可以獲得該物體的放大或縮小的實(shí)像。

圖1 透鏡成像示意圖

如果不放置透鏡，而是在透鏡所在位置直接放置一感光屏，那么感光屏所接收到的將是物體的不同點(diǎn)的漫反射的疊加，感光屏上每一點(diǎn)的接收?qǐng)龆及嗽撃繕?biāo)所有點(diǎn)的信息，要區(qū)分目標(biāo)上的不同散射點(diǎn)難度很大。但是，目前的大多數(shù)雷達(dá)恰恰就是采用的這種工作方式。

2 微波透鏡成像實(shí)驗(yàn)

對(duì)透鏡來說，目標(biāo)還可以成虛像，但只有實(shí)像才是可以被感光元件或輻射敏感器件所直接接收的。下面對(duì)微波透鏡的成像效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 微波透鏡成像實(shí)驗(yàn)

微波散射體為啞鈴形金屬體，其中球形金屬體的直徑為24 mm，微波透鏡采用介質(zhì)透鏡的形式，其焦距約為150 mm，透鏡口徑為100 mm。目標(biāo)位于透鏡左側(cè)2倍焦距處。微波輻射源頻率為30 GHz，位于透鏡與散射體中間，對(duì)準(zhǔn)散射體進(jìn)行輻射。根據(jù)透鏡成像原理，該目標(biāo)的像位于透鏡右側(cè)的2倍焦距處，采用電磁場數(shù)值計(jì)算工具可計(jì)算出該處的場分布情況，即可獲得散射體的像。

在圖2中透鏡右側(cè)給出了該散射體的像，為了便于詳細(xì)觀察，該像的正面圖，如圖3所示。

由于微波頻段的繞射和衍射現(xiàn)象嚴(yán)重，所成立的像已經(jīng)不夠清晰。從圖3的結(jié)果可以大概看出，該散射體為豎直放置的粗短物體(圖中中心部分)，但已經(jīng)無法明顯區(qū)分該散射體的兩個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)(兩個(gè)金屬球)。

圖3 散射體的像

透鏡口徑處的電場分布及啞鈴形散射體的放置方向，如圖4所示。在該圖中可以看到，口徑場的分布與散射體形狀之間無明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。直接利用口徑場分析散射體的形狀和進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，是一項(xiàng)難度很大的工作。

圖4 透鏡的口徑場

3 虛擬透鏡成像

為了避免微波頻段電磁波繞射和衍射對(duì)成像的不良影響，可以采用虛擬透鏡對(duì)散射體成像，即利用凸透鏡光學(xué)成像規(guī)律，采用一定的算法，將透鏡所在位置的口徑場進(jìn)行變換，在虛擬“透鏡”另一側(cè)的適當(dāng)位置形成一定放大倍數(shù)的散射體實(shí)像。

透鏡成像具有以下規(guī)律，設(shè)透鏡的焦距為F，物距為U，像距為V，像的放大倍數(shù)為γ，則有如下基本關(guān)系式

進(jìn)一步推導(dǎo)可得

上述公式中各參數(shù)的意義，如圖5所示，其中參數(shù)d為入射點(diǎn)距離透鏡中心的距離。這些公式揭示了透鏡對(duì)入射波的折射規(guī)律。

圖5 透鏡成像規(guī)律

關(guān)于透鏡的移相，根據(jù)其聚焦現(xiàn)象，認(rèn)為透鏡對(duì)一組平行于其主軸的入射波移相后，到達(dá)焦點(diǎn)時(shí)相位相等。從而可推得透鏡的移相量

式中，R為透鏡的口面半徑。

透鏡成像的主要機(jī)理有兩個(gè):一是折射，透鏡的厚度不均勻，即使是一組平行的入射波其折射角也各不相同;二是移相，透鏡的厚度不均勻，不同的厚度對(duì)入射波產(chǎn)生不同的移相量。

設(shè)透鏡處的入射口徑場為Ei，可得出像處的場強(qiáng)Er，計(jì)算公式為

式中，m、n為入射口徑場、像場采樣點(diǎn)序號(hào);ψm表示透鏡的相移量;ψmn表示入射點(diǎn)到像點(diǎn)的傳播相移。

折射角與入射角相關(guān)，精確計(jì)算透鏡的折射角難度很大，但是可以利用式(5)對(duì)口徑場的傳播方向和擴(kuò)散角進(jìn)行估算。成像公式還可改為

式中，若像點(diǎn)在估算的傳播角度范圍內(nèi)ρ=1，否則ρ=0。

透鏡對(duì)平行于主軸的入射平面波的成像結(jié)果，如圖6所示，計(jì)算結(jié)果表明，聚焦情況良好，表明虛擬透鏡成像算法能真實(shí)模擬聚焦過程。

圖6 虛擬透鏡聚焦實(shí)驗(yàn)

設(shè)置合適的透鏡參數(shù)，利用圖4口徑場計(jì)算結(jié)果，采用虛擬透鏡成像算法，獲得的成像結(jié)果，如圖7所示，其中a為1倍放大的像，b為經(jīng)過變焦后2倍放大的像。

圖7 虛擬透鏡成像結(jié)果

在圖7給出的散射體像中，與圖3所示介質(zhì)透鏡成像相比較，中心部分的兩個(gè)強(qiáng)散射點(diǎn)已經(jīng)清晰可見。

5 雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，如果僅僅在橫向距離上進(jìn)行，由于目標(biāo)姿態(tài)角的變化，識(shí)別存在很大的困難[3]。在脈沖體制高精度跟蹤雷達(dá)中，如果將徑向距離高分辨與透鏡成像的橫向距離分辨相結(jié)合，則可形成目標(biāo)在徑向距離上的系列成像切片，從而構(gòu)成目標(biāo)的空間三維像。三維成像示意圖，如圖8所示。

圖8 雷達(dá)目標(biāo)三維成像示意圖

在這種三維成像體制中，由于所成的像是目標(biāo)散射點(diǎn)的三維分布圖，可以一定程度減小目標(biāo)姿態(tài)角變化給識(shí)別帶來的不良影響，提高目標(biāo)識(shí)別的可靠性。

但是，對(duì)于雷達(dá)而言，最大的問題是目標(biāo)距離較遠(yuǎn)，對(duì)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)用透鏡一次成像效果較差，已經(jīng)無法直接識(shí)別出散射點(diǎn)沿橫向距離的分布情況。在天文學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的望遠(yuǎn)鏡可以為解決這個(gè)問題提供幫助，天文望遠(yuǎn)鏡、射電天文望遠(yuǎn)鏡在天文學(xué)、航天領(lǐng)域的大量應(yīng)用已經(jīng)說明其工作可靠性。

望遠(yuǎn)鏡的基本工作原理是利用兩個(gè)焦距不同的透鏡，第一個(gè)透鏡將遠(yuǎn)距離物體的光聚焦，形成一個(gè)在焦點(diǎn)附近的較小的像，第二個(gè)透鏡對(duì)這個(gè)近距離的較小的像進(jìn)行放大，從而可以清晰地觀察遠(yuǎn)處的物體，如圖9所示。

圖9 望遠(yuǎn)鏡原理

現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的發(fā)展為該技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，大型相控陣天線可以提供大口徑接收?qǐng)觯瑸楹罄m(xù)的微波透鏡成像或虛擬透鏡成像提供數(shù)據(jù)支撐。這種方法是否切實(shí)可行還有待進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

目前，微波透鏡成像技術(shù)用于雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的主要瓶頸是在微波頻段電磁波繞射、衍射效應(yīng)嚴(yán)重，微波透鏡成像的效果較差，實(shí)用性不強(qiáng)。提高雷達(dá)的工作頻率，使用毫米波、亞毫米波等有望提高微波透鏡成像的效率。此外，采用虛擬透鏡成像技術(shù)，研究合適的透鏡成像算法也是較好的選擇，并且這種虛擬透鏡成像技術(shù)還不會(huì)大量增加雷達(dá)的成本和硬件的復(fù)雜性。

5 結(jié)語

本文開展了微波透鏡成像技術(shù)及其在雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用研究。提出了利用望遠(yuǎn)鏡的工作原理，提高雷達(dá)目標(biāo)的橫向距離分辨力，結(jié)合距離高分辨，進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的新概念。此外，針對(duì)微波頻段的電磁波繞射、衍射效應(yīng)嚴(yán)重，微波透鏡成像效果較差的問題，提出了虛擬透鏡成像技術(shù)，并進(jìn)行了成像驗(yàn)證，獲得較好的成像效果。

[1]CUTRONA L J.Synthetic Aperture Radar[M]//Radar Handbook，M.Skolnik.New York:McGraw-Hill，1990.

[2]KERR D，MUSMAN S，BACHMANN C.Automatic Recognition of ISAR Ship Images[C].IEEE Trans.1996(AES-32):1392-1404.

[3]MERRILL I.SKOLNIK.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].第三版.北京:電子工業(yè)出版社，2010.