微波透鏡成像技術(shù)在目標識別中的應(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

對微波散射體的成像和識別一直是雷達領(lǐng)域的研究熱點之一，特別在雷達領(lǐng)域，目標成像和識別難題一直沒有得到根本解決。目前對微波散射體的成像技術(shù)取得重大進展，具有代表性的成果有合成孔徑雷達(SAR)[1]和逆合成孔徑雷達(ISAR)[2]。前者對靜止目標成像獲得了成功，后者對近距離運動目標的成像獲得了成功。不過，對于遠距離運動目標的成像和識別，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，該方法使識別不同散射體成為一種可能。

1 透鏡成像的基本原理

目標成像可以理解為通過一定的裝置或算法使目標的某一點的全向輻射(或漫反射等)在另一空間坐標處匯聚起來，目標所對應(yīng)的不同的匯聚點就構(gòu)成了該目標的像。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，目標位于透鏡一倍焦距外，其A點處的漫反射經(jīng)過透鏡后重新匯聚到一點A'處，不同點的漫反射經(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的漫反射的疊加，感光屏上每一點的接收場都包含了該目標所有點的信息，要區(qū)分目標上的不同散射點難度很大。但是，目前的大多數(shù)雷達恰恰就是采用的這種工作方式。

2 微波透鏡成像實驗

對透鏡來說，目標還可以成虛像，但只有實像才是可以被感光元件或輻射敏感器件所直接接收的。下面對微波透鏡的成像效果進行了實驗，如圖2所示。

圖2 微波透鏡成像實驗

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，對準散射體進行輻射。根據(jù)透鏡成像原理，該目標的像位于透鏡右側(cè)的2倍焦距處，采用電磁場數(shù)值計算工具可計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)分該散射體的兩個強散射點(兩個金屬球)。

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應(yīng)關(guān)系。直接利用口徑場分析散射體的形狀和進行目標識別，是一項難度很大的工作。

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成像的不良影響，可以采用虛擬透鏡對散射體成像，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行變換，在虛擬“透鏡”另一側(cè)的適當位置形成一定放大倍數(shù)的散射體實像。

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為入射點距離透鏡中心的距離。這些公式揭示了透鏡對入射波的折射規(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，認為透鏡對一組平行于其主軸的入射波移相后，到達焦點時相位相等。從而可推得透鏡的移相量

式中，R為透鏡的口面半徑。

透鏡成像的主要機理有兩個: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Er，計算公式為

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

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

式中，若像點在估算的傳播角度范圍內(nèi)ρ=1，否則ρ=0。

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

圖6 虛擬透鏡聚焦實驗

設(shè)置合適的透鏡參數(shù)，利用圖4口徑場計算結(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，中心部分的兩個強散射點已經(jīng)清晰可見。

5 雷達目標識別

對目標進行識別，如果僅僅在橫向距離上進行，由于目標姿態(tài)角的變化，識別存在很大的困難[3]。在脈沖體制高精度跟蹤雷達中，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，則可形成目標在徑向距離上的系列成像切片，從而構(gòu)成目標的空間三維像。三維成像示意圖，如圖8所示。

圖8 雷達目標三維成像示意圖

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

但是，對于雷達而言，最大的問題是目標距離較遠，對遠距離的目標用透鏡一次成像效果較差，已經(jīng)無法直接識別出散射點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)用的望遠鏡可以為解決這個問題提供幫助，天文望遠鏡、射電天文望遠鏡在天文學(xué)、航天領(lǐng)域的大量應(yīng)用已經(jīng)說明其工作可靠性。

望遠鏡的基本工作原理是利用兩個焦距不同的透鏡，第一個透鏡將遠距離物體的光聚焦，形成一個在焦點附近的較小的像，第二個透鏡對這個近距離的較小的像進行放大，從而可以清晰地觀察遠處的物體，如圖9所示。

圖9 望遠鏡原理

現(xiàn)代相控陣雷達技術(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場，為后續(xù)的微波透鏡成像或虛擬透鏡成像提供數(shù)據(jù)支撐。這種方法是否切實可行還有待進一步研究和驗證。

目前，微波透鏡成像技術(shù)用于雷達目標識別的主要瓶頸是在微波頻段電磁波繞射、衍射效應(yīng)嚴重，微波透鏡成像的效果較差，實用性不強。提高雷達的工作頻率，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)還不會大量增加雷達的成本和硬件的復(fù)雜性。

5 結(jié)語

本文開展了微波透鏡成像技術(shù)及其在雷達目標識別中的應(yīng)用研究。提出了利用望遠鏡的工作原理，提高雷達目標的橫向距離分辨力，結(jié)合距離高分辨，進行雷達目標識別的新概念。此外，針對微波頻段的電磁波繞射、衍射效應(yīng)嚴重，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)，并進行了成像驗證，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.雷達系統(tǒng)導(dǎo)論[M].第三版.北京:電子工業(yè)出版社，2010.