【最新成果】基于稀疏贝叶斯学习的太赫兹电磁涡旋三维成像方法

原创蒋彦雯，范红旗雷达学报

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前言

在逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR）成像体制下，当太赫兹雷达发射带宽信号且波形为涡旋电磁波时，利用涡旋电磁波形成的差异性辐射场和雷达与目标相对运动形成的合成孔径，通过方位俯仰的信息解耦最终可实现目标高分辨三维成像，如何快速高效的重建目标三维图像，国防科技大学提出了一种基于稀疏贝叶斯学习（Sparse Bayesian Learning，SBL）的图像重建方法和分区域幅度阈值设置方法，极大地简化了成像过程，减少了计算量，在阵列雷达目标三维成像等方面具有良好的应用前景。

背景介绍

近年来，当在传统电磁波上加载轨道角动量调制时，可在空间中叠加形成涡旋电磁波，利用不同形式天线可产生不同特性的轨道角动量电磁波，从而适用于不同的应用需求。特别地，在阵列雷达成像技术中，利用涡旋电磁波照射，同一距离单元内不同方位向的目标所在位置的辐射场相位波前存在一定的差异性，从而使雷达接收到的目标散射回波携带有更多的目标信息，进而通过方位向的信息解耦最终可实现目标凝视成像。对于涡旋电磁波照射下的目标成像，利用照射波束内波前的差异性，并且基于不同本征模态的正交性，通过多模态的照射可有望提升对目标的分辨性能。在电磁涡旋成像技术的基础上，结合合成孔径雷达成像或逆合成孔径雷达成像特性，可进一步实现对目标或场景的三维（Three-Dimensional，3D）成像。

在太赫兹频段，由于雷达信号载频高，极易发射大带宽信号，实现较高的距离分辨率；另一方面，相比于微波雷达，由于太赫兹波的波长短，在合成孔径成像或者逆合成孔径成像模式下可以获得更高的横向分辨率。前期工作将太赫兹波的优势与涡旋电磁波相结合，建立了基于太赫兹电磁涡旋ISAR的新体制成像模型，实现了对目标的高分辨三维成像，然而在已有的成像算法中，俯仰向信息需要通过极坐标下三角函数和方位向的插值得到，这是一个间接求解的过程，俯仰维成像分辨率较低。

该工作已发表在《雷达学报》2021年第5期“涡旋雷达成像”专题论文“基于稀疏贝叶斯学习的太赫兹电磁涡旋三维成像方法”（蒋彦雯，范红旗，李双勋）。

论文介绍

为进一步提高目标俯仰维的成像分辨率，国防科技大学在前期工作的基础上，提出了一种基于稀疏贝叶斯学习（Sparse Bayesian Learning，SBL）的图像重建方法，可直接在直角坐标系下求解目标的三维散射分布函数。

该文在前期距离-方位二维成像的基础上，对归一化的距离-方位切片，采用分区域幅度阈值设置方法，如图1所示，选取包含散射点信息的俯仰维利用稀疏贝叶斯的方法直接进行一维求解，具体处理步骤如图2所示。

图1 基于SBL方法的三维成像几何

图2 基于稀疏贝叶斯学习的三维成像处理流程

在分区域辐射阈值设置方法的基础上，图3为采用本文提出的VSBI方法重构的三维成像结果，为能直接获得更清晰的观测效果，将目标的三维成像结果分别投影到距离、方位和俯仰三个不同坐标平面内，得到不同的二维成像结果。从图3中可以看出，所有散射点位置均得到了准确重构，验证本文所提的成像方法的有效性。

(a) 三维成像结果

(b) 方位俯仰二维成像结果

(d) 距离俯仰二维成像结果

图3 基于SBL方法的三维成像结果

本文提出的SBL方法对成像效果的提升主要体现在俯仰向的重构上，为进一步说明本文方法的优势，下面将其与团队在前期针对该模型下已经提出的基于三维快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）和基于CBP和功率谱密度（Power Spectrum Density，PSD）估计两种成像方法进行对比分析。仿真实验中，在同一距离-方位分辨单元内设置不同俯仰向位置的四个点，散射点的三维坐标分别为Q1(0.15m, 0, 0)、Q2(0.15m, 0.01m, 0)和Q3(0.15m, 0.1m, 0)、Q4(0.15m, 0.115m, 0)，散射点分布如图4(a)所示，各散射点X轴坐标相同，间隔分布在Y方向。

理想条件下，在x=0.15 、z=0 时的俯仰维剖面图对比如图4(b)所示，对比图中成像结果可知，对于距离很近的Q1和Q2两点、Q3和Q4两点，基于三维FFT和基于CBP-PSD的两种成像方法均无法在俯仰向实现分辨，而本文提出的SBL方法能够准确地重构出Q1、Q2、Q3和Q4四个散射点的位置，且成像分辨率优于0.01m。