專利名稱：用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息獲取與處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于圓周合
成孔徑雷達(dá)(CSAR)三維成像的高程向降維處理方法。
背景技術(shù)：
為了根據(jù)CSAR獲取的回波信號(hào)重建目標(biāo)區(qū)域的三維圖形，需 要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行成像處理。國內(nèi)外的研究者為此提出了一些成像 處理方法，這些方法主要包括波前重建方法(w-K法)、層析成像 方法、反投影方法(共焦成像法)和極坐標(biāo)格式法。下面分別就上 述己有的C S A R三維成像方法做適當(dāng)?shù)年U述。
1995年，美國SRI International的David G. Falconer和幻影系 統(tǒng)(Mirage System)的George J. Moussally發(fā)表的論文[1] David G. Falconer, George J. Moussally, "Tomographic imaging of radar data gathered on a circular flight path about a three-dimensional target zone," in Proc. SPIE Aerosp. Symp. Orlando， FL， Apr. 1995.提出用層 析成像法對(duì)CSAR采集的回波信號(hào)進(jìn)行三維成像，對(duì)目標(biāo)的三維成 像是逐平面進(jìn)行的，是對(duì)目標(biāo)區(qū)域的不同高程平面分別進(jìn)行成像。 1996年，美國紐約州立大學(xué)電子工程系的M. Soumekh發(fā)表的論文 [2] M. Soumekh, "Reconnaissance with slant plane circular SAR imaging," IEEE Trans, on Image Processing, 5(8), pp. 1252-65， Aug. 1996，提出用波前重建法來處理CSAR的回波信號(hào)，此文所提方法 對(duì)目標(biāo)區(qū)域三維圖像的獲取仍然是逐平面進(jìn)行的；值得注意的是， 文章最后提到，當(dāng)目標(biāo)區(qū)域的高程遠(yuǎn)小于其半徑時(shí)，高程向與高程 垂直平面的處理可分開，從而提升此法的三維成像的效率，然而， 文章并沒有提出目標(biāo)區(qū)域的高程并非遠(yuǎn)小于其半徑時(shí)的簡化處理方法，而且，即使是在可以分開處理的前提下，文中所述方法對(duì)目 標(biāo)的三維成像仍然存在較嚴(yán)重的散焦現(xiàn)象。1998年，華盛頓大學(xué)電
子工程系的幾名研究人員的論文中提出了將CSAR成像模式與共焦 成像法結(jié)合來獲得目標(biāo)區(qū)域三維圖像的觀點(diǎn)[3] Akira Ishimam, Tsz-King Chan. "An imaging technique using confocal circular synthetic aperture radar." IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1998，此文所述方法為時(shí)域處理方法，成像精度高， 對(duì)雷達(dá)平臺(tái)的速度誤差和軌道誤差具有良好的魯棒性，然而其成像 效率較低，其對(duì)目標(biāo)區(qū)域三維圖像的獲取也是逐平面進(jìn)行的。2006 年的歐洲合成孔徑雷達(dá)會(huì)議上，法國的幾名研究人員發(fā)表了對(duì)機(jī)載 CSAR所獲取數(shù)據(jù)的地形測(cè)繪的初步研究結(jié)果[4] Hubert M.J, Cantalloube， Elise Colin， "Airborne SAR imaging along a circular trajectory" EUSAR, 2006 ，文中聲稱已經(jīng)用極坐標(biāo)格式法對(duì)所獲回波 信號(hào)進(jìn)行了一定處理，然而并沒有給出具體的處理辦法及三維圖 像。
上述所有方法，為了獲得目標(biāo)區(qū)域的三維圖像，需要逐一的獲 得目標(biāo)區(qū)域上各平面的二維圖像，成像效率較低，不利于實(shí)際應(yīng)用。 因此， 一種能夠?qū)⒏叱滔蛏系奶幚砗团c高程垂直的平面內(nèi)的處理分 離從而提高成像處理的效率的方法對(duì)于今后的實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用具 有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。為了研究能進(jìn)行高程向降維處理的方法，有必 要對(duì)圓周合成孔徑雷達(dá)的成像模式和信號(hào)特征進(jìn)行分析。下文以共 焦成像法為例，詳細(xì)的論述CSAR回波信號(hào)的特征和相應(yīng)的共焦三 維成像方法。
一般的圓周合成孔徑雷達(dá)的成像幾何關(guān)系如圖1所示。以SAR 圓周運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心在地面的投影(該投影點(diǎn)亦為目標(biāo)區(qū)域中心)為 坐標(biāo)原點(diǎn)、雷達(dá)軌道平行的平面為x-y平面，過坐標(biāo)原點(diǎn)且垂直于 x-y平面向上的軸為z軸，建立圖1所示的三維直角坐標(biāo)系。
雷達(dá)在距離x-y平面高程為H的平面上沿圓軌道運(yùn)行，波束指 向軌道下方，且與軌道切線方向垂直。雷達(dá)在時(shí)刻n (n=l，2...N) 的位置5 為<formula>formula see original document page 8</formula>
式中^,凡,S表示^在直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量。目標(biāo)區(qū)域中任
意點(diǎn)的位置尸為^(x,;;,z)，待聚焦點(diǎn),。的位置為F。二(X。,y。,Z。)， ^
表示到尸之間的距離，；表示到&之間的距離。
設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，X表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的載頻，7表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的調(diào) 頻率，則雷達(dá)在位置4處接收到的回波信號(hào)為[2]:
—
~"(0= fc標(biāo)區(qū)域/(F^0 — ~^)JF (2)
式中/00表示位于F處的目標(biāo)對(duì)從^到F的入射波的散射系
數(shù)，C為光速，^;表示M時(shí)刻雷達(dá)到目標(biāo)的距離
<formula>formula see original document page 8</formula>
共焦成像(Confocal 3-D Imaging)方法的主要思想是對(duì)三維成 像目標(biāo)區(qū)域中的每一點(diǎn)依次進(jìn)行聚焦，即將回波信號(hào)中關(guān)于聚焦點(diǎn) 的所有能量相干疊加起來作為聚焦點(diǎn)的散射強(qiáng)度。此方法通過一個(gè) 空變?yōu)V波器對(duì)目標(biāo)區(qū)域中的每點(diǎn)都進(jìn)行獨(dú)特的濾波，也就是等價(jià)于 先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行快時(shí)間域的匹配濾波即距離壓縮，再針對(duì)待聚焦 的目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的濾波，最后進(jìn)行相干疊加。具體實(shí)現(xiàn)步驟為
CI1.快時(shí)間域匹配濾波<formula>formula see original document page 9</formula>
CI2.三維濾波<formula>formula see original document page 9</formula>(4)
<formula>formula see original document page 9</formula>(5)
CI3.相干疊加
<formula>formula see original document page 9</formula>(6)
(4)式中，m表示目標(biāo)區(qū)域中散射點(diǎn)的序號(hào)，《表示與第m 個(gè)散射點(diǎn)散射系數(shù)相關(guān)的常數(shù)，A/;表示發(fā)射信號(hào)的帶寬，表示雷 達(dá)m時(shí)刻到第w個(gè)散射點(diǎn)的距離，(5)式中，；表示"時(shí)刻雷達(dá) 到待聚焦點(diǎn)的距離
〔x -x。)、(u。) +(//-目標(biāo)區(qū)域中不同5處可以得到不同的/(。值，可以用/(5)或其 平方表征該點(diǎn)的散射強(qiáng)度，從而獲得所需的三維圖像。
由(5)式和(6)式可知，共焦法所用到的濾波器是三維空變 的濾波器，對(duì)目標(biāo)圖像的生成是逐點(diǎn)逐平面進(jìn)行的，因而效率較低。
應(yīng)用波前重建方法與層析成像方法對(duì)圓周合成孔徑雷達(dá)回波 信號(hào)的處理，它們重建目標(biāo)區(qū)域三維成像的過程與共焦成像法的不 同之處在于對(duì)各平面的成像方法不同，然后它們對(duì)目標(biāo)區(qū)域三維成 像的過程也是逐平面進(jìn)行的，因而都只具有比較低的成像效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)對(duì)目標(biāo)圖像的生成效率較低 技術(shù)問題，為此，提供一種圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像高程向降維 處理方法。
為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像 的高程向降維處理方法的技術(shù)方案是
步驟A:利用圓周合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)及成像模式，對(duì)圓周 合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行快時(shí)間域的匹配濾波；
步驟B:沿垂直于圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程向，將目 標(biāo)區(qū)域分成多個(gè)子區(qū)域，同時(shí)在每個(gè)子區(qū)域中選定一個(gè)平行于圓周 合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的平面為相應(yīng)子區(qū)域的參考平面，記子區(qū)域 的個(gè)數(shù)為L;
步驟C:根據(jù)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)參考平面的位置，對(duì)匹配濾波之后 的信號(hào)進(jìn)行一次二維濾波，獲得二維濾波信號(hào)；
步驟D:根據(jù)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)其余平面相對(duì)參考平面的高程，對(duì) 每個(gè)子區(qū)域的二維濾波后的信號(hào)在高程向的頻域進(jìn)行相應(yīng)的平移，
獲得平移信號(hào)；
步驟E:將平移后的信號(hào)從頻域變換到時(shí)域，獲取每個(gè)子區(qū)域 內(nèi)各平面上的二維圖像；
從第1個(gè)子區(qū)域開始，即置子區(qū)域序數(shù)/為1，不斷重復(fù)上述 的步驟C至步驟E，每重復(fù)一次，/值增加1，直至第L個(gè)子區(qū)域， 此時(shí)/ =丄；獲得目標(biāo)區(qū)域的L個(gè)子區(qū)域內(nèi)各平面上的二維圖像，完
成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的三維成像。
所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方 法，其中，所述圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面是圓周合成孔徑雷達(dá)平 臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡所在的平面，此平面為水平面或斜平面或豎直平面。
所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方 法，其中，所述高程向的子區(qū)域的劃分以及參考平面的選定是依據(jù) 圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡半徑、軌跡高程、目標(biāo)區(qū)域最大半徑、最大 高程以及雷達(dá)工作頻率，同時(shí)每個(gè)子區(qū)域都滿足電磁波輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。
所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方 法，其中，所述平移是根據(jù)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)其余平面相對(duì)參考平面的 高程，對(duì)每個(gè)子區(qū)域的二維濾波后的信號(hào)迸行相應(yīng)的平移，平移量 為//,&/^ 2+//,2 ，//,表示第Z個(gè)參考平面離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡 平面的高程，^為第/個(gè)子區(qū)域內(nèi)第A個(gè)平面相對(duì)第/個(gè)參考平面
的高程，i 為圓周合成孔徑雷達(dá)的軌跡半徑。
所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方 法，其中，所述多個(gè)子區(qū)域的每個(gè)子區(qū)域的高程與半徑滿足如下的
關(guān)系z(mì),. = min(~~^~~^-^~, ^-~)，
式中Z,為第/個(gè)子區(qū)域的高程的一半，義為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的 中心波長，A為目標(biāo)區(qū)域的半徑與/ 的比值，巧為第/個(gè)參考平面 距離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程，r為目標(biāo)區(qū)域的最大半徑。
所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方 法，其中，所述子區(qū)域劃分以及選取參考平面的步驟為-
步驟B1:根據(jù)圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面距離目標(biāo)區(qū)域的平 均距離/f、圓周合成孔徑雷達(dá)圓周軌跡的半徑/ 、目標(biāo)區(qū)域的高程 /2和目標(biāo)區(qū)域的最大半徑r的信息，當(dāng)子區(qū)域數(shù)/置/ = 1時(shí)，從第1
個(gè)子區(qū)域開始，選定距離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為 //, =// + /2/2=//|=// + /7/2的平面為第1個(gè)子區(qū)域的初始參考平面；
步驟B2:計(jì)算第1個(gè)子區(qū)域的高程的一半為.,VI((l + A:)2i 2+//,2)3/4 単2+/^2)3/2、
步驟B3:選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為 //,=/f,-2, = //1=//1-2,的平面為第1個(gè)子區(qū)域的參考平面，距離圓 周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為/7,+Z,與i/,-z，的兩個(gè)平面之間 的屬于目標(biāo)區(qū)域的部分為第1個(gè)子區(qū)域；
步驟B4:對(duì)距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程i/,-z,進(jìn)行 判斷，如果//,,2,.>//-/ /2，則執(zhí)行步驟B5，否則，則執(zhí)行步驟 B8;
步驟B5:子區(qū)域序數(shù)/增加l，即/ = / + 1，選定距圓周合成孔 徑雷達(dá)軌跡平面的高程為/f,;7/,」-2z,—,的平面為第/個(gè)子區(qū)域的初 始參考平面；
步驟B6:計(jì)算第/個(gè)子區(qū)域的高程的一半為<formula>formula see original document page 12</formula>
步驟B7:選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為 的平面為第Z'個(gè)子區(qū)域的參考平面，距離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平
面的高程為/Z,+z,與/f,-z,.的兩個(gè)平面之間的屬于目標(biāo)區(qū)域的部分 為第/個(gè)子區(qū)域，執(zhí)行步驟B4; 步驟B8:子區(qū)域劃分終止。
所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方 法，其中，所述平移是針對(duì)第/個(gè)參考平面進(jìn)行二維濾波后獲得的
三維信號(hào)人(x,乂力，重建第/個(gè)子區(qū)域的第A個(gè)平面的圖像為本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出一種用于CSAR三維成像的高 程向降維處理方法，該方法利用CSAR回波信號(hào)及成像模式的特點(diǎn)， 采用將大的目標(biāo)區(qū)域分為若干層高程較小的子區(qū)域，然后在各層子 區(qū)域內(nèi)將傳統(tǒng)三維成像方法高程向的逐平面濾波轉(zhuǎn)換為一次平面 濾波和多次平移即獲取三維圖像。對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行子區(qū)域劃分從而 使得子區(qū)域的高程較小，為后續(xù)的子區(qū)域內(nèi)的簡化處理提供了可 能。在對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行子區(qū)域劃分的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)三維成像方法 高程向上的逐平面濾波轉(zhuǎn)換為一次平面濾波和多次平移，可以避免 大量的非常耗時(shí)的平面濾波操作，因此可以大大縮短成像所需的時(shí) 間。


圖1是CSAR成像幾何示意圖2是本發(fā)明CSAR高程向降維處理的流程圖3是本發(fā)明涉及的對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行子區(qū)域劃分的示意圖4 (a)是現(xiàn)有技術(shù)對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)快時(shí)間匹配濾波后的信號(hào) 示意圖4 (b)是現(xiàn)有技術(shù)對(duì)A點(diǎn)三維濾波后的信號(hào)示意圖； 圖4 (c)是本發(fā)明對(duì)投影點(diǎn)D二維濾波后的信號(hào)示意圖； 圖5 (a)是本發(fā)明應(yīng)用PCI法所獲得的能量損失函數(shù)示意圖； 圖5 (b)是本發(fā)明應(yīng)用依據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)條件子區(qū)域劃分之后的PCI 法所獲得的能量損失函數(shù)示意圖6是本發(fā)明子區(qū)域劃分以及選取參考平面流程圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的各個(gè)細(xì)節(jié) 問題。應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解， 而對(duì)其不起任何限定作用。
13本發(fā)明提出的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維 處理方法的流程圖如圖2所示。其具體步驟可分為-
步驟A:利用圓周合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)及成像模式，對(duì)圓周 合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行快時(shí)間域的匹配濾波，即將回波信號(hào)作 快時(shí)間域的快速傅立葉變換FFT之后與參考信號(hào)Z (-O的快時(shí)間傅
立葉變換FFT相乘，然后再進(jìn)行快時(shí)間域的逆傅立葉變換IFFT將 號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域；其中，參考信號(hào)/(-0表達(dá)式為
l口
0,
exp(—y2;r/c"_/W2),
>T0
"0
步驟B:沿垂直于圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程向，將目 標(biāo)區(qū)域分成多個(gè)子區(qū)域，同時(shí)在每個(gè)子區(qū)域中選定一個(gè)平行于圓周 合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的平面為相應(yīng)子區(qū)域的參考平面，記子區(qū)域 的個(gè)數(shù)為L;
步驟C:根據(jù)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的參考平面的位置，對(duì)匹配濾波之 后的信號(hào)進(jìn)行一次二維濾波，獲得二維濾波信號(hào)；
步驟D:根據(jù)子區(qū)域內(nèi)其余平面相對(duì)參考平面的高程，對(duì)每個(gè) 子區(qū)域的二維濾波后的信號(hào)在高程向的頻域進(jìn)行相應(yīng)的平移，獲得 平移信號(hào)；所述平移是根據(jù)每子區(qū)域內(nèi)其余平面相對(duì)參考平面的高 程，對(duì)每個(gè)子區(qū)域的二維濾波后的信號(hào)在快時(shí)間頻域進(jìn)行相應(yīng)的平
移，平移量為//,^/^ 2+//,2 ， //,表示第/個(gè)參考平面離圓周合成孔 徑雷達(dá)軌跡平面的高程，^為第/個(gè)子區(qū)域內(nèi)第A個(gè)平面相對(duì)第/
個(gè)參考平面的高程，i 為圓周合成孔徑雷達(dá)的軌跡半徑，C為電磁波在真空中傳播的速度。所述平移是針對(duì)第/個(gè)參考平面進(jìn)行二維濾波后獲得的三維信號(hào)人(X,J^)，重建第/個(gè)子區(qū)域的第A個(gè)平面
的圖像為/(xnt) = /w,(x,_y,z —J々2+0;
步驟E:將平移后的信號(hào)進(jìn)行快時(shí)間域的逆傅立葉變換IFFT，
將信號(hào)從頻域變換到時(shí)域，獲取每個(gè)子區(qū)域內(nèi)各平面上的二維圖
像；
從第l個(gè)子區(qū)域開始，即置子區(qū)域序數(shù)/為l，不斷重復(fù)上述的步驟C至步驟E，每重復(fù)一次，、值增加1，直至第L個(gè)子區(qū)域，此時(shí)/ =丄，獲得目標(biāo)區(qū)域的L個(gè)子區(qū)域內(nèi)各平面上的二維圖像，將獲得的二維圖像疊加起來，完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的三維成像。
圖3表示步驟B所述的對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高程向的子區(qū)域劃分處理示意圖。為了便于理解子區(qū)域劃分處理，圖3僅為一個(gè)舉例是將目標(biāo)區(qū)域在高程向進(jìn)行劃分所得的子區(qū)域數(shù)L為3的情形，L4，2，3， 4……；關(guān)于子區(qū)域劃分處理的數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要增加或減少，標(biāo)記第1個(gè)子區(qū)域?yàn)?1、第2個(gè)子區(qū)域?yàn)?2和第3個(gè)子區(qū)域?yàn)?3，而舉例在第1個(gè)子區(qū)域31內(nèi)包含3個(gè)平面311、 312、 313，對(duì)于子區(qū)域數(shù)L為其他數(shù)值的情形不再詳細(xì)敘述。
圖6是本發(fā)明子區(qū)域劃分以及選取參考平面流程圖，劃分的結(jié)果如圖3所示，圖6對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行子區(qū)域劃分以及選定參考平面的步驟，舉例如下
步驟Bl:根據(jù)圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面距離目標(biāo)區(qū)域的平
均距離F、圓周合成孔徑雷達(dá)圓周軌跡的半徑i 、目標(biāo)區(qū)域的高程/2和目標(biāo)區(qū)域的最大半徑r的信息，從第1個(gè)子區(qū)域31開始，即置初始變量Z'為1，選定距離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為二// + /7/2=//1=// + /2/2的平面為第1個(gè)子區(qū)域的初始參考平面，
步驟B2:計(jì)算第1個(gè)子區(qū)域的高程的一半為
.,71((1 + /1)27 2 + //,2)3/4 単2+《2)3/2、—
z'-二min(————-， -1-)=
' 27^(1 +， 16肌,
z, =min(——^-1-, -1-)
1 27^(1+ ， 16肌, ，
式中義表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的波長，A:二Wi ;
步驟83:選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程//,=//,-21
的平面為第1個(gè)子區(qū)域的參考平面，距離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為/Z，+z,與^-z,的兩個(gè)平面之間的屬于目標(biāo)區(qū)域的部分
為第1個(gè)子區(qū)域；
步驟B4:對(duì)距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程Z/,.-z,進(jìn)行判斷，如果//,-z,>//-A/2，繼續(xù)步驟B5，如果7/,-z,//-W2，則繼續(xù)步驟B12 (本例中，繼續(xù)步驟B5);
步驟B5:子區(qū)域序數(shù)Z增加1，艮卩/ = / + 1 (本例中此處的/值為2)，選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為//2 =//2—, -2z2_, -2z,的平面為第2個(gè)子區(qū)域32的初始參考平面；
步驟B6:計(jì)算第2個(gè)子區(qū)域的高程的一半為
,VI((l + ^:)2i 2+//22)3/4 単2+//22)3/2、z, = min(-^——-^~, -^-);
2V^(1 + A)i 16/ //,
步驟B7:選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為仏二/Z,-A-^的平面為第2個(gè)子區(qū)域的參考平面，距離圓周合成孔
16徑雷達(dá)軌跡平面的高程為//2+22與//2-Z2的兩個(gè)平面之間的屬于目標(biāo)區(qū)域的部分為第2個(gè)子區(qū)域；
步驟B8:如果//2-Z2>H-/z/2，繼續(xù)步驟B9，否則，執(zhí)行步
驟B12;
步驟B9:子區(qū)域序數(shù)/增加l，即/ = / + 1 (本例中此處的！'值為3 )，選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為//3=//3—2z3—2z,的平面為第3個(gè)子區(qū)域33的初始參考平面；
步驟B10:計(jì)算第3個(gè)子區(qū)域的高程的一半為
.,VI((l + A:)2i 2+//32)3/4 単2+//32)3/2、z; = mm(-^——-^~， -^-);
3 27^(1+準(zhǔn) 16做/
步驟Bll:選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為
//3二//2-z2-^的平面為第3個(gè)子區(qū)域的參考平面，距離圓周合成孔
徑雷達(dá)軌跡平面的高程為//3+23與//3-^的兩個(gè)平面之間的屬于目
標(biāo)區(qū)域的部分為第3個(gè)子區(qū)域；
步驟B12:如果//3-23^//-/z/2，子區(qū)域劃分終止，否則，繼
續(xù)步驟B5 (本例中，子區(qū)域劃分終止)。上述步驟中的表達(dá)式，如
/(W,&) = A,"》z -巧z,、 A / # + A2) ， W,=H + A/2， //,=// + /2/2，^//'-V 7/2=//,n， / = / + 1， //3 = //2_22_23都是賦值表達(dá)
式，計(jì)算時(shí)，先計(jì)算"="右邊的值，然后將計(jì)算出來的值賦給左邊的變量。
對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行快時(shí)間域匹配濾波以及對(duì)目標(biāo)區(qū)域完成高程向子區(qū)域劃分處理之后，為了詳細(xì)解釋本發(fā)明所述的用于圓周
17合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方法，首先對(duì)CSAR采集
的回波信號(hào)的特征進(jìn)行詳細(xì)的了解與分析。如圖4 (a)和圖4 (b)所示為CSAR三個(gè)點(diǎn)目標(biāo)回波信號(hào)的相應(yīng)處理流程之后的示意圖。
圖中所示3條曲線分別對(duì)應(yīng)點(diǎn)目標(biāo)，三個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的坐標(biāo)分別為
A,，50,-6)和B—50,50,6)以及點(diǎn)目標(biāo)C=(0,0，0)(單位為米)以及0=(50,50，0)經(jīng)過相應(yīng)處理后的信號(hào)，其中最上方的曲線表示B點(diǎn)信號(hào)，中間和下方的曲線分別表示C和A點(diǎn)的信號(hào)。圖4 (a)所示為CSAR回波信號(hào)進(jìn)行快時(shí)間域匹配濾波之后的信號(hào)圖形，從圖中可以看出，坐標(biāo)原點(diǎn)處的點(diǎn)目標(biāo)，其回波信號(hào)經(jīng)快時(shí)間匹配濾波之后對(duì)應(yīng)于一條直線，而其余兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一條類似正弦函數(shù)的曲線，且由于如圖4 (a)中示出的A、 B兩點(diǎn)具有相同的與高程垂直平面內(nèi)坐標(biāo)，其曲線形狀非常相似，差別在于曲線所處的快時(shí)間域的位置不同。圖4 (b)所示為對(duì)如圖4 (a)信號(hào)進(jìn)行匹配濾波之后，再對(duì)A點(diǎn)進(jìn)行三維濾波之后的結(jié)果，從圖中可以看出，對(duì)A點(diǎn)進(jìn)行三維濾波，即等同于將A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)曲線補(bǔ)償為快時(shí)間域的中間位置處，同時(shí)，我們還可以看出，當(dāng)A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)被補(bǔ)償?shù)街虚g位置處時(shí)，與其具有相同與高程垂直平面內(nèi)坐標(biāo)的B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的曲線亦被補(bǔ)償為一條近似的直線，位于不同的快時(shí)間位置處，由此可以看出，影響信號(hào)彎曲的主要是目標(biāo)的與高程垂直平面位置，而其高程向位置主要影響曲線在快時(shí)間域的位置。因此，成像方法中最耗時(shí)的三維濾波可以近似為二維濾波和高程向的時(shí)域平移。圖4 (c)所示為對(duì)匹配濾波之后的信號(hào)再對(duì)A、 B在參考平面z二O上的投影點(diǎn)D二 (50， 50， 0)進(jìn)行二維補(bǔ)償之后的結(jié)果，再經(jīng)過高程向上的時(shí)域平移，即可得到同一與高程垂直平面坐標(biāo)而高程向坐標(biāo)不同的任意點(diǎn)對(duì)應(yīng)信號(hào)的三維濾波之后的近似結(jié)果。此時(shí)，成像方法中的三維空變?yōu)V波即轉(zhuǎn)化為二維空變?yōu)V波和高程向時(shí)域平移，從而提高了方法的成像效率。值得注意的是，上文中所述的將三維空變?yōu)V波近似為二維空變?yōu)V波和高程向時(shí)域平移，只有當(dāng)目標(biāo)區(qū)域尺寸遠(yuǎn)小于雷達(dá)平臺(tái)高程及軌道半徑時(shí)才成立。否則，會(huì)給遠(yuǎn)離參考平面較遠(yuǎn)的目標(biāo)帶來較大的能量損失，如圖5(a)所示，
18圖中橫坐標(biāo)r表示目標(biāo)點(diǎn)偏離坐標(biāo)原點(diǎn)的與高程垂直平面距離，h
表示目標(biāo)偏離x-y平面的高程向距離，圖5 (a)中縱坐標(biāo)表示對(duì)目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)用PCI法所獲得的目標(biāo)能量與CI法所獲得的目標(biāo)能量的比值，表征了 PCI法對(duì)偏離x-y平面的目標(biāo)聚焦的能量損失；圖5(b)中縱坐標(biāo)表示對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行子區(qū)域劃分處理之后對(duì)每個(gè)子區(qū)域應(yīng)用PCI法所獲得的目標(biāo)能量與CI法所獲得的目標(biāo)能量的比值，表征了子區(qū)域劃分之后PCI法對(duì)偏離x-y平面的目標(biāo)聚焦的能量損失。
下面定量分析上述的轉(zhuǎn)化過程。
當(dāng)目標(biāo)區(qū)域尺寸遠(yuǎn)小于雷達(dá)平臺(tái)高程及軌道半徑時(shí)
; V" _ + (》-JO2 + "2 -他。+ "2 (8)
三《 -他。/7/ 2+//2
式中的d表示聚焦點(diǎn)巧投影到z=0的參考平面后到n時(shí)刻雷達(dá)
的距離。至此，可以將(5)式所示的三維濾波表示為
<formula>formula see original document page 19</formula>
附
xsinc(W - 2(r w - r。' )/c - 2//z0/V//2 + i 2 /c))上式的操作可分為兩步首先，針對(duì)參考平面z=0，進(jìn)行相應(yīng)的二維濾波；然后，將二維濾波后的信號(hào)依據(jù)不同的高程進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)域平移，平移在頻域進(jìn)行，平移之后將信號(hào)轉(zhuǎn)換回時(shí)域，從而獲得不同高程平面內(nèi)的二維圖像。因此，在不考慮對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行
子區(qū)域劃分的情況下，經(jīng)過高程向降維處理的PCI法為
步驟PCI1:快時(shí)間域匹配濾波為=脾r(/^r("0)x尸尸7V(-⑧
=Z Amsinc(A/;0 — 2r m /c))exp(—乂4;z"r, /義)步驟PCI2: 二維濾波為
Vw (x。， _F。) = /FFK(FFT; OO，")) x exp(乂w2r二 /c))=Z Amsinc(A/;.0 — 2(> , —《")/c))exp(—乂4;rr，/義)
m
步驟PCI3:高程向時(shí)域平移為
味)二 V——。/VF^/c)("。 J。)步驟PCI4:相干疊加為
(10)
(11)
(12)
(13)
由(5)式及(13)式和(14)式知，投影共焦(Projected ConfocalImaging, PCI)法能獲得Nh (目標(biāo)區(qū)域在高程向離散化為Nh個(gè)相互平行的平面)倍于共焦成像法(Confocal Imaging, CI)的成像效
其中，將CI法中的步驟CI2的三維濾波化為PCI法中步驟PCI2的二維濾波和步驟PCD高程向平移需要滿足目標(biāo)區(qū)域尺寸遠(yuǎn)小于雷達(dá)平臺(tái)半徑及高程的條件，若以電磁波輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)條件為標(biāo)準(zhǔn)，
則可得
"《
vT((i + a)2 a2 + // 2)3/'
義(i 2 + 2)3/2
(14)
1 6i /f
式中，"r。W表示目標(biāo)區(qū)域半徑與雷達(dá)軌道半徑的比值。條件公式(14)在目標(biāo)區(qū)域較小，高程起伏不大時(shí)是滿足的，此時(shí)PCI法可以替換CI法，以得到高一個(gè)量級(jí)的成像效率而對(duì)圖像質(zhì)量影
響不大。對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的幾何關(guān)系不滿足條件公式(14)的情形，PCI法不再可直接適用。此時(shí)，將目標(biāo)區(qū)域依據(jù)公式(14)的條件劃分
為若干高程較小的子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域的幾何關(guān)系都滿足公式(14)要求，再在各子區(qū)域分別應(yīng)用PCI法以得到各子區(qū)域的三維圖像，
從而獲得全區(qū)域的三維圖像。具體子區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)不局限于上文所提的電磁波輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的要求進(jìn)行不同的劃
分。子區(qū)域劃分之后在各子區(qū)域分別應(yīng)用pci法，即可得到三維成
像目標(biāo)區(qū)域的三維圖像?？紤]對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行子區(qū)域劃分處理之
后，選定多個(gè)參考平面，針對(duì)每個(gè)子區(qū)域應(yīng)用pci法，稱為多參考
平面PCI法一MRPPCI法的步驟為
步驟MRPPCI1:快時(shí)間域匹配濾波為
"i^T((FF7U^(0)x浴(/(-⑧ (15)
=Z Amsinc(A,(" 2r腦/c))exp(-y4;r; /義)
步驟MRPPCI2:以第/個(gè)參考平面為基準(zhǔn)，對(duì)每個(gè)子區(qū)域逐次
進(jìn)行二維濾波為
=S Amsinc(4/; (f - 2(r鵬- r。'," ) / c)) exp(力.4;zT則/ A)
附
步驟MRPPCI3:高程向時(shí)域平移為
v"(r。) 二 v"(,=-2/^/^/^/c)(x。 j。) ( 17)步驟MRPPCI4:相干疊加為
(18)
公式(16)中《. 表示"時(shí)刻第/個(gè)子區(qū)域內(nèi)待聚焦點(diǎn)5在第/
個(gè)參考平面上的投影到雷達(dá)的距離。對(duì)成像目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高程向的子區(qū)域劃分以后，目標(biāo)區(qū)域每個(gè)子區(qū)域的幾何尺度和系統(tǒng)的參數(shù)滿足電磁波輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)，此方法在控制成像的能量損失在一定范圍之內(nèi)的情況下，將原有成像方法對(duì)每個(gè)子區(qū)域之內(nèi)各個(gè)平面單獨(dú)進(jìn)行二維成像的過程簡化，即以每個(gè)子區(qū)域的參考平面為基準(zhǔn)，進(jìn)行統(tǒng)一的二維濾波，然后通過高程向的時(shí)域平移來獲得子區(qū)域內(nèi)
各平面上的二維圖像，從而提高CSAR成像的效率；
本發(fā)明所述的降維處理方法指高程向上的降維處理方法，不受
垂直于高程向的平面內(nèi)具體采用的成像方法的限制；成像幾何不受限于圓周軌跡平行于水平面的情形，當(dāng)圓周軌跡所處平面為斜平面或豎直平面時(shí)，所述子區(qū)域劃分及高程向降維處理方法同樣適用。
在高程向垂直的平面內(nèi)所采用的二維濾波方法為共焦成像法、波前重建法或?qū)游龀上穹ā?br> 具體實(shí)施本發(fā)明所述用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方法的過程中，有如下的幾點(diǎn)特征值得注意
1、 內(nèi)存容量足夠大，能夠保存較大數(shù)組的情況下，應(yīng)用本發(fā)明所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方法，實(shí)際成像處理的過程中，無須對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高程向的離散化以及后續(xù)的時(shí)域平移，直接將二維濾波后的信號(hào)從高程向的時(shí)域線性變
換到對(duì)應(yīng)的空域，即可獲得目標(biāo)區(qū)域的三維圖像；
2、 內(nèi)存容量不夠大，不能保存較大數(shù)組的情況下，對(duì)每個(gè)子
區(qū)域在高程向上離散化以獲得若干相互平行的平面，相鄰平面之間
的間隔必須足夠小，以不影響最終的三維圖像在高程向上的分辨率；
3、 計(jì)算時(shí)域平移時(shí)，由于時(shí)域平移量并不必然為整數(shù)倍的離散時(shí)間間隔，必須在頻域進(jìn)行，然后再變換回時(shí)域；
4、具體的成像過程中，可以將慢時(shí)間域的相干疊加過程在公式(11)或公式(16)的最外圍的逆傅立葉變換之間進(jìn)行，以降低傅立葉變換的計(jì)算量。
本發(fā)明上述的方法，已經(jīng)在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用MATLAB軟件得到驗(yàn)證，圖4和圖5是在MATLAB軟件環(huán)境下使用本發(fā)明所述方法獲得的結(jié)果。本發(fā)明所述的方法，已經(jīng)在上述的計(jì)算機(jī)及軟件平臺(tái)上面，針對(duì)微波暗室采集的目標(biāo)物為人體及多個(gè)金屬物的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，方法的有效性得到了驗(yàn)證。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
2權(quán)利要求
1、一種用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方法，其特征在于步驟A利用圓周合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)及成像模式，對(duì)圓周合成孔徑雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行快時(shí)間域的匹配濾波；步驟B沿垂直于圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程向，將目標(biāo)區(qū)域分成多個(gè)子區(qū)域，同時(shí)在每個(gè)子區(qū)域中選定一個(gè)平行于圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的平面為相應(yīng)子區(qū)域的參考平面，記子區(qū)域的個(gè)數(shù)為L；步驟C根據(jù)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)參考平面的位置，對(duì)匹配濾波之后的信號(hào)進(jìn)行一次二維濾波，獲得二維濾波信號(hào)；步驟D根據(jù)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)其余平面相對(duì)參考平面的高程，對(duì)每個(gè)子區(qū)域的二維濾波后的信號(hào)在高程向的頻域進(jìn)行相應(yīng)的平移，獲得平移信號(hào)；步驟E將平移后的信號(hào)從頻域變換到時(shí)域，獲取每個(gè)子區(qū)域內(nèi)各平面上的二維圖像；從第1個(gè)子區(qū)域開始，即置子區(qū)域序數(shù)i為1，不斷重復(fù)上述的步驟C至步驟E，每重復(fù)一次，i值增加1，直至第L個(gè)子區(qū)域，此時(shí)i＝L，獲得目標(biāo)區(qū)域的L個(gè)子區(qū)域內(nèi)各平面上的二維圖像，完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的三維成像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像 的高程向降維處理方法，其特征在于，所述圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡 平面是圓周合成孔徑雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡所在的平面，此平面為水平 面或斜平面或豎直平面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像 的高程向降維處理方法，其特征在于，所述高程向的子區(qū)域的劃分 以及參考平面的選定是依據(jù)圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡半徑、軌跡高 程、目標(biāo)區(qū)域最大半徑、最大高程以及雷達(dá)工作頻率，同時(shí)每個(gè)子 區(qū)域都滿足電磁波輻射的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像 的高程向降維處理方法，其特征在于，所述平移是根據(jù)每個(gè)子區(qū)域 內(nèi)其余平面相對(duì)參考平面的高程，對(duì)每個(gè)子區(qū)域的二維濾波后的信 號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的平移，平移量為//,~/^ 2+//,2 ，凡表示第Z'個(gè)參考平 面離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程，^為第/個(gè)子區(qū)域內(nèi)第& 個(gè)平面相對(duì)第/個(gè)參考平面的高程，為圓周合成孔徑雷達(dá)的軌跡 半徑。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3中所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方法，其特征在于，所述多個(gè)子區(qū)域的每個(gè)子區(qū)域的高程與半徑滿足如下的關(guān)系<formula>formula see original document page 3</formula>式中Z,為第/個(gè)子區(qū)域的高程的一半，A為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的 中心波長，A為目標(biāo)區(qū)域的半徑與A的比值，//,為第/個(gè)參考平面 距離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程，r為目標(biāo)區(qū)域的最大半徑。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的 高程向降維處理方法，其特征在于，所述子區(qū)域劃分以及選取參考平面的步驟為步驟B1:根據(jù)圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面距離目標(biāo)區(qū)域的平 均距離F、圓周合成孔徑雷達(dá)圓周軌跡的半徑/ 、目標(biāo)區(qū)域的高程 /z和目標(biāo)區(qū)域的最大半徑r的信息，當(dāng)子區(qū)域數(shù)/置/ = 1時(shí)，從第1個(gè)子區(qū)域開始，選定距離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為 //, =// + / /2=//1=// + /7/2的平面為第1個(gè)子區(qū)域的初始參考平面；步驟B2:計(jì)算第1個(gè)子區(qū)域的高程的一半為<formula>formula see original document page 4</formula>式中義表示雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的波長，A = W7 ;步驟B3:選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為 //,=//,-2, = //,=盡-2,的平面為第1個(gè)子區(qū)域的參考平面，距離圓 周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為^+Z,與巧-z,的兩個(gè)平面之間的屬于目標(biāo)區(qū)域的部分為第1個(gè)子區(qū)域；步驟B4:對(duì)距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程A-Z,進(jìn)行判斷，如果//,,2,>//-A/2，則執(zhí)行步驟B5，否則，執(zhí)行步驟B8;步驟B5:子區(qū)域序數(shù)/增加l，即/二/ + 1，選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為//,^//,— -2z,一,的平面為第/個(gè)子區(qū)域的初始參考平面；步驟B6:計(jì)算第Z個(gè)子區(qū)域的高程的一半為<formula>formula see original document page 4</formula>步驟B7:選定距圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程為的平面為第/個(gè)子區(qū)域的參考平面，距離圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平 面的高程為/f,+z,與//,-z,的兩個(gè)平面之間的屬于目標(biāo)區(qū)域的部分為第/個(gè)子區(qū)域，執(zhí)行步驟B4; 步驟B8:子區(qū)域劃分終止。
7、根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方法，其特征在于，所述平移是針對(duì)第/個(gè)參考平 面進(jìn)行二維濾波后獲得的三維信號(hào)A(x,乂z)，重建第z'個(gè)子區(qū)域的第&個(gè)平面的圖像為<formula>formula see original document page 5</formula>
全文摘要
本發(fā)明一種用于圓周合成孔徑雷達(dá)三維成像的高程向降維處理方法。首先對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行快時(shí)間域的匹配濾波；沿垂直于圓周合成孔徑雷達(dá)軌跡平面的高程向，將目標(biāo)區(qū)域分成多個(gè)子區(qū)域并選定一個(gè)垂直于高程向的平面為相應(yīng)子區(qū)域的參考平面；根據(jù)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)參考平面的位置，對(duì)匹配濾波之后的信號(hào)進(jìn)行一次二維濾波；根據(jù)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)其余平面相對(duì)參考平面的高程，對(duì)二維濾波后的信號(hào)在快時(shí)間頻域進(jìn)行相應(yīng)的平移；將平移后的信號(hào)從頻域變換到時(shí)域，獲取每個(gè)子區(qū)域內(nèi)各平面上的二維圖像，完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的三維成像。在各個(gè)子區(qū)域內(nèi)將傳統(tǒng)三維成像方法高程向的逐平面濾波為一次平面濾波和多次移即獲取三維圖像，可以大大縮短成像所需的時(shí)間。
文檔編號(hào)G01S13/00GK101561504SQ20081010427
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者吳一戎, 吳雄峰, 文 洪, 王彥平, 譚維賢 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所