專利名稱：一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種將大場景極坐標格式算法應(yīng)用于圓跡 合成孔徑雷達的成像方法。
背景技術(shù)：
近年來，圓跡合成孑L徑雷達(circular synthetic aperture radar, CSAR)因其具 有全方位觀測和高分辨三維成像能力開始受到人們的廣泛關(guān)注。2004年，法國宇航實驗室 (ONERA)在瑞典開展了第一次的L波段和P波段的機載CSAR實驗，2006年該實驗室又在法 國和德國進行了 X波段的機載CSAR實驗，得到了分辨率為0. 15m的全方位觀測圖像。CSAR通過在方位向形成的圓形合成孔徑，對目標區(qū)域進行360°全方位觀測，其 波束始終指向同一目標區(qū)域。它獨具的大合成孔徑角使其能夠達到工作波長量級的平面分 辨率，這是傳統(tǒng)直線合成孔徑雷達(以下簡稱為線性SAR)條帶模式SAR和聚束模式SAR所 達不到的；發(fā)射信號為寬帶信號的條件下，二維合成孔徑又決定了 CSAR系統(tǒng)具有三維分辨 能力。單次圓周飛行即可得到高分辨三維圖像的特點使CSAR系統(tǒng)在軍事應(yīng)用領(lǐng)域中非常 具有實際意義。現(xiàn)有的CSAR成像算法主要分兩類參數(shù)化方法和非參數(shù)化方法。參數(shù)化方法是指 應(yīng)用現(xiàn)代普估計的方法提取散射點的幅度信息和位置信息，基于RELEX的三維目標特征提 取方法是目前比較常用的。非參數(shù)化方法是通過聚焦的方法重建目標函數(shù)，主要有后向投 影(Back projection, BP)算法，共焦成像算法，基于格林函數(shù)傅里葉分析的三維成像算法 等。BP算法首先計算圖像中每個象素點對應(yīng)的積分路徑，然后對該路徑插值并積分，完成該 象素點的聚焦。共焦成像算法與BP算法原理類似，也要先計算每個象素點的路徑，然后通 過空變?yōu)V波得到聚焦圖像。這兩種算法都需要對圖像中每個象素點逐一操作，計算量比較 大。基于格林函數(shù)傅里葉分析的三維成像算法，采用逐高度平面成像的方法，通過格林函數(shù) 的分解，對回波進行統(tǒng)一操作即可重建目標函數(shù)，較前兩種CSAR成像算法效率更高，但是 該算法中的求逆系統(tǒng)核以及反卷積等逆運算增大了算法的復雜性，而且算法對雷達平臺的 運動穩(wěn)定性要求較高。在現(xiàn)有圓跡合成孔徑的暗室或機載實驗中，由于雷達平臺運動控制的難度，多采 用BP算法以得到較精確的成像結(jié)果，但是在高分辨或大場景的實際應(yīng)用條件下，BP算法的 效率將成為主要問題。隨著CSAR研究工作的不斷開展和深入，迫切需要一種適用于CSAR 的適應(yīng)性強、高效、簡潔、準確的成像算法。極坐標格式算法(Polar Format Algorithm, PFA)是聚束模式信號處理的經(jīng)典算 法，最早是作為一種有效的旋轉(zhuǎn)目標成像方法提出的，但很快就被成功用于聚束模式SAR 成像中，PFA算法以其簡單、高效、計算量小和適用性好等優(yōu)點，一直被廣泛應(yīng)用于聚束模式 成像領(lǐng)域。極坐標格式算法利用解線頻調(diào)(Dechirp)技術(shù)以場景中心的回波信號作為參 考信號，對回波信號解調(diào)和相位補償。解調(diào)后場景中心的越距離單元徙動(range cellmigration, RCM)項被完全消除，場景中其余點還存在剩余RCM。然后通過極坐標系到直角 坐標系的插值操作，去除殘余RCM中的一次項。PFA算法存的主要問題是它的平面波假設(shè)，而實際發(fā)射微波為球面波，平面波假設(shè) 將造成距離彎曲，他對圖像質(zhì)量的影響主要有兩個方面一次相位誤差造成圖像的幾何失 真，二次兩位誤差造成散焦。這限制了 PFA算法在大場景成像中的應(yīng)用。2004年由Walter G. Carrara等人提出的對信號相位歷史的沿航跡方向校正和格式化算法(along-track alignment andformatting system, ATAFS)就很好的解決 了聚束 SAR 中的這一問題。 將ATAFS算法與PFA算法相結(jié)合的大場景極坐標格式算法(Widefield PolarFormat Algorithm, WPFA)可以獲得較高的圖像質(zhì)量，且對場景大小沒有限制。CSAR波束始終指向同一場景區(qū)域，可以被認為是一種特殊的聚束模式SAR，因此 PFA算法在CSAR成像領(lǐng)域應(yīng)該具有一定的可移植性，但目前并未見相關(guān)報道。一般的CSAR的成像幾何關(guān)系如圖1所示，以場景中心作為坐標系原點建立直角坐 標系0ΧΥΖ，雷達平臺在高度H，圍繞原點作平行于X-Y平面，半徑為R的勻速圓周運動，波束 始終指向場景區(qū)，場景被照射區(qū)橫截面半徑為X。，高度為21ν場景中心與雷達的仰角設(shè)為 α，場景中心與雷達的距離設(shè)為Ro。θ為方位向角度，每隔角度間隔Δ θ，雷達發(fā)射一次脈
沖。則雷達在極坐標系下的坐標為(Rtl, α，θ )，其中& 二 ^R2 + H2。場景中的任意點目標
設(shè)為P，在極坐標系下的坐標設(shè)為(PAM),其中，P為點目標P位置向量的長度，η為點目 標P位置向量與X-Y平面的夾角，識為點目標P位置向量在X-Y平面的投影與X軸的夾角， 設(shè)點目標P在直角坐標系下的坐標設(shè)為(xp，yp，zp)，其散射系數(shù)設(shè)為σρ。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法， 針對高分辨和大場景的應(yīng)用條件，將用于聚束SAR的二維極坐標格式成像方法發(fā)展為適用 于CSAR的三維成像算法，并通過算法改進，解決傳統(tǒng)PFA算法中由平面波假設(shè)帶來的距離 彎曲問題。是一種適用于高分辨大場景的高效、簡潔、準確的圓跡合成孔徑雷達三維成像方 法。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，其包括步驟如下步驟Sl 將圓跡合成孔徑雷達(Circular SAR，CSAR)的雷達原始回波信號送入距 離向處理單元，沿原始回波信號的距離向變換到距離壓縮頻域，并通過參考函數(shù)共軛相乘 處理，使場景中心處的相位歷程為0，生成第1信號S1O，k)，其中，θ為方位向雷達平臺 旋轉(zhuǎn)角，k為斜距向波數(shù)；步驟S2 將第1信號送入高度向處理單元，乘以高度濾波函數(shù)，生成第2信號 s2(e，k)，在正交直角坐標系οχγζ下，以場景中心為原點，高度濾波函數(shù)為關(guān)于成像平面高 度Ztl的函數(shù)H2(zq ；k)，其中，Ztl = -hQ+iX Δζ，i = 0,1,2-, Δζ為成像高度間隔，hQ為場 景區(qū)高度的一半，由i = O開始，至Ztl > Iltl結(jié)束；更新參數(shù)cos α和Rtl，α為Z軸上高度Ztl 點相對雷達的仰角，R0為Z軸上高度Ztl點與雷達的距離；步驟S3 將第2信號送入方位向處理單元，通過方位向傅里葉變換變換至方位頻域，然后作方位向二次濾波，最后經(jīng)傅里葉逆變換變換至方位空間域，生成第3信號S3( θ， k)，第3信號已去除了部分二次越距離單元徙動(range cell migration-RCM)項；步驟S4 將第3信號送入坐標變換單元，由極坐標格式數(shù)據(jù)經(jīng)二維插值得到直角 坐標系下的數(shù)據(jù)，生成第4信號S4 (kx，ky)，其中，kx為X方向波數(shù)，ky為Y方向波數(shù)，第4信 號已去除了一次RCM項；步驟S5 將第4信號送入二維逆傅里葉變換單元，生成第5信號S5 (x, y)，第5信號 為成像高度Z = Ztl,其中，X為X方向空間域，y為Y方向空間域，Z為Z方向空間域，S5(χ, y)殘留部分二次及高次RCM的二維圖像；步驟S6 將第5信號送入空變?yōu)V波單元，將第5信號表示的二維圖像按不同半徑 分區(qū)，各分區(qū)分別作二維傅里葉變換，然后與各分區(qū)對應(yīng)的濾波器H6 (1 ;kx，ky)相乘，其中1 =1,2,...為分區(qū)序號，最后將各分區(qū)分別作二維傅里葉逆變換，變換至二維圖像域，各分 區(qū)拼接后生成第6信號S6(z。；X，y)。步驟S7 判斷單元，若ZfAz <‘則令i = i+Ι，并轉(zhuǎn)到步驟S2，否則直接進入步 驟S8 ；步驟S8 將第6信號送入三維圖像輸出單元，對各高度層的二維圖像按高度順序 排列，獲得最終的CSAR三維圖像第7信號S7(x，y，ζ)。所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，其所述步驟Sl 中距離向處理單元的具體步驟為步驟Sll 如果回波信號為步進頻連續(xù)波信號，則將回波信號與參考函數(shù)H1 ( θ，k) 共軛相乘，生成第1信號S1 ( θ，k)，否則轉(zhuǎn)入步驟S12。步驟S12，如果發(fā)射信號為chirp信號，且回波已經(jīng)二維解線頻調(diào)(dechirp)處理， 則進行距離去扭(range deskew)操作，生成第1信號S1 ( θ，k)，否則轉(zhuǎn)入步驟S13 ；步驟S13 如果發(fā)射信號為線性調(diào)頻(chirp)或其他寬帶信號，且回波未作其他處 理，則先進行距離壓縮，然后在距離頻域-方位空間域，與參考函數(shù)H1O，k)作共軛相乘， 生成第1信號S1 ( θ，k)，否則退出程序。所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，其所述步驟S3 中方位向處理單元的具體步驟為步驟S31 將第2信號沿方位向作傅里葉變換，得到二維頻域信號第31信號 、0^，10，其中1^為方位波數(shù)；步驟S32 將第31信號與方位二次濾波函數(shù)H3(k0，k)相乘，得到第32信號S32(k0， k)，這一操作去處了部分二次RCM項；步驟S33 將第32信號作方位向傅立葉逆變換，變換到方位空間域，生成第3信號 S3( θ ， k)。所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，其所述步驟S4 中坐標變換單元的具體步驟為步驟S41 通過直角坐標系中均勻分布的X方向波數(shù)域值kx、Y方向波數(shù)域值ky計 算對應(yīng)的極坐標系下的斜距向波數(shù)k，及角度θ ；步驟S42 通過二維插值將極坐標系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到直角坐標系，生成第4信號 S4 (kx, ky)。
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所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，其所述步驟S6 中空變?yōu)V波單元的具體步驟為步驟S61 將第5信號表示的二維圖像按不同半徑分成互不重疊的若干分區(qū)，分區(qū) 準則為分區(qū)內(nèi)外圈上的目標，殘余二次RCM引起的相位誤差差值不超過π，表達式為 其中，kmax為最大斜距向波數(shù)，r1+1，rx分別為第1個分區(qū)的外圈半徑和內(nèi)圈半經(jīng)， η為圓周率。步驟S62 各分區(qū)分別作二維傅里葉變換，得到各分區(qū)二維頻譜；步驟S63 各分區(qū)頻譜與各自的相位補償濾波器H6 (1 ;kx，ky)相乘，生成第63信號 S63Q ;kx, ky)；步驟S64 將第63信號各自作傅立葉逆變換，回到圖像域，并拼接為第6信號 S6 (Z0 ；χ, y)；所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方 法，在CSAR的成像幾何中，雷達發(fā)射脈沖的角度間隔Δ θ應(yīng)小于或等于
)，其中R為雷達平臺軌道半
徑，H為雷達平臺高度，X0為場景照射區(qū)半徑。所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，所述步驟S2
中成像高度間隔Δ ζ應(yīng)小于或等于
其中kmin為
，
最小斜距向波數(shù)。所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，其所述步驟 S32中方位二次濾波函數(shù)H3(k0，k)的表達式為 所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成 像方法，其所述步驟S63中相位補償濾波器H6(l ;kx，ky)的表達式為 本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維 成像方法，將傳統(tǒng)極坐標格式算法發(fā)展為適用于圓跡合成孔徑雷達的三維成像方法，本發(fā) 明可操作性強，效率高，且對雷達平臺不穩(wěn)定運動有很強的適應(yīng)能力，因此非常具有現(xiàn)實意 義。本發(fā)明通過預(yù)處理單元不僅能夠處理發(fā)射為chirp信號的回波信號，以及發(fā)射信 號為chirp信號且回波經(jīng)二維dechirp后的信號，還能處理發(fā)射信號為步進頻連續(xù)波信號 的回波信號，因而對于發(fā)射信號形式的要求降低，便于實際應(yīng)用。本發(fā)明利用方位向頻域二次濾波以及分區(qū)域相位校正的方法分兩次去除了二次 RCM帶來的相位誤差，解決了傳統(tǒng)極坐標格式算法對成像區(qū)域尺寸的限制問題，可以實現(xiàn)大 場景精確成像。本發(fā)明具有可操作性強，高效，精確，適應(yīng)性強等特點，有很大的實際意義。


圖1是圓跡合成孔徑雷達三維成像幾何示意圖；圖2是本發(fā)明的計算機或?qū)Ｓ迷O(shè)備處理流程圖；圖3是本發(fā)明的距離向處理單元處理流程圖；圖4是圓跡合成孔徑雷達中雷達與目標幾何關(guān)系示意圖；圖5是本發(fā)明的方位向單元處理流程圖；圖6是本發(fā)明的坐標變換單元處理流程圖；圖7是本發(fā)明的空變?yōu)V波單元處理流程圖；圖8是本發(fā)明的空變?yōu)V波處理單元中的分區(qū)示意圖；圖9是傳統(tǒng)極坐標格式算法的成像結(jié)果；圖10是本發(fā)明實施例1的17個點目標的成像結(jié)果；圖11是本發(fā)明實施例的圖9中點目標A的放大圖；圖12是本發(fā)明實施例的圖9中點目標B的放大圖；圖13是本發(fā)明實施例2的23個點目標的成像結(jié)果側(cè)視圖；圖14是本發(fā)明實施例2的23個點目標的成像結(jié)果正視圖；圖15是本發(fā)明實施例2的23個點目標的成像結(jié)果俯視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案中所涉及的各個細節(jié)問題。應(yīng)指出的是， 所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。如圖2本發(fā)明提出的圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法的流 程圖所示，輸入為CSAR的原始回波，經(jīng)過三維成像處理后，可獲得CSAR三維圖像，具體實施 步驟如下步驟Sl 將CSAR的雷達原始回波信號送入距離向處理單元，沿原始回波信號的距 離向變換到距離壓縮頻域，并通過參考函數(shù)共軛相乘處理，使場景中心處的相位歷程為0， 生成第1信號S1 ( θ，k)，其步驟如圖3所示，具體實施過程為步驟Sll 如果回波信號為步進頻連續(xù)波信號，則將回波信號與參考函數(shù)H1 ( θ，k) 共軛相乘，生成第1信號S1 ( θ，k)，否則轉(zhuǎn)入步驟S12。如果回波信號為步進頻連續(xù)波信號，則來自點目標P的回波表達式為 其中
為點目標P與雷達之間的距離，其
中，(xP，yP，zp)為點目標P的直角坐標，為描述簡便，省略公式前的常系數(shù)，該簡化對本方法 描述不造成影響。參考函數(shù)H1 ( θ，k)的表達式為H1 ( θ , k) = exp (-JkR0) (2) 將回波信號與H1 ( θ，k)共軛相乘，生成第1信號S1 ( θ，k)，表達式為S1 ( θ，k) = exp [-jk (Rp-R0) ] (3) 如果發(fā)射信號不是步進頻連續(xù)波信號，轉(zhuǎn)入步驟S12 ；步驟S12，如果發(fā)射信號為chirp信號，且回波已經(jīng)二維dechirp處理，則進行距離 去扭操作，生成第1信號S1 ( θ，k)，否則轉(zhuǎn)入步驟S13 ；
如果發(fā)射信號為chirp信號，且回波已經(jīng)二維dechirp處理，則回波信號表達式 為 其中，t為快時間，Y為脈沖信號調(diào)頻率，Tp為發(fā)射脈沖寬度，rect[t/T]表示 t ≤T, R. = Rp-Rq。經(jīng)距離去扭，并轉(zhuǎn)換到距離頻域后，生成第1信號S1O，k)，表達式
如式(3)。如果發(fā)射信號不是chirp信號，或回波未經(jīng)二維dechirp處理，則轉(zhuǎn)入步驟S13 ；步驟S13 如果發(fā)射信號為chirp或其他寬帶信號，且回波未作其他處理，則先進 行距離壓縮，然后在距離頻域-方位空間域，與參考函數(shù)H1 ( θ，k)作共軛相乘，生成第1信 號31(9，k)，否則退出程序。如果發(fā)射信號為chirp或其他寬帶信號，如果發(fā)射信號為chirp或其他寬帶信號， 且回波未作其他處理，其回波表達式為 其中，p(t)為發(fā)射信號，對回波作距離向傅里葉變換并匹配濾波后得 將Sr ( θ，k)與參考函數(shù)H1 ( θ，k)作共軛相乘，生成第1信號S1 ( θ，k) 為描述簡便，省略公式前的|P(k) 12，該簡化對本方法描述不造成影響，則式(7)形 同式(3)，如果發(fā)射信號為其他信號，退出程序。步驟S2 將第1信號送入高度向處理單元。乘以高度濾波函數(shù)H2 (zQ ；k) 其中zQ = -h0+i X Δ z，由i = 0開始，至Ztl > hQ結(jié)束。更新參數(shù)，α為Z軸上ζ =ζ0點相對雷達的仰角，則
R0為Z軸上ζ = ζ。點與雷達的距
離，則
通過高度濾波生成第2信號S2 ( θ，k) 如圖4所示，β為雷達位置向量與點目標P位置向量之間的夾角，則由余弦定理 可知P與雷達之間的距離Rp為 當滿足Rtl-P cos β >> P sin β，即在遠場條件下時，對P sin β作泰勒展開至二 次項，可上式可近似為 其中，
傳統(tǒng) PFA 算法只校正了式(11)中 的一次項，卻忽略了二次項，因此限制了其在大場景成像中的應(yīng)用，本發(fā)明的目的是通過相 位補償?shù)姆椒ㄐＵ嚯x彎曲的二次項，以適應(yīng)大場景精確成像。將式(11)代入式(9)得第2信號s2(e，k)的近似表達式為 只考慮ζ = z0高度層的點目標的RCM，即η = 0，為了更清晰地描述RCM矯正的過 程，以下步驟都只給出了 η =0時的表達式。在遠場條件下，R0-Pcos^ Rtl，則式(12) 右邊相位的表達式可近似為 步驟S3 將第2信號送入方位向處理單元，通過方位向傅里葉變換變換至方位頻 域，然后作方位向二次濾波，最后經(jīng)傅里葉逆變換變換至方位空間域，生成第3信號S3( θ， k)，第3信號已去除式(13)的第二項，其步驟如圖5所示，具體實施過程為步驟S31 將第2信號沿方位向作傅里葉變換，得到二維頻域信號，第31信號 S31 (k e, k) 根據(jù)駐定相位原理，方位向波數(shù)k θ的表達式可通過式(13)中的相位Y對θ求 導數(shù)求得，在遠場條件下，式(13)等號右側(cè)的第一項遠大于后兩項，因此k0的表達式近似 為K = / θ ^ -kp cos a sin{0 - ψ)，式(I3)等號右側(cè)的第三項相對于前兩項是緩變的，
則式(14)可近似為
步驟S32:將第31信號與方位二次濾波函數(shù)H3 (k0，k)相乘，H3 (ke, k)的表達式
H3(ke,k) = exp[jke2/(2kR0)] (16) 得到第32信號S32(k0，k)
這一操作去處了部分二次RCM項；
步驟S33 將第32信號作方位向傅立葉逆變換，變換到方位空間域，生成第3信號 其中Λ =〃eQS^VP 叫分別為點目標ρ在χ方向和γ方向的直角坐標，kx =-kcos α cos θ , ky = -kcos α sin θ分別為X方向和Y方向的波數(shù)，(θ，kcos α )為極坐 標，(kx, ky)為相應(yīng)的直角坐標，(θ，k)到(kx，ky)的變換需通過步驟S4實現(xiàn)；步驟S4 將第3信號送入坐標變換單元，由極坐標格式數(shù)據(jù)經(jīng)二維插值得到直角 坐標系下的數(shù)據(jù)，生成第4信號S4 (kx，ky)，第4信號已去除了一次RCM項，其步驟如圖6所 示，具體實施過程為步驟S41 通過直角坐標系中均勻分布的X方向波數(shù)值kx、Y方向波數(shù)值ky計算對 應(yīng)的極坐標系下的斜距向波數(shù)k’，及角度θ ’為 步驟S42 通過二維插值將極坐標系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到直角坐標系，生成第4信號 S4 (kx，ky)，sine插值函數(shù)的表達式為 其中，S5OnAθ , kmin+n Δ k)為第 3 信號 S3(9，k)的離散表達式，m = 0，1，2，...， Μ，η = 0，1，2，. . .，N，為離散序號，M為序列m的最后一個值，N為序列η的最后一個值。上 式是理想二維插值的表達式，通常選擇4點或8點插值函數(shù)即可滿足精度要求，經(jīng)坐標變換 后，第4信號S4(kx，ky)的近似解析表達式為 步驟S5 將第4信號送入二維逆傅里葉變換單元，生成第5信號S5 (x，y) 第5信號成像高度為ζ = Ztl，且殘留部分二次及高次RCM的二維圖像；步驟S6 將第5信號送入空變?yōu)V波單元，將第5信號表示的二維圖像按不同半徑 分區(qū)，各分區(qū)分別作二維傅里葉變換，然后與各分區(qū)對應(yīng)的濾波器4(1 ;kx，ky)相乘，其中 1 e N為分區(qū)序號，最后將各分區(qū)作二維傅里葉逆變換，變換至二維圖像域，生成第6信號 S6 (z0 ；χ, y)，其步驟如圖7所示，具體實施過程為步驟S61 將第5信號表示的二維圖像按不同半徑分成互不重疊的若干分區(qū)，如圖 8的分區(qū)示意圖所示，分區(qū)準則為分區(qū)內(nèi)外圈上的目標，殘余二次此11，即式(13)等號右側(cè) 第二項，引起的相位誤差差值不超過η，表達式為 其中r1+1，rx分別為第1個分區(qū)的外圈半徑和內(nèi)圈半經(jīng)，分區(qū)后生成第61信號 S61 (1 ；χ，y) 其中win(l)為分區(qū)1的窗函數(shù)。步驟S62 對上述各分區(qū)S61 (1 ；χ, y)分別作二維傅里葉變換，得到各分區(qū)二維頻 譜，即第 62 信號S62(l ;kx，ky) =FTx,y{S61(l ；x,y)}；步驟S63 各分區(qū)頻譜與各自的相位補償濾波器H6 (1 ;kx，ky)相乘，H6 (1 ;kx，ky)的 表達式為 生成第63 信號 S63 (1 ;kx，ky) 步驟S64 將第63信號各自作傅立葉逆變換，回到圖像域，并拼接為第6信號 S6 (Z0 ；χ, y) 步驟S7 判斷單元，若Ζ(1+ΔΖ <‘則令i = i+1，并轉(zhuǎn)到步驟S2，否則直接進入步 驟S8 ；步驟S8 將第6信號送入三維圖像輸出單元，對各高度層的二維圖像按高度順序 排列，獲得最終的CSAR三維圖像第7信號S7(x，y，ζ)。以位于三維空間中的點目標為例，雷達中心頻率0. 5GHz，信號帶寬為0. 25GHz，步 進頻率間隔為2. 31MHz，雷達飛行軌跡半徑800m，高度2000m，成像區(qū)域半徑為100m，方位向 采樣間隔Δ θ =0.42°，成像區(qū)域共有17個點目標，且假設(shè)都位于同一平面Ζ(Ι = 0平面， 其中1個點位于場景中心，8個點均勻分布在以場景中心為圓心，半徑為50m的圓上，另8個 點位于場景邊緣，且分布在以場景中心為圓心，半徑為IOOm的圓上。則通過上述大場景極 坐標格式三維成像方法得到的17個點目標的成像結(jié)果如圖10-12所示，圖10為17個點目 標在高度zQ = 0的二維圖像，圖像作了歸一化處理，動態(tài)顯示范圍為_40dB OdB，從圖中 看到，通過上述處理步驟后，能夠精確地重建出17個點目標的空間位置和幅度信息，圖11、 圖12分別是場景中心目標A與場景邊緣目標B的放大圖，動態(tài)顯示范圍為-20dB OdB，可 以看到場景邊緣的點目標聚焦性能與場景中心的點目標聚性能一樣好。圖9是將傳統(tǒng)極坐 標格式算法應(yīng)用于本例的成像結(jié)果，由于未作任何相位誤差校正，目標的聚焦性能隨著其 與場景中心距離的增大而變差，直至完全散焦。為了能更清晰地顯示三維成像的效果，其他參數(shù)不變，縮小場景區(qū)范圍，場景區(qū)的 參數(shù)變化為成像區(qū)半徑為30m，成像區(qū)高度為20m，共設(shè)置了 23個點目標，17個點目標位
13于Ztl = O平面，其中1個點目標位于原點處，8個點目標均勻分布在原點為圓心，半徑為15m 的圓上，8個點均勻分布在以圓點為圓心，半徑為15m的圓上，另6個點均勻分布在Z軸上， 間隔為3m。圖13-15為通過本大場景極坐標格式三維成像方法獲得的三維成像結(jié)果，圖 13-15分別為成像結(jié)果的側(cè)視，正視和俯視的_3dB輪廓圖?？梢钥吹?，23個點目標的幅度 和位置信息都得到了很好的重建。本發(fā)明應(yīng)用用于聚束模式SAR的二維極坐標格式成像方法的原理，發(fā)明了適用于 圓跡合成孔徑雷達的極坐標格式三維成像方法。本發(fā)明通過距離向處理單元不僅能夠處理發(fā)射步進頻連續(xù)波信號的CSAR，以及發(fā) 射調(diào)頻脈沖信號，且回波經(jīng)二維解線頻調(diào)處理的CSAR，還能處理發(fā)射信號為調(diào)頻脈沖信號 或其他寬帶信號，且回波未經(jīng)其他處理的CSAR，因而對于發(fā)射信號形式的要求降低，便于實 際應(yīng)用。本發(fā)明通過方位向頻率域的二次濾波，去除了部分二次RCM項帶來的相位誤差， 該校正為統(tǒng)一校正，與目標位置無關(guān)。本發(fā)明的空變?yōu)V波，通過對場景各分區(qū)進行分別操作，去除了殘余二次RCM項帶 來的相位誤差，該校正與目標與成像區(qū)中心的距離有關(guān)。本發(fā)明通過兩次相位誤差校正，校正了二次RCM項帶來的相位誤差，而傳統(tǒng)極坐 標格式成像方法只去除了一次RCM的影響，因此，本發(fā)明較傳統(tǒng)極坐標格式方法，能夠?qū)Ω?大的場景進行精確聚焦成像。本發(fā)明上述的方法，已經(jīng)在計算機上應(yīng)用MATLAB軟件得到驗證，圖10_15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。該方法在計算機或?qū)Ｓ迷O(shè)備上主要通 過8個程序模塊來實現(xiàn)，如圖2所示，所述距離向處理單元、高度向處理單元、方位向處理單 元、坐標變換單元、二維逆傅里葉變換單元、空變?yōu)V波單元、判斷單元和三維圖像輸出單元， 分別完成步驟Si、步驟S2、步驟S3、步驟S4、步驟S5、步驟S6、步驟S7和步驟S8的功能。距離向處理單元，輸入為CSAR原始回波數(shù)據(jù)，輸出為處于距離向頻域、方位向時 域的第1信號；高度向處理單元，輸入為第1信號，輸出為處于高度ZO = O平面的距離向頻域、方 位向時域的第2信號；方位向處理單元，輸入為第2信號，輸出為已去除部分二次RCM引起的相位誤差的 距離向頻域、方位向時域的的第3信號；坐標變換單元，輸入為第3信號，輸出為由極坐標數(shù)據(jù)格式變換為直角標數(shù)據(jù)格 式的距離向頻域、方位向時域的第4信號；二維逆傅里葉變換單元，輸入為第4信號，輸出為殘余二次及高次RCM引起的相位 誤差的圖像域的第5信號；空變?yōu)V波單元，輸入為第5信號，輸出為去除了殘余二次RCM引起的相位誤差的圖 像域的第6信號；判斷單元，輸入為第6信號，如果已處理完所有高度層，則進入步驟S8,否則轉(zhuǎn)入 步驟S2 ；三維圖像輸出單元，輸入為第6信號，輸出為CSAR的三維成像結(jié)果的第7信號。本發(fā)明上述的方法，已得到驗證，該圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式成像方法已用于仿真和數(shù)據(jù)處理，本發(fā)明方法的有效性得到了驗證。 以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，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)明的范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，其特征在于，包括步驟如下步驟S1將圓跡合成孔徑雷達的雷達原始回波信號送入距離向處理單元，沿原始回波信號的距離向變換到距離壓縮頻域，并通過參考函數(shù)共軛相乘處理，使場景中心處的相位歷程為0，生成第1信號S1(θ，k)，其中，θ為方位向雷達平臺旋轉(zhuǎn)角，k為斜距向波數(shù)；步驟S2將第1信號送入高度向處理單元，乘以高度濾波函數(shù)，生成第2信號S2(θ，k)，在正交直角坐標系OXYZ下，以場景中心為原點，高度濾波函數(shù)為關(guān)于成像平面高度z0的函數(shù)H2(z0；k)，其中，z0＝ h0+i×Δz，i＝0，1，2...，Δz為成像高度間隔，h0為場景區(qū)高度的一半，由i＝0開始，至z0＞h0結(jié)束；更新參數(shù)cosα和R0，α為Z軸上高度z0點相對雷達的仰角，R0為Z軸上高度z0點與雷達的距離；步驟S3將第2信號送入方位向處理單元，通過方位向傅里葉變換變換至方位頻域，然后作方位向二次濾波，最后經(jīng)傅里葉逆變換變換至方位空間域，生成第3信號S3(θ，k)，第3信號已去除了部分二次越距離單元徙動(range cell migration，RCM)項；步驟S4將第3信號送入坐標變換單元，由極坐標格式數(shù)據(jù)經(jīng)二維插值得到直角坐標系下的數(shù)據(jù)，生成第4信號S4(kx，ky)，其中，kx為X方向波數(shù)，ky為Y方向波數(shù)，第4信號已去除了一次越距離單元徙動項；步驟S5將第4信號送入二維逆傅里葉變換單元，生成第5信號S5(x，y)，第5信號為成像高度z＝z0，其中，x為X方向空間域，y為Y方向空間域，z為Z方向空間域，S5(x，y)殘留部分二次及高次越距離單元徙動的二維圖像；步驟S6將第5信號送入空變?yōu)V波單元，將第5信號表示的二維圖像按不同半徑分區(qū)，各分區(qū)分別作二維傅里葉變換，然后與各分區(qū)對應(yīng)的濾波器H6(l；kx，ky)相乘，其中l(wèi)＝1，2，...為分區(qū)序號，最后將各分區(qū)分別作二維傅里葉逆變換，變換至二維圖像域，各分區(qū)拼接后生成第6信號S6(z0；x，y)。步驟S7判斷單元，若z0+Δz＜h0，則令i＝i+1，并轉(zhuǎn)到步驟S2，否則直接進入步驟S8；步驟S8將第6信號送入三維圖像輸出單元，對各高度層的二維圖像按高度順序排列，獲得最終的圓跡合成孔徑雷達三維圖像第7信號S7(x，y，z)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法， 其特征在于，所述步驟Sl中距離向處理單元的具體步驟為步驟Sll 如果回波信號為步進頻連續(xù)波信號，則將回波信號與參考函數(shù)H1O，k)共 軛相乘，生成第1信號S1 ( θ，k)，否則轉(zhuǎn)入步驟S12。步驟S12，如果發(fā)射信號為線性調(diào)頻(chirp)信號，且回波已經(jīng)二維解線頻調(diào) (dechirp)處理，則進行距離去扭(range deskew)操作，生成第1信號S1 ( θ，k)，否則轉(zhuǎn)入 步驟S13 ；步驟S13 如果發(fā)射信號為chirp或其他寬帶信號，且回波未作其他處理，則先進行距 離壓縮，然后在距離頻域-方位空間域，與參考函數(shù)H1O，k)作共軛相乘，生成第1信號 S1O，k)，否則退出程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法， 其特征在于，所述步驟S3中方位向處理單元的具體步驟為步驟S31 將第2信號沿方位向作傅里葉變換，得到二維頻域信號第31信號S31 (k0， k)，其中k0為方位波數(shù)；步驟S32 將第31信號與方位二次濾波函數(shù)H3 (k 0，k)相乘，得到第32信號S32 (k 0，k)， 這一操作去處了部分二次越距離單元徙動項；步驟S33 將第32信號作方位向傅立葉逆變換，變換到方位空間域，生成第3信號 S3( θ ， k)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法， 其特征在于，所述步驟S4中坐標變換單元的具體步驟為步驟S41 通過直角坐標系中均勻分布的X方向波數(shù)域值kx、T方向波數(shù)域值ky計算對 應(yīng)的極坐標系下的斜距向波數(shù)k，及角度θ ；步驟S42 通過二維插值將極坐標系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到直角坐標系，生成第4信號S4 (kx， ky)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法， 其特征在于，所述步驟S6中空變?yōu)V波單元的具體步驟為步驟S61 將第5信號表示的二維圖像按不同半徑分成互不重疊的若干分區(qū)，分區(qū)準則 為分區(qū)內(nèi)外圈上的目標，殘余二次越距離單元徙動引起的相位誤差差值不超過η，表達式 為 其中，kmax為最大斜距向波數(shù)，r1+1，rx分別為第1個分區(qū)的外圈半徑和內(nèi)圈半經(jīng)，π為 圓周率。步驟S62 各分區(qū)分別作二維傅里葉變換，得到各分區(qū)二維頻譜； 步驟S63 各分區(qū)頻譜與各自的相位補償濾波器H6(l ;kx，ky)相乘，生成第63信號 S63Q ;kx, ky)；步驟S64 將第63信號各自作傅立葉逆變換，回到圖像域，并拼接為第6信號S6 (Z0 ；χ,Y)；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法， 其特征在于，圓跡合成孔徑雷達的成像幾何中，雷達發(fā)射脈沖的角度間隔Δ θ應(yīng)小于或等于 其中 R 為雷達平臺軌道半徑，H為雷達平臺高度，X0為場景照射區(qū)半徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式 三維成像方法，其特征在于，所述步驟S2中成像高度間隔Δζ應(yīng)小于或等于 其中 kmin 為最小斜距向波數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方 法，其特征在于，所述步驟S32中方位二次濾波函數(shù)H3(k0，k)的表達式為H3(k" k)= exp[jke2/(2kR0)]o
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維 成像方法，其特征在于，所述步驟S63中相位補償濾波器H6(l ;kx，ky)的表達式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種圓跡合成孔徑雷達的大場景極坐標格式三維成像方法，將用于聚束合成孔徑雷達的傳統(tǒng)極坐標格式成像方法發(fā)展為適用于圓跡合成孔徑雷達的三維成像方法，傳統(tǒng)極坐標格式成像方法只校正了一次越距單元離徙動項，其平面波假設(shè)造成距離彎曲，因此只能對遠場小場景進行成像，本發(fā)明在原有極坐標格式成像方法的基礎(chǔ)上，還通過方位頻域的二次濾波以及圖像域的空變?yōu)V波這兩次校正去除了二次越距離單元徙動項，較傳統(tǒng)極坐標格式成像方法，可以對更大的場景進行精確的三維成像。
文檔編號G01S13/90GK101900812SQ20091008555
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者吳一戎, 林赟, 洪文, 王彥平, 譚維賢 申請人:中國科學院電子學研究所