一種連續(xù)場景的稀疏陣列sar側(cè)視三維成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種連續(xù)場景的稀疏陣列SAR側(cè)視三維成像方法，主要包括如下步驟：首先按照三維成像算法分別對全陣回波信號(hào)和參考子陣回波信號(hào)進(jìn)行三維成像，形成全陣三維復(fù)圖像和參考三維復(fù)圖像；然后利用全陣三維復(fù)圖像和參考三維復(fù)圖像進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)以去掉散射點(diǎn)隨機(jī)初相位；接著，對重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行低通濾波；之后，在斜平面直角坐標(biāo)系中重新成像；最后將成像結(jié)果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系中。該方法使得交軌向稀疏陣列SAR系統(tǒng)在觀測連續(xù)場景時(shí)所產(chǎn)生的等效相位中心位置和數(shù)量不需要與滿陣天線相同，降低了復(fù)圖像帶寬，以較大間隔的空間稀疏采樣，實(shí)現(xiàn)了對連續(xù)場景的側(cè)視三維成像。
【專利說明】—種連續(xù)場景的稀疏陣列SAR側(cè)視三維成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種基于連續(xù)場景的稀疏陣列SAR側(cè)視三維成像方法，特別是利用機(jī)載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)交軌向較大間隔空間稀疏采樣和側(cè)視三維成像。
【背景技術(shù)】
[0002]在常規(guī)SAR實(shí)現(xiàn)了對觀測場景的二維高分辨率成像之后，如何獲得觀測對象的高程信息成為近年來SAR領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。干涉SAR通過多個(gè)接收天線或多次飛行獲取同一目標(biāo)的多幅SAR圖像，對其進(jìn)行干涉相位處理用于數(shù)字高程模型(Digital ElevationModel,DEM)反演。合成孔徑雷達(dá)三維成像技術(shù)(Three-Dimensional Synthetic ApertureRadar, 3D-SAR)是可以獲得具有三維分辨能力的圖像的一種新型微波成像技術(shù)，3D-SAR不僅可以實(shí)現(xiàn)對觀測場景的二維高分辨率成像和高程測量技術(shù)，還可以將對觀測場景的描述從二維平面提高到三維空間，極大地拓展了 SAR成像技術(shù)的性能和發(fā)展空間。
[0003]3D-SAR與2D-SAR有相同的順軌向分辨率，且其高程向分辨率近似等于2D-SAR的距離向分辨率，即3D-SAR利用傳統(tǒng)2D-SAR成像技術(shù)可以獲得高的順軌向和高程向分辨率。而3D-SAR的交軌向分辨率與交軌向陣列尺寸直接相關(guān)，為了增大交軌向分辨率需要有足夠大的交軌向孔徑，而交軌向孔徑尺寸的增大直接導(dǎo)致子陣增多、系統(tǒng)復(fù)雜以及數(shù)據(jù)量增大，為了避免上述問題，交軌向陣列可采用稀疏陣列。
[0004]成像雷達(dá)陣列天線的稀疏，為了確保圖像質(zhì)量，不僅要求系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)有較低的峰值旁瓣比，而且要求有較低的積分旁瓣比。目前的陣列稀疏化方案主要有最小冗余線列陣、對旁瓣電平有約束的稀疏陣、方向圖乘積降低柵瓣稀疏陣和能獲得滿陣相位中心的稀疏陣。由于在接收等效相位中心原理下可以產(chǎn)生新的相位中心，從而可以考慮采用模擬退火算法優(yōu)化稀疏陣列天線的位置，使在各子陣天線在多發(fā)多收條件下，所產(chǎn)生的相位中心分布情況和滿陣天線相同時(shí)，采用的真實(shí)子陣天線最少，且可以避免稀疏陣列天線峰值旁瓣比和積分旁瓣比較高的問題。
[0005]上述陣列優(yōu)化算法的缺點(diǎn)在于雖然對實(shí)際存在的子陣數(shù)目進(jìn)行了優(yōu)化稀疏，但是獲得的等效相位中心仍需要和滿陣天線相同。實(shí)際上，由于場景是連續(xù)變化的，應(yīng)具有可壓縮性，而分辨單元的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長的事實(shí)導(dǎo)致每個(gè)分辨單元隨機(jī)初相位的產(chǎn)生，這使得連續(xù)場景的可壓縮性難以體現(xiàn)，傳統(tǒng)的單孔徑SAR難以實(shí)現(xiàn)空間降采樣。采用交軌陣列天線SAR形成的多天線觀測結(jié)構(gòu)，有可能消除不同分辨單元散射點(diǎn)的隨機(jī)初始相位影響，還原連續(xù)變化地物場景的可壓縮性，降低復(fù)圖像帶寬。復(fù)圖像帶寬的減少就意味著空間采樣率可以降低，該概念不僅可用于二維成像的空間降采樣，也可考慮轉(zhuǎn)入交軌稀疏陣列三維成像空間采樣過程，并在交軌向?qū)崿F(xiàn)空間降采樣，使得交軌向陣列等效相位中心可以不必與滿陣天線相同。
[0006]側(cè)視三維成像是3D-SAR的一種重要的工作模式，研究交軌向較大間隔空間稀疏采樣方法，對實(shí)現(xiàn)側(cè)視三維成像具有重要意義。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是利用信號(hào)重構(gòu)方法去除分辨單元散射點(diǎn)的隨機(jī)初相位，降低信號(hào)帶寬，以較大間隔的空間稀疏采樣，實(shí)現(xiàn)對連續(xù)場景的側(cè)視三維成像。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種連續(xù)場景的稀疏陣列SAR側(cè)視三維成像方法。該方法主要包括以下步驟:回波信號(hào)三維成像、信號(hào)重構(gòu)、低通濾波、重新成像、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，回波信號(hào)三維成像算法是先采用二維ωΚ成像算法對每個(gè)子陣的回波信號(hào)進(jìn)行二維成像，然后對第三維高度方向成像?；夭ㄐ盘?hào)三維成像的坐標(biāo)系建立在以順軌向X，距離向r和與順軌、距離平面垂直的高度方向s為坐標(biāo)軸的斜平面直角坐標(biāo)系，該方案可以避免交軌向和距離向的耦合影響。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，信號(hào)重構(gòu)方法是用全陣三維復(fù)圖像S1的相位減去參考三維復(fù)圖像S2的相位以去除分辨單元散射點(diǎn)隨機(jī)初相位的影響，然后將得到的新復(fù)圖像信號(hào)變換至回波域。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，交軌向稀疏陣型的選擇需要滿足中間設(shè)計(jì)有三個(gè)連續(xù)子陣的條件。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程是將成像于斜平面直角坐標(biāo)系的三維圖像轉(zhuǎn)換到以順軌向X，交軌向I和高程向Z為坐標(biāo)軸的傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系中，但交軌向的坐標(biāo)值用斜距代替地距來表示。
[0013]基于連續(xù)場景，本發(fā)明突破了稀疏陣列SAR獲得的等效相位中心位置和數(shù)量需要與滿陣天線相同的限制，設(shè)計(jì)了一種連續(xù)場景的稀疏陣列SAR側(cè)視三維成像方法，相對于傳統(tǒng)的陣列稀疏優(yōu)化方法，本發(fā)明可以更加稀疏的陣列實(shí)現(xiàn)連續(xù)場景側(cè)視三維成像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的信號(hào)模型圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的信號(hào)處理流程圖；
[0016]圖3為以錐體場景為例的仿真場景圖；
[0017]圖4為以密集陣型為例的復(fù)圖像三維頻譜；
[0018]圖5為以稀疏陣型為例的復(fù)圖像三維頻譜；
[0019]圖6為以密集陣型為例的成像結(jié)果圖；
[0020]圖7為以稀疏陣型為例的成像結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明的信號(hào)模型及信號(hào)處理過程作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0022]本發(fā)明中陣列天線的等效相位中心位置和數(shù)量不必與滿陣天線的相同，可以以較大間隔稀疏布設(shè)。即假設(shè)密集陣型[111111111111111]可以等間隔稀疏2倍，成為陣型[100100100100100]。為滿足本發(fā)明的重構(gòu)處理，需構(gòu)造去除初相位所需要的三維參考復(fù)圖像，為在空間不欠采樣的情況下形成三維參考復(fù)圖像，需增設(shè)2個(gè)子陣形成稀疏陣型[100100111001001]，將中間3個(gè)連續(xù)的子陣的回波信號(hào)進(jìn)行三維成像作為三維參考復(fù)圖像，本發(fā)明采用的交軌向稀疏陣列SAR側(cè)視三維成像系統(tǒng)信號(hào)模型如圖1所示。
[0023]本發(fā)明中，為了避免三維成像時(shí)交軌向與高程向的耦合影響，將坐標(biāo)系建立在以順軌向X、距離向r以及與順軌和距離平面垂直的高度方向s為坐標(biāo)軸的坐標(biāo)系，定義為斜平面直角坐標(biāo)系。此外，實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中，可將交軌方向的水平陣列獲取的回波信號(hào)投影到與水平方向成Θ角(Θ為場景中心入射角)的直線上。圖1所示的子陣位置均表示等效相位中心位置，該模型等效于各子陣自發(fā)自收。
[0024]本發(fā)明所采用的對全陣和三天線子陣進(jìn)行三維成像的算法是首先對每個(gè)子陣的回波信號(hào)采用《K算法進(jìn)行二維成像，然后用相應(yīng)的匹配濾波方法對第三維高度方向進(jìn)行成像。該三維成像算法在現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)中多有所涉及，本發(fā)明在此處不再贅述。
[0025]兩天線復(fù)圖像由散射點(diǎn)引起的隨機(jī)初相位是近似相等的，對二維復(fù)圖像，為了去除散射點(diǎn)的隨機(jī)初相位，可利用干涉SAR的處理方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)。即對于二維信號(hào)重構(gòu)，可以用其中一個(gè)天線的復(fù)圖像作為參考復(fù)圖像，用其他天線的復(fù)圖像相位減掉參考復(fù)圖像的相位，將新信號(hào)變換至回波域后得到的信號(hào)就是二維重構(gòu)信號(hào)。同樣的信號(hào)處理思路可用于三維成像，對交軌向陣列SAR系統(tǒng)而言，構(gòu)造去除初相位所需的三維參考復(fù)圖像，可利用如圖1所示的系統(tǒng)陣列中間的三個(gè)連續(xù)子陣(三個(gè)子陣為三維成像所需的最小陣列結(jié)構(gòu))的回波數(shù)據(jù)作為參考回波數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行三維成像處理，并設(shè)為三維參考復(fù)圖像S2。對陣列中全部子陣獲得的回波信號(hào)進(jìn)行三維成像處理，形成全陣三維復(fù)圖像以三維參考復(fù)圖像S2作為參考，讓三維復(fù)圖像S1的相位減去三維復(fù)圖像S2的相位后，信號(hào)的三維譜寬已經(jīng)變窄，將該三維復(fù)圖像變換至回波域后形成重構(gòu)的三維回波信號(hào)，經(jīng)低通濾波后可用于三維成像處理。
[0026]信號(hào)處理流程如圖2所示，信號(hào)處理的的基本過程是首先對全陣回波信號(hào)和參考子陣回波信號(hào)分別按前文所述的三維成像算法進(jìn)行三維成像，分別形成全陣三維復(fù)圖像S1和參考三維復(fù)圖像S2,然后用全陣三維復(fù)圖像S1的相位減去參考三維復(fù)圖像S2的相位并變換至回波信號(hào)域形成重構(gòu)信號(hào)，重構(gòu)信號(hào)經(jīng)過三維低通濾波濾除不必要的高頻分量后在斜平面直角坐標(biāo)系中重新成像，最后將成像結(jié)果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系中，進(jìn)行誤差分析。特別要說明的是，此處傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系的y軸不是用地距而是用斜距表示的。
[0027]在觀測場景具有連續(xù)性且分辨率要求不高的情況下，三維成像時(shí)在順軌向和距離向也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕挡蓸印?br> [0028]本發(fā)明的信號(hào)重構(gòu)方法采用錐體仿真實(shí)驗(yàn)作為具體實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證，圖3為以錐體場景為例的仿真場景圖，其中(a)為y軸用地距表示的仿真場景，(b)為y軸用斜距表示的仿真場景。如圖3(a)所示的目標(biāo)場景的大小為15mX 15m,場景中心為一個(gè)半徑4m高2m的圓錐體，為了將成像結(jié)果與仿真場景進(jìn)行對比，圖3(b)顯示了傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系的y軸用斜距表示的仿真場景。具體的系統(tǒng)參數(shù)如下:載機(jī)高度為500m，飛行速度為50m/s，側(cè)視的場景中心入射角為35°，發(fā)射的線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬為400Hz，脈沖寬度為2 μ S，脈沖重復(fù)頻率為600Hz，陣列排布在交軌方向，水平放置，即基線傾角為0°。
[0029]仿真實(shí)例中如上所述的仿真參數(shù)得到的三維分辨率約為0.15m(順軌向)X 2m(機(jī)下點(diǎn)交軌向)X0.375m(高程向)。
[0030]圖4為以密集陣型[111111111111111]為例的復(fù)圖像三維頻譜，其中(a)為密集陣型成像三維頻譜，(b)為重構(gòu)信號(hào)成像三維頻譜；圖5為以稀疏陣型[100100111001001]為例的復(fù)圖像三維頻譜，其中(a)為稀疏陣型成像三維頻譜，(b)為重構(gòu)信號(hào)成像三維頻
-1'TfeP曰。
[0031]如圖4和圖5所示的重構(gòu)前后信號(hào)帶寬對比說明當(dāng)觀測場景具有連續(xù)性，在三維復(fù)圖像域去除不同分辨單元散射點(diǎn)的隨機(jī)初始相位影響后，盡管參考三維復(fù)圖像的交軌分辨率較低，回波信號(hào)的交軌向譜寬仍可以下降，交軌向的子陣可以較大間隔稀疏布設(shè)。
[0032]圖6為以密集陣型[111111111111111]為例的成像結(jié)果圖。圖7為以稀疏陣型[100100111001001]為例的成像結(jié)果圖，其中(a)為稀疏陣型直接成像結(jié)果，(b)為基于信號(hào)重構(gòu)的稀疏陣型成像結(jié)果。由圖7(a)可以看出由于稀疏陣列的高副瓣影響，稀疏陣列的成像結(jié)果不甚理想，出現(xiàn)很多的尖峰值。而對比圖6和圖7(b)可以看出基于信號(hào)重構(gòu)的稀疏陣型成像結(jié)果與密集陣型的成像結(jié)果接近，沒有高副瓣的現(xiàn)象。
[0033]本發(fā)明采用最小平均距離作為客觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對仿真實(shí)例中
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)場景的稀疏陣列合成孔徑雷達(dá)SAR側(cè)視三維成像方法，包括: (1)按照三維成像算法分別對全陣回波信號(hào)和參考子陣回波信號(hào)進(jìn)行三維成像，形成全陣三維復(fù)圖像S1和參考三維復(fù)圖像S2 ； (2)信號(hào)重構(gòu)以去掉散射點(diǎn)隨機(jī)初相位； (3)對重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行低通濾波； (4)在斜平面直角坐標(biāo)系中重新成像； (5)將成像結(jié)果坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系中。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述三維成像算法是首先對每個(gè)子陣的回波信號(hào)采用《K算法進(jìn)行二維成像，然后用相應(yīng)的匹配濾波方法對第三維高度方向進(jìn)行成像。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(2)中信號(hào)重構(gòu)包括:利用系統(tǒng)陣列中的三個(gè)連續(xù)子陣的回波數(shù)據(jù)作為參考回波數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行三維成像處理，并設(shè)為三維參考復(fù)圖像S2 ;對陣列中全部子陣獲得的回波信號(hào)進(jìn)行三維成像處理，形成全陣三維復(fù)圖像S1 ；以三維參考復(fù)圖像S2作為參考，讓全陣三維復(fù)圖像S1的相位減去三維參考復(fù)圖像S2的相位后，將得到的三維復(fù)圖像變換至回波域后形成重構(gòu)的三維回波信號(hào)，經(jīng)低通濾波后得到重構(gòu)信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述三維參考復(fù)圖像按照以下方式被構(gòu)造:假設(shè)密集陣型[111111111111111]等間隔稀疏2倍，成為陣型[100100100100100]，增設(shè)2個(gè)子陣形成稀疏陣型[100100111001001]，將中間三個(gè)連續(xù)的子陣的回波信號(hào)進(jìn)行三維成像作為三維參考復(fù)圖像。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述斜平面直角坐標(biāo)系為坐標(biāo)軸建立在順軌向X，距離向r，以及與順軌和距離平面垂直的高度方向S上。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于成像時(shí)還需將交軌方向的水平陣列獲取的回波信號(hào)投影到與水平方向成Θ角的直線上，其中Θ為場景中心入射角。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系的I軸用斜距表示。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在觀測場景具有連續(xù)性的情況下，三維成像時(shí)陣列天線SAR可以在順軌向和距離向進(jìn)行降采樣。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK103869312SQ201210537094
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月12日
【發(fā)明者】李道京, 張清娟, 李烈辰 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所