弧形陣列mimo-sar的成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種弧形陣列MIMO-SAR的成像方法，包括以下步驟：步驟S1：根據(jù)弧形陣列MIMO-SAR的信號(hào)收發(fā)工作體制，將弧形陣列MIMO-SAR成像回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為距離頻域信號(hào)；步驟S2：對(duì)距離頻域信號(hào)進(jìn)行陣列向角度域補(bǔ)零操作，生成補(bǔ)零后的距離頻域-角度時(shí)域信號(hào)；步驟S3：對(duì)距離頻域-角度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行弧形陣列向傅里葉變換，獲得二維頻域信號(hào)；步驟S4：對(duì)二維頻域信號(hào)進(jìn)行成像處理，獲得觀測(cè)區(qū)域的距離-角度二維圖像。本發(fā)明的成像方法基于頻域積分能夠?qū)⌒侮嚵械某上窕夭〝?shù)據(jù)進(jìn)行的高精度的成像處理，具有良好的適應(yīng)性，其通過對(duì)觀測(cè)區(qū)域不同半徑上的目標(biāo)進(jìn)行成像獲得整個(gè)觀測(cè)區(qū)域的二維圖像。
【專利說明】弧形陣列MIMO-SAR的成像方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波成像技術(shù)對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，具體地，涉及一種弧形陣列MIMO-SAR的 成像方法

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的目視、光學(xué)或紅外等措施的受地形、天氣和晝夜等因素的影響較大，不具備 全天候和全天時(shí)的工作能力，弧形陣列MIMO-SAR(Multi-I噸Ut Multi-〇u1:put Synthetic Aperture Radar,多輸入多輸出合成孔徑雷達(dá)，簡(jiǎn)稱MIMO-SAR，即本發(fā)明的MIMO-SAR)成像 不僅能夠穿透煙、霧、云層和浮塵等，W及不受天氣和氣候影響，而且能夠?qū)︼w機(jī)前下方區(qū) 域進(jìn)行實(shí)時(shí)高分辨率成像，還能為飛機(jī)的著陸、偵察、搜救和起飛提供真實(shí)的地面信息，增 強(qiáng)飛機(jī)的導(dǎo)航和運(yùn)輸救援能力；此外，采用特定工作頻段，其雷達(dá)系統(tǒng)輕量和小型化易于實(shí) 現(xiàn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)與平臺(tái)的適應(yīng)性。
[0003] 與常規(guī)陣列天線前視成像相比，該系統(tǒng)能夠有效避免常規(guī)陣列成像觀測(cè)范圍受單 個(gè)陣元天線的波束寬度問題，能夠?qū)崿F(xiàn)大視場(chǎng)范圍成像觀測(cè)；此外，采用弧形陣列構(gòu)型和多 發(fā)多收構(gòu)型，其陣列向分辨率不隨波束范圍增大而降低，能保持相對(duì)穩(wěn)定；其次，采用多發(fā) 多收構(gòu)型，平臺(tái)相對(duì)靜止時(shí)，系統(tǒng)仍然可W實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)周圍環(huán)境，甚至是360°全方位場(chǎng)景 進(jìn)行微波成像感知；系統(tǒng)能夠?qū)︼w機(jī)周圍區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)高分辨率成像，還能為飛機(jī)的著陸、 偵察、搜救和起飛提供真實(shí)的地面信息，增強(qiáng)飛機(jī)的導(dǎo)航和運(yùn)輸救援能力。
[0004] 德國(guó)宇航局值LR)的Mittermayer等人最早提出了線性陣列天線前視成像機(jī)制， 隨后，DLR高頻技術(shù)研究所和德國(guó)Karlsruhe大學(xué)等合作開展用于視景增強(qiáng)的新型成像雷 達(dá)SIREV的研究，通過改進(jìn)的ECS算法，獲得了質(zhì)量良好的二維微波圖像，但由于其孔徑合 成形式為線性，因此，無法應(yīng)用于弧形陣列MIMO-SAR成像處理。
[0005] 國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所、電子科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等單位研 究人員已圍繞機(jī)載線性陣列天線前視成像模式開展了二維和H維成像處理方法的研究，但 同樣只能適用于線性陣列MIMO-SAR成像，不能對(duì)弧形陣列MIMO-SAR成像回波數(shù)據(jù)進(jìn)行高 精度二維成像處理，因此，無法適用于弧形陣列MIMO-SAR成像。
[0006] 綜上所述，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有方法主要為W線性陣列天線為主的成像處理方法，由于成 像機(jī)制的不同，現(xiàn)有方法無法直接應(yīng)用于弧形陣列MIMO-SAR成像。目前，國(guó)內(nèi)外有針對(duì)弧 形陣列MIMO-SAR成像的二維成像處理方法。
[0007] 非專利文獻(xiàn)：
[0008] 非專利文獻(xiàn) 1 ;S. Buckreuss, G. Krieger, J. Mittermayer, et al. Final 民eport:SI民EV-Development of a Functional Model. Germany, Oberp-faffenhofen:e. DLR-Beauftragter, 2000:154.
[0009] 非專利文獻(xiàn) 2 :T. Sutor, F. Witte, A. Moreira. New sector imaging radar for enhanced vision-SI肥V. F^roceedings of SPIE, 1999, 3691:39-47.
[0010] 非專利文獻(xiàn) 3 :G. Krieger, J. Mittermayer, S. Buckreuss, et al. Sector imaging radar for enhanced vision. Aerospace Science and Technology, 2003, 2003 (7):147-15 8.
[0011] 非專利文獻(xiàn)4;杜磊.陣列天線下視合成孔徑雷達(dá)H維成像模型、方法與實(shí)驗(yàn)研 究.[博±學(xué)位].中國(guó)科學(xué)院研究生院，2010.
[0012] 非專利文獻(xiàn)5 ;張英杰.機(jī)載前視陣列成像模型與方法研究.[碩±學(xué)位].北京： 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2013.
[0013] 非專利文獻(xiàn)6 ;Y. J. Siang, W. X. Tan, Y. P. Wang, W. Hong, Analysis and correction of the doppler frequency shift of forward looking array FMCW SAR, IET Radar Conference2013.
[0014] 非專利文獻(xiàn)7 ;楊曉琳.線陣成像雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及幅相誤差一致性校正方法研 究.[博±學(xué)位].中國(guó)科學(xué)院研究生院，2014.
[00巧]非專利文獻(xiàn)8 ;師君.雙基地SAR與線陣SAR原理及成像技術(shù)研究.[博±論 文].電子科技大學(xué)，2009.
[0016] 非專利文獻(xiàn) 9 ;J.化i, X. L Siang, J. Y. Yang. Radix-N Resolution-Fusion for LASAR via Orthogonal Complement Decomposition.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2009, 6(I):147-151.
[0017] 非專利文獻(xiàn)10 ;梁毅，井偉，邢孟道.一種下視H維FMCW SAR成像的新方法.自 然科學(xué)進(jìn)展，2009, 19巧）：575-584.
[0018] 現(xiàn)有技術(shù)的最主要技術(shù)缺陷在于；現(xiàn)有的成像處理方法主要針對(duì)線性陣列 MIMO-SAR成像回波數(shù)據(jù)，由于線性陣列為直線孔徑，而弧形陣列為弧線孔徑，相應(yīng)的成像處 理方法無法應(yīng)用；現(xiàn)有方法在陣列成像中通常采用二次化ilor展開，忽略了高次相位的影 響，不利于實(shí)現(xiàn)近距離高精度成像處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 本發(fā)明所要解決的問題是現(xiàn)有成像處理方法主要針對(duì)線性陣列MIMO-SAR成 像回波數(shù)據(jù)，無法適用于對(duì)弧形陣列的成像回波數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，提供一種弧形陣列 MIMO-SAR的成像方法。
[0020] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種弧形陣列MIMO-SAR的成像方法，包括W下步 驟：
[002。 步驟Sl ;根據(jù)弧形陣列MIMO-SAR的信號(hào)收發(fā)工作體制，將弧形陣列MIMO-SAR成 像回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為距離頻域信號(hào)；
[0022] 步驟S2 ;對(duì)距離頻域信號(hào)進(jìn)行陣列向角度域補(bǔ)零操作，生成補(bǔ)零后的距離頻 域-角度時(shí)域信號(hào)；
[0023] 步驟S3 ;對(duì)距離頻域-角度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行弧形陣列向傅里葉變換，獲得二維頻域 信號(hào)；
[0024] 步驟S4 ;對(duì)二維頻域信號(hào)進(jìn)行成像處理，獲得觀測(cè)區(qū)域的距離-角度二維圖像。 [00巧]作為優(yōu)選，步驟Sl進(jìn)一步包括：
[0026] 步驟Sll ;在弧形陣列MIMO-SAR采用調(diào)頻連續(xù)波工作體制的情況下，通過逆傅里 葉變換、剩余視頻相位補(bǔ)償和傅里葉變換獲取距離頻域信號(hào)。
[0027] 作為優(yōu)選，步驟Sll進(jìn)一步包括：
[002引步驟Slll ;通過式（1)對(duì)弧形陣列MIMO-SAR的成像回波信號(hào)Sp"(t，0 )沿距離 向進(jìn)行逆傅里葉變換W獲取距離域信號(hào)Sp"(rr，0 )，則采用調(diào)頻連續(xù)波工作體制情況下 的距離域信號(hào)SpMcw(rr，0 )為：
[002引 8剛"(巧白）=/*5剛"(1:，白）6又口0231；0壯 （1)
[0030] 其中，t表示距離向波傳播時(shí)間變量，rr表示對(duì)應(yīng)距離向波傳播時(shí)間變量t的距離 變量，0表示弧形陣列天線等效采樣點(diǎn)，f表示對(duì)應(yīng)距離向波傳播時(shí)間變量t的頻域變量， f與t之間的關(guān)系為f = ft+Kft，Kf為信號(hào)調(diào)頻率，f。為系統(tǒng)工作頻率，j為復(fù)數(shù)標(biāo)志； [003。 步驟S112 ;通過式似對(duì)距離頻域信號(hào)S?(rr，0 )進(jìn)行剩余視頻相位補(bǔ)償，獲得 距離域信號(hào)Sp"_c?(rr，0)，其中，
[0032] Sp腳-Com (rr,日）-5。勵(lì)(rr,日）(rr)似
[0033] 其中，He。。(rr)為剩余視頻相位補(bǔ)償函數(shù)，W式（3)表示剩余視頻相位補(bǔ)償函數(shù) Hcom (rr)?

【權(quán)利要求】
1. 一種弧形陣列MMO-SAR的成像方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟Sl:根據(jù)所述弧形陣列MMO-SAR的信號(hào)收發(fā)工作體制，將弧形陣列MMO-SAR成 像回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為距離頻域信號(hào)； 步驟S2:對(duì)所述距離頻域信號(hào)進(jìn)行陣列向角度域補(bǔ)零操作，生成補(bǔ)零后的距離頻 域-角度時(shí)域信號(hào)； 步驟S3 :對(duì)所述距離頻域-角度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行弧形陣列向傅里葉變換，獲得二維頻域 信號(hào)； 步驟S4 :對(duì)所述二維頻域信號(hào)進(jìn)行成像處理，獲得觀測(cè)區(qū)域的距離-角度二維圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步驟Sl進(jìn)一步包括： 步驟Sll:在弧形陣列MIMO-SAR采用調(diào)頻連續(xù)波工作體制的情況下，通過逆傅里葉變 換、剩余視頻相位補(bǔ)償和傅里葉變換獲取所述距離頻域信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像方法，其特征在于，所述步驟Sll進(jìn)一步包括： 步驟Slll:通過式（1)對(duì)所述弧形陣列MMO-SAR的成像回波信號(hào)SFM(t，Θ)沿距離 向進(jìn)行逆傅里葉變換以獲取所述距離域信號(hào)SFM"(rr，Θ)，則采用所述調(diào)頻連續(xù)波工作體 制情況下的所述距離域信號(hào)SFM"(rr，Θ)為： Sfmcw(rr，Θ)=/tSFMCW(t,Θ)exp(j2πf)df(I) 其中，t表示距離向波傳播時(shí)間變量，rr表示對(duì)應(yīng)距離向波傳播時(shí)間變量t的距離變 量，Θ表示弧形陣列天線等效采樣點(diǎn)，f表示對(duì)應(yīng)距離向波傳播時(shí)間變量t的頻域變量，f 與t之間的關(guān)系為f= K1^為信號(hào)調(diào)頻率，f。為系統(tǒng)工作頻率，j為復(fù)數(shù)標(biāo)志； 步驟S112:通過式（2)對(duì)所述距離頻域信號(hào)SFM(rr，Θ)進(jìn)行剩余視頻相位補(bǔ)償，獲得 距離域信號(hào)Sfkwcmi(rr,Θ)，其中， Sfmcw-com(rr，9 ) -Sfmcw (rr,θ)Hcom (rr) (2) 其中，Η?！?rr)為剩余視頻相位補(bǔ)償函數(shù)，以式⑶表示所述剩余視頻相位補(bǔ)償函數(shù)Hcom (rr),
其中，C為電磁波傳播速度； 步驟S113:對(duì)所述距離域信號(hào)SFM&)m(rr，Θ)進(jìn)行傅里葉變換，獲得補(bǔ)償后的所述距 離頻域信號(hào)Sm(f，Θ)，
其中，rn為目標(biāo)Pn到弧形陣列天線等效采樣點(diǎn)的距離（Θ，Rm。，hj，η為自定義整數(shù)變 量，Pn為第η個(gè)目標(biāo)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步驟Sl進(jìn)一步包括： 步驟S12 :在弧形陣列MIMO-SAR采用調(diào)頻脈沖工作體制的情況下，通過傅里葉變換和 匹配濾波獲取所述距離頻域信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的成像方法，其特征在于，所述步驟S12進(jìn)一步包括： 步驟S121 :通過式（5)對(duì)所述弧形陣列MIMO-SAR的成像回波信號(hào)SFM(t，Θ)沿距離向 進(jìn)行傅里葉變換以獲取所述距離頻域信號(hào)Sfm (f，Θ)，采用所述調(diào)頻脈沖工作體制情況下的 所述距離域信號(hào)Sfm (rr，Θ)為：
其中，t表示距離向波傳播時(shí)間變量，f表示對(duì)應(yīng)距離向波傳播時(shí)間變量t的頻域變量，f與t之間的關(guān)系為f=f；+K,t，f。=C/λ。為系統(tǒng)工作頻率，K,為信號(hào)調(diào)頻率，θ表示弧 形陣列天線等效采樣點(diǎn)，C為電磁波傳播速度，rn為目標(biāo)到弧形陣列天線等效采樣點(diǎn)的距 離（Θ，Rarc,Iitl)，ft表示對(duì)應(yīng)距離向波傳播時(shí)間變量t的頻域變量； 步驟S122:通過式（6)獲得匹配濾波后的距離頻域信號(hào)SM(f，Θ)，
其中，HMat(ft)為匹配濾波函數(shù)，ft表示對(duì)應(yīng)距離向波傳播時(shí)間變量t的頻域變量，Θ表示弧形陣列天線等效采樣點(diǎn)，f= (f；+ft)表示距離頻域變量，所述匹配濾波函數(shù)HMat(ft) 為式⑵所示，
6. 根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的成像方法，其特征在于，所述步驟Sl進(jìn)一步包括： 步驟13 :將所述式⑷或式（6)重寫為式（8)
其中，Rm。為弧形陣列MMO-SAR成像等效采樣點(diǎn)半徑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的成像方法，其特征在于，所述步驟S2進(jìn)一步包括： 步驟S21:對(duì)所述距離頻域信號(hào)SM(f，Θ)所述距離頻域信號(hào)沿角度Θ方向在數(shù)據(jù)兩端 進(jìn)行分別補(bǔ)充隊(duì)/2個(gè)"0"，生成所述距離頻域-角度時(shí)域信號(hào)，式（9)為補(bǔ)零總數(shù)目Ntl,
其中，ΘΑ為弧形發(fā)射陣列天線和弧形接收陣列天線獨(dú)立天線陣元的波束寬度， △0Inteval為所述弧形接收陣列天線任意相鄰獨(dú)立天線陣元口面幾何中心之間的水平角度 間距。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像方法，其特征在于，所述步驟S4進(jìn)一步包括： 步驟S41 :通過式（10)根據(jù)成像觀測(cè)水平面最近距離和成像觀測(cè)水平面最遠(yuǎn)距離，生 成不同觀測(cè)區(qū)域不同半徑上的弧形陣列向匹配函數(shù)h(f，Θ，Γ)，
其中，
其中，和分別為成像觀測(cè)水平面最近距離和成像觀測(cè)水平面最遠(yuǎn)距離，hQ為 弧形陣列天線高度，zMf表示設(shè)定的觀測(cè)區(qū)域參考高度，03表示待成像區(qū)域?qū)?yīng)的弧形陣 列角度采樣值，θηΜ?表示目標(biāo)參考角度，通過式（15)表達(dá)
弧形陣列天線的孔徑角大小為Stl,Pg表示地距分辨率，0in。表示發(fā)射陣列天線和弧 形接收陣列天線的入射角，為信號(hào)帶寬； 步驟S42 :對(duì)所述弧形陣列向匹配函數(shù)h(f，Θs，r)沿陣列向進(jìn)行傅里葉變換，得到二 維頻域弧形陣列向匹配函數(shù)H(f，fe，r); 步驟S43 :通過將步驟S3獲得的所述二維頻域信號(hào)SM(f，fΘs)乘以步驟S42所獲得的 所述二維頻域弧形陣列向匹配函數(shù)的共軛，從而進(jìn)行共軛匹配濾波，以獲得匹 配濾波后的二維頻域信號(hào)￠/,; 步驟S44 :對(duì)步驟S43獲得的所述匹配濾波后的二維頻域信號(hào)SM/ ￠/,.4,r)沿f方 向進(jìn)行積分獲得8λ_〔/；·;ι，ιγ); 步驟S45 :陣列向逆傅里葉變換,對(duì)步驟S44獲得的移歸(雇,r)沿我方向進(jìn)行逆傅里 葉變換，獲得觀測(cè)區(qū)域的距離-角度二維圖像e (Θs，r)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述成像方法進(jìn)一步包括： 步驟S5 :對(duì)所述距離-角度二維圖像進(jìn)行坐標(biāo)變換，該步驟進(jìn)一步包括步驟S51 :通過 式（16)設(shè)定圖像插值采樣間距，
步驟S52 :根據(jù)觀測(cè)區(qū)域生成觀測(cè)區(qū)域的圖像幾何空間位置坐標(biāo)（xms，yms)，并根據(jù)式 (17)選定插值核長(zhǎng)度Ninto和半插值核長(zhǎng)度為Nmnte,
Ninter為插值核長(zhǎng)度，Ninter取5?17中的任一個(gè)奇數(shù)；半插值核長(zhǎng)度為 步驟S53 :令初始時(shí)，msx= 1，msy= 1 ; 步驟S55:通過式（19)計(jì)算待插值點(diǎn)（xmsx，ymsy)的角度-距離坐標(biāo)（Θsms，r_s)，
步驟S56 :通過式（20)確定待插值距離-角度二維圖像Id(ΘsintOT，rsintOT)，
其中，θ min = _( θ Cl+ θ A)/2 ; 貝Ij相應(yīng)的可以獲得NintwXNinte大小的圖像用于進(jìn)行（xms，yj坐標(biāo)處的圖像值求解； 步驟S57 :通過式（21)和（22)根據(jù)步驟S54的得到的距離-角度二維圖像Ι?θ (Θs inter，rsintJ進(jìn)行插值計(jì)算，
步驟S58 :若msyKMxY，令msy加1，繼續(xù)執(zhí)行步驟S55 ;若msy彡Mxy，繼續(xù)執(zhí)行步驟S59 ; 步驟S59 :若msxCMxY，令msx加1，繼續(xù)執(zhí)行步驟S54 ;若msx彡Mxy,則進(jìn)行圖像輸出。 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的成像方法，其特征在于，所述步驟S59進(jìn)一步包括： 進(jìn)行幅度圖像輸出；和/或 進(jìn)行單視復(fù)圖像輸出。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK104237888SQ201410556864
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】黃平平, 譚維賢, 洪文 申請(qǐng)人:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)