专利名称：一种多航过圆周sar三维成像方法
技术领域：
本发明属于雷达成像技术领域，它特别涉及了合成孔径雷达(SAR)成像技术领域。
背景技术：
合成孔径雷达(SAR)是一种具有全天候、全天时工作能力的微波成像系统，它能够在环境恶劣的情况下得到较为优秀的成像结果，因此它在民用和军用方面的地位是不可替代的，是进行地形测绘和军事侦察等方面应用的有效手段。它利用雷达平台沿着航迹向运动形成虚拟天线阵列合成孔径来获得航迹向的分辨率，利用脉冲压缩技术获得斜距向分辨率。三维合成孔径雷达(SAR)是一种新型合成孔径雷达技术。三维合成孔径雷达成像系统的基本原理是通过形成虚拟天线面阵以获得二维分辨力，再结合距离压缩技术得到距·离向的聚焦能力，从而得到对成像区域的三维聚焦结果。SAR三维成像技术是SAR成像系统区别于其他遥测遥感系统的重要特征，由于其测绘范围广、具有三维成像能力等特点，在地形测绘、环境检测、灾害预测等方面具有广阔的应用场景。当前三维SAR成像技术主要有干涉SAR (InSAR)技术、线阵SAR (LASAR)技术和曲线SAR技术(CLSAR)。圆周合成孔径雷达(CSAR)是在航迹向和切航迹向形成圆周孔径的一种特殊的曲线合成孔径雷达模式。该模式是利用天线平台绕着场景中心旋转飞行形成圆周轨迹，同时照射成像场景，再通过对收集到的回波数据进行处理来得到成像结果。由于圆周合成孔径雷达可以对场景进行360度观测，获得成像场景中散射点的全角度散射信息，该模式主要应用于对隐蔽目标的侦测以及特定区域的全方位侦查。文献MehrdadSoumekh “Reconnaissance with Slant Plane Circular SAR Imaging，， 及 AkiraIshimaru, Tsz-king Chan and Yasuo Kuga “An Imaging Technique Using ConfocalCircular Synthetic Aperture Radar”都对圆周SAR成像系统进行了分析,并提出了相应的成像算法。在实际的观测中，圆周合成孔径雷达方位向的相关角度无法达到360度的范围，根据实验可以得出圆周合成孔径雷达的方位向相关角度不超过20度，因此圆周合成孔径雷达三维成像能力较差。为了提高圆周合成孔径雷达的三维分辨率，Matthew Ferrara等人在文献“Enhancement of Multi-pass 3D Circular SAR Images Using SparseReconstruction Techniques”中对多航过圆周合成孔径雷达模式进行了分析。多航过圆周合成孔径雷达是雷达运动平台沿不同的高度平面进行多次圆周飞行，在高度向形成合成孔径以获得高度向的分辨率力的一种雷达运动模式。由于传统的圆周合成孔径雷达成像算法相干角度无法达到360度，划分子孔径的办法将会导致图像出现高旁瓣。
发明内容
本发明的目的是针对现有的圆周SAR中场景散射点无法在360度的观测角度内保持相关性，导致三维分辨率下降，并且划分子孔径的办法将会引起图像出现高旁瓣的缺点，提出了基于特征增强图像形成(Feature-Enhanced Image Formation)的一种多航过圆周SAR三维成像方法，采用本发明的方法可以有效的降低旁瓣，提高分辨率。为了方便描述本发明的内容，首先做以下术语定义定义I、圆周三维成像合成孔径雷达圆周合成孔径雷达是利用运动平台绕着场景中心旋转飞行形成圆周轨迹，在航迹向和切航迹向形成圆周孔径，可以对观测区域进行三维成像的合成孔径雷达系统。定义2、三维合成孔径雷达成像空间
三维合成孔径雷达成像空间是指运用成像算法由三维合成孔径雷达数据空间所得到的三维合成孔径雷达的图像空间。定义3、三维合成孔径雷达数据空间三维合成孔径雷达数据空间是指三维合成孔径雷达回波数据所构成的回波信号空间。定义4、快时间与慢时间慢时间是指收发平台飞过一个飞行孔径所需要的时间，由于雷达以一定的脉冲重复周期I；发射接收脉冲，在第O个发射脉冲时刻，慢时间可以表示为一个离散化的时间变量1^(0) = σ Tr, σ = 1，2，…，Na, Na表示为一个合成孔径内慢时间的离散个数。快时间是指雷达发射接收脉冲的一个周期的时间，由于雷达接收回波是以采样率仁进行采样，在第ξ个采样时刻，快时间可以表示为一个离散化的时间变量~(€)=I/fs, m = I, 2, - ,Nr,队表示为一个脉冲重复周期I；内快时间的离散个数。定义5、合成孔径雷达标准距离压缩方法合成孔径雷达标准距离压缩方法是指利用合成孔径雷达发射信号参数，采用匹配滤波技术对合成孔径雷达的距离向信号进行滤波的过程。详见文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。定义6、去调频方法去调频方法又称为STRETCH处理法、宽带压缩法或时频转换法，是针对线性调频信号提出的一种信号处理方法，在接收端设置一个参考函数，以场景中心为参考点，将参考函数与接收信号在时域共轭相乘，实现去调频。定义7、合成孔径雷达发射机 合成孔径雷达发射机是指目前合成孔径雷达采用的向观测区域发射电磁信号的系统，主要包括信号发生器、混频器、放大器等模块。定义8、合成孔径雷达接收机合成孔径雷达接收机是指目前合成孔径雷达采用的接收观测区域回波的系统，主要包括混频器、放大器、模/数转换器、存储设备等。定义9、三维合成孔径雷达成像空间三维合成孔径雷达成像空间是指运用成像算法由三维合成孔径雷达数据空间所得到的三维合成孔径雷达的图像空间。定义10、diag ( ·)与 In ( ·)diag (a” a2,…，aM)表不对角兀素为a” a2,…，aM的MXM维方阵，其中a” a2,…，aM均为数域C上的数。定义11、向量范数
设映射I I · I I :Cn—R 满足:(I)正定条件，Ilxll彡0，当且仅当X = O时I Ixl I = O ；(2)齐次条件，I I λχ I = I λ I I X I，λ G C,x e Cn ；(3)三角不等式，I x+y | ( | x | + | |y|，汾，j.’e CS 则称映射 | | ·| *Cn 上向量X的范数。定义Li范数和L2范数为IHI1=EKI Μ=(ΣΚΙ2)1/2。定义12、直角坐标系和极坐标系三维直角坐标系通常由三个相互垂直的坐标轴组成，通常三个坐标轴称为X轴、y轴和ζ轴，三个坐标轴交于一点称为原点。极坐标系的坐标用CaA炉)表示，其中P便是距离原点的距离，θ表示距离X轴的角度，《 表示距离ζ轴的角度。极坐标系与直角坐标系的坐标对应关系为X = P cos cos (p，y = p sin Θ cos φ，ζ = ρ sin ￠9。定义13、快速傅里叶变换(FFT)快速傅里叶变换是离散傅里叶变换的快速算法，离散傅里叶变换的公式为
权利要求
1. 一种多航过圆周SAR三维成像方法，其特征它包括以下步骤 步骤I、初始化圆周三维成像合成孔径雷达成像系统参数以及特征增强图像形成方法参数 初始化成像系统参数包括雷达发射电磁波的载频，记做f。；雷达发射电磁波的带宽，记做BW;雷达运动平台的飞行半径，记做R;雷达运动平台的方位角，记做Θ ;雷达运动平台的俯仰角，记做P ;电磁波的传播速度，记做C ;雷达在方位维的观测范围，记做Θ w ;雷达原始回波数据，记做获溝达快时间采样点数，记做K ;雷达慢时间采样点数，记做Np ;多航过雷达飞行模式航过次数，记做L ;观测场景在距离向的观测范围，记做Wx ;观测场景在方位向的观测范围，记做Wy ;观测场景在高度向的观测范围，记做Wz ;回波数据在波数域插值界限，记做B ;观测场景像素划分间隔，记做Aw ;观测场景的中心点，记做O ;其中，雷达发射电磁波的载频，雷达发射电磁波的带宽，电磁波的传播速度在雷达系统的设计过程中均已确定，雷达运动平台的飞行半径，雷达运动平台的方位角，雷达运动平台的俯仰角，合成孔径雷达在方位维的观测范围，观测场景在距离向、方位向和高度向的观测范围，多航过雷达飞行模式航过次数，回波数据在波数域插值界限，观测场景像素划分间隔在预先确定观测方案中为均为已知； 初始化的特征增强图像形成方法参数包括拉格朗日乘数，记做λ ;特征增强图像形成算法误差门限，记做Λ ;共轭梯度算法求解误差门限，记做ε ;共轭梯度算法最大迭代次数，记做cgnum ;特征增强图像形成方法最大迭代次数,记做itenum ;初始解向量,记做f to);LI范数逼近常数，记做η ;其中，拉格朗日常数特征增强图像形成算法误差门限Λ，共轭梯度算法求解误差门限ε，共轭梯度算法最大迭代次数cgnum，特征增强图像形成方法最大迭代次数itenum, LI范数逼近常数Π ,初始解向量f(°)均为已知； 步骤2、构建多航过圆周三维成像合成孔径雷达的运动模型 以场景中心点O为原点，以地面为xy平面，以高度向为z轴，构建空间直角坐标系，雷达运动平台以[O, O, Z1], [O, O, z2],…，[O, O, ζτ],…[O, O, zj为圆心做半径为R的圆周运动，其中为雷达运动平台飞行高度，合成孔径雷达运动平台不同高度平面编号为τ，取值范围是τ = 1，2，…，L，其中Z1为第I次时合成孔径雷达雷达运动平台飞行高度，Z2为第2次合成孔径雷达运动平台飞行高度，…，ζτ为第τ次合成孔径雷达运动平台飞行高度，…，为第L次合成孔径雷达运动平台飞行高度，L为步骤I中多航过雷达飞行模式航过次数，R为步骤I中雷达运动平台的飞行半径； 步骤3、圆周三维成像合成孔径雷达原始数据进行距离压缩 采用传统的合成孔径雷达距离压缩方法对步骤I中提供合成孔径雷达距离向回波数据A进行压缩，得到距离压缩后的圆周三维成像合成孔径雷达数据，记做戽，其中A为步骤I中雷达原始回波数据；距离压缩后的圆周三维成像合成孔径雷达数据具是一个三维数组，包括距离维、沿航迹维、高度维； 步骤4、获取圆周三维成像合成孔径雷达波数域的回波数据 对步骤3得到的距离压缩后的圆周三维成像合成孔径雷达数据萬中的每个距离维的数据进行传统的一维快速傅里叶变换(FFT)，得到圆周三维成像合成孔径雷达波数域的回波数据，该数据是一个三维数组，记做力巧，€肩:，文1(/ ,* 肩)表示极坐标下三维空间波数域的数据，包括波数维、方位角维和俯仰角维，Pk表示合成孔径雷达回波数据在波数域中波数数据，Θ i表示合成孔径雷达回波数据在波数域中方位角数据，P,表示合成孔径雷达回波数据在波数域中俯仰角数据，其中k波数域中波数方向采样编号，取值范围是k =I, 2，···, K, i表示波数域中方位角方向采样编号,取值范围是i = I, 2，…Np, I表示波数域中俯仰角方向采样编号，取值范围是1 = 1，2^化;1(为步骤1中快时间采样点数，NP为步骤I中慢时间采样点数，L为步骤I中多航过雷达飞行模式航过次数； 步骤5、通过插值获得直角坐标系下波数域回波数据，包括步骤5. I、步骤5. 2 ； 步骤5. I 取步骤4中得到的极坐标下波数域回波数据取巧-#肩)的中心点，记做果(A，^，％),其中 P。= (P i+p κ)/2, θ O = ( θ 1+ θ Np)/2，％ = (<Ρι+<Ρι)^2^ P I 为步骤 4 中 k = I 时的波数，P κ为步骤4中k = K时的波数，θ 为步骤4中i = I时的方位角，θ Np为步骤4中i=Np时的方位角，ft为步骤4中I = I时的俯仰角，巧为步骤4中I = L时的俯仰角；采用传统坐标系变换方法进行坐标系变换利用直角坐标系和极坐标系的对应关系构建三维空间波数域的直角坐标系，得到空间直角坐标系；其中的坐标轴记做kx、ky和kz ;以S(P0，^>，％)为中心点，在kx轴方向以2 /Wx为间隔,在ky轴方向以2 /Wy为间隔,在kz轴方向以2 π /Wz为间隔，在空间直角坐标系下将三维空间波数域离散为MXNXP个单元格，其中，Wx为步骤I中初始化参数中观测场景在距离向的观测范围，Wy为步骤I中初始化参数中观测场景在方位向的观测范围，Wz为步骤I中初始化参数中观测场景在高度向的观测范围，M为kx轴方向单元格数目，N为ky轴方向单元格数目，P为kz轴方向单元格数目，其 中M，N，P均为自然数，并满足
全文摘要
本发明公开了一种多航过圆周SAR三维成像方法，它是通过对距离向数据采用距离压缩处理，并进行一维快速傅里叶变换(FFT)将数据转换到波数域，采用三维线性插得到直角坐标系下均匀分布的数据格式，构造出雷达回波信号在波数域的线性观测模型，采用加权的L1范数构造最优化目标函数，利用特征增强图像形成方法中的迭代算法求解出最优化解向量，从而得到目标场景的三维成像结果，实现了三维成像，有效的降低了旁瓣和提高了分辨率，获得良好的图像聚焦效果。
文档编号G01S7/41GK102914773SQ201210333250
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者张晓玲, 田甲申 申请人:电子科技大学