机载下视阵列3-d sar成像的方法
【专利摘要】本发明提供了一种机载下视阵列3-D?SAR成像的方法。该方法成像处理过程中只涉及到FFT/IFFT、插值、复数矩阵相乘操作，计算量较低，能够保证较快的重建速度。
【专利说明】机载下视阵列3-D SAR成像的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达成像和信号处理【技术领域】，特别是一种机载下视阵列3-D SAR成像的方法。
【背景技术】
[0002]机载下视阵列3-D SAR对机底区域进行观测，能够克服常规侧视SAR中存在的叠掩、阴影等问题，并且能够获得观测区域场景的三维散射信息，在民用和军用方面都有巨大的应用潜力。考虑到机载下视阵列3-D SAR目标到天线的作用距离较远，满足远场近似条件，在进行回波信号表征时，可以忽略距离历程泰勒展开式中的高次项且不引起较大相位误差。目前机载下视阵列3-D SAR成像方法主要有三类:
[0003]第一类，先用常规的RD、CS、ω-k算法实现波传播方向和航迹向处理，再在跨航向借助于波束形成、SPECAN、压缩感知等方法进行处理；
[0004]第二类，三维波数域成像方法，该方法能够完全补偿波前弯曲带来的距离徙动，但是该类方法要求回波采集时综合孔径长度不小于成像区域以防止FFT出现卷绕，在机载下视阵列3-D SAR中，跨航向阵列天线长度一般为几米，而跨航向幅宽为几百米到几千米，因此需要对回波数据进行大量补零，补零会带来内存需求和计算量的激增，限制了该算法在机载下视阵列3-D SAR中的应用；
[0005]第三类，三维后向投影方法，该方法能够对观测区域场景划分立体网格，并对每一个网格单元沿航迹向和跨航向进行二维相干累积，该方法成像精度有保证。由于是对三维场景进行二维相干累积，使得该方法的计算量极大，获取三维场景图像的耗时太大。
[0006]然而，在实现本发明的过程中， 申请人:发现上述的机载下视阵列3-DSAR成像方法均存在计算量大，重建速度慢的缺陷。
【发明内容】
[0007](一 )要解决的技术问题
[0008]为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种机载下视阵列3-DSAR成像的方法，以降低机载下视阵列3-D SAR成像处理的计算量，提高重建速度。
[0009]( 二 )技术方案
[0010]根据本发明的一个方面，提供了一种机载下视阵列3-D SAR成像的方法。该方法包括:步骤A，对航迹向空域、跨航向空域、波传播方向时域的三维回波信号Wxm,3；?石进行波传播向FFT变换、波传播向频域匹配滤波及距离历程夫琅和费近似处理，得到航迹向空域、跨航向空域、波传播向频域三维信号S(xm, yn, fk),其中fk表示波传播方向基带频率；步骤B:对距离历程夫琅和费近似后的航迹向空域、跨航向空域、波传播方向频域三维信号S(xm，yn，fk)，通过插值方式沿航迹向、跨航向重采样得到S(x, m，y, n，fk);步骤C:对沿航迹向和跨航向重采样后的信号S(x' m，y' n，fk)沿波传播方向进行FFT变换，沿航迹向和跨航向进行IFFT变换，得到观测场景区域三维极坐标重建结果σ (α，β，Y);以及步骤D:对观测场景区域三维极坐标重建结果σ (α，β，Y)进行极坐标到直角坐标的三维转换，得到观测场景区域三维直角坐标重建结果σ (X，y，z)。
[0011](三)有益效果
[0012]从上述技术方案可以看出，本发明机载下视阵列3-D SAR成像的方法具有以下有益效果:
[0013](I)成像处理过程中只涉及到FFT/IFFT、插值、复数矩阵相乘操作，计算量较低，能够使得算法能够重建速度有很好的保证，其中，匹配滤波时将频域回波信号与匹配滤波器相乘，涉及复数矩阵相乘运算；
[0014](2)机载下视阵列3-D SAR对机底区域进行观测时满足远场观测条件，可以对距离历程采样夫琅和费近似，既能保证重建精度又能简化算法复杂度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为机载下视阵列3-D SAR成像几何模型和几何参数表征；
[0016]图2为本发明实施例机载下视阵列3-D SAR成像的方法的流程图；
[0017]图3为仿真用到的点目标场景三维目标分布和目标坐标情况；
[0018]图4为点目标仿真极坐标三维重建结果，其中:
[0019]图4A为点目标·仿真极坐标三维重建结果；
[0020]图4B为点目标仿真极坐标三维重建结果在β Y平面投影；
[0021]图4C为点目标仿真极坐标三维重建结果在β α平面投影；
[0022]图4D为点目标仿真极坐标三维重建结果在Y α平面投影；。
[0023]图5为点目标仿真直角坐标三维重建结果，其中:
[0024]图5Α为点目标仿真直角坐标三维重建结果；
[0025]图5Β为点目标仿真直角坐标三维重建结果在XY平面投影；
[0026]图5C为点目标仿真直角坐标三维重建结果在XZ平面投影；
[0027]图为点目标仿真直角坐标三维重建结果在YZ平面投影；。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0029]需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属【技术领域】中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0030]图1为机载下视阵列3-D SAR成像场景的立体示意图。请参照图1，X轴平行于航迹向，Y轴平行于跨航向，Z轴自上而下垂直于XY平面，O是坐标原点。Q是当前正在进行信号收发的天线相位中心，P是观测区域场景目标，P’是观测区域场景目标在YZ平面上的投影。W是天线相位中心沿载机运动方向的轨迹，5?是坐标原点到场景目标P的参考斜距，长度为P ,QP为天线相位中心到场景目标P的瞬时斜距，长度为P '。Y1为航迹向多普勒累积角，Y2为跨航向多普勒累积角，Φ为行？与XZ平面的夹角，Θ为^?与Z轴的夹角。机载下视阵列3-D SAR获取场景目标沿航迹向、跨航向、波传播向三维回波信号。
[0031]在本发明的一个不例性实施例中,提供了一种基于上述三维回波信号的机载下视阵列3-D SAR成像的方法。如图2所示，本实施例包括:
[0032]步骤A:对航迹向空域、跨航向空域、波传播方向时域的三维回波信号进行波传播向FFT变换、波传播向频域匹配滤波及距离历程夫琅和费近似处理，得到航迹向空域、跨航向空域、波传播向频域三维信号S(xm, yn, fk),其中fk表示波传播方向基带频率；
[0033]机载下视阵列3-D SAR采集得到的航迹向空域、跨航向空域、波传播方向时域三维回波信号为:
[0034]
【权利要求】
1.一种机载下视阵列3-D SAR成像的方法，其特征在于，包括: 步骤A，对航迹向空域、跨航向空域、波传播方向时域的三维回波信号?)进行波传播向FFT变换、波传播向频域匹配滤波及距离历程夫琅和费近似处理，得到航迹向空域、跨航向空域、波传播向频域三维信号S (xm, yn, fk),其中fk表示波传播方向基带频率； 步骤B:对距离历程夫琅和费近似后的航迹向空域、跨航向空域、波传播方向频域三维信号30^，5^，4)，通过插值方式沿航迹向、跨航向重采样得到50^ m，y' n，fk); 步骤C:对沿航迹向和跨航向重采样后的信号S(x' m，y' n，fk)沿波传播方向进行FFT变换，沿航迹向和跨航向进行IFFT变换，得到观测场景区域三维极坐标重建结果σ (α，β，Y);以及 步骤D:对观测场景区域三维极坐标重建结果σ (α，β，Υ)进行极坐标到直角坐标的三维转换，得到观测场景区域三维直角坐标重建结果σ (x，y，z)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括: 子步骤Al，对上述时域三维回波信号进行波传播方FFT变换，转换后的航迹向空域、跨航向空域、波传播方频域的信号； 子步骤A2，对FFT变换后的航迹向空域、跨航向空域、波传播方向频域的信号在波传播方向频域进行匹配滤波；以及 子步骤A3，对在波传播方向频域进行匹配滤波得到信号进行距离历程夫琅和费近似。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述子步骤Al中，进行FFT转换后的信号为:
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述子步骤A2中，在波传播方向频域进行匹配滤波后的信号为:
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述子步骤A3中，进行距离历程夫琅和费近似后的信号SU111, yn, fk)为:
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤B中，通过插值方式沿航迹向、跨航向重采样得到S(x' m，y' n，fk)为:
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤B中插值方式为三次样条插值或sine插值。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤C中，观测区域场景三维极坐标图像 σ ( α，β，y )为:
9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述步骤D包括: 子步骤Dl，构造三维极坐标到直角坐标的三维插值函数；子步骤D2，计算三维极坐标对应的三维直角坐标索引和待插值的三维直角坐标索引； 子步骤D3，借助三维插值函数实现观测区域三维极坐标重建图像到三维直角坐标图像的插值变换。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述步骤Dl中，插值函数为三次样条函数或sine函数。
【文档编号】G01S13/90GK103630901SQ201310108247
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年3月29日 优先权日:2013年3月29日
【发明者】王彦平, 彭学明, 谭维贤, 洪文, 吴一戎 申请人:中国科学院电子学研究所