弧形阵列mimo-sar的成像方法
【专利摘要】本发明公开一种弧形阵列MIMO-SAR的成像方法，包括以下步骤：步骤S1：根据弧形阵列MIMO-SAR的信号收发工作体制，将弧形阵列MIMO-SAR成像回波信号转化为距离频域信号；步骤S2：对距离频域信号进行阵列向角度域补零操作，生成补零后的距离频域-角度时域信号；步骤S3：对距离频域-角度时域信号进行弧形阵列向傅里叶变换，获得二维频域信号；步骤S4：对二维频域信号进行成像处理，获得观测区域的距离-角度二维图像。本发明的成像方法基于频域积分能够对弧形阵列的成像回波数据进行的高精度的成像处理，具有良好的适应性，其通过对观测区域不同半径上的目标进行成像获得整个观测区域的二维图像。
【专利说明】弧形阵列MIMO-SAR的成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波成像技术对地观测领域，具体地，涉及一种弧形阵列MIMO-SAR的 成像方法
【背景技术】
[0002] 传统的目视、光学或红外等措施的受地形、天气和昼夜等因素的影响较大，不具备 全天候和全天时的工作能力，弧形阵列MIMO-SAR(Multi-I吨Ut Multi-〇u1:put Synthetic Aperture Radar,多输入多输出合成孔径雷达，简称MIMO-SAR，即本发明的MIMO-SAR)成像 不仅能够穿透烟、雾、云层和浮尘等，W及不受天气和气候影响，而且能够对飞机前下方区 域进行实时高分辨率成像，还能为飞机的着陆、侦察、搜救和起飞提供真实的地面信息，增 强飞机的导航和运输救援能力；此外，采用特定工作频段，其雷达系统轻量和小型化易于实 现，增强了系统与平台的适应性。
[0003] 与常规阵列天线前视成像相比，该系统能够有效避免常规阵列成像观测范围受单 个阵元天线的波束宽度问题，能够实现大视场范围成像观测；此外，采用弧形阵列构型和多 发多收构型，其阵列向分辨率不随波束范围增大而降低，能保持相对稳定；其次，采用多发 多收构型，平台相对静止时，系统仍然可W实现对平台周围环境，甚至是360°全方位场景 进行微波成像感知；系统能够对飞机周围区域进行实时高分辨率成像，还能为飞机的着陆、 侦察、搜救和起飞提供真实的地面信息，增强飞机的导航和运输救援能力。
[0004] 德国宇航局值LR)的Mittermayer等人最早提出了线性阵列天线前视成像机制， 随后，DLR高频技术研究所和德国Karlsruhe大学等合作开展用于视景增强的新型成像雷 达SIREV的研究，通过改进的ECS算法，获得了质量良好的二维微波图像，但由于其孔径合 成形式为线性，因此，无法应用于弧形阵列MIMO-SAR成像处理。
[0005] 国内方面，中国科学院电子学研究所、电子科技大学、西安电子科技大学等单位研 究人员已围绕机载线性阵列天线前视成像模式开展了二维和H维成像处理方法的研究，但 同样只能适用于线性阵列MIMO-SAR成像，不能对弧形阵列MIMO-SAR成像回波数据进行高 精度二维成像处理，因此，无法适用于弧形阵列MIMO-SAR成像。
[0006] 综上所述，国内外现有方法主要为W线性阵列天线为主的成像处理方法，由于成 像机制的不同，现有方法无法直接应用于弧形阵列MIMO-SAR成像。目前，国内外有针对弧 形阵列MIMO-SAR成像的二维成像处理方法。
[0007] 非专利文献：
[0008] 非专利文献 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] 非专利文献 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] 非专利文献 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] 非专利文献4;杜磊.阵列天线下视合成孔径雷达H维成像模型、方法与实验研 究.[博±学位].中国科学院研究生院，2010.
[0012] 非专利文献5 ;张英杰.机载前视阵列成像模型与方法研究.[硕±学位].北京： 中国科学院大学，2013.
[0013] 非专利文献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] 非专利文献7 ;杨晓琳.线阵成像雷达系统设计及幅相误差一致性校正方法研 究.[博±学位].中国科学院研究生院，2014.
[00巧]非专利文献8 ;师君.双基地SAR与线阵SAR原理及成像技术研究.[博±论 文].电子科技大学，2009.
[0016] 非专利文献 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] 非专利文献10 ;梁毅，井伟，邢孟道.一种下视H维FMCW SAR成像的新方法.自 然科学进展，2009, 19巧）：575-584.
[0018] 现有技术的最主要技术缺陷在于；现有的成像处理方法主要针对线性阵列 MIMO-SAR成像回波数据，由于线性阵列为直线孔径，而弧形阵列为弧线孔径，相应的成像处 理方法无法应用；现有方法在阵列成像中通常采用二次化ilor展开，忽略了高次相位的影 响，不利于实现近距离高精度成像处理。
【发明内容】
[0019] 本发明所要解决的问题是现有成像处理方法主要针对线性阵列MIMO-SAR成 像回波数据，无法适用于对弧形阵列的成像回波数据进行成像处理，提供一种弧形阵列 MIMO-SAR的成像方法。
[0020] 为了解决上述问题，本发明提供一种弧形阵列MIMO-SAR的成像方法，包括W下步 骤：
[002。 步骤Sl ;根据弧形阵列MIMO-SAR的信号收发工作体制，将弧形阵列MIMO-SAR成 像回波信号转化为距离频域信号；
[0022] 步骤S2 ;对距离频域信号进行阵列向角度域补零操作，生成补零后的距离频 域-角度时域信号；
[0023] 步骤S3 ;对距离频域-角度时域信号进行弧形阵列向傅里叶变换，获得二维频域 信号；
[0024] 步骤S4 ;对二维频域信号进行成像处理，获得观测区域的距离-角度二维图像。 [00巧]作为优选，步骤Sl进一步包括：
[0026] 步骤Sll ;在弧形阵列MIMO-SAR采用调频连续波工作体制的情况下，通过逆傅里 叶变换、剩余视频相位补偿和傅里叶变换获取距离频域信号。
[0027] 作为优选，步骤Sll进一步包括：
[002引步骤Slll ;通过式（1)对弧形阵列MIMO-SAR的成像回波信号Sp"(t，0 )沿距离 向进行逆傅里叶变换W获取距离域信号Sp"(rr，0 )，则采用调频连续波工作体制情况下 的距离域信号SpMcw(rr，0 )为：
[002引 8刚"(巧白）=/*5刚"(1:，白）6又口0231；0壯 （1)
[0030] 其中，t表示距离向波传播时间变量，rr表示对应距离向波传播时间变量t的距离 变量，0表示弧形阵列天线等效采样点，f表示对应距离向波传播时间变量t的频域变量， f与t之间的关系为f = ft+Kft，Kf为信号调频率，f。为系统工作频率，j为复数标志； [003。 步骤S112 ;通过式似对距离频域信号S?(rr，0 )进行剩余视频相位补偿，获得 距离域信号Sp"_c?(rr，0)，其中，
[0032] Sp腳-Com (rr,日）-5。励(rr,日）(rr)似
[0033] 其中，He。。(rr)为剩余视频相位补偿函数，W式（3)表示剩余视频相位补偿函数 Hcom (rr)?
【权利要求】
1. 一种弧形阵列MMO-SAR的成像方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤Sl:根据所述弧形阵列MMO-SAR的信号收发工作体制，将弧形阵列MMO-SAR成 像回波信号转化为距离频域信号； 步骤S2:对所述距离频域信号进行阵列向角度域补零操作，生成补零后的距离频 域-角度时域信号； 步骤S3 :对所述距离频域-角度时域信号进行弧形阵列向傅里叶变换，获得二维频域 信号； 步骤S4 :对所述二维频域信号进行成像处理，获得观测区域的距离-角度二维图像。
2. 根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步骤Sl进一步包括： 步骤Sll:在弧形阵列MIMO-SAR采用调频连续波工作体制的情况下，通过逆傅里叶变 换、剩余视频相位补偿和傅里叶变换获取所述距离频域信号。
3. 根据权利要求2所述的成像方法，其特征在于，所述步骤Sll进一步包括： 步骤Slll:通过式（1)对所述弧形阵列MMO-SAR的成像回波信号SFM(t，Θ)沿距离 向进行逆傅里叶变换以获取所述距离域信号SFM"(rr，Θ)，则采用所述调频连续波工作体 制情况下的所述距离域信号SFM"(rr，Θ)为： Sfmcw(rr，Θ)=/tSFMCW(t,Θ)exp(j2πf)df(I) 其中，t表示距离向波传播时间变量，rr表示对应距离向波传播时间变量t的距离变 量，Θ表示弧形阵列天线等效采样点，f表示对应距离向波传播时间变量t的频域变量，f 与t之间的关系为f= K1^为信号调频率，f。为系统工作频率，j为复数标志； 步骤S112:通过式（2)对所述距离频域信号SFM(rr，Θ)进行剩余视频相位补偿，获得 距离域信号Sfkwcmi(rr,Θ)，其中， Sfmcw-com(rr，9 ) -Sfmcw (rr,θ)Hcom (rr) (2) 其中，Η。》(rr)为剩余视频相位补偿函数，以式⑶表示所述剩余视频相位补偿函数Hcom (rr),
其中，C为电磁波传播速度； 步骤S113:对所述距离域信号SFM&)m(rr，Θ)进行傅里叶变换，获得补偿后的所述距 离频域信号Sm(f，Θ)，
其中，rn为目标Pn到弧形阵列天线等效采样点的距离（Θ，Rm。，hj，η为自定义整数变 量，Pn为第η个目标。
4. 根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述步骤Sl进一步包括： 步骤S12 :在弧形阵列MIMO-SAR采用调频脉冲工作体制的情况下，通过傅里叶变换和 匹配滤波获取所述距离频域信号。
5. 根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S12进一步包括： 步骤S121 :通过式（5)对所述弧形阵列MIMO-SAR的成像回波信号SFM(t，Θ)沿距离向 进行傅里叶变换以获取所述距离频域信号Sfm (f，Θ)，采用所述调频脉冲工作体制情况下的 所述距离域信号Sfm (rr，Θ)为：
其中，t表示距离向波传播时间变量，f表示对应距离向波传播时间变量t的频域变量，f与t之间的关系为f=f；+K,t，f。=C/λ。为系统工作频率，K,为信号调频率，θ表示弧 形阵列天线等效采样点，C为电磁波传播速度，rn为目标到弧形阵列天线等效采样点的距 离（Θ，Rarc,Iitl)，ft表示对应距离向波传播时间变量t的频域变量； 步骤S122:通过式（6)获得匹配滤波后的距离频域信号SM(f，Θ)，
其中，HMat(ft)为匹配滤波函数，ft表示对应距离向波传播时间变量t的频域变量，Θ表示弧形阵列天线等效采样点，f= (f；+ft)表示距离频域变量，所述匹配滤波函数HMat(ft) 为式⑵所示，
6. 根据权利要求3或5所述的成像方法，其特征在于，所述步骤Sl进一步包括： 步骤13 :将所述式⑷或式（6)重写为式（8)
其中，Rm。为弧形阵列MMO-SAR成像等效采样点半径。
7. 根据权利要求6所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括： 步骤S21:对所述距离频域信号SM(f，Θ)所述距离频域信号沿角度Θ方向在数据两端 进行分别补充队/2个"0"，生成所述距离频域-角度时域信号，式（9)为补零总数目Ntl,
其中，ΘΑ为弧形发射阵列天线和弧形接收阵列天线独立天线阵元的波束宽度， △0Inteval为所述弧形接收阵列天线任意相邻独立天线阵元口面几何中心之间的水平角度 间距。
8. 根据权利要求7所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括： 步骤S41 :通过式（10)根据成像观测水平面最近距离和成像观测水平面最远距离，生 成不同观测区域不同半径上的弧形阵列向匹配函数h(f，Θ，Γ)，
其中，
其中，和分别为成像观测水平面最近距离和成像观测水平面最远距离，hQ为 弧形阵列天线高度，zMf表示设定的观测区域参考高度，03表示待成像区域对应的弧形阵 列角度采样值，θηΜ?表示目标参考角度，通过式（15)表达
弧形阵列天线的孔径角大小为Stl,Pg表示地距分辨率，0in。表示发射阵列天线和弧 形接收阵列天线的入射角，为信号带宽； 步骤S42 :对所述弧形阵列向匹配函数h(f，Θs，r)沿阵列向进行傅里叶变换，得到二 维频域弧形阵列向匹配函数H(f，fe，r); 步骤S43 :通过将步骤S3获得的所述二维频域信号SM(f，fΘs)乘以步骤S42所获得的 所述二维频域弧形阵列向匹配函数的共轭，从而进行共轭匹配滤波，以获得匹 配滤波后的二维频域信号￠/,; 步骤S44 :对步骤S43获得的所述匹配滤波后的二维频域信号SM/ ￠/,.4,r)沿f方 向进行积分获得8λ_〔/；·;ι，ιγ); 步骤S45 :阵列向逆傅里叶变换,对步骤S44获得的移歸(雇,r)沿我方向进行逆傅里 叶变换，获得观测区域的距离-角度二维图像e (Θs，r)。
9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述成像方法进一步包括： 步骤S5 :对所述距离-角度二维图像进行坐标变换，该步骤进一步包括步骤S51 :通过 式（16)设定图像插值采样间距，
步骤S52 :根据观测区域生成观测区域的图像几何空间位置坐标（xms，yms)，并根据式 (17)选定插值核长度Ninto和半插值核长度为Nmnte,
Ninter为插值核长度，Ninter取5?17中的任一个奇数；半插值核长度为 步骤S53 :令初始时，msx= 1，msy= 1 ; 步骤S55:通过式（19)计算待插值点（xmsx，ymsy)的角度-距离坐标（Θsms，r_s)，
步骤S56 :通过式（20)确定待插值距离-角度二维图像Id(ΘsintOT，rsintOT)，
其中，θ min = _( θ Cl+ θ A)/2 ; 贝Ij相应的可以获得NintwXNinte大小的图像用于进行（xms，yj坐标处的图像值求解； 步骤S57 :通过式（21)和（22)根据步骤S54的得到的距离-角度二维图像Ι?θ (Θs inter，rsintJ进行插值计算，
步骤S58 :若msyKMxY，令msy加1，继续执行步骤S55 ;若msy彡Mxy，继续执行步骤S59 ; 步骤S59 :若msxCMxY，令msx加1，继续执行步骤S54 ;若msx彡Mxy,则进行图像输出。 10.根据权利要求9所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S59进一步包括： 进行幅度图像输出；和/或 进行单视复图像输出。
【文档编号】G01S13/90GK104237888SQ201410556864
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】黄平平, 谭维贤, 洪文 申请人:内蒙古工业大学