一种前视阵列sar的回波稀疏获取及其三维成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达数据获取和信号处理领域，特别涉及到高分辨前视阵列SAR的低 采样率和小数据量的信号获取和三维成像，通常适用于低空近距离平台上正前方场景的三 维观测。
【背景技术】
[0002] 在雷达三维成像领域，前视阵列SAR近年来获得了许多科研机构和学者的关注与 研究。它适用于高频段（如毫米波）雷达的低空近距离对地观测，具备近实时获取平台前 下方观测场景三维图像的优势，为飞行平台的地物匹配制导、自主导航和降落等应用提供 了一种全新的、全天时全天候工作的方式。前视阵列SAR采用宽带发射信号的匹配滤波实 现距离向的高分辨，采用跨航向天线阵列的波束形成实现跨航向的高分辨，采用沿航向多 个脉冲的虚拟孔径合成实现沿航向的高分辨，实现前下方观测场景的三维成像。当前，高分 辨前视阵列SAR三维成像系统面临如下问题：（1)大的信号带宽增加了系统收发组件的复 杂度和成本，而且当前的硬件水平也难以满足系统超高距离分辨率的要求，如何利用瞬时 小带宽的信号合成大带宽的高分辨信号？（2)若系统满足奈奎斯特采样要求，三维高分辨 率导致系统的数据量十分巨大，给存储、传输和处理带来很大压力，如何利用观测场景的稀 疏性降低回波数据量？
[0003] 目前，已经实现前视阵列SAR系统低采样率接收的方法是调频连续波（FMCW)技 术（梁毅，王虹现，张龙，保铮，基于二维Chirp-Z变换的前视FMCW雷达成像新方法，中国 科学：信息科学，2010,40 (5)，719-731)、（候海平，曲长文，杨检，苏峰，改进的机载阵列调 频连续波合成孔径雷达前视成像方法，电波科学学报，2011，26(5)，944-950)和（张英杰， 王彦平，谭维贤，洪文，基于FMCW的机载前视阵列SAR FS成像方法，中国科学院研究生院学 报，2013, 30 (3)，372-380)。其降低采样率的方法是去调频接收技术，即首先将接收回波与 参考信号混频处理，然后以较低的采样率接收混频后的信号。该采样率取决于场景宽度和 调频率，对于前视阵列SAR来说，其采样率远小于调频带宽。
[0004] 以上文献主要研究利用该技术解决前视阵列SAR的二维成像，是否可以实现三维 成像尚未见到公开报道。而且，由于该方法无法避开机下点回波，而机下点回波通常又比较 强，抬高了系统基底噪声，甚至导致接收机饱和，系统无法正常工作。同时，由于接收机需要 连续不间断的采样，该方法也无法起到降低回波数据量的效果。
[0005] 另外，利用稀疏性降低回波数据量的方法主要有两种：一是使接收阵元稀疏并 利用压缩感知或孔径综合技术恢复雷达图像，该方法同时降低了接收系统的成本和重量， 主要文献有 Wei ShunjuruZhang Xiaoling 和 Shi Jun 在 2011 年发表在 Progress in Electromag-netics Research 上的成果"Linear array SAR imaging via compressed sensing"。二是在沿航向和跨航向的接收阵列上二维稀疏采样，然后利用后向投影算法恢 复三维图像，主要文献有Shi Jun、Zhang Xiaoling、Yang Jianyu等2010年发表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 上的成果''APC trajectory design for 'One-Active' linear-array three-dimensional imaging SAR'，〇
[0006] 由于前视阵列SAR在跨航向和沿航向上的稀疏特性与实际地面场景的散射特性、 地形起伏等有关，以上两种方法都无法形成普遍适用的稀疏获取方案。而且，前视阵列SAR 的最优稀疏特性并不在跨航向或沿航向上，以上两种方法的稀疏采样效果十分有限。
【发明内容】
[0007] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，结合地面散射源在三维空 间中的稀疏特性，通过对收发脉冲载频、带宽和沿航向位置的优化设计，设计一种距离向频 域和沿航向时域回波二维稀疏采样的方法；为重构稀疏采样后的回波数据，利用压缩感知 算法实现稀疏信号的重构，并最终实现三维图像重组。
[0008] 为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
[0009] 步骤一，系统发射模式优化
[0010] 确定发射小带宽脉冲信号的带宽B :
[0011] 小带宽脉冲信号的带宽B满足B〈CV(2X SR)，且当AR>SR/2时，要求B〈C/ (4X AR);其中C表示电磁波的传播速度，δ R表示距离分辨率，AR表示沿航向孔径合成 对应的最大距离弯曲量；
[0012] 确定每个脉冲的中心频率圪：
[0013] 脉冲的中心频率^服从区间[f (4X δ R)，f>cy (4X δ R)]上的均匀分布且两 两互不相关；其中f。表示载波中心频率；
[0014] 确定相邻脉冲的沿航向采样间隔δ X :
[0015] 采样间隔δ X服从区间[χ_，χ_]上的均匀分布且两两互不相关；其中χ_表示最 小采样间隔，X_表示最大采样间隔；
[0016] 该系统总的稀疏采样比可表示为Aparae =:?^/Μ?:，其中，f表示相邻脉冲的平均 采样间隔，记为^ = (imin + )/2，M = CV(2XBX δ R);
[0017] 步骤二，根据步骤一设置的参数，采用单发射天线、多接收阵列天线方式发射小带 宽脉冲信号，接收阵列跨航向均匀排列且同时接收回波信号；
[0018] 步骤三，按照沿航向顺序对接收的每个脉冲的散射回波进行二维成像处理，其中 利用长孔径接收阵列的波束形成实现跨航向的高分辨，利用线性调频信号的脉冲压缩实现 距离向的高分辨；
[0019] 步骤四，利用时域校正距离走动算法实现沿航向距离走动校正；
[0020] 步骤五，依次取出每个跨航向上每个距离门的沿航向回波数据，排列成回波矢量； 同时构造每个回波矢量对应的测量矩阵，并利用压缩感知算法实现散射源散射系数的重 构；
[0021] 步骤六，将重构的所有散射系数定位到其所在的三维位置，实现三维图像重构。
[0022] 本发明与现有技术相比具有以下技术特点：
[0023] 1.本发明显著降低前视阵列SAR系统的接收采样率和回波数据量，进而降低系统 成本和复杂度，为前视阵列SAR系统的设计和实现提供新的解决方案；
[0024] 2.针对以上时频域二维稀疏接收的回波数据，利用压缩感知技术实现了地面散射 源的稀疏重构，该方法也为稀疏SAR成像中的距离校正难题提供了一个解决思路。
【附图说明】
[0025] 图1是前视阵列SAR系统对地观测示意图；
[0026] 图2是距离走动校正后距离门对应的空间位置示意图；
[0027] 图3是前视阵列SAR稀疏三维成像方法流程图；
[0028] 图4是水平地表的三维图像重构结果；
[0029] 图5是起伏地形的三维图像重构结果；
[0030] 图6是存在层叠情况的垂直墙面的三维图像重构结果。
【具体实施方式】
[0031] 为使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例和附图对本发 明做进一步的描述。
[0032] 图1给出了前视阵列SAR系统对地观测示意图。载机在观测条带上方H高度处沿 某个方向水平匀速飞行，速度为V。接收