一种用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法

专利名称：一种用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法
技术领域：
本发明涉及信息获取与处理技术领域，尤其是一种用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法，能够获取成像区域的三维微波图像。
背景技术：
侧视层析合成孔径雷达是一种新的合成孔径雷达三维成像技
术，如图1所示，其中，o义:rz为侧视层析合成孔径雷达及其成像区
域所在的三维直角坐标系，i^(^^，；)为成像区域的第n个点目标及
其坐标，x。、 i;和z。分别为成像区域的地距向宽度、方位向长度和高程向高度，《为成像区域地距中心。通过在不同高度z上，对同一成像区域沿高程向进行多视角观测，在高程向上形成了异于方位
向合成孔径的第二个合成孔径高程向合成孔径，、为高程向合成
孔径长度，从而形成了一个位于竖直平面上的二维合成孔径平面，结合发射的带宽信号，能够实现对成像区域的方位向、地距向和高程向的三维分辨成像。侧视层析合成孔径雷达通过多基线飞行或阵列天线等实现。
1998年以来，国际上在多基线层析合成孔径雷达三维成像理论和方法方面开展了一些研究工作。2000年，A. Reigber等人(A.Reigber and A. Moreira. "First demonstration of airborne SARtomography using multibaseline L-band data", IEEE Trans, onGeoscience and Remote Sensing, Vol, 38, No.5, pp: 2142-2152, Sep.2000.)针对图1所示的特殊观测几何推导了适用于多基线层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法，并结合机载多基线层析合成孔径雷达实验数据提出了相应的处理流程。由于成像区域位于雷达的左侧
6或右侧，因此，该多基线层析合成孔径雷达模式也称为侧视层析合 成孔径雷达。
1999年，M. Soumekh提出采用通过大带宽收/发雷达进行二维 平面合成孔径(多基线层析合成孔径雷达的一种形式)成像，也针 对图1所示的观测几何给出了基于波前理论的三维聚焦成像方法， 并在其著作 (Mehrdad Soumekh. "Synthetic aperture radar signal processing with matlab algorithms". New York / Chichester / Weinheim /Brisbane / Singapore: John Wiley & Sons, Inc., pp: 256-259, 1999.)中
进行了简要阐述。
与此同时，Z. S. She和D. A. Gray等人利用长序列ERS-1数据 通过波束形成以及其它超分辨方法进行了星载多基线层析合成孔径 雷达三维图像的重建，其三维成像方法体现在下面三篇论文中Z. S. She, D. A. Gray, etc. "Three-demensional SAR imaging via multiple pass processing", in Proc. IGARSS, Hamburg, Germany, 1999， pp. 2389-2391; Z. S. She, D. A. Gray， etc. "Three-dimensional space-borne synthetic aperture radar (SAR) imaging with multiple pass processing", Int. J. Remote Sens., Vol. 23, No. 20， pp: 4357-4382， 2002.; J. Homer, I. D. Longstaff， Z. S. She and D. Gray, "High resolution 3-D imaging via multi-pass SAR,，， IEE Proc.-Radar Sonar Navig.， Vol. 149, No.l, 2002.
J. M. Lopez-Sanchez禾口 J. Fortuny (J. M. Lopez-Sanchez and J. Fortuny-Guasch. "3-D Radar imaging using range migration techniques", IEEE Trans, on Antennas and Propagation, Vol. 48， No.5， pp: 728 - 737， 2000.)等人在欧洲微波信号实验室(EMSL)开展了 针对图l所示观测几何的三维近场聚焦成像方法的研究，推导了基 于辐射散射模型的三维近场聚焦成像方法。2003年，E. Gimeno-Nieves和J. M. Lopez-Sanchez等人针对图1所示的观测几何将二维 ECS (Extened Chirp Scaling)推广到三维ECS聚焦成像方法，并发 表了相关论文"Extension of the chirp scaling algorithm to 3-D near-field wideband radar imaging", IEE Proc.-Radar Sonar Navig.， Vol. 150， No. 3, pp: 152-157， June 2003.2003年以来，G. Fornaro等人通过合成孔径雷达二维成像聚焦、 图像配准、去斜、幅相校正以及SVD求逆等步骤组成的方法对获取 到包含San Paolo露天运动场的长序列星载多基线层析合成孔径雷 达数据进行三维重建。其代表性方法体现在文章G. Fomaro, F. Serafmo and F. Soldovieri. "Three-Dimensional focusing with multipass SAR data", IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 41, No. 3, March 2003 ; G. Fornaro, F. Lombardini and F. Serafino, "Three-Dimensional multipass SAR focusing: experiments with long-term spaceborne data", IEEE Trans, on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 43, No. 4, April 2005.
上述方法中，总体上分为两类 一类是通过现代信号处理及其
它求逆方法对成像区域进行高程向超分辨处理的方法，如Z. S. She 和G. Fornaro等人提出的方法；另一类则是通过聚焦成像的方式进 行成像区土或的三维重建，如A. Reigber、 M. Soumekh、 J. Fortuny和 J. M. Lopez-Sanchez等人所提出的方法。
在第一类方法中，主要是在先处理出二维斜距平面图像后利用 了有限的图像通过现代信号处理及求逆方法进行高程向的超分辨处 理，因此，不能一次性获得三维图像，同时由于高分辨处理会使得 高程分布的弱散射点"消失"，此外，还需进行几何校正。
在第二类方法中，己有的基于波前重建方法或辐射散射模型的 三维聚焦成像方法，都隐含了条件"高程向合成孔径中心为《=0"， 即高程向合成孔径沿成像区域高程两边对称，且成像区域高程向高 度和地距向宽度相当，同时其高程向采样间隔/^小于或等于 t^(Xc — 0,5X。)2 +《/(Z0 + i』，其中& = 0。这些波前重建方法 (A. Reigber、 M. Soumekh、 J. Fortuny禾口 J. M. Lopez-Sanchez等人 提出并得到发展的方法)主要步骤是沿侧视层析合成孔径雷达原始 回波信号的斜距向、方位向和高程向分别进行傅立叶变换，而后通 过STOLT插值以及三维逆傅立叶变换的步骤进行，因此，当侧视层 析合成孔径雷达飞行路径和采样间隔与图1不一致时，或成像区域 高程向高度和地距向宽度不近似相等时，上述方法受到了限制。J. M.
8Lopez-Sanchez等人提出的三维ECS聚焦成像方法也是针对图1所示 的成像几何，且采样间隔h小于或等于 1 "(Z。+L』的多基线层析合成孔径雷达数据，
足一0风+《
从而使得侧视层析合成孔径雷达需要飞行的基线数或携带的天线阵 元数大大增加，不利于实际应用。

发明内容
要解决的技术问题
为了解决现有的三维聚焦成像方法以及三维ECS方法只适用于 侧视层析合成孔径雷达成像几何中的特殊观测几何，且侧视层析合 成孔径雷达沿高程向采样间隔过小，高程向的合成孔径中心位于侧 视层析合成孔径雷达成像区域高程向中心平面附近，成像区域的地 距向宽度近似等于成像区域高程向高度等不利于实际应用的问题， 本发明的目的在于提供一种针对于侧视层析合成孔径雷达任意成像 几何，同时无需几何校正的精确的三维聚焦成像方法，为此，本发 明提供一种用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法。
解决的技术问题的技术方案
为了实现所述目的，本发明一种用于侧视层析合成孔径雷达的 三维聚焦成像方法，包括步骤如下
步骤Sl:斜距向处理单元接收侧视层析合成孔径雷达采集到成 像几何中成像区域的原始回波信号，并沿原始回波信号的斜距向进 行傅立叶变换，生成第1信号为S;(i^，y,0，其中，斜距向波数为&、 方位向时域为2/和高程向时域为？；
步骤S2:方位向处理单元沿第1信号的方位向进行傅立叶变换，
生成第2信号为52(1，^乂)，其中，斜距向波数为《、方位向波 数为i^和高程向时域为？；
步骤S3:高程向信号频谱无混叠处理单元沿第2信号的高程向 进行信号频谱无混叠恢复处理，而后沿高程向进行傅立叶变换，生
成第3信号为&d，&,i^,;)，其中，斜距向波数为^、方位向波数为
9i^和高程向波数为i^,;
步骤S4:采用三维滤波器i^(《，^,i^)对第3信号进行三维波 数域滤波，生成第4信号为球坐标系中的波数域信号&^，^，&,,);
步骤S5:坐标映射单元将第4信号&(1,&,^,,)映射为第5信号 S5(i^,i^,Kz)，而后对坐标映射后的第5信号进行天线方向图的校
正，生成第6信号其中，i^为地距向波数，4为方 位向波数，i^为高程向波数；
步骤S6:正交直角坐标域信号处理单元将第6信号进行三维逆 傅里叶变换，生成第7信号s7KuJ，其中，^， ^和^分别为成
像区域观测对象在直角坐标系o;o^中的坐标;
步骤S7:高程向信号截取单元接收第7信号s,(n、)，沿第7
信号的高程向进行截取，获得包含幅度和相位信息的侧视层析合成
孔径雷达三维图像s^,y^J。
根据本发明的实施例，在所述成像几何中高程向的合成孔径中 心位于侧视层析合成孔径雷达成像区域高程向中心平面附近或远离
中心平面。
根据本发明的实施例，在所述成像几何中成像区域的地距向宽 度小于、等于或大于成像区域高程向高度。
根据本发明的实施例，在所述成像几何中，侧视层析合成孔径
雷达沿高程向的采样间隔小于等于 |广0.5义。)2+《/ (Z。 + ij或0.5Xo)2 +《/ (K—Z0)，其
中，《为成像区域地距向中心距离，X。为成像区域地距向宽度，《为
高程向合成孔径中心到成像区域高程向中心平面之间的距离，Z。为
成像区域高程向高度，^为高程向合成孔径长度，^_为发射信号 最高频率对应的波数。
根据本发明的实施例，在所述成像几何中，侧视层析合成孔径 雷达的运动轨迹位于同一平面，该平面为竖直平面或水平面或斜平 面。
根据本发明的实施例，所述的斜距向处理单元处理步骤是步骤Sll:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为步进频连续波 信号，则斜距向处理单元沿原始回波信号的斜距向乘以斜距向参考 函数，生成第1信号&(i^,y乂)；如果侧视层析合成孔径雷达发射信 号不是步进频连续波信号，转到步骤S12;
步骤S12:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为调频脉冲信 号，则将侧视层析合成孔径雷达采集到的原始回波信号沿斜距向进 行傅立叶变换，而后沿斜距向对傅立叶变换后的信号进行斜距向匹 配滤波，生成第1信号&d,仏0;如果侧视层析合成孔径雷达发射 信号不是调频脉冲信号，转到步骤S13;
步骤S13:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为其它带宽信 号，将侧视层析合成孔径雷达采集到原始回波信号变换到斜距向波 数域(、方位向时域2/和高程向时域？，生成第1信号&^,y乂)； 如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为单频信号，不能进行侧视层 析合成孔径雷达的三维聚焦成像，退出流程。
根据本发明的实施例，所述的高程向信号频谱无混叠处理单元 处理步骤是
步骤S31:如果第2信号&d，&, )沿高程向表示的有效长度小 于成像区域高程向的高度，沿第2信号&(&，A乂)的高程向在信号 两端进行补零操作，使得&(^,^，？)高程向信号表示的有效长度大 于等于成像区域高程向的高度，生成第31信号&(&,A，z');如果第 2信号沿高程向表示的有效长度大于或等于成像区域高程向的高度， 执行步骤S32;
步骤S32:对第31信号高程向频谱无混叠恢复条件判断若高 程向采样间隔A2小于高程向奈亏斯特采样间隔Az。、高程向的合成
孔径中心《靠近成像区域高程向中心平面和成像区域地距向宽度A
近似等于或小于高程向高度Z。三个条件同时满足，则沿第31信号高
程向进行傅立叶变换，生成第3信号转到步骤S4; 若上述三个条件不能同时满足，继续执行步骤S33;
步骤S33:沿第31信号&d,A, )的高程向进行高程向采样点
间的插零操作，得到高程向频谱拓展后的第3 2信号S32 ( & ， &, / );
11步骤S34:沿第32信号的高程向乘以高程向去斜函数 A^,K,/)，压縮高程向信号带宽，获得高程向信号带宽减小后的 第33信号533^，^乂)；
步骤S35:沿第33信号的高程向和斜距向分别进行傅立叶变换 和逆傅立叶变换，得到斜距向频域、方位向波数域和高程向波数域 信号，而后使用滤波器A(力，i^,《,)对每一个方位向波数值^对应的 斜距向频域和高程向波数域二维信号进行二维滤波，其中力表示斜距 向时域，获得滤波后的第34信号&4(力, ，&);
步骤S36:沿第34信号的斜距向进行傅立叶变换，生成第35 信号为&5(^,^，^,);
步骤S37:沿第35信号的高程向进行信号升采样，首先进行补 零操作，使得补零后的信号沿高程向的信号带宽大于或等于整个成 像区域高程向多普勒带宽，而后沿高程向进行逆傅立叶变换，将信 号变换到斜距向波数域《、方位向波数域^和高程向时域？'中，生
成第36信号为&6 ;
步骤S38:对第36信号乘以参考函数i^(《,K,z〃)，然后采用
A(i^ 。)在斜距向波数域和高程向时域信号进行低通滤波，其中 A为侧视层析合成孔径雷达沿高程向对成像区域进行照射时的平均
入射角，最后沿高程向进行傅立叶变换，生成第3信号&(1,
根据本发明的实施例，所述的第4信号&(iC,igi^,;)映射为第5
信号& 的处理步骤为
步骤S51:根据第4信号1 4^，^/，^ )所对应的斜距向波数域值
&、方位向波数域值&和高程向波数域值&,,计算在正交直角坐标系 中对应的地距波数域值&，方位向波数域值~和高程向波数域值
12其中，K,为侧视层析合成孔径雷达沿高程向的平均多普勒中心，《 为侧视层析合成孔径雷达在高程向上的合成孔径中心，《为成像区 域地距向的中心，&(&，\，^,,)、 i^(i^,i^,i^,)和i^(《，i^，i^,)分别
为计算后得到的地距向波数值，方位向波数值和高程向波数值；
步骤S52:根据每一个坐标值(&,&，^,,;)上所对应第4信号 &(《，&,& )通过波数域插值方法生成正交直角坐标系中每一个坐 标值(i^d,i^,i^,)， Ky(Uv,i^)，^d，i^,i^》所对应的第5信号
本发明的有益效果为了解决现有技术中三维波数域重建方法
以及三维ECS方法适用范围小的问题，本发明侧视层析合成孔径雷 达成像几何中，高程向合成孔径通过多基线飞行或天线阵列形成。
本发明通过斜距向处理单元不仅能够处理发射调频脉冲信号的 侧视层析合成孔径雷达，还能处理发射步进频连续波信号的侧视层 析合成孔径雷达，对于其它带宽信号，只需通过将回波信号沿斜距 向变换到斜距向波数域也能进行后续三维成像处理，因而对于发射 信号形式的要求降低，便于实际应用。
本发明通过引入高程向频谱无混叠恢复措施，使得侧视层析合 成孔径雷达沿高程向的采样间隔&小于等于 々(《-0.5义。)2 +《/(冗_/。)也能适用，从式中看出本发明的高程向 采样间隔大于现有技术的高程向采样间隔 ^ = 4义c — 0.5X。)2 + Zc2 (Z。 + W]，从而使得侧视层析合成孔径
雷达需要飞行的基线数或携带的天线阵元数大大减少，有利于实际 应用。
本发明有选择性地沿高程向进行高程向采样点间的插零，使得 成像区域中地距向宽度小于、等于或大于高程向高度时，本发明均 能适用，增强了本方法适用的普遍性。
本发明通过在斜距向波数域和高程向时域中对信号进行低通滤 波，使得侧视层析合成孔径雷达的成像几何中高程向的合成孔径中 心位于侧视层析合成孔径雷达成像区域高程向中心平面附近或远离 中心平面均能适用，更加符合实际数据采集过程。
13本发明还适用于处理下视或下侧视层析合成孔径雷达原始回波 信号。
本发明针对于观测几何无限制条件的侧视层析合成孔径雷达原 始回波信号，且三维成像结果无需几何校正。
本发明能够精确对侧视层析合成孔径雷达原始回波信号进行三 维聚焦成像。


图1是现有技术多基线层析合成孔径雷达中三维成像几何示意图。
图2是采用的侧视层析合成孔径雷达三维成像几何。
图3a是现有技术多基线层析合成孔径雷达中地距和高程向平面图。
图3b是本发明的侧视层析合成孔径雷达成像几何中地距和高程 向剖面图。
图4是本发明下视层析合成孔径雷达成像几何示意图。
图5是本发明下侧视层析合成孔径雷达成像几何示意图。
图6是本发明的侧视层析合成孔径雷达三维聚焦成像处理流程图。
图7是本发明斜距向处理单元流程图。
图8是本发明的高程向信号频谱无混叠恢复处理单元流程图。 图9是本发明的坐标映射单元处理流程图。
图10是本发明实施例的包含15个点目标的侧视层析合成孔径 雷达三维成像聚焦图像。
图11是本发明实施例的图7在^ = 17.56剖面上的9个点目标分 布图。
图12是本发明实施例的图7在2/ = 0剖面上的9个点目标分布图。 图13是本发明实施例的图7在x = 4951.85剖面上的9个点目标分 布图。
14图14为本发明实施例的单点目标(:r二0,y二0^二0)。 图15本发明实施例的为单点目标(:c-0，y^0，2二0)的地距一方 '位向剖面图。
图16本发明实施例的为单点目标^二0，y^O,^二0)的方位向一 高程向剖面图。
图17本发明实施例的为单点目标(cc二0，y^O,z二0)的地距一高 程向剖面图。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问 题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而 对其不起任何限定作用。
如图2， 0^^为侧视层析合成孔径雷达及其成像区域所在的三 维直角坐标系，成像区域位于侧视层析合成孔径雷达飞行方向，即7 方向的左侧或右侧的空间中，i^( ,y。，、)为成像区域的第n个点目标 及其坐标，x。、 y。和z。分别为成像区域的地距向宽度、方位向长度 和高程向高度，X。为成像区域地距中心，《为侧视层析合成孔径雷 达高程向合成孔径中心距平面oo^的距离，^为侧视层析合成孔径
雷达第n次飞行或第n个阵列子天线所对应的入射角。该侧视层析合 成孔径雷达成像几何中，.通过侧视层析合成孔径雷达的方位向(r 轴)运动形成了平行于航迹向(方位向)的方位向合成孔径；通过 沿高程向(Z轴)不同高度(基线)的飞行或天线阵列等途径形成 了高程向合成孔径，进而形成的侧视层析二维合成孔径平面位于竖 直平面上。因此，侧视层析合成孔径雷达的形成实际上是方位向条 带SAR观测与高程向聚束SAR观测相结合的一种新型微波成像体 制。假定目标的后向散射系数随观测角度的变化，且电磁波的空间 传播速度恒定为常数C。采用带宽为S的发射信号p(〖)，对于观测场 景内的散射系数为<5(^^，、)的目标&(、，^，、)，其接收到的理想回波 信号为s(力，a; = 0， y,么)=6(a;n，yn，2;n)p
2En
(1)
其中，
A =备-、)2 +(Z/1 )2 +(z_\)2 = A《+《)2 + (y - J + (A + z' - ZJ 为观测场景内的散射系数为<5(^^，；)的目标同侧视层析合成孔径雷
达之间的距离，0.5、)，(人+0.5i』为侧视合成孔径雷达沿方
位向相对于目标P k《,、)的坐标，？ = 《)为侧视合成孔径雷达
相对于高程向合成孔径中心的坐标，？e卜0.5&, o.5jy，义j
为目标相对于成像区域中心的坐标、e -0.5Jg,(《-0.5X。)]，
《e [—0.5X。， 0.5XD]， yne[—0.5i;， 0.57]，《e [-0.5Z。， 0.5Z。]，《为地距向
条带中心距离，、为高程向合成孔径中心，/。为侧视层析合成孔径雷
达工作频率，(^^A)为目标S空间位置坐标，纟为斜距向采样时间，
(x，y,z)为侧视层析合成孔径雷达所在平台的空间位置坐标，、为方位
向合成孔径长度，、为高程向合成孔径长度。
A. Reigber曾建立与图2所类似的几何图，但是在进行侧视层析
合成孔径数据处理波前重建方法推导时，主要还是利用相当于侧视
层析合成孔径雷达的航迹方向、视线方向以及同时垂直于航迹方向
和视线方向平面的法向方向，尚未考虑侧视层析合成孔径雷达的高
程向合成孔径沿高程向的分布、侧视层析合成孔径雷达沿高程向的
采样间隔较大以及高程向高度和地距向宽度不等的情况，同时按照
该波前重建方法建立出来的三维图像需要进行几何校正等额外操
女口上所述，A. Reigber、 M. Soumekh、 J. Fortuny禾口 J. M. Lopez-Sanchez等人提出的基于波前重建或辐射散射模型的三维聚 焦成像方法，都隐含了条件"高程向合成孔径中心4=0"，高程向 高度和地距向宽度相当，同时其高程向采样间隔Az小于或等于
1 (A+丄』，不适合处理图2所示的成像几何
7T、 X —0.5足
if
更加一般化后的侧视层析合成孔径雷达数据。J, M. Lopez-Sanchez 等人提出的三维ECS聚焦成像方法也是针对图l成像几何，且采样间隔A么小于或等于 一(《-0.5X。)2 +《/ (Z。 + & 的多基线层析
合成孔径雷达数据，从而使得侧视层析合成孔径雷达需要飞行的基 线数或携带的天线阵元数大大增加，不利于实际应用。
因此，目前所提出的三维聚焦成像方法以及三维ECS成像方法 主要是针对图1所示的多基线层析合成孔径雷达中三维成像几何，
而对于如图2更加一般的成像几何则不能进行有效的处理。
基于上述对现有技术的考虑，本发明针对如图2所示的侧视层
析合成孔径雷达成像几何，高程向的合成孔径中心位于侧视层析合 成孔径雷达成像区域高程向中心平面附近或远离中心平面，成像区 域的地距向宽度x。小于、等于或大于高程向高度z。，侧视层析合成
孔径雷达沿高程向的采样间隔A^满足
A^tt如c—0M。)2+《來』) (2) 其中，《为成像区域地距向中心距离，X。为成像区域地距向宽度，A 为高程向合成孔径中心相对于成像区域高程向中心平面之间的距 离，Z。为成像区域高程向高度，i^为高程向合成孔径长度，《_为 发射信号最高频率点对应的波数《max = 2tt比+ B / 2] / C ， S为发射信 号的带宽，单位为Hz， /。为侧视层析合成孔径雷达工作频率单位为 Hz， C为电磁波传播速度，单位为m/s。利用该采样间隔减小了侧视 层析合成孔径雷达需要飞行的基线数或携带的天线阵元数目，有利 于实际应用。
因此，在侧视层析合成孔径雷达成像几何中，本发明在下列三 种情况中均能适用
(I) 高程向的合成孔径中心位于侧视层析合成孔径雷达成像区域 高程向中心平面附近或远离中心平面；
(II) 成像区域的地距向宽度小于、等于或大于成像区域高程向 咼度；
(III) 侧视层析合成孔径雷达沿高程向的采样间隔Az小于等于
W(A — 0'5X。) +《/ (Z。 + ^)j或—(《—0.5X。) +《/ (KwmaxZ。)，其
中，X为成像区域地距向中心距离，A为成像区域地距向宽度，^为
17高程向合成孔径中心到成像区域高程向中心平面之间的距离，^为 成像区域高程向高度，i^为高程向合成孔径长度，&_为发射信号 最高频率对应的波数。
如图4和图5所示，图4表示下视层析合成孔径雷达成像，图5 表示下侧视层析合成孔径雷达成像，其中，O为坐标原点，X表示成 像区域地距向，y表示成像区域方位向，Z表示成像区域高程向，
ao^为侧视层析合成孔径雷达及其成像区域所在的三维直角坐标
系，A(、，^,、)为成像区域的第n个点目标及其坐标，X。、 r。和Z。分 别为成像区域的地距向宽度、方位向长度和高程向高度，X。为成像 区域地距中心，《表示合成孔径雷达的飞行高度，^为侧视层析合
成孔径雷达第n次飞行或第rz个阵列子天线所对应的入射角。在图1 和图2中，侧视层析合成孔径雷达通过在不同高度Z上，对同一成 像区域沿高程向进行多视角观测，从而在高程向上形成了异于方位 向合成孔径的第二个合成孔径高程向合成孔径，、为高程向合成 孔径长度，实现对成像区域的方位向一地距一高程向的三维分辨成
像。在图4和图5中，合成孔径雷达通过携带天线阵列或多次飞行，
在地距向上形成对成像区域的多角度观测，从而使得合成孔径雷达
按照图4和图5的飞行模式所获得的二维合成孔径平面位于水平面，
也即侧视层析合成孔径雷达的运动轨迹位于水平面，也能获得成像
区域的三维图像。则图4和图5的成像几何分别看作是图1和图2 成像几何的一种变换形式。
此外，当合成孔径雷达通过携带天线阵列或多次飞行所形成的 二维合成孔径平面位于斜平面时，也能实现对成像区域的三维分辨 成像。
当合成孔径雷达通过携带天线阵列或多次飞行所不能形成二维 合成孔径平面时，需要将该飞行轨迹进行运动补偿为平面后在进行 处理，或边处理边进行补偿最终获得成像区域的三维图像，这种情 况不是本发明要解决的问题。
因此，在侧视层析合成孔径雷达的成像几何中，侧视层析合成 孔径雷达的运动轨迹位于同一平面，该平面为竖直平面或水平面或
18斜平面。该平面也是侧视层析合成孔径雷达的二维合成孔径雷达平 面，该平面的形成通过多次飞行(多基线飞行)或阵列天线实现。
如图6本发明提出的用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成 像方法的流程图所示，对于侧视层析合成孔径雷达采集的数据，其 中，输入为侧视层析合成孔径雷达原始回波，经过三维成像聚焦处 理后的可获得侧视层析合成孔径雷达三维图像，具体实施步骤如下
步骤Sl:斜距向处理单元接收侧视层析合成孔径雷达采集到成 像几何中成像区域的原始回波信号，并沿原始回波信号的斜距向进 行傅立叶变换，生成第1信号为&(i^,y，？)，其中，斜距向波数为&、
方位向时域为y和高程向时域为？，其步骤如图7所示，具体实施过
程为
步骤Sll:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为步进频连续波 信号，则斜距向处理单元沿原始回波信号的斜距向乘以斜距向参考 函数，生成第1信号&d，y乂)；如果侧视层析合成孔径雷达发射信 号不是步进频连续波信号，转到步骤S12;
若侧视层析合成孔径雷达发射信号为步进频连续波信号，则侧 视层析合成孔径雷达采集到的关于点目标《(^2/ ,、)的回波信号 s (力，a; = 0， y，表不为
'2tt/,、
s (力,a; = 0， y， 2) = exp
exp
-2i2
(3)
其中，^e^miD, Kwmaxj， i^^为发射信号最低频率对应的波数， 为发射信号最高频率对应的波数，如上所示，^为观测场景内的散 射系数为<5(^^，、)的目标同侧视层析合成孔径雷达之间的距离。力为 斜距向采样时间，(；y,2)为侧视层析合成孔径雷达的坐标。则斜距 向处理单元沿原始回波信号4,^ = 0,仏，)的斜距向乘以斜距向参考
函数A(U。)为
K ,i=exp讽i .
(4)
其中，& = ^/《+《为斜距向参考距离，X。为成像区域地距向中心距 离，Z为高程向合成孔径中心到成像区域高程向中心平面之间的距
19离。生成的第1信号为《(1,2/,/)=小o; = 0,y, z)巧(i^，A)，生成第1
信号《(《，y，/)为
《(1，仏z') = s(" = 0， y, — A A) ( 5 )
该信号处于斜距向波数域&、方位向时域y和高程向时域？中。如果 侧视层析合成孔径雷达发射信号不是步进频连续波信号，转到步骤 S12;
步骤S12:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为调频脉冲信 号，则将侧视层析合成孔径雷达采集到的原始回波信号沿斜距向进 行傅立叶变换，而后沿斜距向对傅立叶变换后的信号进行斜距向匹
配滤波，生成第1信号《d,y,0;如果侧视层析合成孔径雷达发射 信号不是调频脉冲信号，转到步骤S13;
若侧视层析合成孔径雷达发射信号为调频脉冲信号，则侧视层 析合成孔径雷达采集到的关于点目标的回波信号 s (t, ;r = 0' y，表不为
'2丑、
s (《，a; = 0， y, z) = p力一.
(6)
其中，p(力)-exp(—j27T/^)r^4/rj为发射的调频脉冲信号，/ 为脉冲
信号调频率，r为发射脉冲宽度，r^小/:^表示kl^r。
沿原始回波信号4，o;^0，y^)的斜距向进行傅立叶变换，而后沿 傅立叶变换后信号的斜距向进行斜距向匹配滤波，该斜距向匹配滤 波器巧(、，《)为
《一'
2i
(7)
其中，^为斜距向采样时间，^ = ^/《+《为斜距向参考距离，义。为 成像区域地距向中心距离，A为高程向合成孔径中心到成像区域高 程向中心平面之间的距离，i^表示沿信号斜距向进行傅立叶变换。 经过斜距向匹配滤波后，即匹配滤波器i ,(^,i^与原始回波信号
小^ = 0，仏；)沿斜距向傅立叶变换后的信号相乘生成第1信号
20(8)
《(《，2/乂) = A (\，《)巧2; = 0， y， 2)} =exp{_j2i^(i2n —《)}
该信号处于斜距向波数域&、方位向时域y和高程向时域2'中。如果 侧视层析合成孔径雷达发射信号不是调频脉冲信号，转到步骤S13;
步骤S13:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为其它带宽信 号，将侧视层析合成孔径雷达采集到原始回波信号变换到斜距向波 数域&、方位向时域2/和高程向时域》'，生成第1信号&(J^,2/，^; 如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为单频信号，不能进行侧视层 析合成孔径雷达的三维聚焦成像，退出流程。
通常情况下，
,层析合成孔径雷达发射信号为调频脉冲信号、
步进频连续波信号或调频连续波信号，上述信号都具有一定信号带 宽，因此通过处理将其变换到斜距向波数域&、方位向时域y和高 程向时域？，生成第1信号&(l, /乂)。但当信号为单频信号时，此 时侧视层析合成孔径雷达不具备三维成像能力，因此，采用该方法
进行处理，此时需要退出处理流护'王。
步骤S2:方位向处理单元沿第1信号的方位向进行傅立叶变换， 生成第2信号为S2(i^，i^,^，其中，斜距向波数为&、方位向波 数为&和高程向时域为/，具体实施过程为
将得到的第1信号送入方位向处理单元进行傅立叶变换，生成
第2信号&d,;g ;)为<formula>formula see original document page 21</formula>
其中，
工
A)为目标( ，^,~)相对于成像区域中心的坐标
<formula>formula see original document page 21</formula>FT;表示沿方位向进行傅立叶变换，4= exp 数4随斜距向波数值缓慢变化，后续考虑中忽略不计。经过步骤S2 后，第2信号处于斜距向波数域&、方位向波数域i^和高程向时域 /中。步骤S3:高程向信号频谱无混叠处理单元沿第2信号的高程向 进行信号频谱无混叠恢复处理，而后沿高程向进行傅立叶变换，生 成第3信号为&(i^，&，i^)，其中，斜距向波数为i^、方位向波数为
i^和高程向波数为i^,，具体实施过程为
将得到的第2信号送入高程向信号频谱无混叠处理单元进行高
程向信号频谱无混叠恢复处理得到^d，^^〃)，如图3a和图3b所
示的侧视层析合成孔径雷达成像几何中地距和高程向剖面图，o为
坐标原点，z表示成像区域高程向，z。表示成像区域高程向高度，X 表示成像区域地距向，x。表示成像区域地距向幅宽，A表示高程向
合成孔径中心，^n为雷达相对于成像区域的沿高程向的最小视角，
e为雷达相对于成像区域的沿高程向的最大视角，i^为等效高程向
max w
观测高度范围。
己有的成像处理方法主要是针对图3a，该成像几何中，侧视层 析合成孔径雷达沿高程向的采样间隔Az小于等于
因此增加了高程向的采样数，不
cj max \ U ii /
-o.5x。) +《
利于实际应用，同时，该几何中，高程向合成孔径的中心位于成像 区域高程向中心平面上或高程向中心平面附近，同时，也尚未考虑 地距向宽度同高程向高度之间的关系。
而在图3b中，侧视层析合成孔径雷达的成像几何中，高程向的 合成孔径中心位于侧视层析合成孔径雷达成像区域高程向中心平面 附近或远离中心平面；高程向的合成孔径中心位于侧视层析合成孔 径雷达成像区域高程向中心平面附近或远离中心平面；侧视层析合 成孔径雷达沿高程向的采样间隔Az小于等于
一(& — 。m。)2 +《/ [、_ (z。 + 1J或 一(《—0.5x。)2 +《/ (ir_z。)，其
中，《为成像区域地距向中心距离，x。为成像区域地距向宽度，《为 高程向合成孔径中心到成像区域高程向中心平面之间的距离，z。为 成像区域高程向高度，i^为高程向合成孔径长度，&_为发射信号
最高频率对应的波数，利用该采样间隔减小了侧视层析合成孔径雷 达沿高程向需要飞行的基线数或携带的天线阵元数目，有利于实际应用。
因此，当侧视层析合成孔径雷达成像几何同实际数据获取情形 更加接近时，需要采用新的三维聚焦成像方法进行三维成像处理。 本发明中，高程向信号频谱无混叠处理单元的具体处理流程如图8 所示，详细步骤为-
步骤S31:如果第2信号S"i^,A乂)沿高程向表示的有效长度小 于成像区域高程向的高度，沿第2信号52(^,^, ;)的高程向在信号
两端进行补零操作，使得&(l，i^乂)高程向信号表示的有效长度大 于等于成像区域高程向的高度，生成第31信号；如果第
2信号沿高程向表示的有效长度大于或等于成像区域高程向的高度， 执行步骤S32，具体实施过程为
如果第2信号52^,&，？)高程向信号表示的有效长度小于成像
区域高程向的高度，对第2信号&d,Ay)沿高程向在信号两端进
行补零操作，使得&d，A，？)高程向信号表示的有效长度大于等于
成像区域高程向的高度，生成第31信号531^,^，<)，
^，(n小p ^ k(n4 (10)
31 \iu' y7 / zero—p(idrimg l 2 \w7 y' 乂J
其中，己_"—表示对信号&^，&乂)沿高程向在信号两端进行补零 操作，否则，若第2信号&(l,&乂)高程向信号表示的有效长度大
于等于成像区域高程向的高度，则继续执行步骤S32;
步骤S32:对第31信号高程向频谱无混叠恢复条件判断若高 程向采样间隔Az小于高程向奈亏斯特采样间隔Az。、高程向的合成 孔径中心《靠近成像区域高程向中心平面和成像区域地距向宽度X。 近似等于或小于高程向高度Z。三个条件同时满足，则沿第31信号高
程向进行傅立叶变换，生成第3信号53^，^，^,,)，转到步骤S4;
若上述三个条件不能同时满足，继续执行步骤S33，具体实施过程
为
第31信号高程向需要频谱无混叠恢复条件判断若高程向采样 间隔&小于高程向奈亏斯特采样间隔A 2。
△、 = WK-0.5X。)2 +《/k"舰(A + ￡")1 ( 11 )高程向合成孔径中心Z。靠近成像区域高程向中心和成像区域地距向 宽度X。近似等于或等于高程向高度Z。三个条件同时满足，从而使得 在侧视层析合成孔径雷达三维成像中，高程向多普勒中心的变化范 围不超过高程向采样的频率，因此，直接进行高程向傅立叶变换， 生成第3信号为三维波数域信号
<formula>formula see original document page 24</formula>
该信号&^，^,冗2,,)处于斜距向波数域&、方位向波数域s和高禾
向波数域i^,中，其中，Fr,表示沿高程向对信号进行傅立叶变换。
执行高程向傅立叶变换后转到步骤S4;若上述三个条件不能同时满
足，继续执行步骤S33;
步骤S33:沿第31信号531(1,&, )的高程向进行高程向采样点 间的插零操作，得到高程向频谱拓展后的第32信号&d，&乂)，具 体实施过程为
如上所述，由于高程向合成孔径中心所在的直线(0,2/，Z。)位于侧 视层析合成孔径雷达成像区域高程向中心平面附近或远离中心平 面，同时成像区域地距向宽度不等于高程向高度，使得高程向等效 高度&可能远大于成像区域高程向高度A，从而引起了高程向多普 勒带宽的展宽。因此随着高程向合成孔径中心(0，y,^)的变化，已有 的基于图1成像几何的聚焦成像方法很难适用。考虑到成像区域地 距向宽度和高程向高度之间的大小关系，对高程向信号&d,&乂) 进行7 = ^ /叫倍插零以扩展^d，i^^沿高程向信号频谱的宽 度，得到高程向频谱拓展后的第32信号，
(13)
从而保证后续S6步骤中地距向逆傅立叶变换后观测对象能够沿地
距向处于正确的位置。其中，《
zero—inserfi7ig
表示沿高程向对信号
331^，&乂)进行插零操作，^表示大于等于的整数，
24<formula>formula see original document page 25</formula>
步骤S34:沿第32信号的高程向乘以高程向去斜函数 iJ3^，K,/)，压縮高程向信号带宽，获得高程向信号带宽减小后的
3 \w， j/， /
第33信号^(U^');
对得到的第32信号沿高程向乘以高程向去斜函数^d，i^,/) <formula>formula see original document page 25</formula>压缩高程向信号带宽，获得高程向信号带宽减小后的第33信号<formula>formula see original document page 25</formula>
该信号处于斜距向波数域、方位向时域和高程向时域中。其中，l表 示斜距向波数， 表示方位向波数，？表示沿高程向插零后对于的 高程向信号采样坐标；
步骤S35:沿第33信号的高程向和斜距向分别进行傅立叶变换 和逆傅立叶变换，得到斜距向频域、方位向波数域和高程向波数域 信号，而后使用滤波器A(力，^，^,)对每一个方位向波数值^对应的 斜距向频域和高程向波数域二维信号进行二维滤波，其中力表示斜距 向时域，获得滤波后的第34信号&(f，&，K,)，具体实施过程为
对得到的第33信号沿高程向进行傅立叶变换，沿斜距向进行逆 傅立叶变换，将第33信号变换到斜距向频域和高程向波数域中，
<formula>formula see original document page 25</formula>
其中，i^^ 表示沿^方向进行逆傅立叶变换和沿？方向进行傅立叶 变换。采用滤波器^(纟，&,&)为
<formula>formula see original document page 25</formula>对第33信号的每一个方位向波数值i^对应的斜距向频域和高程向 波数域二维信号进行二维滤波，其中，C表示电磁波传播速度，f表 示斜距向采样时间，^+。表示高程向入射角，e,tan-、^/A)为 高程向相对于观测场景中心的平均入射角，获得滤波后的第34信号 为
&4 (《,&， &) = S33 (仁&)ff4 (f， &) ( 19 )
通过斜距向频域和高程向波数域二维滤波，消除由于雷达天线俯仰 向(高程向地距平面方向)方向图及其副瓣所带来的影响，滤波后， 信号&4(〖,&，^,)处于斜距向时域、方位向波数域和高程向波数域内；
步骤S36:沿第34信号的斜距向进行傅立叶变换，生成第35
信号为&5(&,&，^,)，具体实施过程为
对步骤S34得到的信号进行斜距向傅立叶变换，生成第35信号
为
S35 = Frt {&4 (20)
该信号处于斜距向波数域、方位向波数域和高程向波数域中，其中， F7]表示对斜距向时间t进行傅立叶变换；
步骤S37:沿第35信号的高程向进行信号升采样，首先进行补 零操作，使得补零后的信号沿高程向的信号带宽大于或等于整个成 像区域高程向多普勒带宽，而后沿高程向进行逆傅立叶变换，将信 号变换到斜距向波数域i^、方位向波数域\和高程向时域？'中，生 成第36信号为&6(&,&，<)，具体实施过程为
首先对第35信号535(\,^,&,)沿高程向进行补零操作，当信号 的高程向零频在中心时，在信号两端补零；当信号的高程向零频在
两端时，则在信号中间进行补零，且使得补零后的信号沿高程向的 带宽大于或等于整个成像区域高程向多普勒带宽，
^(m)j,^ (21)
而后进行高程向逆傅立叶变换，将信号变换到斜距向波数域《、方 位向波数域&和高程向时域z〃中，生成第36信号为S36(irw,A,z〃)，
V)= ,[^K^'K')} (22)
26其中，^ft;表示对K,迸行逆傅立叶变换，z〃为经过步骤S37处理后
沿高程向表示高程向时域的新变量；
步骤S38:对第36信号乘以参考函数^(《,、乂')，然后采用
仏d,&A)在斜距向波数域和高程向时域信号进行低通滤波，其中 《为侧视层析合成孔径雷达沿高程向对成像区域进行照射时的平均 入射角，最后沿高程向进行傅立叶变换，生成第3信号<53 具体实施过程为
对得到的第36信号S36 d,、乂')乘以参考函数H5 \， Z)，
i s(K ，K = exp
，K —人/復2 - K2 、 X2 + (Z + z"
(23)
进行高程向信号无混叠恢复，如上所述，^表示参考距离，其中，
2 =
n--^ —1
2
r^l,2，…，iW2
△、
"*"的整数，、^mr贞《—0.5XQ)2+《
表示大于等于
,a e 0.8，
而后在斜距向波数域和高程向时域信号乘以相位函数A((，K《
ffK(K ,K 乂 ) = exp
"
(24)
其中，iT=丄{max(、,4K2 - 、 + min(、/伙2 - if2)} ， max(*)禾口 mhi(*)分 2l \、w yy y/J
别表示对"*"取最大值和最小值。经过无混叠恢复和低通滤波后的
信号为&(^,\，2〃)，
& K, V) = &(i^, H K,9〃) A (《，仏) (25)
而后沿高程向进行傅立叶变换，生成第3信号为4 、w, !/， z /
~ 4 x {exp -(、 - Zc
<8><j
UK
+ X2
exp
exp
-j化+ <) V復x《,,
(26)
其中，0表示巻积运算，aW为理想冲激函数，K =
n 一
2tt
1，2,…,7V =2&。
△
^ = — j47ri^o;n_ \2 — &2 )—1为一个
缓变函数，系数^在后续考虑中忽略不计。该信号处于斜距向波数 域K、方位向波数域\和高程向波数域&,,上的信号；
步骤S4:采用三维滤波器A^，i^，i^)对第3信号进行三维波
数域滤波，生成第4信号为球坐标系中的波数域信号&(1,&,&,,;)，
具体实施过程为
对步骤S3得到处于斜距向波数域i^、方位向波数域i^和高程 向波数域i^上的信号乘以三维波数域滤波Ad,igi^)，该滤波器 中包含了侧视层析合成孔径雷达沿高程向的平均多普勒中心^_、侧 视层析合成孔径雷达在高程向上的合成孔径中心《和参考斜距《， 因此，通过该滤波器能够将53(^，^式 )变换到相对于参考斜距&的
不同距离上，三维波数域滤波A(i^，i^，i^,)为
=exp
x exp
jX J復2 -K2 —
Z2 +X2
，iT
(27)
Z2 +义2
则，经过三维波数域滤波后的信号为
28<formula>formula see original document page 29</formula>
步骤S5:坐标映射单元将第4信号&^,&，&,,)映射为第5信号 S5(i^，Ky,i^)，而后对坐标映射后的第5信号进行天线方向图的校 正，生成第6信号i^)，其中，i^为地距向波数，为方位 为高程向波数i^，如图9所示，具体实施过程为
步骤S51:根据第4信号&(l，i^,i^)所对应的斜距向波数域值
1、方位向波数域值&和高程向波数域值^,,计算在正交直角坐标系 中对应的地距波数域值&，方位向波数域值&和高程向波数域值
仏
(29)
其中，i^。为侧视层析t成孑L径雷&^r^禾呈f^^]，i匀多普革力巾心，A 为侧视层析合成孔径雷达在高程向上的合成孔径中心，《为成像区 域地距向的中心，i^( ，i^,i^,)、 &(/^，\,& )和&(1，^，& )分别 为计算后得到的地距向波数值，方位向波数值和高程向波数值，计
算过程如式(29)所示；
步骤S52:根据每一个坐标值d,i^,i^)上所对应第4信号 ^d，^,7^,)通过波数域插值方法生成正交直角坐标系中每一个坐 标值(i^(Uy,i^',), i^(Uy,i^,),i^(^,i^，i^,))所对应的第5信号
化,；,^)仁化》'~&〃) (30)
29其中，"仁"表示插值，其插值方法为三维sine函数、两次一维sinc
函数或多项式插值方法。具体地，通过沿&方向、^方向和i^,方向
进行三维sine函数*。3{&,&,^,,}插值获得对应的第5信号
sinc3{Kw, i^，《
:s1u c
(X, — Z线
线
sm c
线
d, — n线
smc
线
(31)
(32)
其中，Ai^ ^
2tt
足
2丌 A r z 2丌 .z 、 —，^——，smc(叫
sinl7r;r
Z 、 m禾口 n
表示序号，A^、 iV,y和A^为插值时分别沿地距向、方位向和高程向
'■、..
需要取第4信号左右两端的点数，整个插值过程中所用到的第4 f 号S4 (《，Ky, K,)的点数为(2iV议+ 1) x + 1) x (2 + 1)， 一般情况下， ]\^ = 7\^= 取为8已能满足高精度聚焦的要求，但A^、 A^和A^ 之间不存在相等关系，取不同或相同的A^、 A^和A^值的目的是为 了进行第4信号到第5信号的精确的坐标映射。当A^、 iN^和A^取 值为沿地距向、方位向和高程向各自信号点数的一半时，式(31) 中的变为"="，实际处理中，取插值点数太多耗时，而iV A^和iV,z取为8时的已经能够进行足够精确的插值。
当&的采样间隔为A4时，式(32)简化为式(33):
sin csin c
sin c3 j ifw， Ky， K, [ 二
当i^的采样间隔为A^时，式(31)简化为式(34):
(33)
c3，= sine
((—Z厶仏
sm c
(34)
当&的采样间隔为厶&，且&,,的采样间隔为厶&时，式(31)简
30化为式(35):
sin c3 {， , z 〖=sin c
(35)
式(35)表明，当&的采样间隔为Ai^或Ai^取&的采样间隔时， 且i^,的采样间隔为Ai^或Ai^取i^,的采样间隔时，上述三维sine函 数插值通过一次沿&方向上的sine函数插值完成。如式(29)所示， 除了在&=0，且&,,=0的情况下，因此&和i^之间是一种非线性 变换关系，则上述插值过程最终至少保留如式(35)所示的插值核 函数(sine函数)。采用sine函数插值，能够高精度地保证其处于波 数域中第6信号&(i^,&,i^)的相位信息，从而在后续处理中不出现 散焦的现象。
通过先沿1方向和~方向进行一维sine函数插值，而后沿l方 向和&,,方向进行一维sine函数插值能获得对应的第5信号 S5(i^,i^，Kz);此外，通过一次二维sine函数或多项式插值方法也能 获得对应的第5信号映射后，可进行侧视层析合成孔 径雷达天线方向图的幅度校正，即对坐标映射后的第5信号进行天 线方向图的校正，减小天线方向图对成像质量的影响，生成第6信
S6K,Vz) = S5K，i^, x,i^,ig (36)
其中，A(i^，&，i^)为侧视层析合成孔径雷达天线的幅度方向图，通 过实际测量获得；
步骤S6:正交直角坐标域信号处理单元将第6信号进行三维逆 傅里叶变换，生成第7信号^k，^A)，其中，o; ， ^和^分别为成
像区域观测对象在直角坐标系ox:rz中的坐标，具体实施过程为
将得到的第6信号送入到正交直角坐标域信号处理单元进行三 维逆傅里叶变换，生成第7信号" ,^，、)为
s7 ( ,yn,2:J <5(xn,yn,2n)sinc
2丌
sine
瓦w
2tt
sine
及,，w
2丌
(37)
其中，^， ^和、分别为成像区域观测对象在直角坐标系o;o^中的坐标，sine (幻=sin (7to;) / (thc) ，= 4ttS / C ，和SWn分别表示侧视层
析合成孔径雷达的方位向多普勒带宽和高程向多普勒带宽。^,、,w 为目标《(、,^，^J相应直角坐标系的坐标k,^，、)经过变换后的坐 标，其变换过程通过下式进行
(38)
，nc0一cosf—:c
气=010y
气、c0，nc2:
arctan
7t
2
(Z。—、卜0 Z _z ) = 0
(39)
根据波恩近似，整个成像区域经过上述处理步骤的结果为
s7 、:r，y，z
《"
2丌
sine
A人
2丌
smc
5, w
2tt
(40)
其中，E表示对成像区域中点目标的成像结果进行相干求和，实
际处理^，通过三维逆傅立叶变换会自动得到式(40)的结果；
步骤S7:高程向信号截取单元接收第7信号S7(^,^a)，沿第7
信号的高程向进行截取，获得包含幅度和相位信息的侧视层析合成
孔径雷达三维图像s(^,L、)，具体实施过程为
将得到的第7信号送入到高程向信号截取单元，对^0r。,y。,^)沿 高程向进行适当截取，若高程向采样间隔&小于高程向奈亏斯特采 样间隔Az。、高程向合成孔径中心Z。靠近成像区域高程向中心和成像
区域地距向宽度X。近似等于或等于高程向高度^三个条件同时满 足，则无需进行图像截取即可获得所需成像区域的三维图像
(41)
否则，若上述三个条件不能同时满足，则以图像高程向中心为基准
截取现有高程向点数气的7—、获得包含幅度和相位(幅相)信息的 侧视层析合成孔径雷达三维图像s(^uj
+n，j/n，2n) = ，—， {s7(:c，y，z)} (42)
对步骤S6获得的三维图像沿高程向Z进行适当截取，以图像高程向
32中心为基准截取现有高程向点数^的7-、从而获得成像区域的三维 聚焦图像，由式(42)看到，重建的侧视层析合成孔径雷达三维图 像直接显示在OXi^空间中，因此，不需要进行几何校正过程。同时，
在上述步骤中，在步骤S2中忽略了^和步骤S3中忽略了^，由于
这两个系数都是关于斜距向波数值&、方位向波数值 和高程向波 数值&,,的缓变函数，且只影响信号的幅度，而对相位没有干扰，不 会影响侧视层析合成孔径雷达最终图像的聚焦质量，此外，在步骤
S5的坐标映射中，由于采用sine函数插值，能够高精度地保证其处 于波数域中第6信号&(i^，i^,&)的相位信息，从而在后续处理中不 出现散焦的现象，因此，本发明是一种精确侧视层析合成孔径雷达 三维聚焦成像方法。
上述步骤中，无特别指明，其傅立叶变换在实际实现中都通过 快速傅立叶变换来实现。斜距向和斜距都表示斜距方向，地距向和 地距都表示地距方向，方位向和航迹向表示同一个方向。
以位于三维空间中的点目标为例，雷达工作波长为3.00cm，信
号带宽为lOO.OOMHz，步进频率间隔为0.40MHz，成像区域地距中
心距离为5000.00m，幅宽200.00m，高程向高度为40.00m，方位向
长度为200.00m，高程向合成孔径中心为5000.00m，天线方位向主
瓣宽度为0.58。，高程向合成孔径长度为101.55m，高程向基线间隔或
天线阵元相位中心间隔为2.03m。成像区域共有15个点目标，其中，
z = —18
、22 2上，7个点目标等 (re _ 4952) + y2 = 242
8个点目标等间隔的分布在圆
:c = 4952
间隔的分布在直线-
n 上，且高程向间隔为6m。则通过上述: 2/ = 0
维聚焦成像方法得到的15个点目标的成像结果如图10—13所示， 图10是包含15个点目标的侧视层析合成孔径雷达三维成像归一化 后-3dB轮廓显示结果，"高程向"、"方位向"和"地距向"的坐标单 位均为m，坐标轴上的数字表示相对侧视合成孔径雷达成像几何中 的三维位置坐标，从图中看到，通过上述处理步骤后，能够精确地 重建出15个点目标的空间位置和幅度信息，同时无需进行几何校正等。图11是图10在^ = 17.56剖面(方位向和地距平面)上的9个点
目标分布图，图像的动态显示范围为20dB，也即显示范围为-20dB OdB，由于仿真中各点目标的幅度一致，因此动态显示图像也一致， 同时，各点目标的位置也跟实际目标的位置保持一致。图12是图10 在2/ = 0剖面(地距和高程向平面)上的9个点目标分布图，图像的 动态显示范围为20dB，显示范围为-20dB0dB，由于仿真中各点 目标的幅度一致，因此动态显示图像也一致，同时，各点目标的位 置也跟实际目标的位置保持一致。图13是图10在x = 4951.85剖面(方 位向和高程向平面)上的9个点目标分布图，图像的动态显示范围 为20dB，显示范围为-20dB0dB，由于仿真中各点目标的幅度一 致，因此动态显示图像也一致，同时，各点目标的位置也跟实际目 标的位置保持一致。
图14一17为单个点目标，在上述系统参数和场景参数下采用本 发明处理后的三维图像显示结果^二0，y二 0,^ = 0)，为了获得信号放 大后的更加清晰的细节，对归一化后的图像取其目标的-30dB轮廓进 行显示，图14为单点目标(:r二0,z/二0，z^^0)归一化后的-30dB轮廓图， 其坐标值表示图像经放大后的采样点，其成像后的单点目标的响应 函数为一个三维sine函数，同上述式(40)相吻合。图15为单点目 标(:c二0，y:^0，z^O)的地距和方位向剖面图，图像的动态显示范围为
30dB,显示范围为-30dB0dB，坐标值表示采样点。图16为单点 目标^ = 0^ = 0^ = 0)的方位向和高程向剖面图，图像的动态显示范 围为30dB，显示范围为-30dB OdB，坐标值表示采样点。图17 为单点目标(x二O，y二O,z二O)的地距和高程向剖面图，图像的动态显 示范围为30dB，显示范围为-30dB0dB，坐标值表示采样点。
未经任何加权的处理下，图10-17中目标的沿方位向、斜距向和 高程向的峰值旁瓣比分别约为-13.54dB、隱13.13dB和-10.16dB，沿方 位向、斜距向和高程向的积分旁瓣比分别约为-10.62dB、 -lO.lOdB 和-10.16dB，方位向、斜距向和高程向的实测分辨率分别约为1.34m、 1.35m和1.42m，与理论计算值保持很好的一致性，同时所得到侧视 层析合成孔径雷达三维图像无需几何校正，从而证明了本发明方法的有效性。
本发明侧视层析合成孔径雷达成像几何中，高程向合成孔径通 过多基线飞行或天线阵列形成。
本发明通过斜距向处理单元不仅能够处理发射调频脉冲信号的 侧视层析合成孔径雷达，还能处理发射步进频连续波信号的侧视层 析合成孔径雷达，对于其它带宽信号，只需通过将回波信号沿斜距 向变换到斜距向波数域后也能进行后续三维成像处理，因而对于发 射信号形式的要求降低，便于实际应用。
本发明通过引入高程向频谱无混叠恢复措施，使得侧视层析合 成孔径雷达沿高程向的采样间隔Az小于等于
7r^(《-0.5义。)2 +《/ (i^J。)也能适用，从式中看出本发明的高程向 采样间隔大于现有技术的高程向采样间隔
& = t^(a — o.5jg2 +《/[Kwmax(Z。 + Lh)]，从而使得侧视层析合成孔径
雷达需要飞行的基线数或携带的天线阵元数大大减少，有利于实际 应用。
本发明有选择性地沿高程向进行高程向采样点间的插零，使得 成像区域中地距向宽度小于、等于或大于高程向高度时，本发明均 能适用，增强了本方法适用的普遍性。
本发明通过在斜距向波数域和高程向时域中对信号进行低通滤 波，使得侧视层析合成孔径雷达的成像几何中高程向的合成孔径中 心位于侧视层析合成孔径雷达成像区域高程向中心平面附近或远离 中心平面均能适用，更加符合实际数据采集过程。
本发明还适用于处理如图4和图5分别所示的下视和下侧视层 析合成孔径雷达原始回波信号。
本发明针对于观测几何无限制条件的侧视层析合成孔径雷达原 始回波信号，且三维成像结果无需几何校正。
本发明能够精确对侧视层析合成孔径雷达原始回波信号进行三 维聚焦成像。
本发明上述的方法，已经在计算机上应用MATLA6软件得到验证， 图10和图17是在MATLAB软件环境下使用本发明所述方法获得的结果。该方法在计算机或专用设备上主要通过7个程序模块来实现， 如图6所示，所述斜距向处理单元、方位向处理单元、高程向信号 频谱无混叠处理单元、三维波数域滤波处理单元、坐标映射处理单 元、正交直角坐标域信号处理单元和高程向信号截取单元，分别完
成步骤Sl、步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5、步骤S6和步骤 S7的功能。
斜距向处理单元，输入为侧视层析合成孔径雷达原始回波数据， 输出为处于斜距向波数域、方位向时域和高程向时域的第1信号；
方位向处理单元，输入为第l信号，输出为处于斜距向波数域、
方位向波数域和高程向时域的第2信号；
高程向信号频谱无混叠处理单元，输入为第2信号，输出为经
过频谱无混叠恢复处理后的处于斜距向波数域、方位向波数域和高
程向波数域的第3信号；
三维波数域滤波处理单元，输入为第3信号，输出为经过三维
波数域滤波后的处于斜距向波数域、方位向波数域和高程向波数域
的第4信号；
坐标映射处理单元，输入为第4信号，输出为经过球坐标系到 直角坐标系映射以及天线方向图校正后的第6信号，第6信号此时
不是处于斜距向波数域、方位向波数域和高程向波数域的，而是处于
地距向波数域、方位向波数域和高程向波数域中；
正交直角坐标域信号处理单元，输入为第6信号，输出为第6 信号沿地距向、方位向和高程向分别进行逆傅立叶变换的第7信号， 该信号处于地距向时域、方位向时域和高程向时域；
高程向信号截取单元，输入为第7信号，输出为第7信号沿高 程向经过截取处理后的包含幅度和相位信息的侧视层析合成孔径雷 达图像。
本发明所述的方法，已经在上述的计算机及软件平台上，对微 波暗室中采集到的关于金属球的侧视层析合成孔径雷达回波数据进
行了处理，方法的有效性得到了验证。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围 内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内， 因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1、一种用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法，其特征在于，包括步骤如下步骤S1斜距向处理单元接收侧视层析合成孔径雷达采集到成像几何中成像区域的原始回波信号，并沿原始回波信号的斜距向进行傅立叶变换，生成第1信号为S1(Kw，y，z′)，其中，斜距向波数为Kw、方位向时域为y和高程向时域为z′；步骤S2方位向处理单元沿第1信号的方位向进行傅立叶变换，生成第2信号为S2(Kw，Ky，z′)，其中，斜距向波数为Kw、方位向波数为Ky和高程向时域为z′；步骤S3高程向信号频谱无混叠处理单元沿第2信号的高程向进行信号频谱无混叠恢复处理，而后沿高程向进行傅立叶变换，生成第3信号为S3(Kw，Ky，Kz″)，其中，斜距向波数为Kw、方位向波数为Ky和高程向波数为Kz″；步骤S4采用三维滤波器H7(Kw，Ky，Kz″)对第3信号进行三维波数域滤波，生成第4信号为球坐标系中的波数域信号S4(Kw，Ky，Kz″)；步骤S5坐标映射单元将第4信号S4(Kw，Ky，Kz″)映射为第5信号S5(KX，KY，KZ)，而后对坐标映射后的第5信号进行天线方向图的校正，生成第6信号S6(KX，KY，KZ)，其中，KX为地距向波数，KY为方位向波数，KZ为高程向波数；步骤S6正交直角坐标域信号处理单元将第6信号进行三维逆傅里叶变换，生成第7信号s7(xn，yn，zn)，其中，xn，yn和zn分别为成像区域观测对象在直角坐标系OXYZ中的坐标；步骤S7高程向信号截取单元接收第7信号s7(xn，yn，zn)，沿第7信号的高程向进行截取，获得包含幅度和相位信息的侧视层析合成孔径雷达三维图像s(xn，yn，zn)。
2、根据权利要求1中所述的用于侧视层析合成孔径雷达的三维 聚焦成像方法，其特征在于，在所述成像几何中高程向的合成孔径 中心位于侧视层析合成孔径雷达成像区域高程向中心平面附近或远离中心平面。
3、 根据权利要求1中所述的用于侧视层析合成孔径雷达的三维 聚焦成像方法，其特征在于，在所述成像几何中成像区域的地距向 宽度小于、等于或大于成像区域高程向高度。
4、 根据权利要求1中所述的用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法，其特征在于，在所述成像几何中，侧视层析合成孔 径雷达沿高程向的采样间隔Az小于等于<formula>formula see original document page 3</formula>其中，x。为成像区域地距向中心距离，x。为成像区域地距向宽度，a为高程向合成孔径中心到成像区域高程向中心平面之间的距离，z。 为成像区域高程向高度，i^为高程向合成孔径长度，&_为发射信 号最高频率对应的波数。
5、 根据权利要求1中所述的用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法，其特征在于，在所述成像几何中，侧视层析合成孔 径雷达的运动轨迹位于同一平面，该平面为竖直平面或水平面或斜 平面。
6、 根据权利要求1中所述的用于侧视层析合成孔径雷达的三维 聚焦成像方法，其特征在于，所述的斜距向处理单元处理步骤是步骤Sll:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为步进频连续波 信号，则斜距向处理单元沿原始回波信号的斜距向乘以斜距向参考 函数，生成第1信号&^，y,0;如果侧视层析合成孔径雷达发射信 号不是步进频连续波信号，转到步骤S12;步骤S12:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为调频脉冲信 号，则将侧视层析合成孔径雷达采集到的原始回波信号沿斜距向进 行傅立叶变换，而后沿斜距向对傅立叶变换后的信号进行斜距向匹 配滤波，生成第1信号^d,y，？)；如果侧视层析合成孔径雷达发射 信号不是调频脉冲信号，转到步骤S13;步骤S13:如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为其它带宽信 号，将侧视层析合成孔径雷达采集到原始回波信号变换到斜距向波数域&、方位向时域2/和高程向时域？，生成第1信号&(i^，y乂)； 如果侧视层析合成孔径雷达发射信号为单频信号，不能进行侧视层 析合成孔径雷达的三维聚焦成像，退出流程。
7、根据权利要求1中所述的用于侧视层析合成孔径雷达的三维 聚焦成像方法，其特征在于，所述的高程向信号频谱无混叠处理单 元处理步骤是步骤S31:如果第2信号&d,&，/)沿高程向表示的有效长度小于成像区域高程向的高度，沿第2信号&(^，^乂)的高程向在信号 两端进行补零操作，使得&(&,&, )高程向信号表示的有效长度大 于等于成像区域高程向的高度，生成第31信号^(l，i^y);如果第 2信号沿高程向表示的有效长度大于或等于成像区域高程向的高度， 执行步骤S32;步骤S32:对第31信号高程向频谱无混叠恢复条件判断若高 程向采样间隔Az小于高程向奈亏斯特采样间隔Az。、高程向的合成孔径中心A靠近成像区域高程向中心平面和成像区域地距向宽度义。近似等于或小于高程向高度Z。三个条件同时满足，则沿第31信号高程向进行傅立叶变换，生成第3信号转到步骤S4; 若上述三个条件不能同时满足，继续执行步骤S33;步骤S33:沿第31信号&d，&，？)的高程向进行高程向采样点 间的插零操作，得到高程向频谱拓展后的第32信号532^,&，/);步骤S34:沿第32信号的高程向乘以高程向去斜函数 A(《,^, )，压縮高程向信号带宽，获得高程向信号带宽减小后的 第33信号533^,&, );步骤S35:沿第33信号的高程向和斜距向分别进行傅立叶变换 和逆傅立叶变换，得到斜距向频域、方位向波数域和高程向波数域 信号，而后使用滤波器A(i,i^,i^,)对每一个方位向波数值 对应的 斜距向频域和高程向波数域二维信号进行二维滤波，其中i表示斜距 向时域，获得滤波后的第34信号S3^,&，A,);步骤S36:沿第34信号的斜距向进行傅立叶变换，生成第35 信号为&5 (^,&，&,);步骤S37:沿第35信号的高程向进行信号升采样，首先进行补零操作，使得补零后的信号沿高程向的信号带宽大于或等于整个成 像区域高程向多普勒带宽，而后沿高程向进行逆傅立叶变换，将信 号变换到斜距向波数域《、方位向波数域i^和高程向时域？'中，生成第36信号为&e(i^，K^〃)；步骤S38:对第36信号乘以参考函数Ad，S,Z)，然后采用在斜距向波数域和高程向时域信号进行低通滤波，其中 ^为侧视层析合成孔径雷达沿高程向对成像区域进行照射时的平均入射角，最后沿高程向进行傅立叶变换，生成第3信号&^,&,&,,)。
8、根据权利要求1中所述的用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法，其特征在于，所述的第4信号&(&,&,&,,)映射为第5信号&(&，&，&)的处理步骤为步骤S51:根据第4信号54(&,&,&,,)所对应的斜距向波数域值i^、方位向波数域值i^和高程向波数域值i^,计算在正交直角坐标系中对应的地距波数域值l，方位向波数域值&和高程向波数域值<formula>formula see original document page 5</formula>其中，K,为侧视层析合成孔径雷达沿高程向的平均多普勒中心，A 为侧视层析合成孔径雷达在高程向上的合成孔径中心，^为成像区域地距向的中心，, , ) 、， ~， )和kz (《,\ ， )分别为计算后得到的地距向波数值，方位向波数值和高程向波数值；步骤S52:根据每一个坐标值(1,&,^,,)上所对应第4信号 54^, ，& )通过波数域插值方法生成正交直角坐标系中每一个坐标值(i^(U^^'), 4^,&,~),&(1，&，&'))所对应的第5信号
全文摘要
本发明一种用于侧视层析合成孔径雷达的三维聚焦成像方法，将采集到的侧视层析合成孔径雷达原始回波数据变换到斜距向波数域和方位向波数域中，对变换后的信号进行高程向频谱无混叠恢复，将信号变换到斜距向、方位向和高程向三维波数域中；通过坐标映射将三维波数域中的信号变换到直角坐标系中；通过傅立叶逆变换以及图像空间选择重建出包含成像区域地距向、方位向和高程向空间位置信息以及幅相信息的三维微波图像。该方法能够在高程向采样数较少、高程向合成孔径中心分布任意或成像区域大小任意的情况下，精确地重建出成像区域的三维微波图像，同时无需几何校正。该方法还能用于下视、下侧视层析SAR等成像观测几何中三维微波图像重建。
文档编号G01S7/02GK101581780SQ200810106548
公开日2009年11月18日 申请日期2008年5月14日 优先权日2008年5月14日
发明者吴一戎, 文 洪, 王彦平, 谭维贤 申请人:中国科学院电子学研究所