机载下视阵列3-d sar成像方法
【专利摘要】本发明提供了一种稀疏非均匀阵列布局条件下的机载下视阵列3-DSAR成像方法。该方法将极坐标变换和L1正则化处理相结合，完成波前弯曲补偿后，波传播和航迹向成像通过极坐标处理完成，跨航向成像通过L1正则化处理完成。
【专利说明】机载下视阵列3-D SAR成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及雷达成像和信号处理【技术领域】，特别是适用于稀疏非规则阵列布局的机载下视阵列3-D SAR成像方法。
【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。目前为降低系统成本和系统复杂度，并且考虑到飞机气动性要求等因素，跨航向阵列一般为稀疏非规则阵列。在本发明实现过程中， 申请人:发现常规的基于傅里叶变换的成像处理方法无法满足稀疏非规则阵列布局的机载下视阵列3-D SAR成像要求(傅里叶要求跨航向阵列均匀等间距布置)。
【发明内容】
[0003](一 )要解决的技术问题
[0004]为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种适用于稀疏非规则阵列布局的机载下视阵列3-D SAR成像方法。
[0005]( 二 )技术方案
[0006]根据本发明的一个方面，提供了一种适用于稀疏非规则阵列布局的机载下视阵列3-D SAR成像方法。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只进行波传播向FFT变换、波传播向频域匹配滤波及距离历程展开处理，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) = Sp(xm, yn,fk) XSe(xm, yn, fk),其中SP(xm, yn, fk)为成像处理基本项，Se(xm, yn, fk)为波前弯曲项表示波传播方向快时间，fk表示波传播方向基带频率，Xffl为载机航迹向采样位置，Yn为载机跨航向采样位置；步骤B:对距离历程展开后的航迹向空域、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P[S(xm, yn, fk)] = S(xm/ ,yn'，fk);步骤C:对沿航迹向和跨航向重采样后的信号S(x/，yn'，fk)根据重采样处理自同态特性进行波前弯曲补偿处理，补偿后的信号为SP(x/，yn'，fk);步骤D:对波前弯曲补偿后的信号沿波传播方向做FFT，沿航迹向做IFFT，完成波传播方向和航迹向极坐标成像处理；步骤E:对完成波传播方向和航迹向二维极坐标处理的信号，沿跨航向借助于LI正则化方法完成跨航向极坐标成像，得到观测区域三维极坐标图像σ (α，β，Y);以及步骤F: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)。
[0007](三)有益效果
[0008]从上述技术方案可以看出，本发明适用于稀疏非规则阵列布局的机载下视阵列3-D SAR成像方法具有以下有益效果:
[0009](I)能够对稀疏非规则阵列布局的机载下视阵列3-D SAR数据进行成像处理；[0010](2)成像过程中跨航向采用了空域成像处理方法，并且补偿了波前弯曲误差，兼顾了成像效率和成像精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]图4为点目标仿真极坐标三维重建结果，其中:
[0015]图4A为点目标仿真极坐标三维重建结果；
[0016]图4B为点目标仿真极坐标三维重建结果在β Y平面投影；
[0017]图4C为点目标仿真极坐标三维重建结果在β α平面投影；
[0018]图4D为点目标仿真极坐标三维重建结果在Y α平面投影；
[0019]图5为点目标仿真直角坐标三维重建结果，其中:
[0020]图5Α为点目标仿真直角坐标三维重建结果；
[0021]图5Β为点目标仿真直角坐标三维重建结果在XY平面投影；
[0022]图5C为点目标仿真直角坐标三维重建结果在XZ平面投影；
[0023]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】
[0024]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。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。
[0025]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。Q\ ^天线相位中心沿载机运动方向的轨迹，涵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为与XZ平面的夹角，Θ为of与Z轴的夹角。跨航向阵列布局无特定规则限制，可以稀疏非规则布置。机载下视阵列3-D SAR获取场景目标沿航迹向、跨航向(稀疏非规则)、波传播向三维回波信号。
[0026]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种适用于上述跨航向稀疏非规则阵列布局的机载下视阵列3-D SAR三维回波信号的成像方法。如图2所示，本实施例包括:
[0027]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只Jn，?)进行波传播向FFT变换、波传播向频域匹配滤波及距离历程展开处理，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) = SP(xm, yn, fk) XSE(xm, yn, fk),其中fk表示波传播方向基带频率，Sp (xm, yn，fk)为成像处理基本项，Se(xm, yn，fk)为波前弯曲项；[0028]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:
【权利要求】
1.一种机载下视阵列3-D成像方法，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汾xn,, ?进行波传播向FFT变换、波传播向频域匹配滤波及距离历程展开处理，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) = Sp(xm, yn, fk) XSe(xm, yn, fk),其中:SP(xm, yn, fk)为成像处理基本项，Se(xm，yn，fk)为波前弯曲项，?表示波传播方向快时间，fk表示波传播方向基带频率，Xffl为载机航迹向采样位置，yn为载机跨航向采样位置； 步骤B:对距离历程展开后的航迹向空域、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P[S(xm, yn, fk)] = S(x/ , yn/ , fk)；步骤C:对沿航迹向和跨航向重采样后的信号S (x/ ,Jd'，fk)根据重采样处理自同态特性进行波前弯曲补偿处理，补偿后的信号为SP(x/ ,y/，fk); 步骤D:对波前弯曲补偿后的信号沿波传播方向做FFT，沿航迹向做IFFT，完成波传播方向和航迹向极坐标成像处理； 步骤E:对完成波传播方向和航迹向二维极坐标处理的信号，沿跨航向借助于LI正则化方法完成跨航向极坐标成像，得到观测区域三维极坐标图像σ (α，β，Y);以及 步骤F: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所述的机载下视阵列3-D成像方法，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后得到信号进行距离历程展开。
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转换后的航迹向空域、跨航向空域、波传播方频域的信号为:
s (X, ^ynJk) = σχ exp {-j 4丌(I+X-) p)xS (fk)
C 其中，f。为发射信号载频，c表示电磁波传播速度，P ^表示天线相位中心到目标的瞬时斜距，s(fk)表示发射信号的频域形式，S(xm，yn，fk)表示航迹向空域、跨航向空域、波传播向频域回波信号。
4.根据权利要求3所述的机载下视阵列3-D成像方法，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:
S{xm,ynJk) = axQM~jA7'{fc+fk) P)^<S{fk)xSH{fk)
c
(ATv(fc+fk)、 = fjxexp{ —/~~—p)
C 其中，sH(fk)为发射信号频域形式的共轭。
5.根据权利要求4所述的机载下视阵列3-D成像方法，其特征在于，所述子步骤A3中，进行距离历程展开后的信号S (xm，yn, fk)为:
6.根据权利要求5所述的机载下视阵列3-D成像方法，其特征在于，所述步骤B中，根据关系Xmfk = Xm' fcr ynfk = yn/ f。，通过插值方式沿航迹向、跨航向重采样得到S(x/ ,yn'，fk)为:
7.根据权利要求6所述的机载下视阵列3-D成像方法，其特征在于，所述步骤C中对沿航迹向和跨航向重采样后的信号S (X/ , y/，fk)根据重采样处理自同态特性进行波前弯曲补偿处理包括: 子步骤Cl，选取场景中心点，按照以下公式生成波前弯曲误差信号，
8.根据权利要求1所述的机载下视阵列3-D成像方法，其特征在于，所述步骤D中，对波传播方向做FFT，航迹向做IFFT完成波传播方向和航迹向二维极坐标成像处理，完成波传播方向和航迹向二维极坐标处理的图像表示为: 其中，Un为跨航向非均匀测量矩阵，R为测量矩阵ex
9.根据权利要求1所述的机载下视阵列3-D成像方法，其特征在于，所述步骤E中，对完成波传播方向和航迹向二维极坐标成像处理的图像在跨航向使用LI正则化的方法完成跨航向极坐标成像，跨航向成像求解方法具体表述为:
10.根据权利要求1所述的机载下视阵列3-D成像方法，其特征在于，所述步骤F中，观测区域场景三维极坐标图像为σ (α，β，Y)，其中:
【文档编号】G01S13/90GK103630904SQ201310384470
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2013年8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