專利名稱：一種多航過圓周sar三維成像方法
技術領域：
本發(fā)明屬于雷達成像技術領域，它特別涉及了合成孔徑雷達(SAR)成像技術領域。
背景技術：
合成孔徑雷達(SAR)是一種具有全天候、全天時工作能力的微波成像系統(tǒng)，它能夠在環(huán)境惡劣的情況下得到較為優(yōu)秀的成像結果，因此它在民用和軍用方面的地位是不可替代的，是進行地形測繪和軍事偵察等方面應用的有效手段。它利用雷達平臺沿著航跡向運動形成虛擬天線陣列合成孔徑來獲得航跡向的分辨率，利用脈沖壓縮技術獲得斜距向分辨率。三維合成孔徑雷達(SAR)是一種新型合成孔徑雷達技術。三維合成孔徑雷達成像系統(tǒng)的基本原理是通過形成虛擬天線面陣以獲得二維分辨力，再結合距離壓縮技術得到距·離向的聚焦能力，從而得到對成像區(qū)域的三維聚焦結果。SAR三維成像技術是SAR成像系統(tǒng)區(qū)別于其他遙測遙感系統(tǒng)的重要特征，由于其測繪范圍廣、具有三維成像能力等特點，在地形測繪、環(huán)境檢測、災害預測等方面具有廣闊的應用場景。當前三維SAR成像技術主要有干涉SAR (InSAR)技術、線陣SAR (LASAR)技術和曲線SAR技術(CLSAR)。圓周合成孔徑雷達(CSAR)是在航跡向和切航跡向形成圓周孔徑的一種特殊的曲線合成孔徑雷達模式。該模式是利用天線平臺繞著場景中心旋轉(zhuǎn)飛行形成圓周軌跡，同時照射成像場景，再通過對收集到的回波數(shù)據(jù)進行處理來得到成像結果。由于圓周合成孔徑雷達可以對場景進行360度觀測，獲得成像場景中散射點的全角度散射信息，該模式主要應用于對隱蔽目標的偵測以及特定區(qū)域的全方位偵查。文獻MehrdadSoumekh “Reconnaissance with Slant Plane Circular SAR Imaging，， 及 AkiraIshimaru, Tsz-king Chan and Yasuo Kuga “An Imaging Technique Using ConfocalCircular Synthetic Aperture Radar”都對圓周SAR成像系統(tǒng)進行了分析,并提出了相應的成像算法。在實際的觀測中，圓周合成孔徑雷達方位向的相關角度無法達到360度的范圍，根據(jù)實驗可以得出圓周合成孔徑雷達的方位向相關角度不超過20度，因此圓周合成孔徑雷達三維成像能力較差。為了提高圓周合成孔徑雷達的三維分辨率，Matthew Ferrara等人在文獻“Enhancement of Multi-pass 3D Circular SAR Images Using SparseReconstruction Techniques”中對多航過圓周合成孔徑雷達模式進行了分析。多航過圓周合成孔徑雷達是雷達運動平臺沿不同的高度平面進行多次圓周飛行，在高度向形成合成孔徑以獲得高度向的分辨率力的一種雷達運動模式。由于傳統(tǒng)的圓周合成孔徑雷達成像算法相干角度無法達到360度，劃分子孔徑的辦法將會導致圖像出現(xiàn)高旁瓣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的圓周SAR中場景散射點無法在360度的觀測角度內(nèi)保持相關性，導致三維分辨率下降，并且劃分子孔徑的辦法將會引起圖像出現(xiàn)高旁瓣的缺點，提出了基于特征增強圖像形成(Feature-Enhanced Image Formation)的一種多航過圓周SAR三維成像方法，采用本發(fā)明的方法可以有效的降低旁瓣，提高分辨率。為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先做以下術語定義定義I、圓周三維成像合成孔徑雷達圓周合成孔徑雷達是利用運動平臺繞著場景中心旋轉(zhuǎn)飛行形成圓周軌跡，在航跡向和切航跡向形成圓周孔徑，可以對觀測區(qū)域進行三維成像的合成孔徑雷達系統(tǒng)。定義2、三維合成孔徑雷達成像空間
三維合成孔徑雷達成像空間是指運用成像算法由三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)空間所得到的三維合成孔徑雷達的圖像空間。定義3、三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)空間三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)空間是指三維合成孔徑雷達回波數(shù)據(jù)所構成的回波信號空間。定義4、快時間與慢時間慢時間是指收發(fā)平臺飛過一個飛行孔徑所需要的時間，由于雷達以一定的脈沖重復周期I；發(fā)射接收脈沖，在第O個發(fā)射脈沖時刻，慢時間可以表示為一個離散化的時間變量1^(0) = σ Tr, σ = 1，2，…，Na, Na表示為一個合成孔徑內(nèi)慢時間的離散個數(shù)?？鞎r間是指雷達發(fā)射接收脈沖的一個周期的時間，由于雷達接收回波是以采樣率仁進行采樣，在第ξ個采樣時刻，快時間可以表示為一個離散化的時間變量~(€)=I/fs, m = I, 2, - ,Nr,隊表示為一個脈沖重復周期I；內(nèi)快時間的離散個數(shù)。定義5、合成孔徑雷達標準距離壓縮方法合成孔徑雷達標準距離壓縮方法是指利用合成孔徑雷達發(fā)射信號參數(shù)，采用匹配濾波技術對合成孔徑雷達的距離向信號進行濾波的過程。詳見文獻“雷達成像技術”，保錚等編著，電子工業(yè)出版社出版。定義6、去調(diào)頻方法去調(diào)頻方法又稱為STRETCH處理法、寬帶壓縮法或時頻轉(zhuǎn)換法，是針對線性調(diào)頻信號提出的一種信號處理方法，在接收端設置一個參考函數(shù)，以場景中心為參考點，將參考函數(shù)與接收信號在時域共軛相乘，實現(xiàn)去調(diào)頻。定義7、合成孔徑雷達發(fā)射機 合成孔徑雷達發(fā)射機是指目前合成孔徑雷達采用的向觀測區(qū)域發(fā)射電磁信號的系統(tǒng)，主要包括信號發(fā)生器、混頻器、放大器等模塊。定義8、合成孔徑雷達接收機合成孔徑雷達接收機是指目前合成孔徑雷達采用的接收觀測區(qū)域回波的系統(tǒng)，主要包括混頻器、放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲設備等。定義9、三維合成孔徑雷達成像空間三維合成孔徑雷達成像空間是指運用成像算法由三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)空間所得到的三維合成孔徑雷達的圖像空間。定義10、diag ( ·)與 In ( ·)diag (a” a2,…，aM)表不對角兀素為a” a2,…，aM的MXM維方陣，其中a” a2,…，aM均為數(shù)域C上的數(shù)。定義11、向量范數(shù)
設映射I I · I I :Cn—R 滿足:(I)正定條件，Ilxll彡0，當且僅當X = O時I Ixl I = O ；(2)齊次條件，I I λχ I = I λ I I X I，λ G C,x e Cn ；(3)三角不等式，I x+y | ( | x | + | |y|，汾，j.’e CS 則稱映射 | | ·| *Cn 上向量X的范數(shù)。定義Li范數(shù)和L2范數(shù)為IHI1=EKI Μ=(ΣΚΙ2)1/2。定義12、直角坐標系和極坐標系三維直角坐標系通常由三個相互垂直的坐標軸組成，通常三個坐標軸稱為X軸、y軸和ζ軸，三個坐標軸交于一點稱為原點。極坐標系的坐標用CaA爐)表示，其中P便是距離原點的距離，θ表示距離X軸的角度，《 表示距離ζ軸的角度。極坐標系與直角坐標系的坐標對應關系為X = P cos cos (p，y = p sin Θ cos φ，ζ = ρ sin ￠9。定義13、快速傅里葉變換(FFT)快速傅里葉變換是離散傅里葉變換的快速算法，離散傅里葉變換的公式為
權利要求
1. 一種多航過圓周SAR三維成像方法，其特征它包括以下步驟 步驟I、初始化圓周三維成像合成孔徑雷達成像系統(tǒng)參數(shù)以及特征增強圖像形成方法參數(shù) 初始化成像系統(tǒng)參數(shù)包括雷達發(fā)射電磁波的載頻，記做f。；雷達發(fā)射電磁波的帶寬，記做BW;雷達運動平臺的飛行半徑，記做R;雷達運動平臺的方位角，記做Θ ;雷達運動平臺的俯仰角，記做P ;電磁波的傳播速度，記做C ;雷達在方位維的觀測范圍，記做Θ w ;雷達原始回波數(shù)據(jù)，記做獲溝達快時間采樣點數(shù)，記做K ;雷達慢時間采樣點數(shù)，記做Np ;多航過雷達飛行模式航過次數(shù)，記做L ;觀測場景在距離向的觀測范圍，記做Wx ;觀測場景在方位向的觀測范圍，記做Wy ;觀測場景在高度向的觀測范圍，記做Wz ;回波數(shù)據(jù)在波數(shù)域插值界限，記做B ;觀測場景像素劃分間隔，記做Aw ;觀測場景的中心點，記做O ;其中，雷達發(fā)射電磁波的載頻，雷達發(fā)射電磁波的帶寬，電磁波的傳播速度在雷達系統(tǒng)的設計過程中均已確定，雷達運動平臺的飛行半徑，雷達運動平臺的方位角，雷達運動平臺的俯仰角，合成孔徑雷達在方位維的觀測范圍，觀測場景在距離向、方位向和高度向的觀測范圍，多航過雷達飛行模式航過次數(shù)，回波數(shù)據(jù)在波數(shù)域插值界限，觀測場景像素劃分間隔在預先確定觀測方案中為均為已知； 初始化的特征增強圖像形成方法參數(shù)包括拉格朗日乘數(shù)，記做λ ;特征增強圖像形成算法誤差門限，記做Λ ;共軛梯度算法求解誤差門限，記做ε ;共軛梯度算法最大迭代次數(shù)，記做cgnum ;特征增強圖像形成方法最大迭代次數(shù),記做itenum ;初始解向量,記做f to);LI范數(shù)逼近常數(shù)，記做η ;其中，拉格朗日常數(shù)特征增強圖像形成算法誤差門限Λ，共軛梯度算法求解誤差門限ε，共軛梯度算法最大迭代次數(shù)cgnum，特征增強圖像形成方法最大迭代次數(shù)itenum, LI范數(shù)逼近常數(shù)Π ,初始解向量f(°)均為已知； 步驟2、構建多航過圓周三維成像合成孔徑雷達的運動模型 以場景中心點O為原點，以地面為xy平面，以高度向為z軸，構建空間直角坐標系，雷達運動平臺以[O, O, Z1], [O, O, z2],…，[O, O, ζτ],…[O, O, zj為圓心做半徑為R的圓周運動，其中為雷達運動平臺飛行高度，合成孔徑雷達運動平臺不同高度平面編號為τ，取值范圍是τ = 1，2，…，L，其中Z1為第I次時合成孔徑雷達雷達運動平臺飛行高度，Z2為第2次合成孔徑雷達運動平臺飛行高度，…，ζτ為第τ次合成孔徑雷達運動平臺飛行高度，…，為第L次合成孔徑雷達運動平臺飛行高度，L為步驟I中多航過雷達飛行模式航過次數(shù)，R為步驟I中雷達運動平臺的飛行半徑； 步驟3、圓周三維成像合成孔徑雷達原始數(shù)據(jù)進行距離壓縮 采用傳統(tǒng)的合成孔徑雷達距離壓縮方法對步驟I中提供合成孔徑雷達距離向回波數(shù)據(jù)A進行壓縮，得到距離壓縮后的圓周三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)，記做戽，其中A為步驟I中雷達原始回波數(shù)據(jù)；距離壓縮后的圓周三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)具是一個三維數(shù)組，包括距離維、沿航跡維、高度維； 步驟4、獲取圓周三維成像合成孔徑雷達波數(shù)域的回波數(shù)據(jù) 對步驟3得到的距離壓縮后的圓周三維成像合成孔徑雷達數(shù)據(jù)萬中的每個距離維的數(shù)據(jù)進行傳統(tǒng)的一維快速傅里葉變換(FFT)，得到圓周三維成像合成孔徑雷達波數(shù)域的回波數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是一個三維數(shù)組，記做力巧，€肩:，文1(/ ,* 肩)表示極坐標下三維空間波數(shù)域的數(shù)據(jù)，包括波數(shù)維、方位角維和俯仰角維，Pk表示合成孔徑雷達回波數(shù)據(jù)在波數(shù)域中波數(shù)數(shù)據(jù)，Θ i表示合成孔徑雷達回波數(shù)據(jù)在波數(shù)域中方位角數(shù)據(jù)，P,表示合成孔徑雷達回波數(shù)據(jù)在波數(shù)域中俯仰角數(shù)據(jù)，其中k波數(shù)域中波數(shù)方向采樣編號，取值范圍是k =I, 2，···, K, i表示波數(shù)域中方位角方向采樣編號,取值范圍是i = I, 2，…Np, I表示波數(shù)域中俯仰角方向采樣編號，取值范圍是1 = 1，2^化;1(為步驟1中快時間采樣點數(shù)，NP為步驟I中慢時間采樣點數(shù)，L為步驟I中多航過雷達飛行模式航過次數(shù)； 步驟5、通過插值獲得直角坐標系下波數(shù)域回波數(shù)據(jù)，包括步驟5. I、步驟5. 2 ； 步驟5. I 取步驟4中得到的極坐標下波數(shù)域回波數(shù)據(jù)取巧-#肩)的中心點，記做果(A，^，％),其中 P。= (P i+p κ)/2, θ O = ( θ 1+ θ Np)/2，％ = (<Ρι+<Ρι)^2^ P I 為步驟 4 中 k = I 時的波數(shù)，P κ為步驟4中k = K時的波數(shù)，θ 為步驟4中i = I時的方位角，θ Np為步驟4中i=Np時的方位角，ft為步驟4中I = I時的俯仰角，巧為步驟4中I = L時的俯仰角；采用傳統(tǒng)坐標系變換方法進行坐標系變換利用直角坐標系和極坐標系的對應關系構建三維空間波數(shù)域的直角坐標系，得到空間直角坐標系；其中的坐標軸記做kx、ky和kz ;以S(P0，^>，％)為中心點，在kx軸方向以2 /Wx為間隔,在ky軸方向以2 /Wy為間隔,在kz軸方向以2 π /Wz為間隔，在空間直角坐標系下將三維空間波數(shù)域離散為MXNXP個單元格，其中，Wx為步驟I中初始化參數(shù)中觀測場景在距離向的觀測范圍，Wy為步驟I中初始化參數(shù)中觀測場景在方位向的觀測范圍，Wz為步驟I中初始化參數(shù)中觀測場景在高度向的觀測范圍，M為kx軸方向單元格數(shù)目，N為ky軸方向單元格數(shù)目，P為kz軸方向單元格數(shù)目，其 中M，N，P均為自然數(shù)，并滿足
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多航過圓周SAR三維成像方法，它是通過對距離向數(shù)據(jù)采用距離壓縮處理，并進行一維快速傅里葉變換(FFT)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到波數(shù)域，采用三維線性插得到直角坐標系下均勻分布的數(shù)據(jù)格式，構造出雷達回波信號在波數(shù)域的線性觀測模型，采用加權的L1范數(shù)構造最優(yōu)化目標函數(shù)，利用特征增強圖像形成方法中的迭代算法求解出最優(yōu)化解向量，從而得到目標場景的三維成像結果，實現(xiàn)了三維成像，有效的降低了旁瓣和提高了分辨率，獲得良好的圖像聚焦效果。
文檔編號G01S7/41GK102914773SQ201210333250
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權日2012年9月11日
發(fā)明者張曉玲, 田甲申 申請人:電子科技大學