CN101566689A - 一种消除三维合成孔径雷达图像栅瓣的方法 - Google Patents

Abstract

为了克服现有三维合成孔径雷达成像结果中栅瓣多、旁瓣高等缺点，实现高质量的三维成像，本发明提出了一种消除三维合成孔径雷达图像删瓣的方法。根据单激励线阵三维SAR的成像原理，我们在单激励线阵三维SAR的基础上，让每一个慢时间在接收线阵天线上有一对对称且不相关的接收阵元分别来接收回波，然后对接收到的回波进行成像处理，最后将两个处理结果相加并显示出来，就得到三维重建图。相较于单激励线阵合成孔径雷达，它的成像图像中删瓣就少了很多；它还继承了单激励线阵三维SAR的天线相位中心控制精度高和成像数据处理量大大减少的优点。

Description

一种消除三维合成孔径雷达图像栅瓣的方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，它特别涉及了合成孔径雷达(SAR)成像技术领域。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率的微波成像系统，它依靠雷达和目标之间的相对运动来形成合成阵列来获得横向高分辨率，利用大带宽信号实现实现纵向高分辨率。三维SAR是基于常规SAR横向维和纵向维的基础之上外加切横向维，它也是依靠雷达和目标之间的相对运动来获得切横向分辨率。

目前研究比较热的三维SAR系统是线阵SAR(简称LASAR)系统。它是把一线性阵列天线固定在飞机机翼上来重建场景三维信息的一种三维SAR系统，它克服了曲线SAR天线相位中心控制精度差的缺点，但是由于该系统的实线阵是一个全馈元激励阵，其存在功率消耗大，馈元耦合和数据处理量大等缺点。基于线阵SAR系统的三维成像机理，结合线阵SAR系统的优缺点，有人提出了一种单激励的线阵三维SAR系统，它就是把发射机固定在运动平台上，接收阵列天线横向固定在运动平台上，每一个PRF只打开一个天线馈元来接收回波，那么从整个慢时间来看，设定接收天线相位中心走一个曲线运动，从而实现三维场景的重建，它继承了LASAR系统天线相位中心控制精度高的特点，实现了三维成像数据量的大大减少。但是由于该系统采用的是均匀线阵天线，当天线馈元间距大于发射电磁波波长的一半时，在不同于瞄准方向的角度有波束最大值，也就是栅瓣，详见文献“自适应滤波----时域自适应滤波和智能天线”龚耀寰编著。由于栅瓣和主瓣都是波束最大值，那么在雷达探测中栅瓣和主瓣会产生模糊，同时也会把栅瓣当成主瓣从而出现虚警或者假目标，因此可以消除栅瓣。

虽然线阵天线的波束形成中存在栅瓣，但是消除栅瓣相对于成像来说它是一个次要的目的，近年来也很少有提出消除栅瓣的方法。而消除线阵天线波束栅瓣最直接的办法就是保证天线馈元间距小于发射电磁波波长的一半，但是它在实际应用中实现比较困难。文献“综合脉冲与孔径雷达的距离与方向耦合栅瓣现象及其克服方法”中提出了消除二维成像图像中栅瓣的方法：发射脉冲相位编码法和发射频率顺序随即排列法。到目前为止，据发明人所知，还没有文章提出消除三维成像中栅瓣的方法。

发明内容

为了克服现有三维合成孔径雷达成像结果中栅瓣多、旁瓣高等缺点，实现高质量的三维成像，本发明提出了一种消除三维合成孔径雷达图像栅瓣的方法。它克服了单激励线阵SAR成像图像中栅瓣多的缺点，此外，它还继承了单激励线阵三维SAR的天线相位中心控制精度高和成像数据处理量大大减少的优点。

为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义：

定义1、栅瓣

均匀线阵天线的波束图(当阵列输入为平面波时，阵输出与平面波入射角θ的关系)不但在瞄准方向θ₀取得波束最大值，而且在满足下式的所有θ角均取得最大值，有：

$\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ}=\±k,k=\mathrm{0,1,2},\·\·\·$

d是天线馈元间距，λ是发射电磁波的波长，θ是平面波入射角。详见文献“自适应滤波----时域自适应滤波和智能天线”，龚耀寰编著，电子工业出版社出版。

定义2、线阵三维成像合成孔径雷达

线阵三维成像合成孔径雷达是将线性阵列天线固定于运动平台上，利用平台飞行速度和线阵长度以合成二维平面阵列，可以对测绘区域进行三维成像的一种合成孔径雷达系统。

定义3、延迟时间

延迟时间是发射机发射信号到接收机接收到信号这一段时间，记为τ，它由观测区域到该系统的距离R决定，τ＝(2R)/C，其中，C为光速。

定义4、单激励线阵三维合成孔径雷达

单激励线阵三维合成孔径雷达是基于线阵SAR系统的三维成像机理，把发射机固定在运动平台上，将接收阵列天线对称于发射机且按馈元排列方向固定在运动平台上，保持发射机不断的对测绘区域发射信号，而在每一个PRF我们只打开接收阵列天线的一个天线馈元来接收回波，最后对回波信号进行处理并得到三维成像的一种合成孔径雷达系统。该系统的几何模型如附图1。详见文献“APCTrajectory design for‘one-active’linear array 3-D imaging SAR”，Shi Jun

定义5、单激励线阵三维SAR的接收天线相位中心轨迹

对于慢时间n，n＝1.....N，N为正整数，当n＝1，控制开关按照三角周期函数打开线阵天线中任意一个线阵馈元M＝M₁，M₁是M个线阵馈元中的任意一个线阵馈元的标记，记下慢时间n＝1时工作的线阵馈元标记M₁；

当n＝2，控制开关打开线阵天线中一个线阵馈元M＝M₂，M₂≠M₁，记下慢时间n＝2时工作的线阵馈元标记M₂；

当n＝3，控制开关打开线阵天线中一个线阵馈元M＝M₃，M₃≠M₂≠M₁，记下慢时间n＝3时工作的线阵馈元标记M₃；

……；

依此类推，当n＝N时，控制开关打开线阵天线中一个线阵馈元M＝M_N，M₁，M₂，M₃，…，M_N均不相同，记下慢时间n＝N时工作的线阵馈元标记M_N；这样，就得到慢时间和对应这个慢时间工作的线阵馈元标记的对应关系，即线阵天线相位中心轨迹，所述线阵天线相位中心轨迹构成的随机变量服从均匀分布。

定义6、后向投影(BP)算法

后向投影算法是基于匹配滤波原理的合成孔径雷达成像算法，算法处理框图如附图2所示，详细内容可参考文献：“Research on A novel fast back projectionalgorithm for strip map bistatic SAR imaging”Huang Yulin。

定义7、合成孔径雷达标准距离压缩方法

合成孔径雷达标准距离压缩方法是指利用合成孔径雷达发射信号参数，采用匹配滤波技术对合成孔径雷达的距离向信号进行滤波的过程。详见文献“雷达成像技术”，保铮等编著，电子工业出版社出版。

定义8、标准辛格插值方法

标准辛格插值方法是指对于一个带限信号，在满足采样定理的情况下，采用卷积核为sinc的函数h(x)，h(x)的长度即窗长为W。

$h\left(x\right)=\sin c\left(x\right)=\frac{\sin \left(\mathrm{\πx}\right)}{\mathrm{\πx}}$

进行对已离散的信号g_d(i)插值，得到插值后所要的信号

$g\left(x\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{g}_d\left(i\right)\sin c(x-i)$

详见文献“合成孔径雷达成像----算法与实现”，Frank H.Wong等编著，电子工业出版社出版。

定义9、沿慢时间相干求和

根据补偿相位因子的计算公式 $K\left(n\right)=\exp \left\{j2\mathrm{\π}{f}_c\frac{R(n;{\stackrel{\→}{P}}_{\mathrm{\ω}})}{c}\right\},$ 计算一个飞行孔径内散射点

在不同慢时间n应补偿的相位因子K(n)，这里

为对应的距离史，n＝1……N，N为一个飞行孔径内散射点

的慢时刻的个数，c为光速。将插值重采样后的数据C_n与对应慢时间n的补偿相位因子K(n)相乘，得到相位补偿后的数据A_n，把所有慢时间相位补偿后的数据A_n相加。

定义10、合成孔径雷达发射机

合成孔径雷达发射机是指目前合成孔径雷达采用的向观测区域发射电磁信号的系统，主要包括信号发生器、混频器、放大器等模块。

定义11、合成孔径雷达接收机

合成孔径雷达接收机是指目前合成孔径雷达采用的接收观测区域回波的系统，主要包括混频器、放大器、模/数转换器、存储设备等。

定义12、三维合成孔径雷达成像空间

三维合成孔径雷达成像空间是指运用成像算法由三维合成孔径雷达数据空间所得到的三维合成孔径雷达的图像空间。

定义13、飞行孔径与慢时间

飞行孔径是指对于测绘场景中的一个散射点从收发波束共同照射到开始到发射波束或接收波束任意一个照射不到结束收发波束中心所走过的距离。

慢时间是指收发平台飞过一个飞行孔径所需要的时间，由于雷达以一定的重复周期T_r发射接收脉冲，慢时间可以表示为一个离散化的时间变量t_s＝nT_r，n＝1…N，N为一个飞行孔径内慢时间的离散个数，T_r为重复周期。

定义14线阵中心馈元

线阵中心馈元就是整个线阵阵列天线中心位置的馈元。

定义15 Matlab

Matlab是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。具体用法详见文献“MATLAB 5手册”，EvaPart-Enander等编著，机械工业出版社出版。

针对单激励线阵SAR成像图像中栅瓣多的缺点，研究了利用两个接收馈元来消除栅瓣的方法。采用的是单激励线阵SAR的成像原理，只是在每一个PRF利用一对对称接收馈元分别来接收回波。该方法的具体步骤如下：

本发明提供的一种消除三维合成孔径雷达图像栅瓣的方法，它包括：

步骤1：接收馈元的确定

单激励线阵三维合成孔径雷达在所有的慢时间均由线阵中心馈元W₀发射信号；单激励线阵三维合成孔径雷达的控制开关在每一个慢时间按照三角周期函数打开线阵天线中两个线阵馈元接收单激励线阵三维合成孔径雷达回波，此时其余馈元都关闭，所述的两个线阵馈元关于单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀对称，所述的两个线阵馈元不相关；定义所述的两个线阵馈元为W₁和W₂；如图1所示；

步骤2：单激励线阵三维合成孔径雷达的接收馈元轨迹的确定

在每个慢时间n，n＝1.....N，N为正整数，定义单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀所在位置为N_n，n＝1.....N，单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀固定在单激励线阵三维合成孔径雷达运动平台上随单激励线阵三维合成孔径雷达运动平台直线运动，记录所有的慢时间单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀所在的空间位置，得到单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀的直线运动轨迹，得到的两个线阵馈元为W₁和W₂的运动轨迹是关于单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀的直线运动轨迹对称；

步骤3：单激励线阵三维合成孔径雷达回波的接收

随着运动平台的运动，发射机不断的对测绘区域发射信号，假设发射机发射的信号为线性调频信号S(t)：

$S\left(t\right)=\exp \left[j2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{1}{2}k{t}^2)\right],0\≤t\≤T_s$

其中：f_c为中心频率，k为调频斜率，t表示合成孔径内雷达发射脉冲级的慢时间，T_s为脉冲重复时间，j为虚数符号，这些均为已知参数。

经过延迟τ＝(2R)/C之后，单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵接收馈元W₁和W₂分别接收到来自测绘区域的回波；单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵接收馈元W₁和W₂在整个慢时间n，分别得到n个测绘场景的回波信号就是我们所需要的采集数据；我们定义单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵接收馈元W₁对应的回波信号为φ₁，单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵接收馈元W₂对应的回波信号为φ₂；

步骤4：数据处理

分别将接收到的回波φ₁和φ₂利用后向投影算法进行成像处理，如附图2所示，首先采用合成孔径雷达标准距离压缩方法对回波数据φ₁进行压缩，得到距离压缩后的数据，记做E₁，然后采用标准辛格插值方法对这组数据进行插值，得到插值重采样后的数据C₁。再把插值重采样后数据C₁沿慢时间相干求和得到三维数组ε₁。同理，应用相同的处理方法对φ₂进行处理，得到三维数组ε₂；最后将三维数组ε₁和三维数组ε₂相加得到三维数组ε＝ε₁+ε₂；

步骤5：成像结果显示

我们将步骤4中的三维数组ε₁、ε₂和ε通过传统的Matlab绘图方法得到三维图形，其中由ε₁和ε₂得到的三维图形就是传统的单激励线阵三维SAR所成的三维图形，由ε得到的三维图形是消除三维合成孔径雷达图像栅瓣的三维图形。

本发明的创新点

本发明的创新点在于克服现有单激励线阵三维SAR成像结果中栅瓣多、旁瓣高等缺点，在其他条件不变的情况下，利用两个接收馈元就能达到消除栅瓣、降低旁瓣的目的，使成像质量得到改善。此外，它还继承了单激励线阵三维SAR的天线相位中心控制精度高和成像数据处理量大大减少的优点。

本发明的基本原理

本发明的基本原理就是在单激励线阵SAR的基础上另加一个接收馈元来接收回波，也就是在每一个PRF打开一对关于线阵中心馈元对称的接收馈元分别来接收回波，然后对这两个对称接收馈元的回波进行成像处理，最后将两个处理结果相加。它采用单激励线阵SAR的成像原理，利用接收相位中心的对称性实现了栅瓣的消除。即，根据单激励线阵三维SAR的成像原理，我们在单激励线阵三维SAR的基础上，让每一个PRF在接收线阵天线上有一对对称接收馈元分别来接收回波，然后对接收到的回波进行成像处理，最后将两个处理结果相加并显示出来，就得到三维重建图。

本发明解决的技术问题

本发明就是针对单激励线阵SAR成像图像中栅瓣的问题，利用对称的两个接收馈元来实现栅瓣的消除和旁瓣的减弱，使成像质量得到改善。此外，它还继承了单激励线阵三维SAR的天线相位中心控制精度高和成像数据处理量大大减少的优点。

本发明的优点

本发明就是针对单激励线阵SAR三维成像图像中栅瓣的问题而提出的，它采用单激励线阵SAR的成像原理，在每一个PRF利用两个对称接收馈元分别来接收回波，然后对每一个接收馈元的回波进行成像处理，最后将两个处理结果相加并显示出来，就得到三维重建图。它克服了单激励线阵SAR成像图像中栅瓣多的缺点。此外它还继承了单激励线阵三维SAR的天线相位中心控制精度高和成像数据处理量大大减少的优点。

本发明提出的利用对称的两个接收馈元来实现栅瓣的消除和旁瓣的减弱的方法，有效的改善了成像质量。我们对此方法进行仿真试验，通过比较和评估我们得到如下特点：

(1)该方法继承了单激励线阵三维SAR的天线相位中心控制精度高、成像数据处理量大大减少等优点。

(2)采用对称的两个接收馈元接收回波，通过两个接收天线相位中心正好对称的轨迹来实现栅瓣抵消和降低旁瓣的目的，使成像质量得到改善。

附图说明

图1是单激励线阵三维合成孔径雷达的几何结构图

其中在每一个慢时间，W₀表示单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元，W₁表示单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵馈元，W₂表示与单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵馈元W₁关于单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀对称的单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵馈元，T-APC表示发射馈元W₀的天线相位中心，R1-APC表示接收馈元W₁的天线相位中心，R2-APC表示接收馈元W₂的天线相位中心，P_ω为三维测绘场景中的一个散射点，R_i表示发射馈元W₀距离散射点P_ω的距离，R_r1表示线阵馈元W₁距离散射点P_ω的距离，R_r2表示线阵馈元W₂距离散射点P_ω的距离，(u，v，w)为散射点P_ω的坐标系，(x，y，z)为载机平台的坐标系，

平台速度矢量，n表示慢时间。

图2是BP算法处理方框图

其中，PRF表示雷达脉冲重复频率，通道PRF＝i表示接收机在第i个慢时间接收的回波数据，i＝1，...，N。N为一个飞行孔径内慢时间的个数，(u，v，w)为散射点的坐标。收发天线相位中心可以由系统的初始化参数计算。三维成像空间为定义12描述的三维合成孔径雷达成像空间。距离压缩为定义7描述的合成孔径雷达标准距离压缩方法，插值/重采样为定义8描述的标准辛格插值方法，相干累加为为定义9描述的沿慢时间相干求和。

图3是本方法的结构流程图。

图4是本发明具体实施方式成像仿真参数表。

具体实施方式

本发明主要采用仿真实验的方法进行验证该系统模型的可行性，所有步骤、结论都在VC++、MATLAB7.0上验证正确。具体实施步骤如下：

步骤1：接收馈元的选定

在单激励线阵三维SAR的基础上，每一个PRF我们打开两个接收馈元分别接收回波，为了方便，我们标号其中一个接收馈元为馈元W₁，另一个接收馈元为馈元W₂，其中接收馈元为馈元W₁利接收馈元W₂是独立的且关于线阵中心馈元W₀完全对称的。那么我们得到的两个接收天线相位中心轨迹也是完全对称的。假设有馈元W₁组成的接收天线相位中心轨迹g₁(t)，馈元W₂组成的天线相位中心轨迹g₂(t)，且它们都是三角周期信号，则有：

$g_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{4}{T}(t-\frac{T}{4})& t\∈[0,T/2]\\ -\frac{4}{T}(t-\frac{3T}{4})& t\∈[T/2,T]\end{array}\right.$ $g_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}-\frac{4}{T}(t-\frac{T}{4})& t\∈[0,T/2]\\ \frac{4}{T}(t-\frac{3T}{4})& t\∈[T/2,T]\end{array}\right.$

其中，T为发射信号周期，t为时间。

步骤3：回波的接收

随着运动平台的运动，发射机不断的对测绘区域发射信号，假设发射机发射的信号为线性调频信号S(t)：

$S\left(t\right)=a\left(t\right)\exp \left[j2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{1}{2}k{t}^2)\right],0\≤t\≤T_s$

其中：a(t)为信号幅度，f_c为中心频率，k为调频斜率，t表示合成孔径内雷达发射脉冲级的慢时间，T_s为脉冲重复时间。

经过一段延迟之后，馈元W₁和馈元W₂分别接收到来自测绘区域的回波，我们记录馈元W₁接收到的回波为φ₁，馈元W₂接收到的回波为φ₂。

步骤3：数据处理

我们分别将接收到的回波φ₁和φ₂利用后向投影算法进行成像处理，如附图2所示，首先采用合成孔径雷达标准距离压缩方法对回波数据φ₁进行压缩，得到距离压缩后的数据，记做E₁，然后采用标准辛格插值方法对这组数据进行插值，得到插值重采样后的数据C₁。再把插值重采样后数据C₁沿慢时间相干求和得到三维数组ε₁。同理，应用相同的处理方法对φ₂进行处理，得到三维数组ε₂；最后将三维数组ε₁和三维数组ε₂相加得到三维数组ε＝ε₁+ε₂；

步骤4：成像结果显示

我们将步骤四中的三维数组ε₁、ε₂和ε通过传统的Matlab绘图方法得到三维图形，其中由ε₁和ε₂得到的三维图形就是传统的单激励线阵三维SAR所成的三维图形，由ε得到的三维图形是消除三维合成孔径雷达图像栅瓣的三维图形。

我们应用本发明进行仿真实验所采用的系统参数详见图4。

通过本发明具体实施方式的仿真及测试，本发明所提出的利用对称的两个接收馈元来实现栅瓣的消除和旁瓣的减弱的方法，与现有的三维合成孔径雷达成像图像相比，它实现栅瓣抵消和降低旁瓣的目的。此外，它还继承了单激励线阵三维SAR的天线相位中心控制精度高和成像数据处理量大大减少的优点。

Claims (1)

1、一种消除三维合成孔径雷达图像栅瓣的方法，其特征是它包括：

步骤1：接收馈元的确定

单激励线阵三维合成孔径雷达在所有的慢时间均由线阵中心馈元W₀发射信号；单激励线阵三维合成孔径雷达的控制开关在每一个慢时间按照三角周期函数打开线阵天线中两个线阵馈元接收单激励线阵三维合成孔径雷达回波，此时其余馈元都关闭，所述的两个线阵馈元关于单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀对称，所述的两个线阵馈元不相关；定义所述的两个线阵馈元为W₁和W₂；

步骤2：单激励线阵三维合成孔径雷达的接收馈元轨迹的确定

在每个慢时间n，n＝1……N，N为正整数，定义单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀所在位置为N_n，n＝1……N，单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀固定在单激励线阵三维合成孔径雷达运动平台上随单激励线阵三维合成孔径雷达运动平台直线运动，记录所有的慢时间单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀所在的空间位置，得到单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀的直线运动轨迹，得到的两个线阵馈元为W₁利W₂的运动轨迹是关于单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵中心馈元W₀的直线运动轨迹对称；

步骤3：单激励线阵三维合成孔径雷达回波的接收

随着运动平台的运动，发射机不断的对测绘区域发射信号，假设发射机发射的信号为线性调频信号S(t)：

$S\left(t\right)=\exp \left[j2\mathrm{\π}(f_{c}t+\frac{1}{2}{\mathrm{kt}}^2)\right]$ 0≤t≤T_s

其中：f_c为中心频率，k为调频斜率，t表示合成孔径内雷达发射脉冲级的慢时间，T_s为脉冲重复时间，j为虚数符号，这些均为已知参数；

经过延迟τ＝(2R)/C之后，单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵接收馈元W₁利W₂分别接收到来自测绘区域的回波；单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵接收馈元W₁和W₂在整个慢时间n，分别得到n个测绘场景的回波信号就是我们所需要的采集数据；我们定义单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵接收馈元W₁对应的回波信号为φ₁，单激励线阵三维合成孔径雷达的线阵接收馈元W₂对应的回波信号为φ₂；

步骤4：数据处理

分别将接收到的回波φ₁和φ₂利用后向投影算法进行成像处理，首先采用合成孔径雷达标准距离压缩方法对回波数据φ₁进行压缩，得到距离压缩后的数据，记做E₁，然后采用标准辛格插值方法对这组数据进行插值，得到插值重采样后的数据C₁；再把插值重采样后数据C₁沿慢时间相干求和得到三维数组ε₁；同理，应用相同的处理方法对φ₂进行处理，得到三维数组ε₂；最后将三维数组ε₁和三维数组ε₂相加得到三维数组ε＝ε₁+ε₂；

步骤5：成像结果显示

我们将步骤4中的三维数组ε₁、ε₂和ε通过传统的Matlab绘图方法得到三维图形，其中由ε₁和ε₂得到的三维图形就是传统的单激励线阵三维SAR所成的三维图形，由ε得到的三维图形是消除三维合成孔径雷达图像栅瓣的三维图形。

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