CN102053247A - 一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正方法 - Google Patents

Abstract

一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正方法，涉及三维成像技术，它根据机载或星载多基线合成孔径雷达数据获取成像几何，得参考轨迹观测视角，并由各轨迹空间位置拟合出各轨迹沿直线排列的方向，得多基线模式下基线倾角；在拟合的排列方向上得虚拟轨迹位置，并根据其与真实轨迹位置之间距离差，对每条轨迹获取数据进行轨迹位置移动的相位补偿；通过信号建模得与参考视角、基线倾角、相对基线距离等参数相关的相位校正因子；各轨迹获取的数据用该相位因子进行相位校正，然后利用空间谱估计技术进行目标高程成像，并利用每条轨迹的目标二维图像，实现对目标的三维成像。本发明能进行更精确的相位校正处理，从而有利于实现高分辨率的三维成像。

Description

一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正方法

技术领域

本发明涉及雷达三维成像技术领域，是一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正处理方法。

背景技术

多基线合成孔径雷达(SAR)通过雷达平台在高度方向上的多次重复飞行，采集得到了不同视角下对目标沿高度方向的多次采样，构成了高度向合成孔径，具有高度方向上的分辨能力。2000年，德国学者A.Reigber等人在论文《First Demonstration of Airborne SAR Tomography Using Multibaseline L-Band Data》中对机载多基线SAR进行了三维成像的数据处理，进行了多基线SAR三维成像的解析建模，提出了使用谱估计技术实现多基线SAR三维成像的处理方法。即首先对每条轨迹采集的数据进行二维成像，获取场景目标距离-方位平面的单视复图像，接下来对各条轨迹得到的图像序列进行配准，获取目标沿高度方向的观测采样数据，然后进行相位校正去除目标高度向合成孔径数据的二次相位变化，再利用空间谱估计技术实现对目标沿高度方向的分辨率成像，并结合得到的目标二维图像，从而实现了对目标的三维成像。本文在进行三维成像处理所使用的多基线SAR几何模型忽略了载机的平台高度，并假定了各轨迹的排列方向为沿目标仰角高度方向，如图1所示，因此在三维成像的相位校正处理也进行了简化，所使用的相位校正因子为

$u_n=\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}{r}^{\′}}{l}_n^2\right\}$

其中，j为虚数单位，l_n为各轨迹相对于参考轨迹的基线距，r’为目标的参考斜距值，λ为载波波长。

2005年，意大利学者G.Fornaro等人在《Three-Dimensional Multipass SAR Focusing：Experiments With Long-Term Spaceborne Data》中对星载多基线SAR进行了三维成像数据处理，也是基于谱估计技术实现高程成像的思路，即在首先用每条轨迹上获取的数据对目标进行二维成像，然后通过相位校正进行目标高程成像。他们所使用的多基线SAR几何模型也忽略了卫星的平台高度，在进行去除高度向采样数据二次相位变化的相位校正处理中，所使用的相位校正因子为

$u_n=\exp \left\{j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{r}_n{\left(0\right)}^2\right\}$

其中，j为虚数单位，λ为载波波长，r_n(0)为各轨迹与在零海拔位置处目标的斜距值，该数据值的获取需要有外来DEM数据作为支撑条件。

在多基线SAR三维成像数据处理的后续研究中，如2005年S.Guillaso等人的《Scatter Characterisation Using Polarimetric SAR Tomography》，2007年O.Frey等人的《Tomographic Processing of Multi-Baseline P-Band SAR Data for Imaging of a Forested Area》，2008年F.Lombardini等人的《3-D SAR Tomography：The Multibaseline Sector Interpolation Approach》等文章中所使用的相位校正方法都是基于A.Reigber等人在2000年提出的方法。

以上相位校正的处理方法并不能反映多基线SAR数据获取时的真实几何构型，未能有效的去除高程采样数据的二次相位变化，在后续高程成像过程中会引入误差。

发明内容

本发明的目的在于根据机载或星载多基线合成孔径雷达的几何构型，构造与参考视角、基线倾角等几何参数有关的相位校正因子，提出一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正方法，为实现降低模糊的高分辨的三维成像而进行更精确的相位校正处理，从而达到降低高程模糊的高分辨的三维成像。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正方法，是在三维成像数据处理中进行相位补偿：

多基线合成孔径雷达通过雷达平台的多次重复飞行，得到对同一场景在不同高度位置处的多次平行观测；

根据机载或星载多基线合成孔径雷达的成像几何构型，构造与参考轨迹观测视角和轨迹排列方向参数有关的相位校正因子，并补偿轨迹位置移动所产生的相位误差，从而进行带有相位补偿的目标三维成像处理。

所述的三维成像的相位校正方法，其包括如下步骤：

步骤A：对每条轨迹采集的原始回波数据进行二维成像，获得距离-方位平面的目标场景二维图像；

步骤B：对由各轨迹生成的场景目标单视复图像序列进行配准；

步骤C：拟合轨迹沿直线的排列方向，计算真实轨迹和虚拟轨迹位置之间的距离差，对每条轨迹上得到的数据进行轨迹位置移动的相位补偿处理；

步骤D：获得每一个距离-方位分辨单元内，目标沿高度方向的观测采样数据向量；

步骤E：根据多基线几何构型构造相位校正因子，对目标沿高度方向的观测采样数据进行相位校正处理；

步骤F：对经过相位校正处理后得到的数据向量求取空间谱，实现目标的高程成像；

步骤G：结合单次飞行获取的目标场景的二维图像，生成目标的三维图像。

所述的三维成像的相位校正方法，其所述步骤C中拟合各条轨迹沿直线的排列方向，并对每条轨迹数据进行轨迹位置移动的相位补偿，包括如下步骤：

步骤C1：由各条轨迹的空间位置，得到各轨迹在y-z平面内的坐标值集合：(y₁，z₁)，...，(y_N，z_N)；其中，y为地距方向，z为垂直高度方向，N为多基线的轨迹数目。

步骤C2：根据各条轨道在y-z平面内的坐标位置进行直线拟合，拟合出沿一直线方向的轨迹排列方向，即表示为

$z=\stackrel{\‾}{z}+\mathrm{\α}(y-\stackrel{\‾}{y})$

其中， $\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{N}(y_1+y_2+...+y_N),$ $\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}(z_1+z_2+...+z_N),$

$\mathrm{\α}=\frac{(y_1{z}_1+y_2{z}_2+...+y_N{z}_N)-N\stackrel{\‾}{y}\stackrel{\‾}{z}}{(y_1^2+y_2^2+...+y_N^2)-N{\stackrel{\‾}{x}}^2}.$

步骤C3：由拟合的直线排列方向，得到各条轨迹在排列方向上的虚拟位置，并求取各轨迹真实位置和虚拟位置之间的距离差；

步骤C4：对每条轨迹上生成的复图像数据进行轨迹位置移动的相位补偿处理，即使用相位补偿因子与每条轨迹上生成的场景目标二维单视复图像数据相乘；所用的相位补偿因子为：

$v_n=\exp \{-j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\Δ}{r}_n}{\mathrm{\λ}}\}$

其中，j为虚数单位，Δr_n为轨迹虚拟位置与真实位置之间的距离，λ为载波波长。

所述的三维成像的相位校正方法，其所述步骤E中由多基线合成孔径雷达几何构型构造相位校正因子，并对目标高度向观测数据进行相位校正，包括如下步骤：

步骤E1：由多基线合成孔径雷达的几何构型，将所获取的多基线数据中高度位置最低的轨迹定义为参考轨迹，该轨迹的波束中心视角为参考视角；

步骤E2：由所拟合的各条轨迹在空间中的排列方向，得到基线与水平方向的夹角；

步骤E3：根据各条轨迹的相对位置，得到各条轨迹与参考轨迹的相对基线距；

步骤E4：对每条轨迹上得到的目标场景二维聚焦数据进行相位校正处理，去除目标高度向采样数据的二次相位，所使用的相位校正因子为：

其中，j为虚数单位，θ为参考轨迹的观测视角，

为各轨迹的基线与水平方向的夹角，l_n为各轨迹相对于参考轨迹的基线距，r’为目标的参考斜距值，λ为载波波长；

步骤E5：目标沿高度向的观测采样数据与步骤E4中所得相位校正因子相乘，实现去除二次相位的相位校正处理。

本发明方法的有益效果是提出一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正处理方法，在相位校正处理中，与机载或星载多基线合成孔径雷达几何构型相结合，进行了轨迹位置移动的相位补偿，并推导出与参考视角、基线倾角等参数有关的相位校正因子，该更精确的相位校正因子在三维成像处理中能够得到降低模糊的高分辨的成像结果。

附图说明

图1是已有的多基线SAR三维成像几何构型图；

图2是本发明给出的多基线SAR三维成像几何构型示意图；

图3是各条轨迹的空间分布位置及其排列方向的拟合直线；

图4是本发明给出的相位校正的多基线SAR三维成像处理流程图；

图5是本发明中轨迹位置移动的相位补偿处理流程图；

图6是本发明中相位校正因子的求解过程图。

具体实施方式

本发明是一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正方法，是为了能够对多基线SAR数据进行更精确的相位校正，根据机载或星载多基线SAR几何构型，构造与几何构型参数相关的相位校正因子，进行更精确的相位校正处理，从而达到降低高程模糊的高分辨的三维成像。

本发明所提出的多基线合成孔径雷达三维成像的观测几何模型如图2所示。x为载机飞行的方位向，y为地距方向，z为垂直高度方向。载机在不同高度位置重复飞行了N次，将各轨迹拟合为按某一直线方向排列，该方向与水平方向的夹角为

定义最低位置处的观测为参考位置，参考位置处的波束中心视角为θ，其中心波束方向为参考斜距方向r，定义s为正交于载机飞行方向x和参考斜距方向r的仰角高度方向，则建立了三维成像坐标系x-r-s，坐标原点位于参考平台位置处。

第n条轨迹所获取的原始回波数据经过二维聚焦成像之后，所得到的观测目标二维聚焦数据表示为

根据所拟合的轨迹排列方向，得到各轨迹在排列方向处的虚拟位置，并得到其与轨迹真实位置之间的距离差Δr_n，从而对每条轨迹的数据进行轨迹位置的相位补偿处理，相位补偿因子为：

$v_n=\exp \{-j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\Δ}{r}_n}{\mathrm{\λ}}\}$

其中，j为虚数单位，Δr_n为轨迹虚拟位置与真实位置之间的距离，λ为载波波长。

目标二维聚焦数据乘以相位补偿因子进行相位补偿，从而第n条轨迹上所得到目标二维聚焦数据为：

${\mathrm{\γ}}_n(x^{\′},r^{\′},s^{\′})={\widetilde{\mathrm{\γ}}}_n(x^{\′},r^{\′},s^{\′})\·v_n=a(x^{\′},r^{\′},s^{\′})\exp (-j4\mathrm{\π}\frac{r_n(x^{\′},r^{\′},s^{\′})}{\mathrm{\λ}})\sin c\left[\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\δ}}_x}(x-x^{\′})\right]\sin c\left[\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\δ}}_r}(r-r^{\′})\right]$

其中，a(x′，r′，s′)为目标点的复散射系数，假定目标各向同性，其幅度和相位在高度位置N次观测中保持不变；λ为波长，r_n(x′，r′，s′)为目标点与第n次观测之间的距离，δ_x和δ_r分别是二维聚焦成像后方位向和斜距向上的分辨率；x′，r′，s′分别为目标在方位向、距离向和高度向的坐标值。

根据菲涅耳近似，r_n(x′，r′，s′)表示为：

其中，l_n为第n条轨迹与参考轨迹之间的距离。

对不同高度位置采集得到的二维聚焦信号进行去除线性调频项的相位校正处理，相位因子为：

目标二维聚焦数据乘以相位校正因子进行相位校正，从而第n条轨迹上得到的聚焦数据为：

$g_n(x^{\′},r^{\′},s^{\′})={\mathrm{\γ}}_n(x^{\′},r^{\′},s^{\′})\·u_n=a(x^{\′},r^{\′},s^{\′}){\widetilde{\mathrm{\Ψ}}}_n(x^{\′},r^{\′},s^{\′})\sin c\left[\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\δ}}_x}\left({x-x}^{\′}\right)\right]\sin c\left[\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\δ}}_r}\left({r-r}^{\′}\right)\right]$

此时，沿高度向采集信号的空间频率为：

其中，θ为参考位置处的波束中心视角，

为轨迹排列方向与水平方向的夹角，λ为波长，x’，r’，s’分别为目标在方位向、距离向和高度向的坐标值。

目标沿高度向采集信号的空间频率只与目标散射点在高度方向的位置有关，而与高度向数据采集位置无关。因此通过傅里叶变换求取高度向合成孔径数据的空间谱，就可实现对目标沿高度方向的成像，从而实现对目标的三维成像。

下面结合附图，详细说明本发明的一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正方法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。

本发明提出的一种多基线合成孔径雷达相位校正方法，结合该相位校正方法实现三维成像的具体实施步骤如图4所示，主要有：

步骤A：对每条轨迹采集的原始回波数据进行二维成像，获得距离-方位平面的目标场景二维图像；

步骤B：对由各轨迹生成的场景目标单视复图像序列进行配准；

步骤C：拟合轨迹沿直线的排列方向，计算真实轨迹和虚拟轨迹位置之间的距离差，对每条轨迹上得到的数据进行轨迹位置移动的相位补偿处理；

步骤D：获得每一个距离-方位分辨单元内，目标沿高度方向的观测采样数据向量；

步骤E：根据多基线几何构型构造相位校正因子，对目标沿高度方向的观测采样数据进行相位校正处理；

步骤F：对相位校正处理后的数据向量求取空间谱实现目标的高程成像；

步骤G：结合单次飞行获取的目标场景的二维图像，生成目标的三维图像。

本发明所提出的轨迹位置移动相位补偿模块是本发明的核心内容之一，拟合轨迹排列方向并所进行轨迹位置移动的示意图如图3所示，进行相位补偿的具体实施步骤如图5所示，主要有：

步骤C1：由各条轨迹的空间位置，得到各轨迹在y-z平面内的坐标值集合：(y₁，z_l)，...，(y_N，z_N)；其中，y为地距方向，z为垂直高度方向，N为多基线的轨迹数目。

步骤C2：根据各条轨道在y-z平面内的坐标位置，利用最小二乘方法进行直线拟合，拟合出沿一直线方向的轨迹排列方向，即表示为

$z=\stackrel{\‾}{z}+\mathrm{\α}(y-\stackrel{\‾}{y})$

其中， $\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{N}(y_1+y_2+...+y_N),$ $\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}(z_1+z_2+...+z_N),$

$\mathrm{\α}=\frac{(y_1{z}_1+y_2{z}_2+...+y_N{z}_N)-N\stackrel{\‾}{y}\stackrel{\‾}{z}}{(y_1^2+y_2^2+...+y_N^2)-N{\stackrel{\‾}{x}}^2}.$

步骤C3：由拟合的直线排列方向，得到各条轨迹在排列方向上的虚拟位置，并求取各轨迹真实位置和虚拟位置之间的距离差；

步骤C4：对每条轨迹上生成的复图像数据进行轨迹位置移动的相位补偿处理，即使用相位补偿因子与每条轨迹上生成的场景目标二维单视复图像数据相乘；所用的相位补偿因子为：

$v_n=\exp \{-j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\Δ}{r}_n}{\mathrm{\λ}}\}$

其中，j为虚数单位，Δr_n为轨迹虚拟位置与真实位置之间的距离，λ为载波波长。

本发明所提出的相位校正因子求解是本发明的核心内容之一，具体实施步骤如图6所示，主要有：

步骤E1：由多基线合成孔径雷达的几何构型，将所获取的多基线数据中高度位置最低的轨迹定义为参考轨迹，该轨迹的波束中心视角为参考视角；

步骤E2：由所拟合的各条轨迹在空间中的排列方向，得到基线与水平方向的夹角；

步骤E3：根据各条轨迹的相对位置，得到各条轨迹与参考轨迹的相对基线距；

步骤E4：对每条轨迹上得到的目标场景二维聚焦数据进行相位校正处理，去除目标高度向采样数据的二次相位，所使用的相位校正因子为

其中，j为虚数单位，θ为参考轨迹的观测视角，为各轨迹的基线与水平方向的夹角，l_n为各轨迹相对于参考轨迹的基线距，r’为目标的参考斜距值，λ为载波波长。

步骤E5：目标沿高度向的观测采样数据与上述相位校正因子相乘，实现去除二次相位的相位校正处理。

本发明上述的方法，已经在计算机上应用MATLAB软件得到验证，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。

Claims (4)

1.一种多基线合成孔径雷达三维成像的相位校正方法，是在三维成像数据处理中进行相位补偿，其特征在于：

多基线合成孔径雷达通过雷达平台的多次重复飞行，得到对同一场景在不同高度位置处的多次平行观测；

根据机载或星载多基线合成孔径雷达的成像几何构型，构造与参考轨迹观测视角和轨迹排列方向参数有关的相位校正因子，并补偿轨迹位置移动所产生的相位误差，从而进行带有相位补偿的目标三维成像处理。

2.如权利要求1所述的三维成像的相位校正方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：对每条轨迹采集的原始回波数据进行二维成像，获得距离-方位平面的目标场景二维图像；

步骤B：对由各轨迹生成的场景目标单视复图像序列进行配准；

步骤C：拟合轨迹沿直线的排列方向，计算真实轨迹和虚拟轨迹位置之间的距离差，对每条轨迹上得到的数据进行轨迹位置移动的相位补偿处理；

步骤D：获得每一个距离-方位分辨单元内，目标沿高度方向的观测采样数据向量；

步骤E：根据多基线几何构型构造相位校正因子，对目标沿高度方向的观测采样数据进行相位校正处理；

步骤F：对经过相位校正处理后得到的数据向量求取空间谱，实现目标的高程成像；

步骤G：结合单次飞行获取的目标场景的二维图像，生成目标的三维图像。

3.如权利要求2所述的三维成像的相位校正方法，其特征在于：所述步骤C中拟合各条轨迹沿直线的排列方向，并对每条轨迹数据进行轨迹位置移动的相位补偿，包括如下步骤：

步骤C1：由各条轨迹的空间位置，得到各轨迹在y-z平面内的坐标值集合：(y₁，z₁)，...，(y_N，z_N)；其中，y为地距方向，z为垂直高度方向，N为多基线的轨迹数目；

步骤C2：根据各条轨道在y-z平面内的坐标位置进行直线拟合，拟合出沿一直线方向的轨迹排列方向，即表示为：

$z=\stackrel{\‾}{z}+\mathrm{\α}(y-\stackrel{\‾}{y});$

其中， $\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{N}(y_1+y_2+...+y_N),$ $\stackrel{\‾}{z}=\frac{1}{N}(z_1+z_2+...+z_N),$

$\mathrm{\α}=\frac{(y_1{z}_1+y_2{z}_2+...+y_N{z}_N)-N\stackrel{\‾}{y}\stackrel{\‾}{z}}{(y_1^2+y_2^2+...+y_N^2)-N{\stackrel{\‾}{x}}^2};$

步骤C3：由拟合的直线排列方向，得到各条轨迹在排列方向上的虚拟位置，并求取各轨迹真实位置和虚拟位置之间的距离差；

步骤C4：对每条轨迹上生成的复图像数据进行轨迹位置移动的相位补偿处理，即使用相位补偿因子与每条轨迹上生成的场景目标二维单视复图像数据相乘；所用的相位补偿因子为：

$v_n=\exp \{-j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\Δ}{r}_n}{\mathrm{\λ}}\}$

其中，j为虚数单位，Δr_n为轨迹虚拟位置与真实位置之间的距离，λ为载波波长。

4.如权利要求2所述的三维成像的相位校正方法，其特征在于：所述步骤E中由多基线合成孔径雷达几何构型构造相位校正因子，并对目标高度向观测数据进行相位校正，包括如下步骤：

步骤E1：由多基线合成孔径雷达的几何构型，将所获取的多基线数据中高度位置最低的轨迹定义为参考轨迹，该轨迹的波束中心视角为参考视角；

步骤E2：由所拟合的各条轨迹在空间中的排列方向，得到基线与水平方向的夹角；

步骤E3：根据各条轨迹的相对位置，得到各条轨迹与参考轨迹的相对基线距；

步骤E4：对每条轨迹上得到的目标场景二维聚焦数据进行相位校正处理，去除目标高度向采样数据的二次相位，所使用的相位校正因子为：

其中，j为虚数单位，θ为参考轨迹的观测视角，

为各轨迹的基线与水平方向的夹角，l_n为各轨迹相对于参考轨迹的基线距，r’为目标的参考斜距值，λ为载波波长；

步骤E5：目标沿高度向的观测采样数据与步骤E4中所得相位校正因子相乘，实现去除二次相位的相位校正处理。

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