CN103064083A - 毫米波交轨三孔径稀疏阵sar系统的侧视三维成像法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，涉及雷达成像和信号处理技术，利用机载毫米波交轨三孔径稀疏阵列干涉SAR系统来实现对观测场景的侧视三维成像。通过对交轨向三个孔径空间位置的优化，获得使等效相位中心天线方向图的峰值旁瓣比和积分旁瓣比最低的优化布局。由于交轨向等效阵列长度较短，交轨向分辨率较低，系统以毫米波信号作为发射信号，可提高交轨向分辨率；当交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率会产生耦合，交轨向较低的分辨率部分会转化为高程向的不确定性。对交轨向三个孔径交轨向波束侧视时一发三收的回波信号，利用三维波数域算法即可实现对观测场景的侧视三维成像。

Description

毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法

技术领域

本发明涉及雷达成像和信号处理技术领域，特别是利用机载毫米波交轨三孔径干涉SAR系统在交轨向所产生的最小稀疏阵列结构，实现对观测场景侧视三维成像的方法。

背景技术

机载毫米波交轨三孔径干涉SAR系统的侧视成像几何模型，如图1所示，雷达通过载机平台在X方向(顺轨向)的运动形成了一个合成孔径，来获得顺轨向分辨率；再利用分布在Y方向(交轨向)的三个孔径一发三收的回波信号，通过多相位中心孔径综合原理获得交轨向等效的阵列结构，来得到交轨向分辨率；Z方向(高程向)分辨率则通过发射宽带信号来获得，最终实现对观测场景的三维成像。

为了降低系统的体积、重量和复杂度，考虑在交轨向布设稀疏阵列天线。利用阵列天线稀疏优化方案(如：最小冗余线列阵，对旁瓣电平有约束的稀疏阵，方向图乘积降低稀疏阵栅瓣，能获得满阵相位中心的稀疏阵等)来获得交轨向稀疏阵列天线的布局。

针对稀疏阵列天线存在的峰值旁瓣比和积分旁瓣比较高问题，采用全阵的方向图来控制分辨率，采用子阵的方向图来控制峰值旁瓣比和积分旁瓣比。

本发明中相关的技术背景主要基于下面一系列文献：

[1].GierullCH.OnaConceptforanAirborneDownward-LookingImagingRadar[J].InternationaolJournalofElectronicsandCommunications(

).Vol.53，No.6，1999：295-304.

[2].GiretR，JeulandH，EnertP.AStudyof3D-SARConceptforaMillimeterwaveimagingradaronboardanUAV[C].EurppeanRadarConference2004.Amsterdam，Netherland，2004.

[3].KlareJ，BrennerAR，EnderJHG.ANewAirborneRadarfor3dImaging-ImageFormationUsingtheARTINOPrinciple[C].6thEuropeanConferenceonSyntheticApertureRadar(EUSAR2006).Dresden，Germany，2006：16-18

[4].侯颖妮.基于稀疏阵列天线的雷达成像技术研究[D].北京：中国科学院电子学研究所，2010.

[5].LiDJ，HouYN，HongW.TheSparseArrayApertureSynthesiswithSpaceConstrain[C].8thEuropeanConferenceonSyntheticApertureRadar(EUSAR2010).Germany，2010：950-953.

发明内容

本发明的目的是公开一种毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，可实现对观测场景的侧视三维成像，系统以毫米波信号作为发射信号，提高交轨向分辨率，通过增大信号带宽，提高斜距离分辨率，解决交轨向阵列较短而产生的交轨分辨率较低和高程不确定性的问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其包括步骤：

步骤S1：对交轨向三个孔径：孔径A1，孔径A2，孔径A3的空间位置进行优化；；

步骤S2：利用优化后交轨向三个孔径交轨向波束侧视时一发多收的回波信号，通过多相位中心孔径综合原理，在交轨向获得三个等效相位中心：相位中心E1，相位中心E2，相位中心E3；

以三个等效相位中心作为最小的阵列结构来获得交轨向分辨率；

步骤S3：对步骤S2获得的三个等效相位中心：相位中心E1，相位中心E2，相位中心E3各处的信号分别进行等效相位中心相位补偿，使回波信号相位与等效相位中心处自发自收时所获得的信号相位相同；根据系统收发的几何关系，对于等效相位中心E_n(n＝1，2，3)，所需补偿的相位为

(n＝1，2，3)；

步骤S4：对步骤S3中获得的经过等效相位中心相位补偿的回波信号，采用三维波数域成像算法完成对观测场景的侧视三维成像。

所述的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其所述步骤S1中对交轨向三个孔径空间位置进行优化，其采用的优化准则是：选择孔径A1，孔径A2，孔径A3的空间位置，使得当孔径A1发射，孔径A1，孔径A2，孔径A3同时接收时，所获得的三个等效相位中心构成的最小稀疏阵列的天线方向图的峰值旁瓣比和积分旁瓣比最低，以满足成像的需求；

由于孔径数量为三个，用穷举法的方法来获得最优化的布局。

所述的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其所述步骤S2中，由于交轨向三个等效相位中心所构成的稀疏阵列长度较短，使得交轨向分辨率较低；系统以毫米波信号作为发射信号，以提高交轨向的分辨率；当交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率会产生耦合，较低的交轨向分辨率部分会转化为高程向的不确定性。

所述的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其所述步骤S4中，三维波数域成像算法的具体流程如下：

a)对经过相位补偿后的回波信号s(t，u，v)进行三维傅里叶变换，在三维波数域中得到

S(k_t，k_u，k_v)＝F_t，u，v{s(t，u，v)}

其中，F{·}表示对函数的傅里叶变换，k_t表示快时间波数，k_u表示顺轨向波数，k_v表示交轨向波数；

b)构造匹配滤波函数h(t，u，v)，对匹配滤波函数进行三维傅里叶变换，在三维波数域中得到

H(k_t，k_u，k_v)＝F_t，u，v{h(t，u，v)}

c)在三维波数域中完成匹配滤波

S_M(k_t，k_u，k_v)＝S(k_t，k_u，k_v)H^*(k_t，k_u，k_v)

d)对匹配滤波后的信号作三维STOLT变换，将(k_t，k_u，k_v)映射为(k_x，k_y，k_z)

$\left\{\begin{array}{c}{k}_x=k_u\\ k_y=k_v\\ k_z=-\sqrt{4k_t^2-k_u^2-k_v^2}\end{array}\right.$

可以得到S_MT(k_t，k_u，k_v)；

e)最后对S_MT(k_t，k_u，k_v)进行三维反傅里叶变换，即可得到观测场景的侧视三维图像。

所述的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其所述步骤S4中，侧视三维成像时，通过增大信号带宽，提高斜距离分辨率，解决交轨向阵列较短而产生的交轨分辨率较低和高程不确定性的问题。

本发明方法的有益效果：

本发明方法基于机载毫米波交轨三孔径干涉SAR系统三个孔径交轨向波束侧视时一发三收的回波信号，通过多相位中心孔径综合原理，形成的交轨向等效最小的稀疏阵列结构，实现对观测场景的侧视三维成像。通过对交轨向三个孔径空间位置的优化，使采用的优化准则是：选择孔径A1，A2，A3的空间位置，使得当孔径A1发射，孔径A1，A2，A3同时接收时所获得的三个等效相位中心构成的最小稀疏阵列的天线方向图的峰值旁瓣比和积分旁瓣比最低，以满足成像的需求。交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率产生的耦合，会将交轨向较低的分辨率部分转化为高程向的不确定性。侧视三维成像时，解决交轨向阵列较短而产生的交轨分辨率较低和高程不确定性的问题，可通过增大信号带宽，提高斜距离分辨率实现。

附图说明

图1是机载毫米波交轨三孔径SAR系统的侧视成像几何模型示意图；

图2是经过优化后的交轨向三孔径的一种空间位置示意图；

图3a是交轨向等效线性稀疏阵列的天线方向图示意图；

图3b是图3a矩形所包含部分的局部放大图；

图4是0.2m子阵的天线方向图示意图；

图5a是交轨向等效线性稀疏阵列的方向图和0.2m子阵的方向图相结合后天线方向图示意图；

图5b是图5a矩形所包含部分的局部放大图；

图6a是交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率相互耦合的两个点目标的三维成像结果示意图；

图6b是交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率相互耦合的顺轨向-高程向切面(Y＝1265m)；

图6c是交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率相互耦合的交轨向-高程向切面(X＝0)；

图6d是交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率相互耦合的顺轨向-交轨向切面(Z＝0)；

图7是本发明的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法流程图。

具体实施方式

本发明方法要解决的技术问题是：

1、利用交轨向三个孔径所产生最小的阵列结构实现对观测场景的侧视三维成像；

2、通过对交轨向三个孔径的空间位置的优化，采用的优化准则是：选择孔径A1，A2，A3的空间位置，使得当孔径A1发射，孔径A1，A2，A3同时接收时所获得的三个等效相位中心构成的最小稀疏阵列的天线方向图的峰值旁瓣比和积分旁瓣比最低，以满足成像的需求；

3、交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率产生的耦合，会将交轨向较低的分辨率部分转化为高程向的不确定性。侧视三维成像时，解决交轨向阵列较短而产生的交轨分辨率较低和高程不确定性的问题，可通过增大信号带宽，提高斜距离分辨率实现。

本发明利用机载毫米波交轨三孔径干涉SAR系统三个孔径交轨向波束侧视时一发三收的回波信号，通过多相位中心孔径综合原理，获得交轨向最小的阵列结构(由三个等效相位中心构成)，可实现对观测场景的侧视三维成像。通过对交轨向三个孔径的空间位置的优化，采用的优化准则是：选择孔径A1，孔径A2，孔径A3的空间位置，使得当孔径A1发射，孔径A1，孔径A2，孔径A3同时接收时所获得的三个等效相位中心构成的最小稀疏阵列的天线方向图的峰值旁瓣比和积分旁瓣比最低，以满足成像的需求。交轨向由三个等效相位中心所构成的最小阵列结构，阵长较短，使得交轨向分辨率偏低。系统以毫米波信号作为发射信号，可提高交轨向分辨率。同时交轨向波束侧视时交轨向分辨率和高程向分辨率会产生耦合，较低的交轨向分辨率部分会转化为高程向的不确定性。最后采用三维波数域算法完成对观测场景的侧视三维成像。本发明的内容以一个交轨三基线干涉SAR系统为例说明，该方法也可以推广到交轨多基线干涉SAR系统。

本发明方法所用的系统采用一发三收模式，系统成像几何模型如图1所示。孔径A1发射线性调频信号，孔径A1，A2，A3同时接收。由此产生的三个等效相位中心(E1)、(E2)、(E3)，可以构成最小的稀疏阵列结构，可实现对观测场景的侧视三维成像(图2给出了一种优化后的阵列布局)。具体处理过程，按照以下步骤进行。

步骤S1：对交轨向三个孔径(孔径A1)、(孔径A2)、(孔径A3)的空间位置进行优化，采用的优化准则是：选择孔径A1，孔径A2，孔径A3的空间位置，使得当孔径A1发射，孔径A1，孔径A2，孔径A3同时接收时所获得的三个等效相位中心构成的最小稀疏阵列的天线方向图的峰值旁瓣比和积分旁瓣比最低，以满足成像的需求。

步骤S2：利用优化后交轨向三个孔径(孔径A1)、(孔径A2)、(孔径A3)交轨向波束侧视时一发多收的回波信号，通过多相位中心孔径综合原理，在交轨向可获得三个等效相位中心：相位中心E1，相位中心E2，相位中心E3。

这三个等效相位中心可作为最小的阵列结构来获得交轨向分辨率。

由于交轨向三个等效相位中心所构成的稀疏阵列长度较短，使得交轨向分辨率较低。系统以毫米波信号作为发射信号，可提高交轨向的分辨率。当交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率会产生耦合，较低的交轨向分辨率部分会转化为高程向的不确定性。

步骤S3：对步骤S2获得的三个等效相位中心处的信号分别进行等效相位中心相位补偿，使回波信号相位与等效相位中心处自发自收时所获得的信号相位相同。根据系统收发的几何关系，对于等效相位中心E_n(n＝1，2，3)，所需补偿的相位为(n＝1，2，3)。

步骤S4：对步骤S3中获得的经过等效相位中心相位补偿的回波信号，采用三维波数域成像算法完成对观测场景的侧视三维成像。

下面对个别步骤进行详细说明：

所述步骤S1中描述的对交轨向三个孔径的空间位置进行优化布局，采用的优化准则是：选择孔径A1，孔径A2，孔径A3的空间位置，使得当孔径A1发射，孔径A1，孔径A2，孔径A3同时接收时所获得的三个等效相位中心构成的最小稀疏阵列的天线方向图的峰值旁瓣比和积分旁瓣比最低。图2给出了一种优化的结果，三个孔径的相对空间位置如图2a所示，孔径A1为发射线性调频信号，孔径A1，孔径A2，孔径A3同时接收。利用多相位中心孔径综合原理，可获得三个等效相位中心位置(相位中心E1，相位中心E2，相位中心E3)，如图2b所示。由这三个等效相位中心位置可以构成最小的稀疏阵列结构，从而可实现三维成像。由这三个等效相位中心所构成的最小稀疏阵列的天线方向图如图3所示。利用0.2m子阵天线方向图(如图4)对稀疏阵列的天线方向图进行加权，得到的结果如图5所示，合成后的天线方向图的峰值旁瓣比为-10.6dB，积分旁瓣比为-5.464dB。

步骤S2中所描述的当交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向(距离向)分辨率会产生耦合，较低的交轨向分辨率部分会转化为高程向的不确定性。通过对点目标的仿真可以清楚的说明此问题，对空间两个点目标(空间位置为(0，1255m，0)和(0，1265m，0))用本发明所阐述的方法进行三维成像，仿真结果如图6a、图6b、图6c、图6d所示。通过图6c中交轨向-高程向切面图(X＝0)，可以看出交轨向分辨率和高程向分辨率会相互耦合，较低的交轨向分辨率部分会转化为高程向的不确定性步骤S3中描述的对于等效相位中心E_n(n＝1，2，3)，需补偿的相位

(n＝1，2，3)，使得信号相位与等效相位中心处自发自收时的信号相位相同。假设三个孔径在交轨向位置为v_n(n＝1，2，3)，等效相位中心在交轨向的位置为v_en(n＝1，2，3)，其中，v_en＝(v₁+v_n)/2。并假设场景中心的空间位置为(x₀，y₀，z₀)，则对于第m个顺轨向采样位置u_m处，第n个等效相位中心，所需补偿的相位为：

$R_t=\sqrt{{(u_m-x_0)}^2+{(v_1-y_0)}^2+{(H-z_0)}^2}$

$R_{\mathrm{rn}}=\sqrt{{(u_m-x_0)}^2+{(v_n-y_0)}^2+{(H-z_0)}^2}$

$R_{\mathrm{en}}=\sqrt{{(u_m-x_0)}^2+{(v_{\mathrm{en}}-y_0)}^2+{(H-z_0)}^2}$

其中，λ为发射信号波长。

步骤S4中所描述的三维波数成像算法的具体实现流程如下：

a)对经过相位补偿后的回波信号s(t，u，v)进行三维傅里叶变换，在三维波数域中得到

S(k_t，k_u，k_v)＝F_t，u，v{s(t，u，v)}

其中，F{·}表示对函数的傅里叶变换，k_t表示快时间波数，k_u表示顺轨向波数，k_v表示交轨向波数；

b)构造匹配滤波函数h(t，u，v)，对匹配滤波函数进行三维傅里叶变换，在三维波数域中得到：

H(k_t，k_u，k_v)＝F_t，u，v{h(t，u，v)}

c)在三维波数域中完成匹配滤波：

S_M(k_t，k_u，k_v)＝S(k_t，k_u，k_v)H^*(k_t，k_u，k_v)

d)对匹配滤波后的信号作三维STOLT变换，将(k_t，k_u，k_v)映射为(k_x，k_y，k_z)：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_x=k_u\\ k_y=k_v\\ k_z=-\sqrt{4k_t^2-k_u^2-k_v^2}\end{array}\right.$

可以得到S_MT(k_t，k_u，k_v)；

e)最后对S_MT(k_t，k_u，k_v)进行三维反傅里叶变换，即可得到观测场景的侧视三维图像。

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 (5)

1.一种毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其特征在于，包括步骤：

步骤S1：对交轨向三个孔径：孔径A1，孔径A2，孔径A3的空间位置进行优化；

步骤S2：利用优化后交轨向三个孔径交轨向波束侧视时一发多收的回波信号，通过多相位中心孔径综合原理，在交轨向获得三个等效相位中心：相位中心E1，相位中心E2，相位中心E3；

以三个等效相位中心作为最小的阵列结构来获得交轨向分辨率；

步骤S3：对步骤S2获得的三个等效相位中心：相位中心E1，相位中心E2，相位中心E3各处的信号分别进行等效相位中心相位补偿，使回波信号相位与等效相位中心处自发自收时所获得的信号相位相同；根据系统收发的几何关系，对于等效相位中心E_n(n＝1，2，3)，所需补偿的相位为

(n＝1，2，3)；

步骤S4：对步骤S3中获得的经过等效相位中心相位补偿的回波信号，采用三维波数域成像算法完成对观测场景的侧视三维成像。

2.根据权利要求1所述的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其特征在于，所述步骤S1中对交轨向三个孔径空间位置进行优化，其采用的优化准则是：选择孔径A1，孔径A2，孔径A3的空间位置，使得当孔径A1发射，孔径A1，孔径A2，孔径A3同时接收时，所获得的三个等效相位中心构成的最小稀疏阵列的天线方向图的峰值旁瓣比和积分旁瓣比最低，以满足成像的需求；

由于孔径数量为三个，用穷举法的方法来获得最优化的布局。

3.根据权利要求1所述的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其特征在于，所述步骤S2中，由于交轨向三个等效相位中心所构成的稀疏阵列长度较短，使得交轨向分辨率较低；系统以毫米波信号作为发射信号，以提高交轨向的分辨率；当交轨向波束侧视时，交轨向分辨率和高程向分辨率会产生耦合，较低的交轨向分辨率部分会转化为高程向的不确定性。

4.根据权利要求1所述的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其特征在于，所述步骤S4中，三维波数域成像算法的具体流程如下：

a)对经过相位补偿后的回波信号s(t，u，v)进行三维傅里叶变换，在三维波数域中得到：

S(k_t，k_u，k_v)＝F_t，u，v{s(t，u，v)}

其中，F{·}表示对函数的傅里叶变换，k_t表示快时间波数，k_u表示顺轨向波数，k_v表示交轨向波数；

b)构造匹配滤波函数h(t，u，v)，对匹配滤波函数进行三维傅里叶变换，在三维波数域中得到：

H(k_t，k_u，k_v)＝F_t，u，v{h(t，u，v)}

c)在三维波数域中完成匹配滤波：

S_M(k_t，k_u，k_v)＝S(k_t，k_u，k_v)H^*(k_t，k_u，k_v)

d)对匹配滤波后的信号作三维STOLT变换，将(k_t，k_u，k_v)映射为(k_x，k_y，k_z)：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_x=k_u\\ k_y=k_v\\ k_z=-\sqrt{4k_t^2-k_u^2-k_v^2}\end{array}\right.$

以得到S_MT(k_t，k_u，k_v)；

e)最后对S_MT(k_t，k_u，k_v)进行三维反傅里叶变换，即得到观测场景的侧视三维图像。

5.根据权利要求1所述的毫米波交轨三孔径稀疏阵SAR系统的侧视三维成像法，其特征在于，所述步骤S4中，侧视三维成像时，通过增大信号带宽，提高斜距离分辨率，解决交轨向阵列较短而产生的交轨分辨率较低和高程不确定性的问题。

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