CN103336278A - 多视角观测下前视三维sar成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多视角观测下前视三维SAR成像方法，其步骤包括：(1)构建前视三维合成孔径雷达平台；(2)双基转换成单基模式；(3)距离向处理；(4)方位维SPECAN处理；(5)方位维Chirp-Z变换；(6)补偿多余相位；(7)对多基线InSAR的联合像素进行高程估计。本发明在“快拍”二维成像时对方位维成像采用SPECAN算法，并利用三幅“快拍”得到的二维SAR图像做联合像素处理来估计目标的高程信息，使得本发明具有数据获取时间短，数据量和运算量小，算法复杂度低，测高精度高的优点，适合工程实现。通过采用InSAR干涉技术对目标三维成像，使得本发明具有不受场景类型限制，应用范围广泛的优点。

Description

多视角观测下前视三维SAR成像方法

技术领域

本技术发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达技术领域中的一种多视角观测下前视三维合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)成像方法。本发明可用于机载合成孔径雷达对地面场景实现前视三维成像。

背景技术

传统的机载SAR采取侧视工作模式，对于载机飞行正前方的场景无法进行探测。而在敌情探测、地形勘测、导弹制导以及环境勘测等场合，需要机载SAR采取前视或者下视工作模式，获取场景的三维图像。前视三维SAR图像的出现使得SAR三维成像的应用范围得以扩展，目前，现有的前视SAR三维成像技术有以下四种。

第一种方法，依靠波束形成的技术实现下视三维成像。

Du L，Wang YP在论文“Analytic modeling and three-dimensional imaging ofdownward-looking SAR using bistatic uniform linear array antennas”(《APSAR》2007，pp：19-53)中提出了一种下视三维成像技术。该技术距离维分辨依靠脉冲压缩，沿航向维分辨依据依靠合成孔径原理，垂直航向方向分辨通过放置线性阵列，对各个振源接收的信号利用实孔径处理，即波束形成技术，实现高程估计。该方法虽然能够实现三维成像，但是这种依靠波束形成的技术实现下视三维成像的方法仍然存在的不足是：波束形成处理后的二维差值运算量大，不适合工程实现。

第二种方法，采用等价聚束式合成孔径处理实现三维成像。

梁毅，井伟，邢孟道，保铮在论文“一种下视三维FMCW SAR成像的新方法”(《自然科学进展》2009，19(5)：575-584)中提出了一种等价聚束式合成孔径三维成像技术，该技术利用脉冲压缩技术得到距离维分辨，依靠合成孔径技术得到沿航向维分辨，再利用等价聚束式合成孔径处理方法，采用等效子孔径SAR成像技术实现垂直航向方向分辨。这种采用等价聚束式合成孔径处理实现三维成像的方法，虽然能够实现三维成像，但是仍然存在的不足是，由于运算量大，而不适合工程实现。

第三种方法，利用目标与其阴影的几何关系实现三维SAR成像。

Lei Pang，Wenlimeng在论文“Three-dimension Information Extracting from HighResolution Airborne Synthetic Aperture Radar”(《Urban Remote Sensing Event》2009，pp：1-5)中提出了一种利用目标与其阴影的几何关系实现三维SAR成像的技术，该技术首先利用合成孔径技术实现距离维和方位维高分辨，然后在已得到的高分辨SAR图像中，利用目标与其阴影的几何关系，通过估计目标与影子的尺寸大小，反演目标的高度，最终实现三维SAR成像。该方法存在的缺点是，只适合于高层建筑和树木等特征明显的场景，因此使得该方法的适用范围受到场景类型的限制。

第四种方法，采用标准的后向投影算法对雷达回波数据进行处理，实现三维SAR成像。

电子科技大学提出的专利申请“一种前视线阵三维合成孔径雷达系统构建方法”(申请号200910059126.5申请公布号CN101551457A)公开了一种已在工程技术领域实现了的前视SAR三维成像系统构建方法。该方法的三维成像系统采用线阵系统单阵元激励方式，使单激励线阵三维SAR的波束前视照射，然后对接收到的回波数据采用标准的后向投影算法进行处理。该方法虽然能得到前方测绘区域的三维成像结果，但是，该专利申请仍然存在的不足之处是，由于其采用的后向投影算法复杂度高，数据量和运算量比较大，所以成像的实时性较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，根据同步轨道SAR平台的运动特点，提出一种多视角观测下前视三维SAR成像方法。

实现本发明的目的的思路是，将雷达线性阵列沿垂直于载机航向的方向排列，通过雷达阵列发射一次脉冲，实现对场景的一次“快拍”，获取目标场景的二维高分辨成像。然后，在不同视角下对目标场景进行三次“快拍”，得到三幅高分辨二维图像。再采用多基线干涉合成孔径雷达(InSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar)处理方法对三幅图像的联合像素进行处理，获取场景的高程信息，从而实现对目标场景的前视三维成像。

本发明的具体实施步骤如下：

(1)构建前视三维合成孔径雷达平台：

1a)将雷达线性阵列沿垂直于载机航向的方向排列；

1b)将阵元沿线阵等间隔分布，所有的振元接收雷达回波信号，其中位于线性阵列顶端的两个振元发射雷达信号；

1c)在发射信号时，将雷达波束设置成沿航向前下方照射，波束中心指向场景中心不变的工作状态；

(2)双基转换成单基模式：

2a)对雷达双振元发射、多振元接收到的回波信号补偿一个相位因子，将回波信号转换成单振元发射和接收的信号形式；

2b)对单基模式信号点乘共轭发射信号，得到基带雷达回波信号；

(3)距离向处理：

3a)对基带雷达回波信号进行方位傅立叶变换，得到方位波数域信号；

3b)将方位波数域信号与Chirp Scaling二次相位函数相乘，得到距离维ChirpScaling处理结果；

3c)对距离维Chirp Scaling处理结果进行距离维傅里叶变换，得到两维频域信号和两维频域信号中存在的剩余相位因子

3d)将两维频域信号乘以距离维脉冲压缩和距离徙动校正的参考函数，再将乘积结果进行距离逆傅立叶变换，得到距离维脉冲压缩结果；

3e)对距离维脉冲压缩结果乘以得到最终距离脉冲压缩后的结果，其中，exp表示自然指数，

表示剩余相位因子；

(4)方位维SPECAN处理：

4a)对最终距离脉冲压缩后的结果进行方位维逆傅立叶变换；

4b)将方位维逆傅立叶变换结果与方位维SPECAN参考函数相乘，得到方位维SPECAN处理结果；

(5)方位维Chirp-Z变换：

将方位维SPECAN处理结果进行方位维Chirp-Z变换，得到Chirp-Z处理结果；

(6)补偿多余相位：

将Chirp-Z处理结果与Chirp-Z处理结果中得到的剩余相位函数共轭相乘，得到一幅“快拍”二维高分辨SAR图像；

(7)对多基线InSAR的联合像素进行高程估计：

7a)取三幅不同视角下“快拍”得到的二维高分辨SAR图像，组成多基线InSAR的联合像素矩阵。对联合像素矩阵求解特征值和特征向量，得到特征值和特征向量组；

7b)将特征值由大到小排列，其中，大的特征值对应的特征向量对应信号空间，

小的特征值对应的特征向量对应噪声空间；

7c)将两个空间对应的特征向量进行点乘共轭，将点乘共轭结果作为高度估计的代价函数；

7d)对代价函数最小化处理得到高度估计值，实现三维成像。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明通过对目标场景采用“快拍”的方法，对应雷达发射一次脉冲就可以实现一次“快拍”高分辨二维成像，并且高分辨二维成像采用SPECAN成像算法，克服了现有技术中采用的标准的后向投影算法复杂度高，实时性低的缺点，使得本发明具有算法复杂度低，实时性高的优点。

第二，由于本发明在多视角观测下利用三次“快拍”得到的二维图像进行联合像素处理，实现三维成像，在进行高度估计时仅利用三幅SAR图像，克服了现有技术中依靠波束形成的技术实现下视三维成像方法和采用等价聚束式合成孔径处理实现三维成像方法数据量大的缺点，使得本发明具有数据量小，且数据获取时间短的优点，适合工程实现。

第三，由于本发明采用的InSAR干涉技术在成像时并不受场景类型的限制，克服了现有技术中利用目标与其阴影的几何关系实现三维SAR成像方法易受场景类型限制的缺点，使得本发明具有应用范围广泛的优点。

第四，由于本发明利用多基线InSAR联合像素处理方法，因此，与现有前视三维成像技术相比较，测高精度得到了提高。

附图说明：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明点目标仿真成像结果图；

图3为本发明P2距离维和方位维脉冲压缩的结果图；

图4本发明三维成像仿真图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1，构建前视三维合成孔径雷达平台。

1a)将雷达线性阵列沿垂直于载机航向的方向排列；

1b)将阵元沿线阵等间隔分布，所有的振元接收雷达回波信号，其中位于线性阵列顶端的两个振元发射雷达信号；

1c)在发射信号时，将雷达波束设置成沿航向前下方照射，波束中心指向场景中心不变的工作状态。雷达振元发射和接收到的回波信号对应的目标的斜距表示如下：

$R_t=\sqrt{R^2+{(\±L/2-y_n)}^2}+\sqrt{R^2+{(y-y_n)}^2}$

其中，R_t表示目标的斜距，t表示方位时刻；R表示目标到载机航向方向上的垂直距离；y表示振元在水平垂直于载机航向方向上的位置，y的取值范围为(-L/2，L/2)，L表示线性阵列长度；y_n表示第n个目标在水平垂直于载机航向方向上的坐标。

步骤2，双基转换成单基模式

2a)对雷达双天线发射、多天线接收到的回波信号补偿一个相位因子

将回波信号转换成单振元发射和接收的信号形式。其中，补偿的相位因子的表达式如下：

其中，

表示相位因子，i表示发射天线个数；λ表示雷达信号波的波长；t表示方位时刻；y表示振元在水平垂直于载机航向方向上的位置，y的取值范围为(-L/2，L/2)，L表示线性阵列长度；R表示目标到载机航向方向上的垂直距离；y_n表示第n个目标在水平垂直于载机航向方向上的坐标。

2b)对单基模式信号点乘共轭发射信号，得到基带雷达回波信号。

步骤3，距离向处理。

3a)对基带雷达回波信号进行方位傅立叶变换，将基带雷达回波信号转换到方位波数域，得到方位波数域信号。

3b)将方位波数域信号与Chirp Scaling二次相位函数相乘，得到距离维ChirpScaling处理结果。

3c)对距离维Chirp Scaling处理结果进行距离维傅里叶变换，得到两维频域信号和两维频域信号中存在的剩余相位因子

3d)将两维频域信号乘以距离维脉冲压缩和距离徙动校正的参考函数。将乘积结果进行距离逆傅立叶变换，得到距离维脉冲压缩结果。

3e)对距离维脉冲压缩结果乘以

得到最终距离脉冲压缩后的结果，其中，exp表示自然指数，表示剩余相位因子。

步骤4，方位维SPECAN处理。

4a)对最终距离脉冲压缩处理结果进行方位维逆傅立叶变换，得到方位维逆傅立叶变换结果。

4b)对方位维逆傅立叶变换结果乘以SPECAN的参考函数得到SPECAN处理结果。

步骤5，方位维Chirp-Z变换。

由于方位维调频率具有空变性，因此同一方位位置而不同距离位置的目标在方位维脉压后的输出方位位置不同，从而使SAR图像产生几何形变。对SPECAN处理结果进行Chirp-Z变换进行几何形变校正。

方位维Chirp-Z变换的具体步骤如下：

第一步，将方位维SPECAN处理结果作为输入序列与

做卷积运算后乘以

其中，exp表示自然指数；n表示1到N的整数；b表示重新采样的步长；k表示1到N的整数；N表示输入序列长度。

第二步，将第一步得到的结果与

作卷积运算后乘以

其中，表示步长为

的序列函数。

第三步，将第二步中得到的结果作傅里叶变换，至此，得到Chirp-Z处理结果。

步骤6.补偿多余相位。

由Chirp-Z处理结果得到剩余相位函数如下：

$\exp [-j\frac{2\mathrm{\π}{y}_n^2}{\mathrm{\λR}}]$

其中，y_n表示第n个目标在水平垂直于载机航向方向上的坐标；λ表示发射信号波长；R表示目标到载机航向方向上的垂直距离。

通过乘以

对Chirp-Z处理结果进行剩余相位补偿得到方位脉冲压缩结果。

至此，已经完成机载前视SAR的一次“快拍”二维高分辨成像。

步骤7，对多基线InSAR的联合像素进行高程估计。

7a)取三幅不同视角下“快拍”得到的二维SAR图像，组成多基线InSAR的联合像素矩阵。对联合像素矩阵求解特征值和特征向量，得到特征值和特征向量组。

7b)对所得的特征值由大到小排列，其中，大的特征值对应的特征向量对应信号空间，小的特征值对应的特征向量对应噪声空间。

7c)将两个空间对应的特征向量进行点乘共轭，将点乘共轭结果作为高度估计的代价函数。

7d)对代价函数最小化处理得到高度估计值，至此完成了前视三维成像处理。

本发明的效果可以通过下述仿真实验加以说明：

本发明的仿真分为二维点目标仿真和三维面目标仿真两种类型。系统参数设置如下表所示。

系统参数	数值	系统参数	数值
				波长/m	0.015	载机高度/m	1000
发射信号带宽/MHz	150	天线阵元个数	512
				采样频率/MHz	180	天线阵元间距/m	0.03
脉冲重复频率/Hz	1500	发射天线距离波束宽度	15
				前视下视角度	60°	发射天线方位波束宽度	24

下面结合附图2，附图3对本发明的“快拍”二维成像效果做进一步说明。

图2为本发明点目标仿真成像结果图。其中，图2(a)为场景左上角点目标P1二维等值线图，图2(b)为场景中心点目标P2二维等值线图，图2(c)为场景右下角点目标P3二维等值线图。

图2所示的仿真是在MATLAB7.0软件下进行的，仿真数据的参数如下：假设场景中分布9个点目标，中心处目标位于场景的中心，其他点目标分布于场景边缘，位于距离维+250m和-250m、方位维+350m和-350m的位置。

为了便于分析成像的质量，在成像的9个点目标中，分别提取场景中三个点目标，场景左上角P1，场景中心P2和场景右下角P3。图2(a)、图2(b)、图2(c)分别为P1、P2、P3的二维等值线图，其中，横坐标为距离向采样，单位为m，纵坐标为方位向采样，单位为m。图2(a)、图2(b)、图2(c)本发明方法点目标的等值线图中，旁瓣规则，主旁瓣明显分开，均呈现一个良好的“十字”状，聚焦效果良好。

图3为本发明点目标P2距离维和方位维脉冲压缩的结果图，其中图3(a)为P2距离维脉压结果，图3(b)为P2方位维脉压结果。

图3(a)为P2距离维脉冲压缩的结果，其中横坐标为距离向采样，纵坐标为归一化幅度，单位为dB。图3(b)为P2方位维脉冲压缩的结果，其中横坐标为方位向采样，纵坐标为归一化幅度，单位为dB。由图3(a)和3(b)可知，脉冲压缩后的信号其主瓣和旁瓣已经可以明显的分开，并且旁瓣足够低，在-13dB左右。下表给出了本发明对点目标的聚焦性能统计，成像处理中均未进行加窗处理。可见脉压结果良好，且下表所示成像性能指标均达到了成像的要求。可见，本发明能够实现前视SAR二维高分辨成像。

下面结合附图4对本发明三维成像效果做进一步说明。

图4本发明三维成像仿真图，其中，图4(a)为原始仿真高度地形图，图4(b)为二维成像结果图，图4(c)为图像1和2干涉相位图，图4(d)为图像1和3干涉相位图，图4(e)为估计地形高度图，图4(f)为高度估计误差图。

假设仿真场景为一个二维的Hamming窗小山地形，高度为80m，场景大小为450m×800m，原始仿真地形高度在波束方向投影如图4(a)所示。取三次“快拍”得到的二维SAR图像，三次“快拍”对应的基线长度分别为0.24m和1.60m。对三幅“快拍”二维SAR图像构造联合像素，分别从每幅SAR图像中取出2×2大小的窗像素。图4(b)为二维“快照”成像结果。图4(c)为SAR图像1和SAR图像2配准后的干涉相位图；图4(d)为SAR图像1和SAR图像3配准后的干涉相位图；图4(e)为联合像素处理后的高度估计结果图。由图4(c)和图4(d)可以看到干涉相位条纹对应地行高度起伏的变化，并且图4(c)比图4(d)信噪比高，是因为基线去相关导致不同SAR图像信噪比有差异。由图4(f)为高度估计误差图。其中，不同颜色的点代表不同位置的高度估计值和真实高度的差值。从中可以看到，地形估计误差范围为-4～4m。图4(e)估计的高度灰度图可以比较精确地显示原始仿真地形的起伏，可见高程估计的效果良好。

由上述仿真的分析可见，本发明能够实现前视SAR三维成像，并且多基线InSAR的联合像素处理方法能够有效抑制噪声，提高测高精度。

Claims (4)

1.一种基于多视角观测下前视三维SAR成像方法，包括如下步骤：

(1)构建前视三维合成孔径雷达平台：

1a)将雷达线性阵列沿垂直于载机航向的方向排列；

1b)将阵元沿线阵等间隔分布，所有的振元接收雷达回波信号，其中位于线性阵列顶端的两个振元发射雷达信号；

1c)在发射信号时，将雷达波束设置成沿航向前下方照射，波束中心指向场景中心不变的工作状态；

(2)双基转换成单基模式：

2a)对雷达双振元发射、多振元接收到的回波信号补偿一个相位因子，将回波信号转换成单振元发射和接收的信号形式；

2b)对单基模式信号点乘共轭发射信号，得到基带雷达回波信号；

(3)距离向处理：

3a)对基带雷达回波信号进行方位傅立叶变换，得到方位波数域信号；

3b)将方位波数域信号与Chirp Scaling二次相位函数相乘，得到距离维ChirpScaling处理结果；

3c)对距离维Chirp Scaling处理结果进行距离维傅里叶变换，得到两维频域信号和两维频域信号中存在的剩余相位因子

3d)将两维频域信号乘以距离维脉冲压缩和距离徙动校正的参考函数，再将乘积结果进行距离逆傅立叶变换，得到距离维脉冲压缩结果；

3e)对距离维脉冲压缩结果乘以

得到最终距离脉冲压缩后的结果，其中，exp表示自然指数，

表示剩余相位因子；

(4)方位维SPECAN处理：

4a)对最终距离脉冲压缩后的结果进行方位维逆傅立叶变换；

4b)将方位维逆傅立叶变换结果与方位维SPECAN参考函数相乘，得到方位维SPECAN处理结果；

(5)方位维Chirp-Z变换：

将方位维SPECAN处理结果进行方位维Chirp-Z变换，得到Chirp-Z处理结果；

(6)补偿多余相位：

将Chirp-Z处理结果与Chirp-Z处理结果中得到的剩余相位函数共轭相乘，得到一幅“快拍”二维高分辨SAR图像；

(7)对多基线InSAR的联合像素进行高程估计：

7a)取三幅不同视角下“快拍”得到的二维高分辨SAR图像，组成多基线InSAR的联合像素矩阵。对联合像素矩阵求解特征值和特征向量，得到特征值和特征向量组；

7b)将特征值由大到小排列，其中，大的特征值对应的特征向量对应信号空间，小的特征值对应的特征向量对应噪声空间；

7c)将两个空间对应的特征向量进行点乘共轭，将点乘共轭结果作为高度估计的代价函数；

7d)对代价函数最小化处理得到高度估计值，实现三维成像。

2.根据权利要求1所述的多视角观测下前视三维SAR成像方法，其特征在于：步骤2a)中所述的相位因子如下：

其中，

表示相位因子，i表示发射振元个数；λ表示雷达信号波的波长；t表示方位时刻；y表示振元在水平垂直于载机航向方向上的位置，y的取值范围为(-L/2，L/2)，L表示线性阵列长度；R表示目标的垂直距离；y_n表示第n个目标在水平垂直于载机航向方向上的坐标。

3.根据权利要求1所述的多视角观测下前视三维SAR成像方法，其特征在于：步骤(5)中所述的方位维Chirp-Z变换的步骤如下：

第一步，将方位维SPECAN处理结果作为输入序列与

做卷积运算后乘以

其中，exp表示自然指数；n表示1到N的整数；b表示重新采样的步长；k表示1到N的整数；N表示输入序列长度；

第二步，将第一步得到的结果与

作卷积运算后乘以

其中，

表示步长为

的序列函数；b表示重新采样的步长；k表示1到N的整数；

第三步，将第二步中得到的结果作傅里叶变换，得到Chirp-Z变换的处理结果。

4.根据权利要求1所述的多视角观测下前视三维SAR成像方法，其特征在于：步骤(6)中所述的剩余相位函数表达式为：

$\exp [-j\frac{2\mathrm{\π}{y}_n^2}{\mathrm{\λR}}]$

其中，y_n表示第n个目标在水平垂直于载机航向方向上的坐标；λ表示发射信号波长；R表示目标到载机航向方向上的垂直距离。

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