CN103630900B - 3-d sar波数域快速成像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3-D？SAR波数域快速成像的方法。该方法只对感兴趣区域而不是整个三维观测区域场景进行重建，从而避免了数据量的激增，能够进行快速成像处理。

Description

3-D SAR波数域快速成像的方法
技术领域
本发明涉及雷达成像和信号处理技术领域，尤其是机载下视阵列3-DSAR和多基线3-DSAR工作模式中跨航向孔径长度远小于跨航向测绘带宽情况下的一种3-DSAR波数域快速成像的方法。
背景技术
机载阵列下视3-DSAR、多基线3-DSAR能够获得观测区域场景三维散射信息，能够克服常规侧视SAR中的阴影、叠掩等问题，因此具有广泛的应用前景。目前3-DSAR成像处理主要是先在波传播方向和航迹向使用常规侧视SAR成像处理方法中的RD、CS、ω-k等方法进行处理，然后在跨航向使用SPECAN、波束形成、压缩感知等方法进行处理。这类成像处理方法对距离历程进行泰勒展开近似处理，仅保留泰勒展开中的一次项和二次项，将三维成像转换成波传播和航迹向二维处理与跨航向一维处理。由于忽略了距离历程中的三次及三次以上的高次项，因此对三维观测区域场景不能够精确重建，尤其是雷达到观测区域距离较短及观测区域测绘带较大的时候，距离历程的近似导致的重建误差更大。
三维波数域方法能够完全补偿场景中的距离徙动，重建精度高，但是该类方法要求回波采集时综合孔径长度不小于成像区域以防止FFT出现卷绕，在机载下视阵列3-DSAR中，跨航向阵列天线长度一般为几米，而跨航向幅宽为几百米到几千米，因此需要对回波数据进行大量补零，补零会带来内存需求和计算量的激增。若直接使用三维波数域方法对整个观测区域场景进行重建，无论是数据量还是计算量都非常大，从而限制了该方法在机载下视阵列3-DSAR中的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种3-DSAR波数域快速成像的方法。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种3-DSAR波数域快速成像的方法。该方法包括：步骤A，从3-DSAR回波数据中提取波传播-航迹向二维数据和波传播-跨航向二维数据；步骤B，对波传播-航迹向二维数据和波传播-跨航向二维数据分别采用二维成像处理方法进行重建，得到波传播-航迹向二维图像和波传播-跨航向二维图像，其中σ为雷达后向散射系数；步骤C，由波传播-航迹向二维图像和波传播-跨航向二维图像反映出的观测区域场景目标散射特性，搜寻得到整个三维观测区域场景中感兴趣区域；步骤D，对3-DSAR回波数据进行匹配滤波，并沿波传播向设置距离门限，使感兴趣区域落在波传播方向距离门限内，感兴趣区域之外的区域落在波传播方向距离门限之外，仅保留距离门限内的数据；步骤E，对航迹向空域、跨航向空域、波传播向空域信号沿航迹向、跨航向和波传播向进行三维FFT，得到航迹向、跨航向和波传播向三维波数域信号；步骤F，将波传播方向、航迹向和跨航向三维波数域信号进行场景中心距离徙动校正和残余距离徙动校正；以及步骤G，对完成场景中心距离徙动校正和残余距离徙动校正的波传播方向、航迹向和跨航向三维波数域信号沿波传播方向、航迹向和跨航向进行三维IFFT，得到精确重建的感兴趣区域三维图像。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明3-DSAR波数域快速成像的方法只对感兴趣区域而不是整个三维观测区域场景进行重建，从而避免了数据量的激增，能够进行快速成像处理。
附图说明
图1为机载下视阵列3-DSAR成像场景的立体示意图；
图2A至图2C分别为图1所示成像场景沿波传播-轨迹向、轨迹向-跨航向、波传播-跨航向的剖面示意图；
图3为机载下视阵列3-DSAR波束覆盖区与感兴趣区域的示意图；
图4为本发明实施例3-DSAR波数域快速成像方法的流程图；
图5A和图5B为地基雷达实验场景目标放置位置沿不同视角的视图。
图6A至图6F为地基雷达实验数据采用本发明方法的处理结果，其中：
图6A为Y方向-Z方向二维波数域重建和ROI选取；
图6B为X方向-Z方向二维波数域重建和ROI选取；
图6C为ROI三维波数域重建结果；
图6D为ROI三维重建结果在X-Y平面最大值投影；
图6E为ROI三维重建结果在X-Z平面最大值投影；
图6F为ROI三维重建结果在Y-Z平面最大值投影。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。
本发明3DSAR波数域快速成像方法适用于机载下视阵列3-DSAR、多基线3-DSAR等成像模式中跨航向孔径长度远小于跨航向幅宽(Le/[2Hsin(θe/2)]≤0.01，Le为跨航向孔径长度，一般为几米；2Hsin(θe/2)为跨航向幅宽，一般为千米量级，其中H为载机飞行高度，θe为天线在跨航向波束宽度)的情况下，由于观测区域场景在整个三维空间中呈现稀疏分布，直接对观测区域场景中感兴趣区域(RegionofInterest，简称ROI)进行重建，既能降低数据量又能减少运算量。
图1为机载下视阵列3-DSAR成像场景的立体示意图。请参照图1，航迹向平行于载机平台运动方向，将其定义为X轴；跨航向平行于阵列向，将其定义为Y轴；波传播向自上而下垂直于XY平面，将其定义为Z轴。X轴、Y轴和Z轴相交于坐标原点O。P为观测区域场景目标。
图2A至图2C分别为图1所示成像场景沿波传播-轨迹向、轨迹向-跨航向、波传播-跨航向的剖面示意图。从图2A至图2C可看出，整个三维观测区域场景在不同平面上的投影呈现不同的目标分布特征。目标在不同平面上投影后的分布特征，可在进行ROI确定时作为一个重要的依据和参考。
图3为机载下视阵列3-DSAR波束覆盖区与感兴趣区域的示意图。请参照图3中左图，与雷达相作用的观测区域场景只是数字表面模型部分和电磁波穿透部分，从整个三维空间分布来看，观测区域场景是稀疏分布的。而感兴趣区域只占整个三维观测区域场景中很小的一部分，如图3右图所示。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种3-DSAR波数域快速成像的方法。图4为本发明实施例3-DSAR波数域快速成像方法的流程图。如图4所示，本实施例包括如下步骤：
步骤A：从3-DSAR回波数据中提取波传播-航迹向二维数据和波传播-跨航向二维数据；
针对3-DSAR获取的三维回波数据其中xm代表航迹向采用位置，yn代表跨航向采样位置，代表波传播方向快时间采样，从三维回波数据中沿跨航向中心提取波传播-航迹向(即X-Z方向)二维回波数据其中，ync代表跨航向采样中心，从三维回波数据中沿航迹向中心提取波传播-跨航向(即Y-Z方向)二维回波数据其中，xmc代表航迹向采样中心。
步骤B：对波传播-航迹向二维数据和波传播-跨航向二维数据分别采用二维成像处理方法进行重建，重建后得到波传播-航迹向二维图像σ(x，z)和波传播-跨航向二维图像σ(y，z)，其中σ为雷达后向散射系数；
由于航迹向合成孔径由载机运动获得，一般比较长，因此对于波传播-航迹向二维数据的重建一般选取二维波数域方法、极坐标方法和后向投影方法。
由于跨航向阵列长度较短，由于需要沿跨航向大量补零以防止FFT卷绕，不太适合选取二维波数域方法进行重建，因此对于波传播-跨航向二维图像一般选取极坐标方法和后向投影方法等进行重建。
然而，对波传播-航迹向二维数据和波传播-跨航向二维数据的二维成像处理不局限于本实施例提到的方法，本领域技术人员可根据实际情况灵活选择。
沿航迹向和跨航向采样中心抽取的二维信号进行二维成像处理时不需要补偿数据抽取带来的多普勒中心偏移，降低了二维成像处理的复杂度。
步骤C：由波传播-航迹向二维图像σ(x，z)和波传播-跨航向二维图像σ(y，z)反映出的观测区域场景目标散射特性，搜寻得到整个三维观测区域场景中感兴趣区域；
本步骤中，对波传播-航迹向和波传播-跨航向二维图像σ(x，z)和σ(y，z)进行分析处理，借助于波传播-航迹向和波传播-跨航向两幅不同二维图像反映出的观测区域场景目标散射特性，比如目标散射外形、散射强弱等信息，搜寻整个三维观测区域场景中感兴趣区域。
比如房屋在雷达散射图像中呈现出较规则轮廓，在散射图像中，根据房屋轮廓占据的采样点数和分辨率可以得到房屋轮廓对应的尺寸，两幅散射图像可以确定整个房屋轮廓占据的面积，对比轮廓面积和实际房屋尺寸，标记房屋在三维观测区域场景中的位置，确定感兴趣区域。
步骤D：对三维回波数据进行匹配滤波，并沿波传播向设置距离门限，，使感兴趣区域落在波传播方向距离门限内，感兴趣区域之外的区域落在波传播方向距离门限之外，仅保留距离门限内的数据；
具体来讲，本步骤D又可以包括：
子步骤D1，对航迹向空域、跨航向空域、波传播时域三维回波数据沿波传播方向进行FFT，变换到航迹向空域、跨航向空域、波传播频域；
子步骤D2，在波传播方向乘以匹配滤波器，沿波传播方向进行IFFT，完成匹配滤波，得到航迹向空域、跨航向空域、波传播时域信号，其中匹配滤波器为发射信号频域形式的复共轭；
子步骤D3，将子步骤D2中得到的航迹向空域、跨航向空域、波传播时域信号沿波传播方向设置距离门限(具体表现为沿波传播方向乘以矩形窗函数)，该距离门限在波传播方向截取有距离徙动曲线的区域，使感兴趣区域落在门限之内，感兴趣区域之外的区域落在距离门限之外。落在门限之内的数据沿波传播方向保留不变，落在门限外的数据沿波传播方向置零，这样降低了波传播方向数据量，从而可以降低整个三维回波数据量；
观测区域场景目标匹配滤波得到的波传播方向时域信号包络呈现距离徙动曲线，没有目标的区域没有距离徙动曲线。
子步骤D4，根据感兴趣区域尺寸和跨航向合成孔径长度，沿跨航向补零以防止FFT出现卷绕。
一般情况下，选取的感兴趣区域在跨航向尺寸与跨航向合成孔径长度处在一个数量级，基本不需要补零或者只需要补很少倍数的零，极大降低三维波数域处理数据量。
步骤E：对航迹向空域、跨航向空域、波传播向空域信号沿航迹向、跨航向和波传播向进行三维FFT，得到航迹向、跨航向和波传播向三维波数域信号；
步骤F，将波传播方向、航迹向和跨航向三维波数域信号进行场景中心距离徙动校正和残余距离徙动校正；
具体来讲，本步骤F又可以分为如下子步骤：
子步骤F1，对三维波数域信号乘以场景中心相位补偿函数，完成场景中心距离徙动校正，此时，非场景相位中心存在残余距离徙动。
场景中心相位补偿函数在波传播方向、航迹向、跨航向三维波数域生成，生成的相位补偿函数为：
S c ( K ω , K x , K y ) = exp { j [ 4 K ω 2 - K x 2 - K y 2 R c + K x x mc + K y y nc ] }
其中，Kω为波传播方向波数，Kx为航迹向波数，Ky为跨航向波数，Rc为场景中心在波传播方向斜距，xmc为场景中心在航迹向坐标，ync为场景中心在跨航向坐标。
子步骤F2，将完成场景中心距离徙动校正的三维波数域信号在三维波数域进行三维Stolt插值，完成残余距离徙动校正，此时场景中心和非场景中心距离徙动均已校正完成。
需要说明的是，对三维波数域信号进行场景中心距离徙动校正和残余距离徙动校正均是采用的现有技术中的相关方法，例如：相位中心补偿函数方法、Stolt插值方法等等，此处不再详细阐述。
步骤G，对完成场景中心距离徙动校正和残余距离徙动校正的波传播方向、航迹向和跨航向三维波数域信号沿波传播方向、航迹向和跨航向进行三维IFFT，得到精确重建的感兴趣区域三维图像。
至此，本实施例介绍完毕。本领域技术人员依据上述描述，应当能够对本发明3-DSAR波数域快速成像的方法有了清楚的了解。
图5A和图5B为地基雷达实验场景目标放置位置沿不同视角的视图。图6A至图6F为地基雷达实验数据采用本发明方法的处理结果，其中：图6A为Y方向-Z方向二维波数域重建和ROI选取，图6B为X方向-Z方向二维波数域重建和ROI选取，图6C为ROI三维波数域重建结果，图6D为ROI三维重建结果在X-Y平面最大值投影，图6E为ROI三维重建结果在X-Z平面最大值投影，图6F为ROI三维重建结果在Y-Z平面最大值投影。通过对地基雷达实验数据的处理验证了本发明方法的有效性。
需要说明的是，上述对各元件和实现方式的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
综上所述，本发明3-DSAR波数域快速成像的方法借助于两幅二维图像搜寻得到感兴趣区域在三维观测区域场景中的位置，只对感兴趣区域使用三维波数域方法进行重建即可得到感兴趣区域高精度三维重建结果，由于感兴趣区域相对于整个三维场景而言是很小的一部分，便于使用三维波数域方法进行快速重建。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3-DSAR波数域快速成像的方法，其特征在于，包括：
步骤A，从3-DSAR回波数据中提取波传播-航迹向二维数据和波传播-跨航向二维数据；
步骤B，对波传播-航迹向二维数据和波传播-跨航向二维数据分别采用二维成像处理方法进行重建，得到波传播-航迹向二维图像和波传播-跨航向二维图像；
步骤C，由波传播-航迹向二维图像和波传播-跨航向二维图像反映出的观测区域场景目标散射特性，搜寻得到整个三维观测区域场景中感兴趣区域；
步骤D，对3-DSAR回波数据进行匹配滤波，并沿波传播向设置距离门限，使感兴趣区域落在波传播方向距离门限内，感兴趣区域之外的区域落在波传播方向距离门限之外，仅保留距离门限内的数据；
步骤E，对航迹向空域、跨航向空域、波传播向空域信号沿航迹向、跨航向和波传播向进行三维FFT，得到航迹向、跨航向和波传播向三维波数域信号；
步骤F，将波传播方向、航迹向和跨航向三维波数域信号进行场景中心距离徙动校正和残余距离徙动校正；以及
步骤G，对完成场景中心距离徙动校正和残余距离徙动校正的波传播方向、航迹向和跨航向三维波数域信号沿波传播方向、航迹向和跨航向进行三维IFFT，得到精确重建的感兴趣区域三维图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D包括：
子步骤D1，对航迹向空域、跨航向空域、波传播时域3-DSAR回波数据沿波传播方向进行FFT，变换到航迹向空域、跨航向空域、波传播频域；
子步骤D2，在波传播方向乘以匹配滤波器，沿波传播方向进行IFFT，完成匹配滤波，得到航迹向空域、跨航向空域、波传播时域信号；
子步骤D3，沿波传播方向设置距离门限以截取有距离徙动曲线的区域，该距离门限使感兴趣区域落在波传播方向距离门限内，感兴趣区域之外的区域落在波传播方向距离门限之外，保留门限内的数据，将门限外的数据置零。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤D3之后还包括：
子步骤D4，根据感兴趣区域尺寸和跨航向合成孔径长度，沿跨航向补零以防止FFT出现卷绕。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤F包括：
子步骤F1，对三维波数域信号乘以场景中心相位补偿函数，完成场景中心距离徙动校正；
子步骤F2，将完成场景中心距离徙动校正的三维波数域信号在三维波数域进行三维Stolt插值，完成残余距离徙动校正。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤F1中场景中心相位补偿函数在波传播方向、航迹向、跨航向三维波数域生成，生成的相位补偿函数为：
其中，Kω为波传播方向波数，Kx为航迹向波数，Ky为跨航向波数，Rc为场景中心在波传播方向斜距，xmc为场景中心在航迹向坐标，ync为场景中心在跨航向坐标。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤B中：
所述波传播-航迹向二维数据的重建采用二维波数域方法、极坐标方法或后向投影方法；以及
所述波传播-跨航向二维数据的重建采用极坐标方法或后向投影方法。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，所述观测区域场景目标散射特性为目标散射外形信息和/或散射强弱信息。
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