CN103869312B - 一种连续场景的稀疏阵列sar侧视三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像方法，主要包括如下步骤：首先按照三维成像算法分别对全阵回波信号和参考子阵回波信号进行三维成像，形成全阵三维复图像和参考三维复图像；然后利用全阵三维复图像和参考三维复图像进行信号重构以去掉散射点随机初相位；接着，对重构信号进行低通滤波；之后，在斜平面直角坐标系中重新成像；最后将成像结果坐标转换到传统直角坐标系中。该方法使得交轨向稀疏阵列SAR系统在观测连续场景时所产生的等效相位中心位置和数量不需要与满阵天线相同，降低了复图像带宽，以较大间隔的空间稀疏采样，实现了对连续场景的侧视三维成像。

Description

一种连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)技术领域，具体涉及一种基于连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像方法，特别是利用机载平台实现交轨向较大间隔空间稀疏采样和侧视三维成像。

背景技术

在常规SAR实现了对观测场景的二维高分辨率成像之后，如何获得观测对象的高程信息成为近年来SAR领域研究的热点。干涉SAR通过多个接收天线或多次飞行获取同一目标的多幅SAR图像，对其进行干涉相位处理用于数字高程模型(DigitalElevationModel，DEM)反演。合成孔径雷达三维成像技术(Three-DimensionalSyntheticApertureRadar，3D-SAR)是可以获得具有三维分辨能力的图像的一种新型微波成像技术，3D-SAR不仅可以实现对观测场景的二维高分辨率成像和高程测量技术，还可以将对观测场景的描述从二维平面提高到三维空间，极大地拓展了SAR成像技术的性能和发展空间。

3D-SAR与2D-SAR有相同的顺轨向分辨率，且其高程向分辨率近似等于2D-SAR的距离向分辨率，即3D-SAR利用传统2D-SAR成像技术可以获得高的顺轨向和高程向分辨率。而3D-SAR的交轨向分辨率与交轨向阵列尺寸直接相关，为了增大交轨向分辨率需要有足够大的交轨向孔径，而交轨向孔径尺寸的增大直接导致子阵增多、系统复杂以及数据量增大，为了避免上述问题，交轨向阵列可采用稀疏阵列。

成像雷达阵列天线的稀疏，为了确保图像质量，不仅要求系统的脉冲响应有较低的峰值旁瓣比，而且要求有较低的积分旁瓣比。目前的阵列稀疏化方案主要有最小冗余线列阵、对旁瓣电平有约束的稀疏阵、方向图乘积降低栅瓣稀疏阵和能获得满阵相位中心的稀疏阵。由于在接收等效相位中心原理下可以产生新的相位中心，从而可以考虑采用模拟退火算法优化稀疏阵列天线的位置，使在各子阵天线在多发多收条件下，所产生的相位中心分布情况和满阵天线相同时，采用的真实子阵天线最少，且可以避免稀疏阵列天线峰值旁瓣比和积分旁瓣比较高的问题。

上述阵列优化算法的缺点在于虽然对实际存在的子阵数目进行了优化稀疏，但是获得的等效相位中心仍需要和满阵天线相同。实际上，由于场景是连续变化的，应具有可压缩性，而分辨单元的尺寸远远大于波长的事实导致每个分辨单元随机初相位的产生，这使得连续场景的可压缩性难以体现，传统的单孔径SAR难以实现空间降采样。采用交轨阵列天线SAR形成的多天线观测结构，有可能消除不同分辨单元散射点的随机初始相位影响，还原连续变化地物场景的可压缩性，降低复图像带宽。复图像带宽的减少就意味着空间采样率可以降低，该概念不仅可用于二维成像的空间降采样，也可考虑转入交轨稀疏阵列三维成像空间采样过程，并在交轨向实现空间降采样，使得交轨向阵列等效相位中心可以不必与满阵天线相同。

侧视三维成像是3D-SAR的一种重要的工作模式，研究交轨向较大间隔空间稀疏采样方法，对实现侧视三维成像具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是利用信号重构方法去除分辨单元散射点的随机初相位，降低信号带宽，以较大间隔的空间稀疏采样，实现对连续场景的侧视三维成像。

为解决上述问题，本发明提出一种连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像方法。该方法主要包括以下步骤：回波信号三维成像、信号重构、低通滤波、重新成像、坐标转换。

根据本发明的优选实施方式，回波信号三维成像算法是先采用二维ωK成像算法对每个子阵的回波信号进行二维成像，然后对第三维高度方向成像。回波信号三维成像的坐标系建立在以顺轨向x，距离向r和与顺轨、距离平面垂直的高度方向s为坐标轴的斜平面直角坐标系，该方案可以避免交轨向和距离向的耦合影响。

根据本发明的优选实施方式，信号重构方法是用全阵三维复图像S₁的相位减去参考三维复图像S₂的相位以去除分辨单元散射点随机初相位的影响，然后将得到的新复图像信号变换至回波域。

根据本发明的优选实施方式，交轨向稀疏阵型的选择需要满足中间设计有三个连续子阵的条件。

根据本发明的优选实施方式，坐标转换过程是将成像于斜平面直角坐标系的三维图像转换到以顺轨向x，交轨向y和高程向z为坐标轴的传统直角坐标系中，但交轨向的坐标值用斜距代替地距来表示。

基于连续场景，本发明突破了稀疏阵列SAR获得的等效相位中心位置和数量需要与满阵天线相同的限制，设计了一种连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像方法，相对于传统的阵列稀疏优化方法，本发明可以更加稀疏的阵列实现连续场景侧视三维成像。

附图说明

图1为本发明的信号模型图；

图2为本发明的信号处理流程图；

图3为以锥体场景为例的仿真场景图；

图4为以密集阵型为例的复图像三维频谱；

图5为以稀疏阵型为例的复图像三维频谱；

图6为以密集阵型为例的成像结果图；

图7为以稀疏阵型为例的成像结果图。

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，对本发明的信号模型及信号处理过程作进一步的详细说明。

本发明中阵列天线的等效相位中心位置和数量不必与满阵天线的相同，可以以较大间隔稀疏布设。即假设密集阵型[111111111111111]可以等间隔稀疏2倍，成为阵型[100100100100100]。为满足本发明的重构处理，需构造去除初相位所需要的三维参考复图像，为在空间不欠采样的情况下形成三维参考复图像，需增设2个子阵形成稀疏阵型[100100111001001]，将中间3个连续的子阵的回波信号进行三维成像作为三维参考复图像，本发明采用的交轨向稀疏阵列SAR侧视三维成像系统信号模型如图1所示。

本发明中，为了避免三维成像时交轨向与高程向的耦合影响，将坐标系建立在以顺轨向x、距离向r以及与顺轨和距离平面垂直的高度方向s为坐标轴的坐标系，定义为斜平面直角坐标系。此外，实际数据处理过程中，可将交轨方向的水平阵列获取的回波信号投影到与水平方向成θ角(θ为场景中心入射角)的直线上。图1所示的子阵位置均表示等效相位中心位置，该模型等效于各子阵自发自收。

本发明所采用的对全阵和三天线子阵进行三维成像的算法是首先对每个子阵的回波信号采用ωK算法进行二维成像，然后用相应的匹配滤波方法对第三维高度方向进行成像。该三维成像算法在现有技术的文献中多有所涉及，本发明在此处不再赘述。

两天线复图像由散射点引起的随机初相位是近似相等的，对二维复图像，为了去除散射点的随机初相位，可利用干涉SAR的处理方法实现信号重构。即对于二维信号重构，可以用其中一个天线的复图像作为参考复图像，用其他天线的复图像相位减掉参考复图像的相位，将新信号变换至回波域后得到的信号就是二维重构信号。同样的信号处理思路可用于三维成像，对交轨向阵列SAR系统而言，构造去除初相位所需的三维参考复图像，可利用如图1所示的系统阵列中间的三个连续子阵(三个子阵为三维成像所需的最小阵列结构)的回波数据作为参考回波数据，对其进行三维成像处理，并设为三维参考复图像S₂。对阵列中全部子阵获得的回波信号进行三维成像处理，形成全阵三维复图像S₁。以三维参考复图像S₂作为参考，让三维复图像S₁的相位减去三维复图像S₂的相位后，信号的三维谱宽已经变窄，将该三维复图像变换至回波域后形成重构的三维回波信号，经低通滤波后可用于三维成像处理。

信号处理流程如图2所示，信号处理的的基本过程是首先对全阵回波信号和参考子阵回波信号分别按前文所述的三维成像算法进行三维成像，分别形成全阵三维复图像S₁和参考三维复图像S₂，然后用全阵三维复图像S₁的相位减去参考三维复图像S₂的相位并变换至回波信号域形成重构信号，重构信号经过三维低通滤波滤除不必要的高频分量后在斜平面直角坐标系中重新成像，最后将成像结果坐标转换到传统直角坐标系中，进行误差分析。特别要说明的是，此处传统直角坐标系的y轴不是用地距而是用斜距表示的。

在观测场景具有连续性且分辨率要求不高的情况下，三维成像时在顺轨向和距离向也可以进行适当的降采样。

本发明的信号重构方法采用锥体仿真实验作为具体实例进行了验证，图3为以锥体场景为例的仿真场景图，其中(a)为y轴用地距表示的仿真场景，(b)为y轴用斜距表示的仿真场景。如图3(a)所示的目标场景的大小为15m×15m，场景中心为一个半径4m高2m的圆锥体，为了将成像结果与仿真场景进行对比，图3(b)显示了传统直角坐标系的y轴用斜距表示的仿真场景。具体的系统参数如下：载机高度为500m，飞行速度为50m/s，侧视的场景中心入射角为35°，发射的线性调频信号的带宽为400Hz，脉冲宽度为2μs，脉冲重复频率为600Hz，阵列排布在交轨方向，水平放置，即基线倾角为0°。

仿真实例中如上所述的仿真参数得到的三维分辨率约为0.15m(顺轨向)×2m(机下点交轨向)×0.375m(高程向)。

图4为以密集阵型[111111111111111]为例的复图像三维频谱，其中(a)为密集阵型成像三维频谱，(b)为重构信号成像三维频谱；图5为以稀疏阵型[100100111001001]为例的复图像三维频谱，其中(a)为稀疏阵型成像三维频谱，(b)为重构信号成像三维频谱。

如图4和图5所示的重构前后信号带宽对比说明当观测场景具有连续性，在三维复图像域去除不同分辨单元散射点的随机初始相位影响后，尽管参考三维复图像的交轨分辨率较低，回波信号的交轨向谱宽仍可以下降，交轨向的子阵可以较大间隔稀疏布设。

图6为以密集阵型[111111111111111]为例的成像结果图。图7为以稀疏阵型[100100111001001]为例的成像结果图，其中(a)为稀疏阵型直接成像结果，(b)为基于信号重构的稀疏阵型成像结果。由图7(a)可以看出由于稀疏阵列的高副瓣影响，稀疏阵列的成像结果不甚理想，出现很多的尖峰值。而对比图6和图7(b)可以看出基于信号重构的稀疏阵型成像结果与密集阵型的成像结果接近，没有高副瓣的现象。

本发明采用最小平均距离作为客观评价标准对仿真实例中重构处理前后的成像结果进行评价，其中N_a和N_r分别为顺轨向和距离向点数，Δz_i，j为坐标点(i，j)处三维成像结果的高度与仿真场景的高度差且受阈值大小的影响。对三维成像而言，场景坐标点的提取和信号归一化幅度及阈值选取有关，在顺轨距离向平面内坐标点(i，j)(1≤i≤N_a，1≤j≤N_r，N_a、N_r分别为顺轨向和距离向点数)处显示的信号幅度值是三维成像得到的三维数组S的列向量S(i，j，：)中大于阈值的元素的坐标值中的最大值，因此选择较大的阈值可以避免一些幅度值较小的尖峰的存在，但是阈值过大又会影响成像结果的精确度。本仿真实例中阈值为0.3时，密集阵型成像结果、稀疏阵型直接成像结果以及基于重构的稀疏阵型成像结果与仿真场景的最小平均距离分别为0.0040，0.0064，0.0046；阈值为0.4时，三个值分别为0.0042，0.0045，0.0043。以上数值可以看出稀疏阵型重构信号的成像结果与密集阵型的成像结果误差数值大小接近，而稀疏阵型直接成像结果的误差数值较大。该实例证明了本发明侧视三维成像方法的有效性。

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 (8)

1.一种连续场景的稀疏阵列合成孔径雷达SAR侧视三维成像方法，包括：

(1)按照三维成像算法分别对全阵回波信号和参考子阵回波信号进行三维成像，形成全阵三维复图像S₁和参考三维复图像S₂；

(2)信号重构以去掉散射点随机初相位；

(3)对重构信号进行低通滤波；

(4)在斜平面直角坐标系中重新成像；

(5)将成像结果坐标转换到传统直角坐标系中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述三维成像算法是首先对每个子阵的回波信号采用ωK算法进行二维成像，然后用相应的匹配滤波方法对第三维高度方向进行成像。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中信号重构包括：利用系统阵列中的三个连续子阵的回波数据作为参考回波数据，对其进行三维成像处理，并设为参考三维复图像S₂；对阵列中全部子阵获得的回波信号进行三维成像处理，形成全阵三维复图像S₁；以参考三维复图像S₂作为参考，让全阵三维复图像S₁的相位减去参考三维复图像S₂的相位后，将得到的三维复图像变换至回波域后形成重构的三维回波信号，经低通滤波后得到重构信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述参考三维复图像按照以下方式被构造：假设密集阵型[111111111111111]等间隔稀疏2倍，成为阵型[100100100100100]，增设2个子阵形成稀疏阵型[100100111001001]，将中间三个连续的子阵的回波信号进行三维成像作为参考三维复图像。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述斜平面直角坐标系为坐标轴建立在顺轨向x，距离向r，以及与顺轨和距离平面垂直的高度方向s上。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于成像时还需将交轨方向的水平阵列获取的回波信号投影到与水平方向成θ角的直线上，其中θ为场景中心入射角。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述传统直角坐标系的y轴用斜距表示。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在观测场景具有连续性的情况下，三维成像时阵列天线SAR可以在顺轨向和距离向进行降采样。