CN108008387B - 一种机载阵列天线下视三维成像方法 - Google Patents

一种机载阵列天线下视三维成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机载阵列天线下视三维成像方法。本发明的机载阵列天线下视三维成像方法,包括:接收观测场景的回波信号,对回波信号预处理,获得中频信号;对中频信号沿高程向进行第一处理,获得第一处理信号;对第一处理信号沿航迹向进行第二处理,获得第二处理信号;对第二处理信号沿跨航向进行第三处理,获得第三处理信号;取第三处理信号信号的幅度值,获得观测场景的三维图像。本本发明的机载阵列天线下视三维成像方法,通过对回波信号依次进行高程向、航迹向和跨航向上的频域操作处理,最终得到三维图像,能够提高成像效率和成像效果。

Description

一种机载阵列天线下视三维成像方法
技术领域
本发明涉及微波成像技术对地观测技术领域,尤其涉及一种机载阵列天线下视三维成像方法。
背景技术
合成孔径雷达三维成像(英文全称:Three-Dimensional Synthetic ApertureRadar Imaging,英文缩写:3D-SAR)是在常规SAR二维成像基础上发展起来的一种新型微波成像技术。3D-SAR系统不仅可以实现常规SAR系统对观测对象的二维高分辨率成像和高程测量功能,而且还能实现对观测对象的三维分辨成像以及获取观测对象散射中心的三维分布信息功能,从而拓展现有SAR系统的性能和应用领域。
现有的机载阵列天线下视三维成像方法一般采用利用空域算法的3D-SAR方法,在成像过程中需要经过多次插值重采样来达到三维极坐标与三维直角坐标的转换,成像过程复杂,数据处理的计算量较大,成像效率较低。并且由于现有的成像分辨率较低,因此使得成像效果较差。另外,由于其使用的发射信号和回波信号为线性调频信号,该信号需要较高的采样频率,使得采样的工作标准较高,导致3D-SAR系统的成本较高。
因此,针对现有的3D-SAR方法的成像效率低、效果差以及成本高的问题,需要提供一种能够降低成本并且具有高成像效果的机载阵列天线下视三维成像方法。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种机载阵列天线下视三维成像方法,通过对回波信号依次进行高程向、航迹向和跨航向上的频域操作处理,最终得到三维图像,能够提高成像效率和成像效果。
为实现上述目的,本发明提供了一种机载阵列天线下视三维成像方法,包括:
S1、接收观测场景的回波信号Sre(t),对回波信号Sre(t)预处理,获得中频信号Sre(t,η,ξ);
S2、对中频信号Sre(t,η,ξ)沿高程向进行第一处理,获得第一处理信号SIFT_RVP(r,η,ξ);
S3、对第一处理信号SIFT_RVP(r,η,ξ)沿航迹向进行第二处理,获得第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ);
S4、对第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ)沿跨行向进行第三处理,获得第三处理信号Sarc_hηξ(t,η,ξ);
S5、取第三处理信号信号Sarc_hηξ(t,η,ξ)的幅度值,获得观测场景的三维图像S(t,η,ξ);其中,
t为所述回波信号的高程向时间,η为所述回波信号的航迹向时间,ξ为所述回波信号的跨行向时间,r为接收所述回波信号的起始和终止时刻对应的观测场景距离。
进一步地,步骤S1中,预处理的方法为:
对回波信号Sre(t)和产生回波信号的发射信号Str(t)进行混频处理,获得中频信号Sre(t,η,ξ)。
进一步地,步骤S2中,第一处理的方法包括:
S21、对中频信号Sre(t,η,ξ)沿高程向进行逆傅里叶变换,获得高程向压缩信号Sarc_h(t,η,ξ);
S22、对高程向压缩信号Sarc_h(t,η,ξ)进行去斜、剩余视频相位补偿处理,获得第一处理信号SIFT_RVP(r,η,ξ)。
进一步地,步骤S3中,第二处理的方法包括:
S31、对第一处理信号SIFT_RVP(r,η,ξ)沿航迹向进行傅里叶变换,获得航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ);
S32、对航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ)沿航迹向进行距离徙动校正处理,获得航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ);
S33、对航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)进行匹配滤波处理,获得航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ);
S34对航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ)沿航迹向进行逆傅里叶变换,获得第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ);
其中,fη为航迹向频率。
进一步地,沿航迹向进行距离徙动校正处理的方法包括:
S321、将航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ)与卷积核h(t)做卷积运算,获得航迹向插值信号Stemp(t,fη,ξ);
S322、对航迹向插值信号Stemp(t,fη,ξ)进行平移处理,获得航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ);其中,
卷积核
Figure BDA0001479484950000031
进一步地,对航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)进行匹配滤波处理的方法为:
将航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)与航迹向频域匹配滤波器H(fη)相乘,获得航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ);其中,
航迹向频域匹配滤波器
Figure BDA0001479484950000041
其中,Vr为探测所述观测场景的雷达平台的运行速度,R0为所述雷达平台的天线阵元到所述观测场景的最近斜率。
进一步地,步骤S4中,第三处理的方法包括:
S41、对第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ)沿跨行向进行逆傅里叶变换,获得跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ);
S42、对跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ)沿跨航向进行距离徙动校正处理,获得跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ);
S43、对跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)进行匹配滤波处理,获得跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ);
S44、对跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ)沿跨航向进行逆傅里叶变换,获得第三处理信号Sarc_hηξ(t,η,ξ);
其中,fξ为跨航向频率。
进一步地,对跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ)沿跨航向进行距离徙动校正处理的方法包括:
S421、将跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ)与卷积核h(t)做卷积运算,获得跨航向插值信号Stemp(t,η,fξ);
S422、将跨航向插值信号Stemp(t,η,fξ)进行平移处理,获得跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)。
进一步地,对跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)进行匹配滤波处理的方法为:
将跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)与跨航向频域匹配滤波器H(fξ)相乘,获得跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ);其中,
跨航向频域匹配滤波器
Figure BDA0001479484950000051
其中,Vξ为跨航向阵列天线中阵元的切换速度,R0为雷达平台的天线阵元到观测场景的最近斜距。
进一步地,回波信号Sre(t)为FMCW信号。
本发明的机载阵列天线下视三维成像方法,将接收到的观测场景的回波信号进行预处理后,再依次进行沿高程向的第一处理、沿航迹向的第二处理和沿跨行向的第三处理后,取处理后的信号的幅度值,即可获得观测场景的三维图像。因此,本发明的机载阵列天线下视三维成像方法能够根据高程向、航迹向和跨航向上的大尺度时间差异,依次对高程向、航迹向和跨航向每一个维度进行分离处理,以使计算方法更加简单,简化处理步骤,减小数据处理的计算量,从而提高成像效率和成像效果。
附图说明
图1为阵列天线下视三维RD成像几何模型和参数表征图;
图2为本发明的机载阵列天线下视三维成像方法的流程图。
具体实施方式
下面,结合附图,对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。
如图1中所示,观测场景中的目标Pn的位置坐标为(xn,yn,hn),阵列天线下视成像等效采样点Pξ,η的位置坐标为(xξ,yη,h),目标散射系数可以表示为δn(xn,yn,hn),发射信号Str(t)为:
Figure BDA0001479484950000052
其中,xn为目标Pn的跨航向坐标,yn为目标Pn的航迹向坐标,hn为目标Pn的高程向坐标,xξ为等效采样点Pξ,η的跨航向坐标,yη为等效采样点Pξ,η的航迹向坐标,h为等效采样点Pξ,η的高程向坐标,fc为发射信号载频,t为高程向时间,且t∈[-Tr/2,Tr/2],Tr为信号持续时间,Kr为信号调频率,信号的带宽为Br=KrTr
则在航迹向时间η时阵列天线某一个等效采样点Pξ,η接收到的目标Pn的回波信号Sre(t)为:
Figure BDA0001479484950000061
其中,τn为目标Pn到等效采样点Pξ,η的信号的电磁波传播时间:
Figure BDA0001479484950000062
其中,rn为目标Pn到等效采样点Pξ,η的距离,C为信号的电磁波传播速度,xξ=Vξ*ξ为阵列天线等效采样点位置,Vξ为阵列天线的阵元切换速度,yη=Vr*η为雷达平台在航迹向时间η时运动的位置,Vr为探测所述观测场景的雷达平台的运行速度,R0为所述雷达平台的天线阵元到所述观测场景的最近斜率。
具体地,在本发明实施例中,发射信号Str(t)和回波信号Sre(t)均为调频连续波(英文全称:Frequency Modulated Continuous Wave,英文缩写:FMCW)信号,并且可以在接收机前端完成差频处理,得到差频信号,从而降低了采样频率,并且使信号处理的实际带宽大大的降低,降低了工作标准,从而降低了成像的成本。
如图2所示,本发明实施例的一种机载阵列天线下视三维成像方法,包括:
S1、接收观测场景的回波信号Sre(t),并对回波信号Sre(t)进行预处理,从而获得作为阵列成像数据的中频信号Sre(t,η,ξ)。
具体的,预处理的方法为:
将回波信号Sre(t)和发射信号Str(t)即(2)式与(1)式共轭相乘,对回波信号Sre(t)和发射信号Str(t)进行混频处理,获得中频信号Sre(t,η,ξ):
Figure BDA0001479484950000071
其中,式(3)相位表达式中的Krτn 2/2为残余视频相位(RVP)项。由式(3)可知,对某一个特定目标Pn而言,解斜(混频)后的中频信号Sre(t,η,ξ)为一个频率为Krτn的单频信号,经过解斜处理不但大大降低了信号带宽,还可以降低数字采样频率要求,同时也简化了数据处理步骤。
由于观测场景中包含多个观测目标,因此,整个观测场景的回波信号的中频信号可以表示为:
Figure BDA0001479484950000072
S2、对中频信号Sre(t,η,ξ)沿高程向进行第一处理,获得第一处理信号SIFT_RVP(t,η,ξ);
具体地,第一处理的方法包括:
S21、直接对中频信号Sre(t,η,ξ)沿高程向做离散时间逆傅里叶变换(IFT),即可获得高程向压缩信号Sarc_h(t,η,ξ):
Figure BDA0001479484950000081
其中,IFTt表示沿高程向t进行逆傅里叶变换,t定义为高程向时间。
S22、对高程向压缩信号Sarc_h(t,η,ξ)进行去斜、剩余视频相位补偿处理,获得第一处理信号SIFT_RVP(t,η,ξ)。
补偿函数为:
Figure BDA0001479484950000082
其中,r为接收回波信号的起始和终止时刻对应的观测场景距离变量。
因此,经过去斜及剩余视频相位补偿的信号SIFT_RVP(t,η,ξ)为:
Figure BDA0001479484950000083
由于低斜视角下波束指向接近零多普勒方向,并且孔径不是很大,可将等式(3)近似处理:
Figure BDA0001479484950000084
S3、对经过去斜及剩余视频相位补偿的第一处理信号SIFT_RVP(t,η,ξ)沿航迹向进行第二处理,获得第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ);
具体地,第二处理的方法包括:
S31、对经过去斜及剩余视频相位补偿的第一处理信号SIFT_RVP(t,η,ξ)沿航迹向进行傅里叶变换(FTη),获得航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ):
Figure BDA0001479484950000091
其中,
Figure BDA0001479484950000092
FTη表示沿航迹向η进行傅里叶变换,η定义为航迹向时间,fη定义为航迹向频率,λ=C/fc,发射信号的波长。
S32、对航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ)沿航迹向进行距离徙动校正处理,获得航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ),具体步骤包括:
S321、选用sinc(t)作为卷积核h(t),因此
Figure BDA0001479484950000093
将航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ)与卷积核h(t)做卷积运算,获得航迹向插值信号Stemp(t,fη,ξ):
Figure BDA0001479484950000101
其中,卷积核长度i取为8;
S322、对航迹向插值信号Stemp(t,fη,ξ)进行平移处理,使其平移指定距离ΔR,获得航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)。
其中,ΔR为
ΔR=R(t)-R0 (13)
其中,R(t)为当前高程向时间t时的瞬时斜距;
航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)为
Figure BDA0001479484950000102
S33、对航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)进行匹配滤波处理,将航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)与航迹向频域匹配滤波器H(fη)相乘,获得航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ)。
其中,航迹向频域匹配滤波器为
Figure BDA0001479484950000103
航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ)为
Figure BDA0001479484950000111
S34、对航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ)沿航迹向进行逆傅里叶变换(IFTη),获得第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ):
Figure BDA0001479484950000112
其中,fη为航迹向频率,Tη为航迹向场景照射时间。
S4、对第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ)沿跨航向进行第三处理,获得第三处理信号Sarc_hηξ(t,η,ξ)。
具体地,第三处理的方法包括:
S41、对第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ)沿跨航向进行傅里叶变换(FTξ),获得跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ):
Figure BDA0001479484950000113
其中,
Figure BDA0001479484950000121
fξ为航迹向频率。
S42、对跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ)沿跨航向进行距离徙动校正处理,获得跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ),具体步骤包括:
S421、选用sinc(t)作为卷积核h(t),因此
Figure BDA0001479484950000122
将跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ)与卷积核h(t)做卷积运算,获得跨航向插值信号Stemp(t,η,fξ):
Figure BDA0001479484950000123
其中,卷积核长度i取为8;
S422、将跨航向插值信号Stemp(t,η,fξ)进行平移处理,使其平移指定距离ΔR,获得跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)。
其中,ΔR为
ΔR=R(t)-R0 (21)
跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)为
Figure BDA0001479484950000124
S43、对跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)进行匹配滤波处理,将跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)与跨航向频域匹配滤波器H(fξ)相乘,获得跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ)。
其中,跨航向频域匹配滤波器为
Figure BDA0001479484950000131
跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ)为
Figure BDA0001479484950000132
S44、对跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ)沿跨航向进行逆傅里叶变换,获得第三处理信号Sarc_hηξ(t,η,ξ):
Figure BDA0001479484950000133
其中,fξ为跨航向频率,Tξ为跨航向阵列天线工作一次的时间。
S5、取第三处理信号信号Sarc_hηξ(t,η,ξ)的幅度值,获得观测场景的三维图像S(t,η,ξ)即SAR图像;其中,令,S(t,η,ξ)=|Sarc_hηξ(t,η,ξ)|,|*|表示取“*”的幅度值,即可输出阵列天线下视成像三维图像S(t,η,ξ)。
综上所述,本发明实施例的机载阵列天线下视三维成像方法为三维距离多普勒算法(英文全称:Range Doppler algorithm,英文缩写:RD),能够通过对回波信号进行高程向、航迹向和跨航向上的频域操作,达到高效的模块化处理要求,同时又具有一维操作的简便性,可以将三维成像分维处理,并且分别在航迹向和跨航向的每一维中进行距离徙动校正处理,提高成像效率。并且,本发明实施例的发射信号采用FMCW信号,在接收机前端即可完成差频处理,得到差频信号,降低了采样频率,使信号处理的实际带宽大大的降低。
另外,相对于现有的利用空域算法的3D-SAR方法,本发明实施例的机载阵列天线下视三维成像方法为一种频域算法,采用频域分维处理,并且分别在三个维度进行压缩处理,无需坐标转换,只需在航迹向和跨航向距离徙动校正时分别进行一次插值处理即可。因此,本发明实施例的机载阵列天线下视三维成像方法的步骤简单、清晰,易于理解和操作,并且计算量较小,成像效率较高。
以上,仅为本发明的示意性描述,本领域技术人员应该知道,在不偏离本发明的工作原理的基础上,可以对本发明作出多种改进,这均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种机载阵列天线下视三维成像方法,其特征在于,包括:
S1、接收观测场景的回波信号Sre(t),对所述回波信号Sre(t)预处理,获得中频信号Sre(t,η,ξ);
S2、对所述中频信号Sre(t,η,ξ)沿高程向进行第一处理,获得第一处理信号SIFT_RVP(r,η,ξ);
S3、对所述第一处理信号SIFT_RVP(r,η,ξ)沿航迹向进行第二处理,获得第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ);
S4、对所述第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ)沿跨行向进行第三处理,获得第三处理信号Sarc_hηξ(t,η,ξ);
S5、取所述第三处理信号信号Sarc_hηξ(t,η,ξ)的幅度值,获得所述观测场景的三维图像S(t,η,ξ);其中,
t为所述回波信号的高程向时间,η为所述回波信号的航迹向时间,ξ为所述回波信号的跨行向时间,r为接收所述回波信号的起始和终止时刻对应的观测场景距离;
所述步骤S2中,所述第一处理的方法包括:S21、对所述中频信号Sre(t,η,ξ)沿高程向进行逆傅里叶变换,获得高程向压缩信号Sarc_h(t,η,ξ);S22、对所述高程向压缩信号Sarc_h(t,η,ξ)进行去斜、剩余视频相位补偿处理,获得所述第一处理信号SIFT_RVP(r,η,ξ);
所述步骤S3中,所述第二处理的方法包括:S31、对所述第一处理信号SIFT_RVP(r,η,ξ)沿航迹向进行傅里叶变换,获得航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ);S32、对所述航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ)沿航迹向进行距离徙动校正处理,获得航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ);S33、对所述航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)进行匹配滤波处理,获得航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ);S34、对所述航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ)沿航迹向进行逆傅里叶变换,获得所述第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ);其中,fη为航迹向频率;
所述步骤S4中,所述第三处理的方法包括:S41、对所述第二处理信号Sarc_hη(t,η,ξ)沿跨行向进行逆傅里叶变换,获得跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ);S42、对所述跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ)沿跨航向进行距离徙动校正处理,获得跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ);S43、对所述跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)进行匹配滤波处理,获得跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ);S44、对所述跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ)沿跨航向进行逆傅里叶变换,获得所述第三处理信号Sarc_hηξ(t,η,ξ);其中,fξ为跨航向频率。
2.如权利要求1所述的机载阵列天线下视三维成像方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述预处理的方法为:
对所述回波信号Sre(t)和产生所述回波信号的发射信号Str(t)进行混频处理,获得所述中频信号Sre(t,η,ξ)。
3.如权利要求1所述的机载阵列天线下视三维成像方法,其特征在于,所述沿航迹向进行距离徙动校正处理的方法包括:
S321、将所述航迹向频域信号SFT_re_arc(t,fη,ξ)与卷积核h(t)做卷积运算,获得航迹向插值信号Stemp(t,fη,ξ);
S322、对所述航迹向插值信号Stemp(t,fη,ξ)进行平移处理,获得所述航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ);其中,
所述卷积核
Figure FDA0003024172540000021
4.如权利要求1所述的机载阵列天线下视三维成像方法,其特征在于,对所述航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)进行匹配滤波处理的方法为:
将所述航迹向校正信号SFT_RCMC_η(t,fη,ξ)与航迹向频域匹配滤波器H(fη)相乘,获得所述航迹向频域匹配信号SFFT_η(t,fη,ξ);其中,
所述航迹向频域匹配滤波器
Figure FDA0003024172540000031
其中,Vr为探测所述观测场景的雷达平台的运行速度,R0为所述雷达平台的天线阵元到所述观测场景的最近斜率。
5.如权利要求1所述的机载阵列天线下视三维成像方法,其特征在于,对所述跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ)沿跨航向进行距离徙动校正处理的方法包括:
S421、将所述跨航向频域信号SFFT_arc_ξ(t,η,fξ)与卷积核h(t)做卷积运算,获得跨航向插值信号Stemp(t,η,fξ);
S422、将所述跨航向插值信号Stemp(t,η,fξ)进行平移处理,获得所述跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)。
6.如权利要求1所述的机载阵列天线下视三维成像方法,其特征在于,对所述跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)进行匹配滤波处理的方法为:
将所述跨航向校正信号SFFT_RCMC_ξ(t,η,fξ)与跨航向频域匹配滤波器H(fξ)相乘,获得跨航向频域匹配信号SFFT_ξ(t,η,fξ);其中,
所述跨航向频域匹配滤波器
Figure FDA0003024172540000032
其中,Vξ为跨航向阵列天线的阵元切换速度,R0为雷达平台的天线阵元到所述观测场景的最近斜距。
7.如权利要求1所述的机载阵列天线下视三维成像方法,其特征在于,所述回波信号Sre(t)为FMCW信号。
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