CN108872985A - 一种近场圆周sar快速三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种近场圆周SAR快速三维成像方法，涉及微波成像领域，首先将目标转换到极坐标格式下得到目标回波，然后利用波谱理论进行分析，采用角度域卷积计算，频率域积分运算的方式得到目标的二维成像结果。在此基础上通过不同高度值得到不同高度面目标散射特性函数，将不同高度面信息进行叠加，得到三维成像结果。本发明利用格林函数分解与层析成像相结合的思想提高了近场圆周成像运算速度，同时提高了成像分辨率，利用格林函数分解技术对目标回波进行精确聚焦，有效解决了聚焦卷积积分法对转动角度的限制，使用层析成像的思想得到三维成像结果，本发明通过仿真结果发现，能有效对目标回波数据进行精确成像。

Description

一种近场圆周SAR快速三维成像方法

技术领域

本发明涉及微波成像领域，尤其是一种三维成像方法。

背景技术

圆周SAR(Circular SAR，CSAR)是一种特殊的曲线合成孔径雷达模式，通过雷达平台绕场景中心旋转移动形成圆周轨迹，全方位录取场景回波数据，以满足更高的精细化观测需求。与常规合成孔径雷达成像模式相比，圆周SAR系统具有以下独特优势：(1)可以获取目标各个方向的散射特性，目标散射息提取能力更强，成像精度更高；(2)拓宽波数域有效带宽，理论分辨率达亚波长量级，使低波段高分辨成像成为可能，更有利于观测林下目标；(3)该成像系统可以获得目标的三维像，解决了传统成像系统只能获得目标二维像的限制，能有效减小甚至消除遮掩、阴影和透视缩短等现象。依据这些独特优势，圆周SAR成像技术对军事领域中的重点区域侦察、林下隐蔽目标识别具有重要的意义，在高精度测绘、灾害评估和精细资源管理等民用领域也拥有巨大的应用潜力，因此受到广泛的关注。

文献“基于转台的中场ISAR成像技术研究,电子测量技术,2007,30(10):9-32”公开了一种基于经典转台模型的中场区目标圆周SAR成像方法。该方法利用转台转动模型模拟雷达圆周运动，在此模型的基础上，对中场波前弯曲进行修正，并考虑中场条件下雷达波传播衰减和天线入射波束在成像域上不均匀照射的影响，加入传播衰减和天线方向图两个中场修正因子得到了基于球面波照射的中场成像公式，对该公式进行数学转化，转化后的结果为后向散射系数与聚焦函数在方位向的卷积，该卷积计算可通过快速傅里叶变换实现，由此可以得到中场成像目标的二维成像结果，该方法同样适用于近场成像，文献所述球面波聚焦卷积积分方法通过卷积计算可快速成像，但测试角度必须为一个圆周，否则不能满足卷积定义；其次该方法只能进行目标的二维成像算法，未给出三维成像算法。

发明内容

为了克服现有算法对转动角度的限制及三维成像的欠缺，本发明提出来一种基于近场圆周SAR快速三维成像方法。该方法利用格林函数分解的方法进行二维成像，首先将目标转换到极坐标格式下得到目标回波，然后利用波谱理论进行分析，采用角度域卷积计算，频率域积分运算的方式得到目标的二维成像结果。在此基础上通过不同高度值得到不同高度面目标散射特性函数，利用层析成像的原理，将不同高度面信息进行叠加，得到三维成像结果。该算法解决了球面波聚焦卷积法对角度要求的限制，并给出转台经一次圆周转动得到目标三维图像的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤一：获取二维成像的回波数据：

首先将目标维度由三维降为二维，假设场景中所有高度上的点都位于地平面；雷达向目标发射线性调频信号p(t)，设目标反射函数为f(x,y)，根据圆周SAR几何成像模型得到目标回波信号s(t,θ)，s(t,θ)可表示为：

其中，c代表光速，R(θ)表示为目标随雷达转动θ角度下雷达与目标间的距离，R表示对雷达与转台中心的水平距离，即等效为雷达运动半径，H表示雷达与地面的垂直高度，x表示目标的横坐标，y表示目标的纵坐标，t表示雷达接收到回波信号的时间，也称为快时间；

步骤二：回波信号预处理：

首先将目标f(x,y)由直角坐标系转换到极坐标下用表示，对回波信号在快时间t上做傅里叶变换，忽略幅度的影响，得到回波在距离频率-方位角域信号S(f,θ)，其表达式为：

其中，表示近场斜平面格林函数，其表达式为：k表示波数大小，表示在极坐标下目标位置，其中f表示快时间t经过傅里叶变换变为频率，为极坐标下目标反射函数；

步骤三：二维成像求解，具体步骤为：

对S(f,θ)进行傅里叶逆变换，得到目标的反射函数其表达式为：

雷达与目标距离R(θ)用极坐标表示并进行近似得到：

其中θ_z表示天线的俯视角，θ_z＝arctan(H/R)，此时目标反射函数表示为：

令k_r＝kcosθ_z,k_z＝ksinθ_z，重写为：

内部对角度的积分表示为卷积表达：

继续对进行简化：

此时完成了目标二维反射函数的极坐标表达式，将进行直角坐标转化得到了直角坐标系下的目标二维反射函数f(x,y)；

步骤四：三维成像求解：雷达高度向进行离散化，对应的离散网格数为N_z，不同雷达高度值得到不同高度平面下对应的目标二维反射函数，将不同高度面下的目标二维反射函数根据高度值填入三维数组中，第i个三维数组为f(x，y，i)，i＝1，2，…i,…N_z，则第N_z个三维数组为f(x,y,N_z)，即可得到最终目标三维成像结果。

本发明的有益效果是由于采用了一种基于格林函数分解的近场圆周三维成像方法，利用格林函数分解与层析成像相结合的思想提高了近场圆周成像运算速度，同时提高了成像分辨率。利用格林函数分解技术对目标回波进行精确聚焦，有效解决了聚焦卷积积分法对转动角度的限制，使用层析成像的思想得到三维成像结果，相比传统的成像方法来说，本发明成像方法在获得聚焦效果良好的三维目标像的同时提高测试效率，通过仿真结果发现，该算法能有效对目标回波数据进行精确成像。

附图说明

图1是本发明成像流程图。

图2是近场圆周目标成像模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明所述成像方法的流程图，以此为依据，利用图2所示的目标模型生成的近场圆周回波数据并进行成像：

步骤一：获取二维成像的回波数据：

首先忽略高度对成像的影响将目标维度由三维降为二维，假设场景中所有高度上的点都位于地平面；雷达向目标发射线性调频信号p(t)，设目标反射函数为f(x,y)，根据圆周SAR几何成像模型得到目标回波信号s(t,θ)，s(t,θ)可表示为：

其中，c代表光速，R(θ)表示为目标随雷达转动θ角度下雷达与目标间的距离，R表示对雷达与转台中心的水平距离，即等效为雷达运动半径，H表示雷达与地面的垂直高度，x表示目标的横坐标，y表示目标的纵坐标，t表示雷达接收到回波信号的时间，也称为快时间；

步骤二：回波信号预处理：

首先将目标f(x,y)由直角坐标系转换到极坐标下用表示，对回波信号在快时间t上做傅里叶变换，忽略幅度的影响，得到回波在距离频率-方位角域信号S(f,θ)，其表达式为：

其中，表示近场斜平面格林函数，其表达式为：k表示波数大小，表示在极坐标下目标位置，其中f表示快时间t经过傅里叶变换变为频率，为极坐标下目标反射函数；

步骤三：二维成像求解，具体步骤为：

对S(f,θ)进行傅里叶逆变换，得到目标的反射函数其表达式为：

雷达与目标距离R(θ)用极坐标表示并进行近似得到：

其中θ_z表示天线的俯视角，θ_z＝arctan(H/R)，此时目标反射函数表示为：

令k_r＝kcosθ_z,k_z＝ksinθ_z，重写为：

内部对角度的积分表示为卷积表达：

继续对进行简化：

此时完成了目标二维反射函数的极坐标表达式，将进行直角坐标转化得到了直角坐标系下的目标二维反射函数f(x,y)；

步骤四：三维成像求解：雷达高度向进行离散化，对应的离散网格数为N_z，不同雷达高度值得到不同高度平面下对应的目标二维反射函数，将不同高度面下的目标二维反射函数根据高度值填入三维数组中，第i个三维数组为f(x，y，i)，i＝1，2，…i,…N_z，则第N_z个三维数组为f(x,y,N_z)，即可得到最终目标三维成像结果。

实施例如下：

步骤一：获取二维成像的回波数据：首先忽略高度对成像的影响将目标维度由三维降为二维，假设场景中所有高度上的点都位于地平面。雷达向目标发射线性调频信号p(t)，设目标反射函数为f(x,y)，根据圆周SAR几何成像模型得到目标回波信号 s(t,θ)，s(t,θ)可表示为：

其中c代表光速，R(θ)表示为目标随雷达转动θ角度下雷达与目标间的距离，R表示对雷达与转台中心的水平距离，即等效为雷达运动半径，H表示雷达与地面的垂直高度。

本实施例中心频率采用S波段，雷达高度为5米，雷达距转台中心水平距离为5 米，下视角为45°，雷达旋转角度为360°，角度采样间隔为0.5°。经远近场公式计算其中D为目标大小，λ为波长，故该模型属于近场模型。

步骤二：回波信号预处理：将目标由直角坐标系转换到极坐标下用表示，此时R(θ)可表示为：

对回波信号在快时间上做傅里叶变换，忽略幅度的影响得到回波在距离频率-方位角度域信号S(f,θ)，其表达式为：

表示近场斜平面格林函数，其表达式为：k表示波数大小，k＝2πf/c。

步骤三：二维成像求解，具体步骤为：经过对S(f,θ)分析可知目标的二维反射函数是由S(f,θ)进行二维逆傅里叶变换得到的，其表达式为：

对R(θ)进行近似表示，

其中θ_z表示天线的俯视角，θ_z＝arctan(H/R)，此时目标反射函数可表示为：

令k_r＝kcosθ_z,k_z＝ksinθ_z，重写为：

内部对角度的积分可以表示为

继续对进行简化：

此时完成了极坐标下目标二维反射函数的求解，将进行直角坐标转化得到了直角坐标系下的目标二维反射函数f(x,y)。

步骤四：三维成像求解：雷达高度向进行离散化，对应的离散网格数为N_z，根据不同雷达高度值得到不同高度平面下目标二维反射函数，设置三维数组f(x,y,z)，将不同高度面下的目标二维反射函数数据根据高度值填入三维数组中，得到了最终目标三维成像结果。

通过本发明的实施例进行仿真测试，本发明所提出的近场圆周三维成像算法，与现有的算法对比，解决了球面波聚焦卷积积分法对角度的限制，得到了目标的三维成像结果，提高了运算速度。

Claims (1)

1.一种近场圆周SAR快速三维成像方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：获取二维成像的回波数据：

首先将目标维度由三维降为二维，假设场景中所有高度上的点都位于地平面；雷达向目标发射线性调频信号p(t)，设目标反射函数为f(x,y)，根据圆周SAR几何成像模型得到目标回波信号s(t,θ)，s(t,θ)可表示为：

其中，c代表光速，R(θ)表示为目标随雷达转动θ角度下雷达与目标间的距离，R表示对雷达与转台中心的水平距离，即等效为雷达运动半径，H表示雷达与地面的垂直高度，x表示目标的横坐标，y表示目标的纵坐标，t表示雷达接收到回波信号的时间，也称为快时间；

步骤二：回波信号预处理：

首先将目标f(x,y)由直角坐标系转换到极坐标下用表示，对回波信号在快时间t上做傅里叶变换，忽略幅度的影响，得到回波在距离频率-方位角域信号S(f,θ)，其表达式为：

其中，表示近场斜平面格林函数，其表达式为：k表示波数大小，ρ,表示在极坐标下目标位置，其中f表示快时间t经过傅里叶变换变为频率，为极坐标下目标反射函数；

步骤三：二维成像求解，具体步骤为：

对S(f,θ)进行傅里叶逆变换，得到目标的反射函数其表达式为：

雷达与目标距离R(θ)用极坐标表示并进行近似得到：

其中θ_z表示天线的俯视角，θ_z＝arctan(H/R)，此时目标反射函数表示为：

令k_r＝kcosθ_z,k_z＝ksinθ_z，重写为：

内部对角度的积分表示为卷积表达：

继续对进行简化：

此时完成了目标二维反射函数的极坐标表达式，将进行直角坐标转化得到了直角坐标系下的目标二维反射函数f(x,y)；

步骤四：三维成像求解：雷达高度向进行离散化，对应的离散网格数为N_z，不同雷达高度值得到不同高度平面下对应的目标二维反射函数，将不同高度面下的目标二维反射函数根据高度值填入三维数组中，第i个三维数组为f(x，y，i)，i＝1，2，…i,…N_z，则第N_z个三维数组为f(x,y,N_z)，即可得到最终目标三维成像结果。