CN116736301A - 星载极地冰雷达三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种星载极地冰雷达三维成像方法，首先获取天线的回波信号，并将同一天线接收的信号叠加；随后将叠加得到的图像进行距离向二次压缩和中心点距离徙动矫正；进一步进行补余距离徙动矫正；并通过相位相乘完成方位向压缩，得到冰下二维图像；随后进行对应的附加相位相乘后，对冰下二维图像分别进行跨航迹向距离徙动矫正，使所有天线的距离向信号都与中心天线保持一致；将矫正后的二维图像都写入三维数组得到三维图像；将三维图像在跨航迹向进行参考函数相乘，并沿跨航迹向补偿在二维图像中附加的相位；最后进行三维图像跨航迹向傅里叶变换，得到三维聚焦图像。本发明运算效率较高，通过对第三维的压缩成像，能够得到更加丰富的冰下数据。

Description

星载极地冰雷达三维成像方法

技术领域

本发明涉及极地探冰合成孔径雷达成像领域，具体是星载极地冰雷达的三维成像方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种高分辨的微波成像系统，它发射微波信号并接收来自地面目标的散射回波。极地冰雷达是通过发射电磁脉冲，并接受来自冰下的反射波，通过成像处理得到冰层图像。

合成孔径雷达通过发射宽带信号，结合合成孔径技术，SAR能在距离向和方位向上同时获得二维高分辨率图像。与传统光学遥感和高光谱遥感相比，SAR具备全天候、全天时的成像能力，还有一定的穿透性，获得的图像能够反映目标微波散射特性，是人类获取地物信息的一种重要技术手段。随着科学技术的进步，星载SAR正朝着能够为人们提供更为广阔、更为丰富、更为细致目标信息的方向发展。由于观测高度的变化，星载SAR接收的回波会受到来自跨航迹向散射的影响，因此星载SAR需要在第三维做聚焦处理。

极地是地球环境系统的重要组成部分，反映和影响着全球气候与海平面的变化，因此对于探冰雷达的研究具有十分重要的现实意义。由于环境因素的制约，迄今为止，极地冰盖仍旧是地球上人类认识最为匮乏的区域之一。与传统SAR相比，探冰雷达具有穿透冰层能力强、测量时更加灵活高效等特点，是研究分析地下冰层的有效方法之一。然而，由于观测体制发生变化，在探冰雷达中低频电磁波会穿透数公里的冰层，传播机理更为复杂、系统指标需求也更为苛刻，同时也会受到来自于冰下杂波的影响，还需考虑对于星载探冰雷达由于观测高度的提升所导致的跨航迹向分辨率降低等问题，因此对于星载探冰雷达的研究更为困难。现有技术中，在车载的情境下，通过使用基于尺度逆傅里叶变换(ISFT)的距离徙动算法，代替了传统算法在二位频域中的Stolt插值操作，将Stolt插值和IFFT变换结合在一起同步完成，解决了因需要不断更新雷达与点目标之间间距所导致的运算效率低下的问题。目前，该算法只应用于车载二维成像，本发明考虑实现一种星载三维的成像方法。

发明内容

针对上述已有技术，本发明提供了星载极地SAR的三维成像方法，利用构建星载的卫星阵列，实现对于冰下的三维成像；首先阵列中的每一颗雷达接收来自冰下的二维回波，对接收的二维回波进行处理，完成二维成像。再对二维成像附加相位，将所有二维信号写入三维数组得到三维信号，最后对三维信号在跨航迹向进行处理，得到最终的三维成像。

所述的星载极地SAR的三维成像方法，具体步骤为：

步骤一、在距离向和跨航迹向分别布置多个点目标，构建星载天线阵列，通过最中心天线上的极地探冰雷达发射脉冲信号，所有天线同时接收冰下回波，采集得到的回波信号：

S_m，n(τ，t)

其中，m表示天线阵列中各天线的位置，n表示各跨航迹向所布点目标,τ表示距离向时间,t表示方位向时间。将同一天线所接收的所有信号进行叠加，得到叠加的二维图像S_m(τ，t)。

步骤二、将时域图像S_m(τ，t)变换到二位频域后，与参考函数相乘，完成距离向二次压缩和中心点距离徙动矫正；

应用尺度逆傅里叶变换(ISFT)，将信号变换到距离多普勒域的同时，完成补余距离徙动矫正；通过相位相乘完成方位向压缩，得到叠加的二维成像，记为冰下的二维图像Z_m(τ，t)；

步骤三、将每一组叠加的二维成像Z_m(τ，t)分别做对应的附加相位相乘，参考函数为：H_m(τ，d)，其中d表示冰层深度,沿距离向时间更新；

Z_m(τ，t)＝Z_m(τ，t)*H_m(τ，t)

步骤四、将所有二维图像Z_m(τ，t)分别进行跨航迹向距离徙动矫正，使所有天线的距离向信号都与中心天线保持一致；将矫正后的二维图像都写入三维数组，得到三维图像Z(τ，t，m)；

步骤五、将三维图像在跨航迹向进行参考函数相乘，参考函数为沿跨航迹向补偿在二维图像中附加的相位H_m(τ，d)；

步骤六、对补偿相位后的三维图像做跨航迹向傅里叶变换，得到三维聚焦图像，即为冰下的三维图像。

本发明的优点在于：

1、本发明星载极地冰雷达三维成像方法，在已有的基于ISFT的二维车载算法的基础上，验证了该算法在星载情景的适用性，并构造了卫星阵列，实现了冰下的三维成像。

2、本发明星载极地冰雷达三维成像方法，运算效率较高，能够有效快速的实现，同时通过对第三维的压缩成像，能够得到更加丰富的冰下数据。

附图说明

图1为本发明星载极地冰雷达三维成像方法流程图；

图2为星载雷达系统接收回波的几何关系示意图；

图3为本发明的实施例中仿真所使用的天线阵与布置点阵间的几何关系示意图；

图4为本发明的实施例中提取的点目标三维成像结果；

图5a为中心点目标成像结果距离向剖面；

图5b为中心点目标成像结果方位向剖面；

图6a为左上角点目标成像结果距离向剖面

图6b为左上角点目标成像结果方位向剖面；

图7为相邻三个点目标成像结果跨航迹向剖面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明星载极地三维SAR成像方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、在距离向和跨航迹向分别布置多个点目标，构建星载天线阵列，通过最中心天线上的极地探冰雷达发射脉冲信号，所有天线同时接收冰下回波，采集得到的回波信号。

对雷达系统发射脉冲与接收回波信号的几何关系进行推导，本发明中所使用的雷达参数如表所示：

表1雷达参数

参数类型	数值	单位
			雷达类型	线性调频脉冲	---
载频	300	MHz
			发射脉冲宽度	30
带宽	10	MHz
			采样率	12	MHz
PRF	360	Hz
			距离向天线长度	1	m
雷达速度	7563	m/s
			合成孔径长度	13000	m

本发明所用的雷达系统接收发射脉冲回波信号的几何关系，如图2所示，坐标原点O为雷达发射脉冲穿透冰层的点，A为雷达位置，B为点目标位置；x表示雷达与点目标之间的距离在方位向上的投影；y表示雷达与点目标之间的距离在跨航迹向上的投影；θ_1，m，n与θ_2，m，n分别表示探冰雷达发射脉冲穿过冰层的入射角与反射角；α_1，m，n与α_2，m，n为θ_1，m，n与θ_2，m，n在跨航迹向上的投影，所有雷达组成的天线阵列沿y方向布置，相邻雷达之间的α_1，m，n角度差相同，即Δα₁为定值；m表示不同天线上的雷达编号，n表示跨航迹向点目标位置；h₁与h₂分别表示雷达到地面的高度与点目标的冰下深度；x,y,z三个方向分别为方位向、跨航迹向与距离向。

雷达系统发射脉冲与接收回波信号的几何关系进行推导过程具体为：

A、发射脉冲过程几何关系。

rect()表示方波信号，K表示调频率，T表示发射脉冲宽度，ω_c为中心频率，j为虚数单位，雷达发射的线性调频脉冲为：

s(τ)＝rect(τ/T)exp(jπKτ²)exp(jω_cτ)

式中，τ表示距离向时间。

根据折射定律，冰层相对介电常数为ε_r，设雷达运行速度为v，则有：

y＝h₁*tanα_1，m+h₂*tanα_2，m

式中，t表示方位向时间。

点D、C为点O、B在距离向的投影，AC、DC记为x₁与x₂，有几何关系：

整理可得关于x₂的方程：

x₂仅有一个具有物理意义的解，考虑脉冲信号在冰层中传播速度的改变，由于只有中心雷达发射信号，故距离只与跨航迹向布点n有关，可得雷达与点目标之间的等效距离R_1，n(t，h₂)为：

B、接收脉冲过程几何关系。

与上述发射脉冲时的几何关系同理，由于天线上所有雷达都会接收信号，故接收信号还与雷达的位置有关，等效距离记为R_2，m，n(t，h₂)，L表示合成孔径长度，c表示光速，得到回波信号为：

将同一雷达接收的跨航迹向上的所有回波信号进行叠加，得到最终回波信号为：

基于前述获取的回波数据，本发明星载极地SAR的三维成像方法，如图2所示，具体步骤为：

步骤2、基于ISFT实现二维成像

由于跨航迹向不同点目标之间的距离远小于雷达度，故可以对上述叠加的回波信号直接通过跨航迹向中心点目标的参数近似处理，h_m为雷达的等效高度，dref_m为冰下的参考深度，记发射信号在冰下的参考深度为dref₀，接收信号的参考深度为dref_m，2,线性调频信号在冰下的距离为d_m，Rmid_m为各雷达到场景中心点的最短斜距，中心雷达斜距记为Rmid₀；

h_m≈(h₁+h₁/cosα_1，m)/2

dref₀＝h₂

dref_m，2＝h₂/cosα_1，m

dref_m≈(dref₀+dref_m，2)/2

算法的具体流程为：

1)将接收到的回波信号变换到二位频域，得到频谱为：

其中，f_c表示雷达载频，f_τ表示距离向频率，f_t表示方位向频率；j为虚数单位；

2)将得到的二维频谱G_m(f_τ，f_t)与参考函数相乘，实现参考深度处的聚焦，参考函数为：

3)应用ISFT补偿残余距离徙动，同时将信号变换到距离向时域，距离徙动参数记为D_m(f_t，v)；

具体为：

3.1通过尺度变换将原信号关于f_τ/D_m(f_τ，v)做傅里叶逆变换，具体为：

式中，为尺度变换回到时域后更新的距离向时间。

3.2残余距离方位耦合，使用的相位函数为：

式中，B为信号带宽，F_m(B)为信号的相位减少因子，表达式为：

3.3残余方位压缩，参考函数为：

3.4将信号做方位向傅里叶逆变换，回到时域，得到二维成像Z_m(τ，t)。

步骤三、对二维成像Z_m(τ，t)附加关于冰下深度d_m的线性相位H_m(τ，d)，目的是不同跨航迹向点的d_m不同，将不同信号在第三维区分，后续处理可以使信号在第三维完成聚焦；

H_m(τ，d)＝exp(-j2ω_cd_m/c)

Z_m(τ，t)＝Z_m(τ，t)*H_m(τ，d)

步骤四、将附加H_m(τ，d)后的Z_m(τ，t)进行跨航迹向距离徙动矫正，使所有天线的距离向信号都与中心天线保持一致，由此补偿在同一跨航迹向上，由于各雷达与点目标之间的距离不同所导致的相位差为：

补偿相位函数为：

F_m(τ，d)＝exp(-j2ω_cΔRmid_m(h₂)/c)

Z_m(τ，t)＝Z_m(τ，t)*F_m(τ，d)

将完成跨航迹向距离徙动矫正后的二维图像写入三维数组Z(τ，t，m)

步骤五、对步骤四中附加线性相位H_m(τ，d)后的Z_m(τ，t)在跨航迹向进行聚焦处理，冰下深度为d_m，其最小值记为d₀，计算公式如下：

步骤六、对步骤五处理后的Z(τ，t，m)在跨航迹向做傅里叶变换，完成第三维的压缩，得到三维聚焦图像，即为冰下的三维图像。压缩后的信号为z(τ，t，f_m):

z(τ，t，f_m)＝F_m{Z(τ，t，m)}

其中，F_m{·}表示对m做傅里叶变换，f_m表示跨航迹向频率。

实施例：

如图3所示，使用仿真软件在跨航迹向和距离向布置3×3×3的点阵，中心点O位于中心雷达正下方，跨航迹向点目标间距Δα为0.025度，距离向点目标间距为500米；天线阵列共布置了41颗雷达，相邻雷达间距为0.01度，中心雷达发射信号，所有雷达均会接收到来自3×3×3点目标的回波信号，图四为天线阵最边缘雷达接收的所有点目标的叠加回波,即

α_1，1，1＝0.225

α_1，1，2＝0.2

α_1，1，3＝0.175

下表为仿真时使用的雷达与点目标几何关系的参数：

表2仿真时使用的雷达与点目标几何关系

参数类型	数值	单位
			雷达到地面的高度	600	Km
点目标冰下深度	2000	m
			天线阵总长度	0.4	deg
天线数量	41	---
			雷达之间间距	0.01	deg

步骤一、得到回波信号S_1，1(τ，t),S_1，2(τ，t)与S_1，3(τ，t)；

叠加得到：

步骤二、以其中一个天线回波S₁(τ，t)为例，应用基于ISFT的距离徙动算法实现二维成像，得到的二维图像Z₁(τ，t)，图像在距离向和方位向实现了聚焦；使用的参数d₁近似应用中心点的位置，即n＝2时的实际位置。

步骤三、对二维图像Z₁(τ，t)附加线性相位H₁(τ，d)；之后对其他位置天线重复上述操作，分别得到二维图像Z_m(τ，t)。

步骤四、在跨航迹向做距离徙动矫正后，将Z_m(τ，t)写入三维数组，得到Z(τ，t，m)；

步骤五、在跨航迹向进行相位处理；

步骤六、对跨航迹向做傅里叶变换，得到三维成像，如图4所示为其中一个方位向采集到的3×3点阵，其中在距离向布置了2048个采样点，方位向布置了1024个采样点，跨航迹向布置了82个采样点。

结果表示：利用本发明可以采集到冰下的三维数据，如图5、图6所示为中心点目标与左上角边缘点目标在距离向和方位向剖面，图7为三个点目标在跨航迹向的剖面。通过分析剖面可以得到点目标在距离向、方位向和跨航迹向的分辨率，并与理论分辨率对比，理论分辨率计算公式如下：

其中，ρ_r表示距离向分辨率，ρ_a表示方位向分辨率，ρ_m表示跨航迹向分辨率，B_r为距离向信号带宽，L为合成孔径长度，L_m为天线阵总长度，通过计算得到的分辨率理论值与分析剖面所得实际值如下表所示：

表3分辨率理论值与分析剖面所得实际值

可以看出，利用本发明的成像方法，可以实现三维成像，仿真所得结果的分辨率较好。

Claims (2)

1.星载极地冰雷达三维成像方法，其特征在于：具体步骤为：

步骤一、在距离向和跨航迹向分别布置多个点目标，构建星载天线阵列，通过最中心天线上的极地探冰雷达发射脉冲信号，所有天线同时接收冰下回波，采集得到的回波信号；

S_m，n(τ，t)

其中，m表示天线阵列中各天线的位置，n表示各跨航迹向所布点目标，τ表示距离向时间，t表示方位向时间；

将同一天线所接收的所有回波信号进行叠加，得到叠加的二维图像S_m(τ，t)；

步骤二、将二维图像S_m(τ，t)变换到二位频域，随后与参考函数相乘，完成距离向二次压缩和中心点距离徙动矫正，得到冰下的二维图像Z_m(τ，t)；

步骤三、将每一组冰下的二维图像Z_m(τ，t)分别做对应的附加相位相乘，参考函数为H_m(τ，d)，其中，d表示冰层深度，沿距离向时间更新；

步骤四、将与H_m(τ，d)相乘后的所有二维图像Z_m(τ，t)分别进行跨航迹向距离徙动矫正，使所有天线的距离向信号都与中心天线保持一致；进一步将矫正后的二维图像都写入三维数组，得到三维图像Z(τ，t，m)；

步骤五、将三维图像在跨航迹向进行参考函数相乘，参考函数为沿跨航迹向补偿在二维图像中附加的相位H_m(τ，d)；

步骤六、对补偿相位后的三维图像做跨航迹向傅里叶变换，得到三维聚焦图像，即为冰下的三维图像。

2.如权利要求1所述星载极地冰雷达三维成像方法，其特征在于：步骤2的具体方法为：

1)将接收到的回波信号变换到二位频域，得到频谱为：

其中，rect()表示方波信号；f_c表示雷达载频，f_τ表示距离向频率，f_t表示方位向频率；h_m为雷达的等效高度；j为虚数单位；c表示光速；v为雷达运行速度；d_m为线性调频信号在冰下的距离；ε_r为冰层相对介电常数；

2)将得到的二维频谱G_m(f_τ，f_t)与参考函数相乘，实现参考深度处的聚焦；参考函数为：

式中，dref_m为冰下的参考深度；

3)应用ISFT补偿残余距离徙动，同时将信号变换到距离向时域，距离徙动参数记为D_m(f_t，v)；

具体为：

3.1通过尺度变换将原信号关于f_τ/D_m(f_τ，f_t)做傅里叶逆变换：

式中，为尺度变换回到时域后更新的距离向时间；

3.2残余距离方位耦合，使用的相位函数为：

式中，B为信号带宽，F_m(B)为信号的相位减少因子，表达式为：

3.3残余方位压缩，参考函数为：

3.4将信号做方位向傅里叶变换，回到时域，得到二维成像Z_m(τ，t)。

步骤三、对二维成像Z_m(τ，t)附加关于冰下深度d_m的线性相位H_m(τ，d)，目的是不同跨航迹向点的d_m不同，将不同信号在第三维区分，后续处理可以使信号在第三维完成聚焦；

H_m(τ，d)＝exp(-j2ω_cd_m/c)

Z_m(τ，t)＝Z_m(τ，t)*H_m(τ，d)。

式中，ω_c为构建星载天线阵列中心频率。