3-dsar波數域快速成像的方法
2023-06-18 06:29:26
3-d sar波數域快速成像的方法
【專利摘要】本發明提供了一種3-D?SAR波數域快速成像的方法。該方法只對感興趣區域而不是整個三維觀測區域場景進行重建，從而避免了數據量的激增，能夠進行快速成像處理。
【專利說明】3-D SAR波數域快速成像的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷達成像和信號處理【技術領域】，尤其是機載下視陣列3-DSAR和多基線3-D SAR工作模式中跨航向孔徑長度遠小於跨航向測繪帶寬情況下的一種3-D SAR波數域快速成像的方法。
【背景技術】
[0002]機載陣列下視3-D SAR、多基線3_D SAR能夠獲得觀測區域場景三維散射信息，能夠克服常規側視SAR中的陰影、疊掩等問題，因此具有廣泛的應用前景。目前3-D SAR成像處理主要是先在波傳播方向和航跡向使用常規側視SAR成像處理方法中的RD、CS、ω-k等方法進行處理，然後在跨航向使用SPECAN、波束形成、壓縮感知等方法進行處理。這類成像處理方法對距離歷程進行泰勒展開近似處理，僅保留泰勒展開中的一次項和二次項，將三維成像轉換成波傳播和航跡向二維處理與跨航向一維處理。由於忽略了距離歷程中的三次及三次以上的高次項，因此對三維觀測區域場景不能夠精確重建，尤其是雷達到觀測區域距離較短及觀測區域測繪帶較大的時候，距離歷程的近似導致的重建誤差更大。
[0003]三維波數域方法能夠完全補償場景中的距離徙動，重建精度高，但是該類方法要求回波採集時綜合孔徑長度不小於成像區域以防止FFT出現卷繞，在機載下視陣列3-DSAR中，跨航向陣列天線長度一般為幾米，而跨航向幅寬為幾百米到幾千米，因此需要對回波數據進行大量補零，補零會帶來內存需求和計算量的激增。若直接使用三維波數域方法對整個觀測區域場景進行重建，無論是數據量還是計算量都非常大，從而限制了該方法在機載下視陣列3-D SAR中的應用。
【發明內容】
[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]為解決上述的一個或多個問題，本發明提供了一種3-D SAR波數域快速成像的方法。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]根據本發明的一個方面，提供了一種3-D SAR波數域快速成像的方法。該方法包括:步驟A，從3-D SAR回波數據中提取波傳播-航跡向二維數據和波傳播-跨航向二維數據；步驟B，對波傳播-航跡向二維數據和波傳播-跨航向二維數據分別採用二維成像處理方法進行重建，得到波傳播-航跡向二維圖像和波傳播-跨航向二維圖像，其中σ為雷達後向散射係數；步驟C，由波傳播-航跡向二維圖像和波傳播-跨航向二維圖像反映出的觀測區域場景目標散射特性，搜尋得到整個三維觀測區域場景中感興趣區域；步驟D，對3-DSAR回波數據進行匹配濾波，並沿波傳播向設置距離門限，使感興趣區域落在波傳播方向距離門限內，感興趣區域之外的區域落在波傳播方向距離門限之外，僅保留距離門限內的數據；步驟Ε，對航跡向空域、跨航向空域、波傳播向空域信號沿航跡向、跨航向和波傳播向進行三維FFT，得到航跡向、跨航向和波傳播向三維波數域信號；步驟F，將波傳播方向、航跡向和跨航向三維波數域信號進行場景中心距離徙動校正和殘餘距離徙動校正；以及步驟G，對完成場景中心距離徙動校正和殘餘距離徙動校正的波傳播方向、航跡向和跨航向三維波數域信號沿波傳播方向、航跡向和跨航向進行三維IFFT，得到精確重建的感興趣區域三維圖像。
[0008](三)有益效果
[0009]從上述技術方案可以看出，本發明3-D SAR波數域快速成像的方法只對感興趣區域而不是整個三維觀測區域場景進行重建，從而避免了數據量的激增，能夠進行快速成像處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為機載下視陣列3-D SAR成像場景的立體示意圖；
[0011]圖2A至圖2C分別為圖1所示成像場景沿波傳播-軌跡向、軌跡向-跨航向、波傳播-跨航向的剖面示意圖；
[0012]圖3為機載下視陣列3-D SAR波束覆蓋區與感興趣區域的示意圖；
[0013]圖4為本發明實施例3-D SAR波數域快速成像方法的流程圖；
[0014]圖5A和圖5B為地基雷達實驗場景目標放置位置沿不同視角的視圖。
[0015]圖6A至圖6F為地基雷達實驗數據採用本發明方法的處理結果，其中:
[0016]圖6A為Y方向-Z方向二維波數域重建和ROI選取；
[0017]圖6B為X方向-Z方向二維波數域重建和ROI選取；
[0018]圖6C為ROI三維波數域重建結果；
[0019]圖6D為ROI三維重建結果在X-Y平面最大值投影；
[0020]圖6E為ROI三維重建結果在X-Z平面最大值投影；
[0021 ]圖6F為ROI三維重建結果在Y-Z平面最大值投影。
【具體實施方式】
[0022]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。
[0023]本發明3D SAR波數域快速成像方法適用於機載下視陣列3-D SAR、多基線3_D SAR等成像模式中跨航向孔徑長度遠小於跨航向幅寬(Le/[2H sin(0e/2)]≤0.01，Le為跨航向孔徑長度，一般為幾米；2H sin(0e/2)為跨航向幅寬，一般為千米量級，其中H為載機飛行高度，為天線在跨航向波束寬度)的情況下，由於觀測區域場景在整個三維空間中呈現稀疏分布，直接對觀測區域場景中感興趣區域(Region of Interest,簡稱R0I)進行重建，既能降低數據量又能減少運算量。
[0024]圖1為機載下視陣列3-D SAR成像場景的立體示意圖。請參照圖1，航跡向平行於載機平臺運動方向，將其定義為X軸；跨航向平行於陣列向，將其定義為Y軸；波傳播向自上而下垂直於XY平面，將其定義為Z軸。X軸、Y軸和Z軸相交於坐標原點O。P為觀測區域場景目標。[0025]圖2A至圖2C分別為圖1所示成像場景沿波傳播_軌跡向、軌跡向_跨航向、波傳播-跨航向的剖面示意圖。從圖2A至圖2C可看出，整個三維觀測區域場景在不同平面上的投影呈現不同的目標分布特徵。目標在不同平面上投影后的分布特徵，可在進行ROI確定時作為一個重要的依據和參考。
[0026]圖3為機載下視陣列3-D SAR波束覆蓋區與感興趣區域的示意圖。請參照圖3中左圖，與雷達相作用的觀測區域場景只是數字表面模型部分和電磁波穿透部分，從整個三維空間分布來看，觀測區域場景是稀疏分布的。而感興趣區域只佔整個三維觀測區域場景中很小的一部分，如圖3右圖所示。
[0027]在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種3-D SAR波數域快速成像的方法。圖4為本發明實施例3-D SAR波數域快速成像方法的流程圖。如圖4所示，本實施例包括如下步驟:
[0028]步驟A:從3-D SAR回波數據j中提取波傳播-航跡向二維數據和波傳播-跨航向二維數據；
[0029]針對3-D SAR獲取的三維回波數據，其中\代表航跡向採用位置，7?代表跨航向採樣位置，；代表波傳播方向快時間採樣，從三維回波數據乂中沿跨航向中心提取波傳播-航跡向(即X-Z方向)二維回波數據，其中，ync代表跨航向採樣中心，從三維回波數據中沿航跡向中心提取波傳播-跨航向(即Y-Z方向)二維回波數據，其中，Xm。代表航跡向採樣中心。
[0030]步驟B:對波傳播-航跡向二維數據和波傳播-跨航向二維數據
P)分別採用二維成像處理方法進行重建，重建後得到波傳播-航跡向二維圖像
O (χ,ζ)和波傳播-跨航向二維圖像σ (y，z)，其中σ為雷達後向散射係數；
[0031]由於航跡向合成孔徑由載機運動獲得，一般比較長，因此對于波傳播-航跡向二維數據的重建一般選取二維波數域方法、極坐標方法和後向投影方法。
[0032]由於跨航向陣列長度較短，由於需要沿跨航向大量補零以防止FFT卷繞，不太適合選取二維波數域方法進行重建，因此對于波傳播-跨航向二維圖像一般選取極坐標方法和後向投影方法等進行重建。
[0033]然而，對波傳播-航跡向二維數據和波傳播-跨航向二維數據的二維成像處理不局限於本實施例提到的方法，本領域技術人員可根據實際情況靈活選擇。
[0034]沿航跡向和跨航向採樣中心抽取的二維信號進行二維成像處理時不需要補償數據抽取帶來的都卜勒中心偏移，降低了二維成像處理的複雜度。
[0035]步驟C:由波傳播-航跡向二維圖像σ (X，ζ)和波傳播-跨航向二維圖像σ (y，z)反映出的觀測區域場景目標散射特性，搜尋得到整個三維觀測區域場景中感興趣區域；
`[0036]本步驟中,對波傳播-航跡向和波傳播-跨航向二維圖像σ (X，ζ)和σ (y，ζ)進行分析處理，藉助于波傳播-航跡向和波傳播-跨航向兩幅不同二維圖像反映出的觀測區域場景目標散射特性，比如目標散射外形、散射強弱等信息，搜尋整個三維觀測區域場景中感興趣區域。
[0037]比如房屋在雷達散射圖像中呈現出較規則輪廓，在散射圖像中，根據房屋輪廓佔據的採樣點數和解析度可以得到房屋輪廓對應的尺寸，兩幅散射圖像可以確定整個房屋輪廓佔據的面積，對比輪廓面積和實際房屋尺寸，標記房屋在三維觀測區域場景中的位置，確定感興趣區域。
[0038]步驟D:對三維回波數據進行匹配濾波，並沿波傳播向設置距離門限，，使感興趣區域落在波傳播方向距離門限內，感興趣區域之外的區域落在波傳播方向距離門限之外，僅保留距離門限內的數據；
[0039]具體來講，本步驟D又可以包括:
[0040]子步驟D1，對航跡向空域、跨航向空域、波傳播時域三維回波數據沿波傳播方向進行FFT，變換到航跡向空域、跨航向空域、波傳播頻域；
[0041]子步驟D2，在波傳播方向乘以匹配濾波器，沿波傳播方向進行IFFT，完成匹配濾波，得到航跡向空域、跨航向空域、波傳播時域信號，其中匹配濾波器為發射信號頻域形式的復共軛；
[0042]子步驟D3，將子步驟D2中得到的航跡向空域、跨航向空域、波傳播時域信號沿波傳播方向設置距離門限(具體表現為沿波傳播方向乘以矩形窗函數)，該距離門限在波傳播方向截取有距離徙動曲線的區域，使感興趣區域落在門限之內，感興趣區域之外的區域落在距離門限之外。落在門限之內的數據沿波傳播方向保留不變，落在門限外的數據沿波傳播方向置零，這樣降低了波傳播方向數據量，從而可以降低整個三維回波數據量；
[0043]觀測區域場景目標匹配濾波得到的波傳播方向時域信號包絡呈現距離徙動曲線，沒有目標的區域沒有距離徙動曲線。
[0044]子步驟D4，根據感興趣區域尺寸和跨航向合成孔徑長度，沿跨航向補零以防止FFT出現卷繞。
[0045]一般情況下，選取的感興趣區域在跨航向尺寸與跨航向合成孔徑長度處在一個數量級，基本不需要補零或者只需要補很少倍數的零，極大降低三維波數域處理數據量。
[0046]步驟E:對航跡向空域、跨航向空域、波傳播向空域信號沿航跡向、跨航向和波傳播向進行三維FFT，得到航跡向、跨航向和波傳播向三維波數域信號；
[0047]步驟F，將波傳播方向、航跡向和跨航向三維波數域信號進行場景中心距離徙動校正和殘餘距離徙動校正；
[0048]具體來講，本步驟F又可以分為如下子步驟:
[0049]子步驟F1，對三維波數域信號乘以場景中心相位補償函數，完成場景中心距離徙動校正，此時，非場景相位中心存在殘餘距離徙動。
[0050]場景中心相位補償函數在波傳播方向、航跡向、跨航向三維波數域生成，生成的相位補償函數為:
[0051 ] Λ；.(K人 Ky)=哪+ KxXac + Kvyiic]!
[0052]其中，Κω為波傳播方向波數，Kx為航跡向波數，Ky為跨航向波數，Rc為場景中心在波傳播方向斜距，Xfflc為場景中心在航跡向坐標，Ync為場景中心在跨航向坐標。
[0053]子步驟F2，將完成場景中心距離徙動校正的三維波數域信號在三維波數域進行三維Stolt插值，完成殘餘距離徙動校正，此時場景中心和非場景中心距離徙動均已校正完成。
[0054]需要說明的是，對三維波數域信號進行場景中心距離徙動校正和殘餘距離徙動校正均是採用的現有技術中的相關方法，例如:相位中心補償函數方法、Stolt插值方法等等，此處不再詳細闡述。
[0055]步驟G，對完成場景中心距離徙動校正和殘餘距離徙動校正的波傳播方向、航跡向和跨航向三維波數域信號沿波傳播方向、航跡向和跨航向進行三維IFFT，得到精確重建的感興趣區域三維圖像。
[0056]至此，本實施例介紹完畢。本領域技術人員依據上述描述，應當能夠對本發明3-DSAR波數域快速成像的方法有了清楚的了解。
[0057]圖5A和圖5B為地基雷達實驗場景目標放置位置沿不同視角的視圖。圖6A至圖6F為地基雷達實驗數據採用本發明方法的處理結果，其中:圖6A為Y方向-Z方向二維波數域重建和ROI選取，圖6B為X方向-Z方向二維波數域重建和ROI選取，圖6C為ROI三維波數域重建結果，圖6D為ROI三維重建結果在X-Y平面最大值投影，圖6E為ROI三維重建結果在X-Z平面最大值投影，圖6F為ROI三維重建結果在Y-Z平面最大值投影。通過對地基雷達實驗數據的處理驗證了本發明方法的有效性。
[0058]需要說明的是，上述對各元件和實現方式的定義並不僅限於實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換。
[0059]綜上所述，本發明3-D SAR波數域快速成像的方法藉助於兩幅二維圖像搜尋得到感興趣區域在三維觀測區域場景中的位置，只對感興趣區域使用三維波數域方法進行重建即可得到感興趣區域高精度三維重建結果，由於感興趣區域相對於整個三維場景而言是很小的一部分，便於使用三維波數域方法進行快速重建。
[0060]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種3-D SAR波數域快速成像的方法，其特徵在於，包括: 步驟A，從3-D SAR回波數據中提取波傳播-航跡向二維數據和波傳播-跨航向二維數據； 步驟B，對波傳播-航跡向二維數據和波傳播-跨航向二維數據分別採用二維成像處理方法進行重建，得到波傳播-航跡向二維圖像和波傳播-跨航向二維圖像，其中σ為雷達後向散射係數； 步驟C，由波傳播-航跡向二維圖像和波傳播-跨航向二維圖像反映出的觀測區域場景目標散射特性，搜尋得到整個三維觀測區域場景中感興趣區域； 步驟D，對3-D SAR回波數據進行匹配濾波，並沿波傳播向設置距離門限，使感興趣區域落在波傳播方向距離門限內，感興趣區域之外的區域落在波傳播方向距離門限之外，僅保留距離門限內的數據； 步驟E，對航跡向空域、跨航向空域、波傳播向空域信號沿航跡向、跨航向和波傳播向進行三維FFT，得到航跡向、跨航向和波傳播向三維波數域信號； 步驟F，將波傳播方向、航跡向和跨航向三維波數域信號進行場景中心距離徙動校正和殘餘距離徙動校正；以及 步驟G，對完成場景中心距離徙動校正和殘餘距離徙動校正的波傳播方向、航跡向和跨航向三維波數域信號沿波傳播方向、航跡向和跨航向進行三維IFFT，得到精確重建的感興趣區域三維圖像。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟D包括: 子步驟D1，對航跡向空域、跨航向空域、波傳播時域3-D SAR回波數據沿波傳播方向進行FFT，變換到航跡向空域、跨航向空域、波傳播頻域； 子步驟D2，在波傳播方向乘以匹配濾波器，沿波傳播方向進行IFFT，完成匹配濾波，得到航跡向空域、跨航向空域、波傳播時域信號； 子步驟D3，沿波傳播方向設置距離門限以截取有距離徙動曲線的區域，該距離門限使感興趣區域落在波傳播方向距離門限內，感興趣區域之外的區域落在波傳播方向距離門限之外，保留門限內的數據，將門限外的數據置零。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟D3之後還包括: 子步驟D4，根據感興趣區域尺寸和跨航向合成孔徑長度，沿跨航向補零以防止FFT出現卷繞。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟F包括: 子步驟F1，對三維波數域信號乘以場景中心相位補償函數，完成場景中心距離徙動校正； 子步驟F2，將完成場景中心距離徙動校正的三維波數域信號在三維波數域進行三維Stolt插值，完成殘餘距離徙動校正。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述步驟Fl中場景中心相位補償函數在波傳播方向、航跡向、跨航向三維波數域生成，生成的相位補償函數為:
Λ『(.(Κ—Κ、:，Kr) = cxp{A,j4K:-K:-K；R + KxXnic + Kry,J ^ 其中，κω為波傳播方向波數,Kx為航跡向波數,Ky為跨航向波數,R。為場景中心在波傳播方向斜距，XMc為場景中心在航跡向坐標，Ync為場景中心在跨航向坐標。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟B中: 所述波傳播-航跡向二維數據的重建採用二維波數域方法、極坐標方法或後向投影方法；以及 所述波傳播-跨航向二維數據的重建採用極坐標方法或後向投影方法。
7.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟C中，所述觀測區域場景目標散射特性為目標散射外形信 息和/或散射強弱信息。
【文檔編號】G01S13/90GK103630900SQ201310106854
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年3月29日 優先權日:2013年3月29日
【發明者】王彥平, 彭學明, 譚維賢, 洪文, 吳一戎 申請人:中國科學院電子學研究所